一种双定向天线自适应对准通信方法与流程

本发明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。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的发明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。

为实现以上发明目的，本发明采用的技术方案为：

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，本发明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中伺服电机旋转滞后和天线盲区导致的通信中断问题。

3.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，只需要微波频谱仪、微波信号源、水平仪即可实现机载天线和地面天线的定标和验证，且步骤准确便捷。

4.采用机载天线A与地面天线B间双定向天线对准通信方式，增加了通信链路中天线增益。以往的机载端与地面端通信主要采用定向对全向、全向对全向的工作方式，这些方式在处理窄带宽、低频点、短距传输等情况下适用，否则得提高发射机的发射功率、提高接收机接收灵敏度，而灵敏度和接收机性能由于效费比、体积、功耗等问题无法无限增加。

本发明的有益效果为：

1.设计了基于GPS的天线对准方法，缩减了天线系统体积、减少了所需导航源、提高了通信系统的稳定性，解决了在有限条件下的天线对准。

2.设计了机载天线A全向/定向切换工作方式，解决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。

3.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。

4.采用机载天线A与地面天线B间双定向天线对准通信方式，增加了通信链路中天线增益，使得在不提高发射机的发射功率、接收机接收灵敏度的条件下增加链路传输距离，实现了信息的宽带传输。

附图说明

图1为实施例中一种双定向天线自适应对准通信方法的流程示意图；

图2为实施例中地面定向天线单元的结构示意图；

图3为实施例中机载天线单元的结构示意图；

图4为实施例中地面定向天线的校零流程示意图；

图5为实施例中机载天线的校零流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

为了实现本实施例一种双定向天线自适应对准通信方法，需要在机载端设置机载天线单元(包括机载天线、机载天线控制模块、机载天经伺服模块、机载天线GPS模块，如图2所示，该机载天线可以在定向天线和全向天线间进行切换)、在地面端设置地面天线单元(包括地面定向天线和地面天线控制模块、地面天线伺服模块、地面天线GPS模块，如图3所示)、额外数据链路，以及配套仪器设备。配置仪器设备为微波信号源、微波频谱仪、水平仪。

所述机载天线，安装在飞机机腹下部，机载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，其与地面定向天线互传的数据链中包含机载天线和地面定向天线的GPS位置信息，机载天线可实现全向、定向工作模式切换，其机载天线控制模块根据机载天线GPS模块提供的机载天线GPS位置信息以及数据链中的地面定向天线的GPS位置信息计算机载天线A的方位角，机载天线伺服模块可根据方位角信息进行水平360°旋转；

所述地面定向天线，放置在地面开阔处，其与机载天线互传的数据链中包含机载天线和地面定向天线的GPS位置信息，其地面天线控制模块用于根据地面天线GPS模块提供的地面天线GPS位置信息以及数据链中的机载天线的GPS位置信息计算地面定向天线的方位角和俯仰角，地面天线伺服模块可根据方位角、俯仰角信息进行水平0～360°、俯仰0～90°旋转；

所述额外链路，作为双定向天线自适应对准通信链路的备份，用于上下行传输机载天线、地面天线的GPS位置信息和其他遥控遥测信息；

所述微波信号源，用于机载天线的方位角定标、归零；

所述微波频谱仪，用于机载天线和地面定向天线的方位角俯仰角定标、归零；

所述水平仪，用于地面天线俯仰角定标、归零。

机载天线单元应具备以下功能：

可通过控制指令切换机载天线的全向/定向天线，利用机载天线控制模块进行逻辑控制；机载天线的定向天线主波束面位于水平面向下，角度固定不可调整,其下倾角度应满足波束覆盖地面通信位置，方位角水平面内360°可通过驱动方位电机驱动器伺服驱动、调整；

机载天线的定向天线波束宽度满足水平面内大于等于15°，俯仰面内大于等于20°，以弥补垂直方向和侧向风流对其航向造成的影响；

可通过机载天线控制模块实现自身故障信息判断，并实现天线轴角方位、故障信息上传。

地面天线单元应具备以下功能：

能通过地面天线控制模块控制俯仰电机和方位电机，实现地面定向天线俯仰面内0～90°、水平面内0～360°伺服控制、调整；

地面定向天线的波束宽度满足水平面、垂直面内尽可能窄，达到高增益效果；

可通过地面天线控制模块实现天线轴角方位、故障信息上传。

如图1所示，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，如图4所示，具体包含以下步骤：

步骤1.1：将地面天线B放置于开阔平坦地面。

步骤1.2：利用水平仪直接将地面定线天线的俯仰方位进行调平，对其俯仰角校零。利用GPS设备测定地面定向天线B的GPS位置。

步骤1.3：以信标频率与地面天线B同频的中星10号卫星作为定标卫星，其经度110.5°E、纬度0°、高度35786063米、垂直极化信标频点12.741GHz。以信标频率与地面天线B同频的亚太5号卫星为目标验证卫星，其经度138°E、纬度0°、高度35786063米、垂直极化信标为12.251GHz。

步骤1.4：由地面天线控制模块计算出定标卫星中星10号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，并将地面定向天线的俯仰角转至该角度，并将方位转至指向中星10号附近，将地面定向天线以0.05°/S的转速旋转天线方位角度，在接收端通过微波频谱仪观察的信标最大值，校对此时地面定向天线的方位角的值等于前面计算的理论值，完成方位电机方位角校零。

步骤1.5：由地面天线控制模块计算出目标卫星亚太5号卫星在以地面定稿天线为原点的站心坐标系下的方位角和俯仰角，并将地面定向天线的方位角和俯仰角转至该角度，将地面定向天线以0.05°/S的转速旋转天线水平角度，此时接收端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(地面控制模块完成天线旋转)。

步骤2)、对机载天线进行方位角的校零，如图5所示，具体包含以下步骤：

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，并以全向天线模式发射一个机载点频信标。

步骤2.3：通过地面定向天线外接微波频谱仪接收机载天线发出的机载点频信标，以0.05°/S的转速旋转地面定向天线，调整地面定向天线的方位角和俯仰角，观察接收端微波频谱仪幅值达到最大处，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、地面定向天线状态，以地面定向天线外接微波信号源发射一个地面点频信标。

步骤2.5：机载天线切换为定向天线模式，通过机载天线A外接微波频谱仪接收地面天线B发出的地面点频信标，以0.05°/S的转速旋转机载天线，调整机载天线的方位角，观察接收端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：根据理论计算出机载天线的方位角的理论值A2和地面定向天线的方位角A1的关系为|A1-A2|＝180°(分2种情况：A1>180°，则该公式为A2＝A1-180°；A1<180°，则该公式为A2＝A1+180°)。校准此时机载天线的方位角等于A2，完成机载天线方位角的校零。

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和俯仰角的目标角度φ2p。

其中，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。

机载天线的方位角的目标角度θ2a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，计算出机载天线的方位角的目标角度θ2a。

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的方位角的目标角度φ2a和俯仰角的目标角度φ2p。

另外，机载天线控制模块根据机载、地面的GPS位置信息可计算机载天线和地面定向天线间的距离，在飞行过程中应以一定距离阈值作为界限，在该距离阈值范围内，机载天线自动切换为全向天线，如此，在近距飞行过程和过顶飞行过程中不至出现跟踪不上或通信盲区。超出该距离范围后，机载天线切换为定向天线，天线系统工作方式切换为双定向通信方式。

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，从而实现双定向天线的自适应对准通信。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。