一种无人机卫星通信系统中天线波束的稳定方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种无人机卫星通信系统中天线波束的稳定方法及装置，其中方法包括：根据无人机的位置信息和姿态信息以及目标通信卫星的经度，获得天线波束在无人机坐标系下的波束指向角；根据所述波束指向角和无人机坐标系下的姿态角速率，获得无人机在方位角坐标系下的控制角速率和在俯仰角坐标系下的控制角速率；根据所述无人机在方位角坐标系下的控制角速率和在俯仰角坐标系下的控制角速率，调整无人机的天线波束的角度，使其对准目标卫星。本发明专利技术充分利用大规模MIMO角度域信号特征，降低无人机卫星波速跟踪的复杂度。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机卫星通信系统中天线波束的稳定方法及装置
本专利技术涉及无人机卫星通信
，更具体地，涉及无人机卫星通信系统中天线波束的跟踪。
技术介绍
随着信息化时代的到来和新军事变革的迅猛发展，人们对通信的需求不断增大，迫切需要实现高速率、高带宽通信。卫星通信不受时间和地域限制，是实现无缝广域连接的有效手段。与此同时，无人机通信部署灵活，同样受到了学术界和工业界的广泛关注，无人机卫星通信已经成为建立空天一体化网络的有效选择。频谱资源的不断紧缺使得通信频段转向毫米波段，尤其是Ka波段。一方面，毫米波频率较高、路径损耗较大，限制了其应用范围。另一方面，毫米波波长较小，可以使得成百甚至上千根天线集中在较小的区域内，大规模多天线系统与毫米波相结合可以带来巨大的空间增益、克服路径损耗。并且小尺寸的阵列天线可以有效降低无人机的载荷，更好的发挥无人机的优良性能。此外，对于无人机卫星通信系统而言，受无人机成本和能量消耗的限制，无人机上可以利用的射频链路数目往往是有限的。通信系统的性能取决于信道信息的准确度，因此，有很多文献研究了大规模多天线系统的信道信息获取问题。然而，区别于传统无线通信，无人机卫星通信面临着很多新的挑战。无人机与卫星通信的前提是波束的实时对准。然而，无人机的姿态变化会不断改变天线波束的指向，即无人机与卫星通信是典型的移动中卫星通信。由于对于阵列的天线而言，天线的最佳工作范围是波束稳定在阵列平面法线附近，因此，无人机卫星通信需要实时调整天线波束使其对准卫星。
技术实现思路
本专利技术提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的无人机卫星通信系统中天线波束的跟踪。根据本专利技术的一个方面，提供一种无人机卫星通信系统中天线波束的稳定方法，包括：S1、根据无人机的位置信息和姿态信息以及目标通信卫星的经度，获得天线波束在无人机坐标系下的波束指向角；S2、根据所述波束指向角和无人机坐标系下的姿态角速率，获得无人机在方位角坐标系下和俯仰角坐标系下的控制角速率；S3、根据所述无人机在方位角坐标系下的角速率和在俯仰角坐标系下的角速率，调整无人机的天线波束的角度。优选地，所述无人机卫星通信系统中天线波束的稳定方法还包括：S4、根据无人机的天线波束的结构以及接收信号的强度，基于梯度扰动算法获得无人机分别对应所述方位角和俯仰角的调整角度，根据所述方位角和俯仰角的调整角度调整无人机的天线波束的角度。优选地，所述步骤S1包括：S1.1、根据无人机的位置信息以及卫星的经度，获得天线波束指向卫星的方向在地理坐标系下的欧拉角；S1.2、根据欧拉旋转定理，将所述欧拉角由地理坐标系变换至天线坐标系，将所述姿态信息由地理坐标系变换至所述无人机坐标系；S1.3、根据变化至所述天线坐标系的欧拉角以及变化至无人机坐标系的所述姿态信息，获得所述天线波束在无人机坐标系下的方位角和俯仰角；其中，所述天线坐标系的原点为天线重心，x轴指向卫星，y轴指向电场方向，z轴垂直于x轴和y轴张成的平面。优选地，所述步骤S2包括：S2.1、根据所述无人机坐标系下的姿态角速率以及波束指向角，获得所述天线坐标系下的姿态角速率；S2.2、根据所述天线坐标系下的姿态角速率以及欧拉旋转定理，获得无人机在方位角坐标系下的控制角速率和在俯仰角坐标系下的控制角速率；其中，所述方位角坐标系的原点为天线重心，z轴指向地面，y轴天线的法线平行，x轴垂直于z轴和y轴张成的平面；所述俯仰角坐标系的原点为天线重心，x轴指向卫星，y轴天线的法线平行，z轴垂直于x轴和y轴张成的平面。优选地，所述步骤S4包括：S4.1、根据无人机的天线波束的结构以及接收信号的强度获得接收信号的能量梯度；S4.2、根据所述接收信号的能量梯度和预设的步长参数，对相移器的模拟输出值进行若干次迭代计算，获得相移器迭代后的模拟输出值；S4.3、根据所述相移器迭代后的模拟输出值以及各天线波束的天线索引，获得所述无人机分别对应所述方位角和俯仰角的调整角度；S4.4、根据所述方位角和俯仰角的调整角度调整无人机的天线波束的角度。优选地，所述步骤S3.1具体包括：根据各天线波束的天线索引、接收信号的瞬时功率、随机扰动参数以及当前的迭代次数，获得接收信号的能量梯度。根据本专利技术一种无人机卫星通信系统中天线波束的稳定装置，包括：波束指向角获得模块，用于根据无人机的位置信息和姿态信息以及目标通信卫星的经度，获得天线波束在无人机坐标系下的波束指向角；角速率获得模块，用于根据所述波束指向角和无人机坐标系下的姿态角速率，获得无人机在方位角坐标系下的角速率和在俯仰角坐标系下的角速率；第一调整模块，用于根据所述无人机在方位角坐标系下的角速率和在俯仰角坐标系下的角速率，调整无人机的天线波束的角度；其中，所述无人机的位置信息包括无人机的高程和经纬度，所述姿态信息包括无人机在地理坐标系下的偏航角、纵摆角以及横滚角，所述波束指向角包括方位角和俯仰角。优选地，所述无人机卫星通信系统中天线波束的稳定装置还包括：第二调整模块，用于根据无人机的天线波束的结构以及接收信号的强度，基于梯度扰动算法获得无人机分别对应所述方位角和俯仰角的调整角度，根据所述方位角和俯仰角的调整角度调整无人机的天线波束的角度。根据本专利技术的另一个方面，还提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行以下方法：S1、根据无人机的位置信息和姿态信息以及目标通信卫星的经度，获得天线波束在无人机坐标系下的波束指向角；S2、根据所述波束指向角和无人机坐标系下的姿态角速率，获得无人机在方位角坐标系下的角速率和在俯仰角坐标系下的角速率；S3、根据所述无人机在方位角坐标系下的角速率和在俯仰角坐标系下的角速率，调整无人机的天线波束的角度；其中，所述无人机的位置信息包括无人机的高程和经纬度，所述姿态信息包括无人机在地理坐标系下的偏航角、纵摆角以及横滚角，所述波束指向角包括方位角和俯仰角。本专利技术提出的一种无人机卫星通信系统中天线波束的稳定方法和装置，通过获得根据无人机的位置信息和姿态信息以及目标通信卫星的经度，获得天线波束在无人机坐标系下的波束指向角，即获得了天线波束跟踪的基准角度，为后期实现稳定天线波束的指向提供了基础，根据波束指向角和无人机坐标系下的姿态角速率，结合欧拉旋转定理，即可获得无人机在方位角坐标系下的控制角速率和在俯仰角坐标系下的控制角速率，以上述两种角速率作为基准调整无人机的天线波束的角度，使得大规模多天线的空间波束稳定在阵列天线平面法线附近，实现无人机与卫星间通信的波束对准。附图说明图1为根据本专利技术实施例所涉及的实施环境的示意图；图2为根据本专利技术实施例的无人机卫星通信系统中天线波束的稳定方法的流程示意图；图3为根据本专利技术实施例的波束稳定调整方法获得的性能示意图；图4为根据本专利技术实施例的波束电子调整方法的步骤流程示意图；图5为根据本专利技术实施例的波束电子调整方法获得的性能示意图；图6为根据本专利技术实施例的无人机卫星通信系统中天线波束的稳定装置的功能框图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。为了克服现有技术的上述问题，本专利技术实施例提供了一种无人机卫星通信系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无人机卫星通信系统中天线波束的稳定方法，其特征在于，包括：S1、根据无人机的位置信息和姿态信息以及目标通信卫星的经度，获得天线波束在无人机坐标系下的波束指向角；S2、根据所述波束指向角和无人机坐标系下的姿态角速率，获得无人机在方位角坐标系下的控制角速率和在俯仰角坐标系下的控制角速率；S3、根据所述无人机在方位角坐标系下的控制角速率和在俯仰角坐标系下的控制角速率，调整无人机的天线波束的角度。

【技术特征摘要】
1.一种无人机卫星通信系统中天线波束的稳定方法，其特征在于，包括：S1、根据无人机的位置信息和姿态信息以及目标通信卫星的经度，获得天线波束在无人机坐标系下的波束指向角；S2、根据所述波束指向角和无人机坐标系下的姿态角速率，获得无人机在方位角坐标系下的控制角速率和在俯仰角坐标系下的控制角速率；S3、根据所述无人机在方位角坐标系下的控制角速率和在俯仰角坐标系下的控制角速率，调整无人机的天线波束的角度。2.如权利要求1所述的无人机卫星通信系统中天线波束的稳定方法，其特征在于，还包括：S4、根据无人机的天线波束的结构以及接收信号的强度，基于梯度扰动算法获得无人机分别对应所述方位角和俯仰角的调整角度，根据所述方位角和俯仰角的调整角度调整无人机的天线波束角度。3.如权利要求1或2所述的无人机卫星通信系统中天线波束的稳定方法，其特征在于，所述步骤S1包括：S1.1、根据无人机的位置信息以及卫星的经度，获得天线波束指向卫星的方向在地理坐标系下的欧拉角；S1.2、根据欧拉旋转定理，将所述欧拉角由地理坐标系变换至天线坐标系，将所述姿态信息由地理坐标系变换至所述无人机坐标系；S1.3、根据变化至所述天线坐标系的欧拉角以及变化至无人机坐标系的所述姿态信息，获得所述天线波束在无人机坐标系下的方位角和俯仰角；其中，所述天线坐标系的原点为天线重心，x轴指向卫星，y轴指向电场方向，z轴垂直于x轴和y轴张成的平面。4.如权利要求1或2或3所述的无人机卫星通信系统中天线波束的稳定方法，其特征在于，所述步骤S2包括：S2.1、根据所述无人机坐标系下的姿态角速率以及波束指向角，获得所述天线坐标系下的姿态角速率；S2.2、根据所述天线坐标系下的姿态角速率以及欧拉旋转定理，获得无人机在方位角坐标系下的控制角速率和在俯仰角坐标系下的控制角速率；其中，所述方位角坐标系的原点为天线重心，z轴指向地面，y轴天线的法线平行，x轴垂直于z轴和y轴张成的平面；所述俯仰角坐标系的原点为天线重心，x轴指向卫星，y轴天线的法线平行，z轴垂直于x轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：高飞飞，赵建伟，王博磊，王鸣锦，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11