一种基于无人机群的三维组阵天线的制作方法

本发明涉及微波阵列天线技术领域，特别是指一种基于无人机群的三维组阵天线。

背景技术：

目前，基于无人机群的天线三维组阵技术主要有以下几种具体方法，这些方法在实现途径上虽各有特点，但均存在某种不足。

1、机群中每一架无人机均搭载分布式天线，其上的多个天线通过各自无人机上的主控设备进行信号合成，这一类工作模式在许多平台上均有涉及，主要是利用了每一架无人机上天线的信号合成，没有充分发挥机群之间的天线信号协同工作。

2、通过地面测控车或者其他测试设备对无人机群进行控制，并规划各自无人机的波束成形，这类设计思路是将测控主站放到地面上，便于地面操作，所有的无人机均受地面测控设备的控制，这样的设计不利于机群在控制根据外部环境的因素进行自适应的波束合成。

3、多个无人机进行组阵，并通过各自的惯性制导和北斗信号保持无人机间的距离和速度不变，这样形成系列的波束，这种做法有利于波束的控制，不需要智能算法即可进行波束合成，但在外部因素较为复杂时，其波束合成的灵活性较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种基于无人机群的三维组阵天线，该组阵天线的波束方向图可灵活改变，可在指定的方向上形成较强的能量，也可以在某些方向上进行波束置零，提高抗干扰能力。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于无人机群的三维组阵天线，包括在空间中布阵形成无人机阵列的多架无人机，其中一架为主无人机，其他为辅助无人机，各无人机上均安装有天线及天线射频信号控制器，各无人机上天线的频段、波束宽度均相同；各辅助无人机分别形成独立的天线波束，主无人机作为主控制中心；

所述主无人机用于执行如下程序：

根据地面测控系统的指令，通过智能优化算法计算出无人机阵列所要形成的总的天线波束，得出各辅助无人机的调整信息，并将各辅助无人机的调整信息制作成一个完整的数据包；所述调整信息包括无人机的速度、位置、姿态，以及无人机上天线的幅度、相位；

通过与各辅助无人机之间的遥控链路，将所述数据包发送至各辅助无人机；

所述辅助无人机用于执行如下程序：

从所述数据包中得到本无人机的调整信息；

根据调整信息对本无人机及本无人机上的天线进行控制。

进一步地，所述无人机为旋翼或固定翼无人机，所述天线为定向或全向天线。

进一步地，所述天线为单独的天线单元或由多个天线单元组成的天线阵列。

进一步地，所述智能优化算法为遗传算法或神经网络算法。

本发明相比背景技术有如下优点：

1、本发明可通过主无人机动态调控辅助无人机的飞行及天线状态，形成的波束方向图可灵活改变。

2、本发明可根据外部环境因素的变化，进行所需方向上的波束合成，从而在指定的方向上形成较强的能量。

3、本发明可以在某些方向上进行波束置零，从而提高抗干扰能力。

4、本发明的应用广泛，可以满足无人机群协同工作应用场合，还可以用在机器人等协同工作的场合。

附图说明

图1a和图1b是无人机上天线的两种布置图，其中，图1a将天线设置在无人机的机头部，图1b将天线设置在无人机的机翼上。

图2是无人机群天线波束合成示意图。

图3是无人机群的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

一种基于无人机群的三维组阵天线，包括在空间中布阵形成无人机阵列的多架无人机，其中一架为主无人机，其他为辅助无人机，各无人机上均安装有天线及天线射频信号控制器，各无人机上天线的频段、波束宽度均相同；各辅助无人机分别形成独立的天线波束，而主无人机作为主控制中心，其上的天线不参与跟辅助无人机的天线波束合成。

所述主无人机用于执行如下程序：

根据地面测控系统的指令，通过遗传算法、神经网络等智能优化算法计算出无人机阵列所要形成的总的天线波束，并得出各无人机优化后的调整信息。该总天线波束在满足一定增益和副瓣条件下，指向预定的方向。

以遗传算法为例，在优化计算过程中，以总天线波束的波束指向角、天线增益和副瓣作为目标值，并构建适应度函数，以各辅助无人机的位置、速度、姿态和机上天线合成后波束的幅度、相位等参数作为个体编码，通过反复迭代，即可得出各无人机优化后的调整信息。

然后，将各无人机的调整信息制作成一个完整的数据包。所述调整信息包括无人机的速度、位置、姿态，以及无人机上天线的幅度、相位。

之后，通过与各辅助无人机之间的遥控链路，将所述数据包发送至各辅助无人机。

所述辅助无人机用于执行如下程序：

从所述数据包中得到本无人机的调整信息；

根据调整信息对本无人机及本无人机上的天线进行控制。

其中，主无人机向辅助无人机发送的信号应包括通过遗传算法或神经网路等智能优化算法计算出的无人机的速度、位置、姿态，以及天线的幅度、相位等信息。各辅助无人机收到这些信息后，调整好各自的速度、位置和姿态，这些信息作为每一架辅助无人机上天线波束指向调整的基础，而后在其各自无人机的天线阵列处理器中对天线的幅度和相位进行解析，并转化为机上天线波束的幅度和相位。每一架辅助无人机上天线按照主无人机的预定要求都形成一个在特定方向上幅度和相位均满足要求的天线波束，这些天线波束在空间中再形成一个特定的合成波束。

进一步的，所述无人机可以为旋翼或固定翼无人机，所述天线可以为定向或全向天线。

进一步的，所述天线可以为单独的天线单元，也可以是由多个天线单元组成的天线阵列。

该三维组阵天线可根据外部环境因素的变化，进行所需方向上的波束合成，从而在指定的方向上形成较强的能量。例如，当需要在某一方向上进行高速率通信或者对目标进行强火力打击时,单个无人机的天线增益已经不能满足要求，这时主无人机将下发波束合成指令。假定单个无人机的增益为gi,则n个无人机的合成无人机的增益典型值会达到gt=10log10(n)+gi,这样将进一步提升机群的空间生存能力。

此外，该三维组阵天线还可以在某些方向上进行波束置零，从而提高抗干扰能力。例如，当在空间中存在一个强的干扰源对无人机群进行干扰时，单个的无人机将无法工作。此时主无人机将根据干扰源的来波进行判断，得出干扰源的方向和强度，并下发指令，适当调节无人机群中每个无人机上天线的幅度、相位等信息，多个无人机进行协调工作，形成一个总的波束，并在干扰源方向上形成一个波束零深，使得干扰源对无人机群的干扰影响降到最低。

具体来说，如图1a、1b、2、和3所示，一种基于无人机群的天线三维组阵天线，其由1个主无人机和若干个辅助无人机组成无人机群，该机群中，主无人机通过遥控链路对其他辅助无人机的飞行速度、位置、姿态以及天线信号的状态进行控制。

在每架无人机01上相同或者不同的机体位置02上，均搭载相同频段的天线单元或者天线阵列。

无人机单独工作时，单个无人机上的天线单元或者天线阵列均可以形成独立的天线波束。

当无人机群进行协同工作时，主无人机04根据外部环境的变化，通过智能算法，计算出所需的辅助无人机03的速度、地理位置和天线幅度和相位等信息，对其他全部或者部分辅助无人机群进行控制，并发送控制指令，对每一个无人机的姿态、位置以及无人机上天线的状态，如相位、幅度等信息进行控制。机群通过一定的空间组合或者飞行速度组合，天线信号在某一特定空间的形成合成波束05。

上述设计充分考虑了无人机群功能多样化，既可以单个无人机上天线单独工作，又可以进行无人机群的协调工作，提高了系统的兼容性。

该三维组阵天线的工作原理如下：

在机群中设置一架无人机为主机，通过指令，负责对其他无人机的飞行速度、位置、姿态以及天线信号进行控制。在每架无人机上相同或者不同的机体位置上，均搭载相同频段的天线单元或者天线阵列。每架无人机上搭载的天线均可以单独工作。当无人机群进行协同工作时，主机对其他进行控制，机群通过一定的空间组合，对天线的波束进行合成，提高天线的增益和电气性能，其天线波束方向图可灵活改变，可在指定的方向上形成较强的能量，也可以在某些方向上进行波束置零，提高抗干扰能力。

总之，本发明由若干个相同或者不同的无人机组成，形成无人机群。该机群中，设置一架无人机为主机，负责对其他无人机的飞行速度、位置、姿态以及天线信号的开关进行控制。在每架无人机上相同或者不同的机体位置上，均搭载相同频段的天线单元或者天线阵列。每架无人机上搭载的天线均可以单独工作。当无人机群进行协同工作时，主机对其他进行控制，机群通过一定的空间组合，对天线的波束进行合成，提高天线的增益和电气性能，其天线波束方向图可灵活改变，可在指定的方向上形成较强的能量，也可以在某些方向上进行波束置零提高抗干扰能力。该发明适用于多个场合的无人机群的联合工作，也可以适用于多个智能机器人的天线波束综合中，特别适用于对某一方向的波束增强的场合中。