CN116232439B - 基于北斗的5g atg地面基站对空覆盖姿态测量与调控方法 - Google Patents

基于北斗的5g atg地面基站对空覆盖姿态测量与调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于北斗的5G ATG地面基站对空覆盖姿态测量与调控方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、采用北斗多天线测姿技术进行5G ATG地面基站天线姿态测量；S2、判断5G ATG地面基站信号能否覆盖飞机；S3、如果5G ATG地面基站信号不能覆盖飞机，则根据飞机的位置调控5G ATG地面基站天线倾角；S4、如果5G ATG地面基站信号能覆盖飞机，则5G ATG地面基站与飞机可以建立通信，并接入5G宽带互联网络，从而实现空地通信。本发明可通过飞机位置等数据的积累，采用基于MC‑LAMBDA算法的测姿方法，判断天线是否覆盖飞机，如果没有覆盖飞机，则调整各5G ATG地面基站天线合适的覆盖倾角，从而可以使得5G ATG地面基站信号覆盖范围实时对准飞机，实时进行空地通信。

Description

基于北斗的5G ATG地面基站对空覆盖姿态测量与调控方法
技术领域
本发明涉及姿态测量技术领域，具体为基于北斗的5G ATG地面基站对空覆盖姿态测量与调控方法。
背景技术
目前实现卫星空地通信的技术是地面站把信息发给卫星，卫星接收并把信息转发给飞机，飞机接收，从而形成一条回路，完成通信过程，适合国际航线，但其缺点是仅能提供窄带服务，通讯带宽仅有864Kbps，飞机要支持卫星通信，需要对飞机进行定制化的改装，同时需要安装特定的通信设备，耗时长并且费用昂贵，通信成本很高，卫星通信的时延是300毫秒，网络延迟严重；ATG是Air To Ground的简称，即地空宽带通信，5G ATG地面基站是将5G信号专门应用于地空通信的5G基站；如何利用5G的低延时、高带宽的优势来解决网络延时高的问题，并将其用于地空通信是当下热门课题。
发明内容
本发明的目的在于提供基于北斗的5G ATG地面基站对空覆盖姿态测量与调控方法，利用5G ATG技术可以克服卫星通信上述缺点，通过对地面记载对空姿态的测量和调整，可以使5G ATG地面基站覆盖范围实时对准飞机，实时进行空地通信，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于北斗的5G ATG地面基站对空覆盖姿态测量与调控方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用北斗多天线测姿技术进行5G ATG地面基站天线姿态测量；
S2、判断5G ATG地面基站信号能否覆盖飞机；
S3、如果5G ATG地面基站信号不能覆盖飞机，则根据飞机的位置调控5G ATG地面基站天线倾角；
S4、如果5G ATG地面基站信号能覆盖飞机，则5G ATG地面基站与飞机可以建立通信，并接入5G宽带互联网络，从而实现空地通信。
优选的，所述步骤S1中采用北斗多天线测姿技术进行5G ATG地面基站天线姿态测量，采用了基于MC-LAMBDA算法的测姿方法，具体步骤如下:
S1.1、北斗天线采集原始观测量，假设某载体上一短基线同时观测两颗卫星，则双差载波相位和伪距观测方程为:
其中，为双差载波相位观测量；/>为双差伪距观测值；z为双差整周模糊度；载体上天线之间的距离很短，可假设同一历元载体上所有天线接收中心到同一颗卫星的视向量相同，记为s12；大气误差大部分得到消除，bE为基线向量；ε、e分别为双差载波相位和伪距观测噪声；
S1.2、设飞机上安装m+1个天线，共视卫星数为n+1，以m+1ge个天线中的一个天线作为主天线，以n+1个共视卫星中仰角最高的卫星为参考星并以符号r表示，则第i条基线的观测方程表示为：
其中，S表示GPS视向量；Zi为双差模糊度向量其中，i＝1,...,m；j＝1,...,n；
S1.3、m条基线观测量组合得到多基线观测方程，并引入向量算子vec，对式(4)进行向量化
Y＝AZ+SRBB+V
D(vec(Y))＝QY,Z∈Zn×m,RTR＝I (4)
vec(Y)＝vec(AZ)+vec(SRBB)+vec(V) (5)
根据矩阵乘积向量化公式，由式(5)可以得到：
其中，符号代表张量积；Im为m维单位阵；BB表示为BE在载体坐标系中相应的向量，RBB＝BE，R为姿态旋转矩阵，满足RTR＝I；
S1.4、解算姿态矩阵及整周模糊度，得到高精度多基线解向量，估计5G ATG地面基站天线的高精度姿态，具体为：
其中，分别为浮点解及其协方差阵；/> 分别为姿态矩阵固定解及其协方差矩阵；
采用LAMBDA方法搜索满足下式的所有整数值z：
从而解算整周模糊度。
优选的，所述S3中的根据飞机的位置调控5G ATG地面基站天线倾角的具体步骤为：
通过OMC-R向5G ATG地面基站下发电调天线控制命令，5G ATG地面基站将该命令调制成OOK信号，与直流电源一并通过馈线送入SBT内，在SBT内，直流被直接转给RCU，OOK信号先被解调，然后转换为RS485信号，再输出给RCU；RCU接到RS485信号后，执行调整或查询天线控制命令，使得5G ATG地面基站与飞机建立通信后，能够接入5G宽带互联网络，从而实现空地通信。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过5G ATG地面基站解决了利用卫星进行空地通信时的成本高，带宽窄，网络时延的问题。
2、本发明同时可通过飞机位置等数据的积累，采用基于MC-LAMBDA算法的测姿方法，判断天线是否覆盖飞机，如果没有覆盖飞机，则调整各5G ATG地面基站天线合适的覆盖倾角，从而可以使得5G ATG地面基站信号覆盖范围实时对准飞机，实时进行空地通信。
3、本发明中采用5G ATG地面基站，维护更加方便。
附图说明
图1为本发明基于北斗的5G ATG地面基站对空覆盖姿态测量与调控方法步骤流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：基于北斗的5G ATG地面基站对空覆盖姿态测量与调控方法，步骤如下：
S1、采用北斗多天线测姿技术进行5G ATG地面基站天线姿态测量；
S2、判断5G ATG地面基站信号能否覆盖飞机；
S3、如果5G ATG地面基站信号不能覆盖飞机，则根据飞机的位置调控5G ATG地面基站天线倾角；
S4、如果5G ATG地面基站信号能覆盖飞机，则5G ATG地面基站与飞机可以建立通信，并接入5G宽带互联网络，从而实现空地通信。
所述步骤S1中采用北斗多天线测姿技术进行5G ATG地面基站天线姿态测量，采用了基于MC-LAMBDA算法的测姿方法，具体步骤如下:
S1.1、北斗天线采集原始观测量，假设某载体上一短基线同时观测两颗卫星，则双差载波相位和伪距观测方程为:
其中，为双差载波相位观测量；/>为双差伪距观测值；z为双差整周模糊度；载体上天线之间的距离很短，可假设同一历元载体上所有天线接收中心到同一颗卫星的视向量相同，记为s12；大气误差大部分得到消除，bE为基线向量；ε、e分别为双差载波相位和伪距观测噪声；
S1.2、设飞机上安装m+1个天线，共视卫星数为n+1，以m+1ge个天线中的一个天线作为主天线，以n+1个共视卫星中仰角最高的卫星为参考星并以符号r表示，则第i条基线的观测方程表示为：
其中，S表示GPS视向量；Zi为双差模糊度向量其中，i＝1,...,m；j＝1,...,n；
S1.3、m条基线观测量组合得到多基线观测方程，并引入向量算子vec，对式(4)进行向量化
Y＝AZ+SRBB+V
D(vec(Y))＝QY,Z∈Zn×m,RTR＝I (4)
vec(Y)＝vec(AZ)+vec(SRBB)+vec(V) (5)
根据矩阵乘积向量化公式，由式(5)可以得到：
其中，符号代表张量积；Im为m维单位阵；BB表示为BE在载体坐标系中相应的向量，RBB＝BE，R为姿态旋转矩阵，满足RTR＝I；
S1.4、解算姿态矩阵及整周模糊度，得到高精度多基线解向量，估计5G ATG地面基站天线的高精度姿态，具体为：
其中，分别为浮点解及其协方差阵；/> 分别为姿态矩阵固定解及其协方差矩阵；
采用LAMBDA方法搜索满足下式的所有整数值z：
步骤S2中所述的5G ATG地面基站信号是否能覆盖飞机，是根据测量的5G ATG地面基站天线姿态得知5G ATG地面基站信号对空覆盖的空间，而确定5G ATG地面基站信号对空覆盖的空间，需要解决ATG基站覆盖问题和多普勒效应问题，具体为：定制AAU解决ATG基站覆盖问题，AAU是5G ATG地面基站的主要设备，是大规模天线阵列的实施方案，增强5G ATG地面基站侧的覆盖方向性增益，通过优化阵子方向，并结合3D-MIMO的波束赋形技术，加强对空航路覆盖的方向性和指向性，增加5G ATG地面基站侧覆盖的方向性增益；
应用多普勒频偏补偿技术解决多普勒效应问题，在民航应用场景下，由于高速移动导致的多普勒频移对网络性能造成很大的影响，需要进行频偏矫正来克服此影响。针对高速飞行带来的巨大的多普勒频移，以及小区切换问题，需针对航线场景新建专网或将航线区域内的现有5G ATG地面基站进行改造，形成专门的针对航线覆盖的小区结构。
步骤S3中所述的采用遥控倾角方案使得5G ATG地面基站覆盖范围实时对准飞机，是根据飞机位置等数据信息，遥控调整天线倾角，从而可以使得5G ATG地面基站覆盖范围实时对准飞机，实时进行空地通信；
具体为：通过OMC-R向5G ATG地面基站下发电调天线控制命令，5G ATG地面基站将该命令调制成OOK信号，与直流电源一并通过馈线送入SBT内，在SBT内，直流被直接转给RCU，OOK信号先被解调，然后转换为RS485信号，再输出给RCU；RCU接到RS485信号后，执行调整或查询天线控制命令，使得5G ATG地面基站与飞机建立通信后，能够接入5G宽带互联网络，从而实现空地通信。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.基于北斗的5G ATG地面基站对空覆盖姿态测量与调控方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用北斗多天线测姿技术进行5G ATG地面基站天线姿态测量；
S2、判断5G ATG地面基站信号能否覆盖飞机；
S3、如果5G ATG地面基站信号不能覆盖飞机，则根据飞机的位置调控5G ATG地面基站天线倾角，与飞机建立通信；
S4、如果5G ATG地面基站信号能覆盖飞机，则5G ATG地面基站与飞机可以建立通信，并接入5G宽带互联网络，从而实现空地通信；
所述S1中采用北斗多天线测姿技术进行5G ATG地面基站天线姿态测量，采用了基于MC-LAMBDA算法的测姿方法，具体步骤如下:
S1.1、北斗天线采集原始观测量，假设某载体上一短基线同时观测两颗卫星，则双差载波相位和伪距观测方程为:
其中，为双差载波相位观测量；/>为双差伪距观测值；z为双差整周模糊度；载体上天线之间的距离很短，可假设同一历元载体上所有天线接收中心到同一颗卫星的视向量相同，记为s12；大气误差大部分得到消除，bE为基线向量；ε、e分别为双差载波相位和伪距观测噪声，λ为北斗B1频点的载波波长；
S1.2、设飞机上安装m+1个天线，共视卫星数为n+1，以m+1个天线中的一个天线作为主天线，以n+1个共视卫星中仰角最高的卫星为参考星并以符号r表示，则第i条基线的观测方程表示为：
其中，S表示GPS视向量；Zi为双差模糊度向量/>其中，i＝1,...,m；j＝1,...,n；
S1.3、m条基线观测量组合得到多基线观测方程，并引入向量算子vec，对式(4)进行向量化
Y＝AZ+SRBB+V
D(vec(Y))＝QY,Z∈Zn×m,RTR＝I (4)
vec(Y)＝vec(AZ)+vec(SRBB)+vec(V) (5)
根据矩阵乘积向量化公式，由式(5)可以得到：
其中，符号代表张量积；Im为m维单位阵；BB表示为BE在载体坐标系中相应的向量，RBB＝BE，R为姿态旋转矩阵，满足RTR＝I；
S1.4、解算姿态矩阵及整周模糊度，得到高精度多基线解向量，估计5G ATG地面基站天线的高精度姿态，具体为：
其中，分别为浮点解及其协方差阵；/>分别为姿态矩阵固定解及其协方差矩阵；
采用LAMBDA方法搜索满足下式的所有整数值z：
从而解算整周模糊度。
2.根据权利要求1所述的基于北斗的5G ATG地面基站对空覆盖姿态测量与调控方法，其特征在于：所述S3中的根据飞机的位置调控基站天线倾角的具体步骤为：
通过OMC-R向基站下发电调天线控制命令，基站将该命令调制成OOK信号，与直流电源一并通过馈线送入SBT内，在SBT内，直流被直接转给RCU，OOK信号先被解调，然后转换为RS485信号，再输出给RCU；RCU接到RS485信号后，执行调整或查询天线电下倾命令，使得基站与飞机建立通信后，能够接入5G宽带互联网络，从而实现空地通信。
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