专利名称：基于系留气球的可伸缩有源漂浮天线系统的实现方法
技术领域：
本发明涉及一种可伸缩有源漂浮天线系统的实现方法，尤其是一种基于系留气球的可伸缩有源漂浮天线系统的实现方法，属通信技术领域。
背景技术：
与其他通信方式相比，微波通信具有传输可靠性高、建设周期短、抗自然环境异常变化能力强、不容易遭受人为破坏，跨越山河方便等独到的特点，在通信领域发挥着重要作用。近年来，随着通信技术、微电子技术、天线技术和网络技术的飞跃发展，微波通信技术速率更高，设备体积更小，功耗更低，安装更方便，使用的范围更广，方式更灵活、敏捷，正在从卫星通信、长距离微波干线传输、无线广播向蜂窝移动通信和无线宽带网方向发展，成为当今通信领域和网络领域研究与应用的热点。
我国是海洋大国，渔业资源丰富。随着海上渔业作业，特别是远海渔业作业的增加，渔民海上遇险事故呈逐年上升趋势。但是，海上的通信条件非常落后，出海渔船得不到有效的信息服务，遇险后也无法尽快将遇险消息准确地上报给海事搜救部门，给渔民的生命财产造成很大的损失。因此，急需建设海上通信系统。
由于卫星通信设备造价太高，不适合中小型渔船使用。而在海上只能采用无线通信方式，因此，微波无线通信成为构建海上通信网的首选方式。海南新博海通科技有限公司开发了海上无线通信网和南海渔业海上安全管理系统，采用无线Mesh网络作为链路支撑，为渔船提供定位导航、实时监控与报警、语音通信、远程教育、信息服务、数据库等综合服务，为南海渔业海上安全保驾护航。在本系统中，从渔船离港时起船上的通信终端模块会实时将船只的位置信息发送到系统管理中心，系统管理中心能够实时监控并存储所有船只的航迹信息；当某船只遇险失踪后，系统管理中心可以通过轨迹回放确定出事船只的位置，并向出事点周围的船只发出救援信息，前去支援。若渔船安全返港，管理系统则将该船的航行信息存储入数据库中，以备查询。
频率高于300MHz的无线电波称之为微波，具有直线传输的特性。通常在没有障碍的两点间(称为可视距离)建立点对点的传输叫视距传输。由于地球是球形，地球表面任何两点间都有一定的凸起，凸起的地球表面会挡住视线。因此，可视距离与天线高度的关系如图1所示，理论计算公式是d≈(r+h1)2-r2+(r+h2)2-r2]]>其中h1是发射天线高度；h2是接收天线高度；r＝6376公里，是地球半径；d是可视距离。
在实际工程建设中，确定天线高度不仅要考虑地球表面的突起，还要考虑地形、地物(建筑物、树林)以确保两站间要满足视距传输要求。在陆地上，一般把微波天线安装在铁塔上，以增加通信距离。铁塔越高，可视距离越远，但造价也高。因此，铁塔高度与可视距离要平衡考虑。在平原地区微波站距离一般在30～45公里，铁塔高度在50～60米，才能满足视距的要求。有时候为节省投资往往把微波站设在山头上或高层建筑上。在海面上，微波传输方式主要依靠直射波传输，海上基本没有反射体，海面的反射对信号传输影响不大，传输距离主要是取决于收发天线的架设高度。根据我们的调查，普通中小型渔船的船载天线高度一般不超过10米，根据上面的公式，两个渔船间的理论通信距离为22.584公里。很难满足渔船海上作业的需要，特别是远海作业的需要。
在广阔的海洋中，除了少数的岛礁，很难建设大型的基站，也没有可利用的山头和高层建筑，因此，只能提高渔船自身天线的高度，以增加传输距离。但是，渔船的承载能力有限，在渔船上架设过高的天线既不经济，也不现实。因此天线高度问题是海上无线通信的一个关键问题。
本发明针对地面通信载体天线高度低，通信距离短的问题，提出基于系留气球的可伸缩有源漂浮天线系统(以下简称基于系留气球的有源天线系统)的实现方法，以系留气球作为天线的载体，可以将天线高度提高到10至150米，若地面通信载体为水上载体且遇险下沉时，系留气球随船漂浮，使球载的报警模块继续工作，为搜救提供及时准确的信息。
系留气球，是指系留于地面物体上、直径大于1.8米或者体积容量大于3.2立方米、轻于空气的充气物体。系留气球的结构如图2所示。根据我国“通用航空飞行管制条例”第三十七条规定，系留气球升放的高度不得高于地面150米，但是低于距其水平距离50米范围内建筑物顶部的除外。如果以此作为天线高度变化范围，本发明可以使渔船海上通信距离提高到50-80公里以上。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于系留气球的可伸缩有源漂浮天线系统的实现方法，如图3所示。它采用系留气球作为有源天线的载体，在10-150米高空实现无线信号的发送和接收，有效提高无线信号的传输距离，特别是渔船在海上的通信距离。其中系留绳由可导电系留绳和纯绳两部分组成。可导电系留绳的功能有三个方面，一是系留气球，二是给球载的通信模块提供供电链路，三是在球载通信模块和地面通信载体携带的通信模块间传送数据。球载有源天线系统还能够在电池供电方式下，通过无线信道与地面通信载体进行通信。纯绳为可导电系留绳的延长部分，当作业地面通信载体为水上载体且遇险下沉时，纯绳随船释放，确保系留气球永远漂浮在海平面上空，并且能够自动发送遇险船只报警信息。本发明的天线伸缩范围在10-150米之间，上升高度可调节，信号传输效果好，并且使用灵活、方便。本发明适用于那些在无线通信网信号覆盖不好的广大地区使用，特别是渔船海上作业、海洋开发、登山、旅游探险等活动中使用。
本发明的特征在于该方法包括以下步骤1、当地面通信载体与基站或其它通信载体距离较近(0至22公里范围内)，通过低高度天线(天线1)接收到的无线信号质量好时，本发明自动采用方式A进行通信。
2、当地面通信载体与基站或其它通信载体距离较远(22至150公里)，通过天线1接收到的无线信号质量差时，释放系留气球，本发明自动采用方式B或C进行通信。
3、当地面通信载体为水上载体且遇险下沉时，释放系留气球及系留绳中备用的纯绳部分，本发明自动采用方式D进行通信。
方式A的步骤包括A1地面通信载体的终端设备输出的信号依次进入调制解调模块和变频模块1，成为中心频率为F11的信号；A2中心频率为F11的信号，依次进入高频头1和天线1，向空间辐射；A3天线1接收的信号进入高频头1，成为中心频率为F12的信号；A4中心频率为F12的信号，依次进入变频模块1、调制解调模块和终端设备。
方式B的步骤包括B1释放载有有源天线系统的系留气球，系留气球携带有源天线系统升至指定高度(10-150米，卡盘控制)；B2地面通信载体通过可导电系留绳中的伴随电缆给球载的有源天线系统供电；B3地面通信载体的终端设备输出的信号依次进入调制解调模块和变频模块21，成为中心频率为F21的信号；B4中心频率为F21的信号通过可导电系留绳中的伴随电缆，进入变频模块22，成为中心频率为F11的信号；B5中心频率为F11的信号，依次进入高频头2和天线2，向空间辐射；B6天线2接收的信号进入高频头2，成为中心频率为F12的信号；B7中心频率为F12的信号，进入变频模块22，成为中心频率为F22的信号；B8中心频率为F22的信号，通过可导电系留绳中的伴随电缆，依次进入变频模块21、调制解调模块和终端设备。
方式C的步骤包括C1释放载有有源天线系统的系留气球，系留气球携带有源天线系统升至指定高度(10-150米，卡盘控制)；C2球载的有源天线系统采用电池组供电工作方式；C3地面通信载体的终端设备输出的信号依次进入调制解调模块和变频模块31，成为中心频率为F31的信号；C4中心频率为F31的信号，通过地面通信载体与漂浮在空中的气球间的无线信道，进入变频模块32，成为中心频率为F11的信号；C5中心频率为F11的信号，依次进入高频头2和天线2，向空间辐射；C6天线2接收的信号进入高频头2，成为中心频率为F12的信号；C7中心频率为F12的信号，进入变频模块32，成为中心频率为F32的信号；C8、中心频率为F32的信号，通过地面通信载体与漂浮在空中的气球间的无线信道，依次进入变频模块31、调制解调模块和终端设备。
方式D的步骤包括D1释放载有有源天线系统的系留气球，系留气球携带有源天线系统升至指定高度(10-150米，卡盘控制)；D2球载的有源天线系统采用电池组供电工作方式；D3自动报警模块输出的报警信息，依次进入调制模块、变频模块4，成为中心频率为F11的信号；
D4中心频率为F11的信号，依次进入高频头2和天线2，向空间辐射。
4、本发明基于系留气球的有源天线系统，其特征在于采用系留气球作为有源天线系统的载体。
5、本发明基于系留气球的有源天线系统，其特征在于使用可导电系留绳中的伴随电缆，地面通信载体与漂浮在空中的气球间的无线信道、变频模块21、变频模块22、变频模块31、变频模块32、变频模块4、高频头2、天线2、自动报警模块、调制模块和电池组进行远距离无线通信和报警信息发布。
6、本发明基于系留气球的有源天线系统，其特征在于变频模块22、变频模块32、变频模块4、高频头2、天线2、自动报警模块、调制模块和电池组为球载的通信模块。
7、本发明基于系留气球的有源天线系统，其特征在于所述方式A适用于在正常通信模式下的近距离无线通信(0至22公里范围内)。
8、本发明基于系留气球的有源天线系统，其特征在于所述方式B适用于在正常通信模式下增加通信距离。
9、本发明基于系留气球的有源天线系统，其特征在于所述方式C适用于地面通信载体供电系统异常或可导电系留绳中的伴随电缆断裂的情况。
10、本发明基于系留气球的有源天线系统，其特征在于所述方式D适用于应急情况下球载通信模块自动报警。
11、本发明基于系留气球的有源天线系统，其特征在于天线2的高度为系留气球上升的高度。
12、本发明基于系留气球的有源天线系统，其特征在于天线2的高度在航空条例规定的范围内可设置，即设置可导电系留绳的长度。
13、根据步骤2所示的方法，其特征在于系留绳由长度为L1的可导电系留绳和长度为L2的纯绳组成；L1的值根据通用航空飞行管制条例的规定设置，L2的值根据航行水域的平均水底深度设置。
14、根据步骤2所示的方法，其特征在于可导电系留绳除用于系留气球外，还向球载的有源天线系统供电，并在地面通信设备和球载通信设备间传送数据。
15、根据步骤3所示的方法，其特征在于只有当水上载体下沉时，释放系留绳的纯绳部分；纯绳随载体下沉自然释放，确保基于系留气球的有源天线系统永远漂浮在水面上，并自动发射报警信息。
16、根据步骤1、2所示的方法，其特征在于终端设备、调制解调模块、变频模块1、高频头1和天线1为地面通信载体携带的通信模块，天线1的高度远小于天线2的高度。
17、本发明中的系留气球，气球本体采用天然乳胶气球，表面均涂橙色反光材料，当夜晚月光或者搜救人员灯光搜寻时，便于搜救人员发现目标。
18、本发明的地面通信载体指地球表面(陆地及海洋)的移动或静止的物体，如车辆、船只、人、房屋。
本发明提出的基于系留气球的可伸缩有源漂浮天线系统的实现方法，具有如下优点1、采用系留气球作为无线通信天线的载体，可以有效提高天线高度，扩大地面通信载体与基站或其它通信载体间的通信距离，特别是渔船在海上通信的距离及报警信息的传播距离。
2、本发明的天线的高度可有较大的伸缩性，可以达到我国“通用航空飞行管制条例”规定的最大高度。
3、本发明用于水上载体时，当载体遇险下沉时，基于系留气球的有源天线系统随船漂浮在海平面上空，并自动发送报警信息，有利于搜救工作的展开。
4、本发明定制特定的可导电系留绳索，在绳索中加入伴随电线，为球载有源天线系统供电，并且具有进行持续的高速数据传输的功能。
5、本发明中，球载天线系统与地面通信载体间可采用无线和有线两种传输方式。
图1地球表面天线高度与可视距离关系示意图；图2系留气球结构图；图3本发明方法的原理框图；图4高频头工作原理框图；图5地面通信载体为水上载体时本发明的工作示意图；图6水上通信载体下沉时本发明的工作示意图。
具体实施例方式
本发明提出的可伸缩有源漂浮天线的实现方法，它采用系留气球作为有源天线的载体，在10-150m高空实现无线信号的发送和接收，能有效提高无线信号的传输距离，特别是渔船在海上的通信距离。
本发明中使用的系留气球及其结构如图2所示。它由系留气球1、气球保护网2、球载通信模块3和系留绳4(可导电系留绳+纯绳)组成。其中系留气球1采用天然乳胶气球。表面均涂橙色反光材料，便于搜救人员及时发现目标。气球保护网2，采用国内外最新技术和工艺，以聚乙烯为原材料，具有强度高、耐腐蚀、质地柔和、无毒无味的特点，保证气球在拖拽漂移过程中受力均匀，并对球载的通信模块3予以保护。系留绳4由长度为L1的可导电系留绳和长度为L2的纯绳组成。可导电系留绳除用于将气球系留在地面通信载体上外，还用于向球载通信模块3供电，并在船载通信模块和球载通信模块间传送数据。纯绳长度为L2，当作业渔船遇险下沉时，纯绳随船释放，确保系留气球永远漂浮在海平面上空。如果在中国南海海域使用，L1和L2的值根据“通用航空飞行管制条例”和南海海域的海底深度确定。
本发明方法的原理如图3所示。其中，地面通信载体携带的通信模块包括终端设备、调制解调模块、变频模块1、高频头1、天线1、变频模块21和变频模块31。系留气球携带的通信模块包括变频模块22、变频模块32、变频模块4、高频头2、天线2、自动报警模块、调制模块和电池组。地面通信载体携带的通信模块与系留气球携带的通信模块通过可导电系留绳中的伴随电缆或地面通信载体与漂浮在空中的气球间的无线信道进行通信。具体工作方式是当地面通信载体与基站或其它通信载体距离较近(0至22公里范围内)，通过低高度天线(天线1)接收到的无线信号质量好时，不释放系留气球，直接通过地面通信载体携带的通信模块(终端设备、调制解调模块、变频模块1、高频头1和天线1)进行通信。当地面通信载体与基站或其它通信载体距离较远(22至150公里)，通过低高度天线(天线1)接收到的无线信号质量差时，释放系留气球，地面通信载体携带的通信模块通过有线信道(可导电系留绳中的伴随电缆)或无线信道(地面通信载体与漂浮在空中的气球间的无线信道)，与系留气球携带的通信模块进行通信。有线方式使用的通信模块包括终端设备、调制解调模块、变频模块21、可导电系留绳中的伴随电缆、变频模块22、高频头2和天线2；无线方式使用的通信模块包括终端设备、调制解调模块、变频模块31、地面通信载体与漂浮在空中的气球间的无线信道、变频模块32、高频头2、天线2和电池组。当地面通信载体为水上载体且遇险下沉时，释放系留气球，使用自动报警模块、调制模块，变频模块4、高频头2、天线2和电池组发布报警信息。
本发明中高频头1和高频头2的工作原理如图4所示。低端模块输入的信号进入高频头，经上变频和放大后，由天线向外辐射。天线接收到的无线信号进入高频头，经低噪声放大和下变频，输出给低端模块。
地面通信载体为水上载体时本发明的工作示意图如图5所示。假设地面通信载体为海上渔船。当渔船距离海上无线网基站或其它船只距离较远(22至150公里)，接收信号质量比差时，释放载有有源天线系统的系留气球1，系留气球1携带有源天线系统升至指定高度。船上的动力系统(电源系统)通过可导电系留绳9中的伴随电缆给球载通信模块3供电。船载通信模块5输出的信号经过调制和变频成为中心频率为F21的信号。通过可导电系留绳9中的伴随电缆，发送至球载通信模块3，经过一系列的变频和放大后，从球载通信模块3的天线向外辐射，进入海上无线通信网6。同时，球载通信模块3中的天线接收的信号经过一系列放大和变频后，成为中心频率为F22的信号。中心频率为F22的信号通过可导电系留绳9中的伴随电缆，传送至船载通信模块5，再经过变频和解调，成为终端设备可识别的信号。当渔船的电力系统出现故障，无法给球载通信模块3供电时，或者当可导电系留绳9中的伴随电缆出现故障，无法有效传输信号时，本发明可在系留气球1和渔船间采用无线信道10传输信号。无线信道10上下行的中心频率分别为F31和F32。
本发明水上通信载体下沉时的工作示意图如图6所示。假设水上通信载体为海上渔船，当渔船遇险下沉至海底8过程中，船上工作人员弃船前释放载有球载通信模块3的系留气球1，切断可导电系留绳9中的伴随电缆，打开自动报警模块，并释放可导电系留绳9和纯绳11。纯绳11随渔船下沉自然释放，系留气球1和球载通信模块3随船漂流，不会沉没。球载通信模块3中的自动报警模块发出的报警信息经过调制变频放大后，通过球载通信模块3中的天线向空间辐射，进入海上无线通信网6。
权利要求
1.一种基于系留气球的可伸缩有源漂浮天线系统的实现方法，其特征在于该方法包括以下步骤(1).当地面通信载体与基站或其它通信载体距离在0至22公里范围内，通过低高度天线1接收到的无线信号质量好时，采用方式A进行通信；(2).当地面通信载体与基站或其它通信载体距离在22至150公里范围内，通过天线1接收到的无线信号质量差时，释放系留气球，采用方式B或C进行通信；(3).当地面通信载体为水上载体且遇险下沉时，释放系留气球及系留绳中备用的纯绳部分，采用方式D进行通信。
2.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于所述方式A的步骤包括A1地面通信载体的终端设备输出的信号依次进入调制解调模块和变频模块1，成为中心频率为F11的信号；A2中心频率为F11的信号，依次进入高频头1和天线1，向空间辐射；A3天线1接收的信号进入高频头1，成为中心频率为F12的信号；A4中心频率为F12的信号，依次进入变频模块1、调制解调模块和终端设备。
3.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于所述方式B的步骤包括B1释放载有有源天线系统的系留气球，系留气球携带有源天线系统升至指定高度10-150米；B2地面通信载体通过可导电系留绳中的伴随电缆给球载的有源天线系统供电；B3地面通信载体的终端设备输出的信号依次进入调制解调模块和变频模块21，成为中心频率为F21的信号；B4中心频率为F21的信号通过可导电系留绳中的伴随电缆，进入变频模块22，成为中心频率为F11的信号；B5中心频率为F11的信号，依次进入高频头2和天线2，向空间辐射；B6天线2接收的信号进入高频头2，成为中心频率为F12的信号；B7中心频率为F12的信号，进入变频模块22，成为中心频率为F22的信号；B8中心频率为F22的信号，通过可导电系留绳中的伴随电缆，依次进入变频模块21、调制解调模块和终端设备。
4.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于所述方式C的步骤包括C1释放载有有源天线系统的系留气球，系留气球携带有源天线系统升至指定高度10-150米；C2球载的有源天线系统采用电池组供电工作方式；C3地面通信载体的终端设备输出的信号依次进入调制解调模块和变频模块31，成为中心频率为F31的信号；C4中心频率为F31的信号，通过地面通信载体与漂浮在空中的气球间的无线信道，进入变频模块32，成为中心频率为F11的信号；C5中心频率为F11的信号，依次进入高频头2和天线2，向空间辐射；C6天线2接收的信号进入高频头2，成为中心频率为F12的信号；C7中心频率为F12的信号，进入变频模块32，成为中心频率为F32的信号；C8中心频率为F32的信号，通过地面通信载体与漂浮在空中的气球间的无线信道，依次进入变频模块31、调制解调模块和终端设备。
5.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于所述方式D的步骤包括D1释放载有有源天线系统的系留气球，系留气球携带有源天线系统升至指定高度10-150米；D2球载的有源天线系统采用电池组供电工作方式；D3自动报警模块输出的报警信息，依次进入调制模块、变频模块4，成为中心频率为F11的信号；D4中心频率为F11的信号，依次进入高频头2和天线2，向空间辐射。
6.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于采用系留气球作为有源天线系统的载体。
7.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于使用可导电系留绳中的伴随电缆，地面通信载体与漂浮在空中的气球间的无线信道、变频模块21、变频模块22、变频模块31、变频模块32、变频模块4、高频头2、天线2、自动报警模块、调制模块和电池组进行远距离无线通信和报警信息发布。
8.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于变频模块22、变频模块32、变频模块4、高频头2、天线2、自动报警模块、调制模块和电池组为球载的通信模块。
9.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于天线2的高度为系留气球上升的高度。
10.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于天线2的高度在航空条例规定的范围内可设置，即设置可导电系留绳的长度。
11.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于系留绳由长度为L1的可导电系留绳和长度为L2的纯绳组成；L1的值根据通用航空飞行管制条例的规定设置，L2的值根据航行水域的平均水底深度设置。
12.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于可导电系留绳除用于系留气球外，还向球载的有源天线系统供电，并在地面通信设备和球载通信设备间传送数据。
13.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于只有当水上载体下沉时，释放系留绳的纯绳部分；纯绳随载体下沉自然释放，确保基于系留气球的有源天线系统永远漂浮在水面上，并自动发射报警信息。
14.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于终端设备、调制解调模块、变频模块1、高频头1和天线1为地面通信载体携带的通信模块，天线1的高度远小于天线2的高度。
15.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于系留气球本体采用天然乳胶气球，表面均涂橙色反光材料，当夜晚月光或者搜救人员灯光搜寻时，便于搜救人员发现目标。
16.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于所述地面通信载体指地球表面陆地及海洋的移动或静止的物体，如车辆、船只、人、房屋。
全文摘要
本发明提出一种基于系留气球的可伸缩有源漂浮天线系统的实现方法，属于通信技术领域。它采用系留气球作为有源天线的载体，在10－150米高空实现无线信号的发送和接收，有效提高无线信号的传输距离。当地面通信载体为水上载体且遇险下沉时，可释放系留气球及系留绳中备用的纯绳部分，使球载天线系统随载体漂流并自动发射送报警信息。本发明的天线伸缩范围在10－150米之间，上升高度可调节，信号传输效果好，并且使用灵活、方便。本发明适用于在无线通信网信号覆盖不好的广大地区使用，特别是渔船海上作业、海洋开发、登山、旅游探险等活动中使用。
文档编号H04Q7/00GK101064536SQ200710085168
公开日2007年10月31日 申请日期2007年3月16日 优先权日2007年3月16日
发明者马正新, 巩曰成, 杜文才, 王春芳 申请人:海南新博海通科技有限公司