一种双定向天线自适应对准通信方法技术

本发明专利技术公开了一种双定向天线自适应对准通信方法，包含以下步骤：步骤1)、对地面定向天线进行方位角和俯仰角的校零；步骤2)、对机载天线进行方位角的校零；步骤3)、机载天线控制模块根据机载天线和地面定向天线的GPS位置信息计算机载天线方位角的目标角度θ2a；地面天线控制模块根据机载天线和地面定向天线的GPS位置信息计算地面定向天线方位角的目标角度φ2a和地面定向天线俯仰角的目标角度φ2p；步骤4)、机载天线伺服模旋转机载天线，地面天线伺服模块旋转地面定向天线，完成实时对准。本发明专利技术采用一种准确、便捷的定标方式，改善了传统系统繁琐复杂的定标方式，从可靠性和成本的角度提高了产品的竞争力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于航空视距通信系统的天线领域，涉及一种双定向微波天线波束控制方法，具体涉及一种基于程序对准的、可用于地空视距通信的双微波定向天线自适应对准通信技术，应用于视距航空微波数据链传输领域。技术背景随着新军事革命的迅猛发展，人们对航空数据链的通信要求越来越高，数据链的速率变得越来越高、通信距离越来越远、带宽越来越宽，而飞机的资源和可用频段有限，载荷功耗和频率、带宽限制了接收设备和发射设备的相关性能，导致通信过程中通信距离受到很大限制。在天线对准通信系统中，天线波束是否可以简单高效、快速精确的指向目标是一个非常重要的问题。传统的天线对准通信系统中需要GPS、电子罗盘、陀螺仪、高度表等两个或多个仪器同时接入，且定标过程繁琐、耗时较长，在天线过顶等近距离运动中不易跟踪。通过双定向天线对准通信技术，实现提高链路接收端与发射端间天线增益对链路预算的补偿，可以实现通信信号有效接收，达到高频、宽带信号的在视距范围内的远距离传输。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的专利技术目的在于提供一种双定向天线自适应对准通信方法，适应机动方式不剧烈的飞机与地面间的高频、宽带、高速通讯，以解决现有技术方案中导航源需求多、定标过程复杂、机动跟踪时可靠性低等问题。为实现以上专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种双定向天线自适应对准通信方法，包含以下步骤：步骤1)、对地面定向天线进行方位角和俯仰角的校零；步骤2)、对机载天线进行方位角的校零；步骤3)、在飞行过程中，机载天线控制模块根据机载天线和地面定向天线的GPS位置信息计算机载天线方位角的目标角度θ2a；地面天线控制模块根据机载天线和地面定向天线的GPS位置信息计算地面定向天线方位角的目标角度φ2a和地面定向天线俯仰角的目标角度φ2p；步骤4)、机载天线伺服模块根据机载天线方位角的目标角度θ2a与角度传感器反馈的机载天线的当前角度和飞机航向角度计算出旋转角度并旋转机载天线，地面天线伺服模块根据地面定向天线方位角的目标角度φ2a和俯仰角的目标角度φ2p与角度传感器反馈的地面定向天线的当前角度计算出旋转角度并旋转地面定向天线。优选地，所述步骤1包含以下步骤：步骤1.1)、将地面定向天线放置于地面；步骤1.2)、用水平仪将地面定向天线的俯仰角校准为零，利用GPS设备测定地面定向天线的GPS位置；步骤1.3)、以一信标频率与地面定向天线同频的卫星作为定标卫星；步骤1.4)、计算出定标卫星在以地面定向天线为原点的站心坐标系下的方位角度φ1a和俯仰角度φ1p，地面天线控制模块根据该方位角度φ1a和俯仰角度φ1p控制地面天线伺服模块转动地面定向天线完成方位角和俯仰角校零。优选地，所述步骤1.4)中方位角和俯仰角校零通过以下方法实现：由地面天线控制模块控制地面天线伺服模块将地面定向天线的俯仰角转至俯仰角度φ1p；由地面天线控制模块控制地面天线伺服模块将地面定向天线的方位角转至方位角度φ1a，再将地面定向天线以一固定的转速旋转地面定向天线的方位角，通过观察微波频谱仪的信标最大值调整地面定向天线的角度完成方位角和俯仰角校零。优选地，所述步骤1.3)中还包含以另一信标频率与地面定向天线同频的卫星为目标验证卫星；所述步骤1.4)中还包含计算出目标验证卫星在以地面定向天线为原点的站心坐标系下的方位角和俯仰角，由地面天线控制模块控制地面天线伺服模块将地面定向天线的方位角转至该方位角,将地面定向天线的俯仰角转至该俯仰角，将地面定向天线以一定的转速旋转地面定向天线的方位角和俯仰角，此时通过微波频谱仪观察到的信标为最大值，表明标定结果正确。优选地，所述步骤2包含以下步骤：步骤2.1)、将机载天线安装于飞机平台中轴线上，且0°方向指向机头位置；步骤2.2)、机载天线外接微波信号源；微波信号源产生的信号源作为机载点频信标由机载天线以全向天线模式对外发射；步骤2.3)、地面定向天线外接微波频谱仪；地面天线控制模块控制地面天线伺服模块以一定的转速旋转地面定向天线的方位角和俯仰角，并由地面定向天线接收机载点频信标，当微波频谱仪幅值达到最大处，记录此时地面定向天线对准机载天线的方位角为A1；步骤2.4)、固定此时机载天线、地面定向天线的状态，地面定向天线外接微波信号源；微波信号源产生的信号源作为地面点频信标由地面定向天线对外发射；步骤2.5)、机载天线控制模块控制机载天线伺服模块以一定的转速旋转机载天线的方位角，并由机载天线以定向天线模式接收地面点频信标，当微波频谱仪幅值达到最大处，记录此时机载天线对准地面定向天线的方位角；步骤2.6)、校准此时机载天线的方位角等于理论值A2，完成机载天线的方位角的校零；其中理论值A2为在A1>180°时，A2＝A1-180°，在A1<180°A2＝A1+180°。优选地，所述步骤3)中机载天线和地面定向天线的GPS位置信息通过以下途径获得：a)地面和机载间通过数据链实时传输的遥控遥测信息，并对遥控遥测信息进行α-β平滑滤波，其中遥控遥测信息包含机载天线的GPS经纬度和高度信息、地面定向天线的GPS经纬度和高度信息；b)通过外部额外链路传输机载天线和地面定向天线的GPS位置信息。优选地，所述步骤3)中还包含机载天线控制模块根据机载天线和地面定向天线的GPS位置信息计算机载天线和地面定向天线之间的距离，当机载天线和地面定向天线之间的距离在距离阈值内时，则将机载天线切换为全向天线工作模式，否则机载天线为定向天线工作模式。优选地，所述步骤3)中机载天线方位角的目标角度通过以下方法计算：机载天线控制模块将机载天线和地面定向天线的GPS位置信息由以WGS-84椭球为参考的地心大地坐标系转换为以机载天线为站心、指向地面定向天线的站心极坐标系，计算出机载天线方位角的目标角度θ2a。优选地，所述步骤3)中地面定向天线方位角的目标角度φ2a和地面定向天线俯仰角的目标角度φ2p通过以下方法计算：地面天线控制模块将地面定向天线和机载天线的GPS位置信息由以WGS-84椭球为参考的地心大地坐标系转换为以地面定向天线为站心、指向机载天线的站心极坐标系，计算出地面定向天线方位角的目标角度φ2a和俯仰角的目标角度φ2p。优选地，所述机载天线的波束宽度需满足水平面内大于等于15°，俯仰面内大于等于20°。相对于传统天线对准方法，本专利技术有以下三个主要的技术创新点：1.采用基于GPS的天线对准算法，缩减了天线系统体积、提高了系统稳定性。以往的天线对准算法主要基于GPS、电子罗盘、陀螺仪、高度表等两个或多个仪器同时接入，以期获得机载与地面的方位信息、高度信息、天线平台姿态信息。而考虑到装配机型和环境因素，本方案中设计的机载天线A的水平面、俯仰面波束宽度应足够宽以弥补垂直方向和侧向风流对其航向造成的影响。在机载天线安装过程中，定向天线的主波束的初始位置位于飞机首尾中轴线上且对准机头方向，以机载端GPS航迹向作为飞机航向。2.采用机载天线A全向/定向切换工作方式，改善了在距离较近或飞机过顶过程中伺服跟踪不上和盲区问题。本方案中提出了基于通信距离切换全向/定向天线的工作方式，通信距离小于一定阈值机载天线A切换为全向天线工作方式，通信距离大于一定阈值机载天线A切换为定向天线工作方式，改进了在近距离通信过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双定向天线自适应对准通信方法，包含以下步骤：步骤1)、对地面定向天线进行方位角和俯仰角的校零；步骤2)、对机载天线进行方位角的校零；步骤3)、在飞行过程中，机载天线控制模块根据机载天线和地面定向天线的GPS位置信息计算机载天线方位角的目标角度θ2a；地面天线控制模块根据机载天线和地面定向天线的GPS位置信息计算地面定向天线方位角的目标角度φ2a和地面定向天线俯仰角的目标角度φ2p；步骤4)、机载天线伺服模块根据机载天线方位角的目标角度θ2a与角度传感器反馈的机载天线的当前角度和飞机航向角度计算出旋转角度并旋转机载天线，地面天线伺服模块根据地面定向天线方位角的目标角度φ2a和俯仰角的目标角度φ2p与角度传感器反馈的地面定向天线的当前角度计算出旋转角度并旋转地面定向天线。

【技术特征摘要】
1.一种双定向天线自适应对准通信方法，包含以下步骤：步骤1)、对地面定向天线进行方位角和俯仰角的校零；步骤2)、对机载天线进行方位角的校零；步骤3)、在飞行过程中，机载天线控制模块根据机载天线和地面定向天线的GPS位置信息计算机载天线方位角的目标角度θ2a；地面天线控制模块根据机载天线和地面定向天线的GPS位置信息计算地面定向天线方位角的目标角度φ2a和地面定向天线俯仰角的目标角度φ2p；步骤4)、机载天线伺服模块根据机载天线方位角的目标角度θ2a与角度传感器反馈的机载天线的当前角度和飞机航向角度计算出旋转角度并旋转机载天线，地面天线伺服模块根据地面定向天线方位角的目标角度φ2a和俯仰角的目标角度φ2p与角度传感器反馈的地面定向天线的当前角度计算出旋转角度并旋转地面定向天线。2.根据权利要求1所述的一种双定向天线自适应对准通信方法，其特征在于所述步骤1包含以下步骤：步骤1.1)、将地面定向天线放置于地面；步骤1.2)、用水平仪将地面定向天线的俯仰角校准为零，利用GPS设备测定地面定向天线的GPS位置；步骤1.3)、以一信标频率与地面定向天线同频的卫星作为定标卫星；步骤1.4)、计算出定标卫星在以地面定向天线为原点的站心坐标系下的方位角度φ1a和俯仰角度φ1p，地面天线控制模块根据该方位角度φ1a和俯仰角度φ1p控制地面天线伺服模块转动地面定向天线完成方位角和俯仰角校零。3.根据权利要求2所述的一种双定向天线自适应对准通信方法，其特征在于所述步骤1.4)中方位角和俯仰角校零通过以下方法实现：由地面天线控制模块控制地面天线伺服模块将地面定向天线的俯仰角转至俯仰角度φ1p；由地面天线控制模块控制地面天线伺服模块将地面定向天线的方位角转至方位角度φ1a，再将地面定向天线以一固定的转速旋转地面定向天线的方位角，通过观察微波频谱仪的信标最大值调整地面定向天线的角度完成方位角和俯仰角校零。4.根据权利要求2所述的一种双定向天线自适应对准通信方法，其特征在于所述步骤1.3)中还包含以另一信标频率与地面定向天线同频的卫星为目标验证卫星；所述步骤1.4)中还包含计算出目标验证卫星在以地面定向天线为原点的站心坐标系下的方位角和俯仰角，由地面天线控制模块控制地面天线伺服模块将地面定向天线的方位角转至该方位角,将地面定向天线的俯仰角转至该俯仰角，将地面定向天线以一定的转速旋转地面定向天线的方位角和俯仰角，此时通过微波频谱仪观察到的信标为最大值，表明标定结果正确。5.根据权利要求1所述的一种双定向天线自适应对准通信方法，其特征在于所述步骤2包含以下步骤：步骤2.1)、将机载天线安装于飞机平台中轴线上，且0°方向指向机头位置；步骤2.2)、机载天线外接微波信号源；微波信号源产生的信号源作为机载点频信标由机载天线...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴海珍，张海辉，李裕，邵一鹏，徐丰，张雨农，
申请(专利权)人：中国航空无线电电子研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31