CN107748573A - 无人机、基于无人机集群的天线阵、控制***及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种无人机、基于无人机集群的天线阵、控制***及控制方法，本发明将传统固定排布的天线阵拆分成若干可以***的天线单元，并用采用无人机进行调度，天线阵大小可以通过放飞无人机集群规模来调整；布阵自由度大，天线阵可以根据用户终端需求，控制无人机飞行布局，重构天线阵形状、天线单元布阵方式；由于消除了大型天线阵机械结构、尺寸包络的限制，尤其运动平台重量、体积限制，在低频段可以获得大型或超大型阵面，因此，很容易获得高增益能力；天线阵除了传统幅度和相位加权变量外，还具备空间位置调整变化的加权能力(如密度加权)，可以实现更为灵活多变的方向图，包括扫描范围；天线阵机动性好。

Description

无人机、基于无人机集群的天线阵、控制***及控制方法
技术领域
本发明属于无线电技术领域，具体涉及一种无人机、基于无人机集群的天线阵、控制***及控制方法。
背景技术
天线阵是由众多天线单元按一定规律排列、共同工作提升天线能力的一种天线形式，是当前应用非常广泛的射频电子***。天线阵主要应用于雷达、通信、遥控遥测、数据传输、侦察与干扰、射电望远镜等***中。
决定天线阵辐射性能的主要参数包括两类：即，组成天线阵辐射单元的发射或接收射频信号的幅度、相位、工作频率和带宽等电性方面的参数；另一类则是组成天线阵的辐射单元空间位置，如天线单元间距离、排列方式等。
目前，所有天线阵在设计和实施后其单元之间的相对位置都是固定的，不管是平面天线阵还是球形、柱形等共形阵，天线单元固定于结构框架上，在工作过程中无法调整、移动。
在集中馈电的天线阵中，每个天线单元的电磁波幅度和相位在设计阶段就已确定，由功分网络实现，天线波束指向的调整需要转台机械类设备一维或两维旋转实施完成；相控阵天线中每个天线单元的幅度和相位则可以根据需求进行调整，天线阵方向图形状通过这种调整加以赋形重构，波束指向调整则是通过控制信号相位来完成，同时，由于受到有效投影面积降低的影响，在扫描时天线增益下降，尤其是在大角度时恶化严重，因此在实际工程中，通常采用机械扫描结合相位扫描，或者多个平面阵组合使用。
不管是集中馈电的天线阵还是相控天线阵，都是在物理机构上固定的电子***，通常安装于地面固定地点，或者安装于车辆、飞机、舰船或者卫星上实现运动。对于地面固定站点的大型天线阵，天线阵尺寸的限制比较宽松，可以采用庞大的地面基础设施来保障巨大天线阵的安装布局和精度要求；而应用于车辆、飞机、舰船或者卫星等运动平台上的大型天线阵，其物理尺寸将受到严格限制，尤其是在低频段，通常很难做到大面积、高增益的天线，这也就限制了使用该天线阵电子***的作用距离。
另外，对于低频段天线阵，地基固定站可以实现大阵列、高增益，但是由于地面镜像影响大，天线阵辐射方向图在低仰角容易出现凹陷甚至是零点，出现波束覆盖盲区；而机/星载天线阵虽然消除了地面影响，但是受到飞行平台尺寸和重量限制，很难实现大型天线阵，进而获得高增益。
发明内容
本发明的目的是提供一种无人机、基于无人机集群的天线阵、控制***及控制方法，以提高大型天线阵的增益和机动性能以及单元位置可重构的能力；同时避免了波束覆盖盲区；减小地球曲率影响，增加天线阵直视距离。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
一种无人机，该无人机配备有无线通信***、卫星导航***、遥控遥测***和飞行控制***；所述无线通信***用于与其它无人机进行信息互通；所述卫星导航***用于获取无人机位置信息；该位置信息通过遥控遥测***发送至用户终端，遥控遥测***接收用户终端发出的控制指令，并将控制指令发送至飞行控制***，飞行控制***根据控制指令对无人机进行飞行控制；无人机还携带有天线单元和数传***，所述天线单元为大型天线阵的其中一个组成部分，所述天线单元的信息数据通过数传***与用户终端进行互通。
一种基于无人机集群的天线阵，包括至少两个无人机组成的无人机集群以及用于远程控制该无人机集群的用户终端；其中每个无人机均携带有一个天线单元，各无人机在用户终端的控制下进行编队飞行来获得天线阵需要的空间布局，使各无人机上的天线单元组成大型天线阵；各天线单元的信息数据通过无人机上设置的数传***与用户终端进行互通。
优选的，由无人机集群和天线单元构成的天线阵为单层平面阵、多面阵、多层平面阵或不规则三维立体阵。
一种所述基于无人机集群的天线阵的控制***，包括配备于每架无人机的无线通信***、卫星导航***、遥控遥测***和飞行控制***；所述无线通信***用于与集群中的其它无人机建立内部局域网，实现无人机集群的信息互通；所述卫星导航***用于获取无人机位置信息；所述遥控遥测***用于将所述位置信息发送至用户终端，并从用户终端接收控制指令；所述用户终端能够制定无人机集群的布阵位置信息，并根据该布阵位置信息生成控制指令；所述飞行控制***用于接收所述控制指令并根据该控制指令对无人机进行飞行控制；所述用户终端能够根据来自每个无人机上天线单元的幅度和相位信息，结合无人机上卫星导航***获取的位置信息，通过计算获得天线阵辐射方向图。
优选的，所述无人机集群可以通过内部局域网互通各自位置信息以及来自用户终端的信息，由飞行控制***实现天线阵自主调整。
一种所述控制***的控制方法，包括如下步骤：
步骤1：由运输平台将众多的无人机运输至工作区域，根据天线阵布阵要求，输入每个无人机飞行位置信息，包含高度、空间相对位置和飞行区域信息；
步骤2：放飞无人机，由无人机构成的集群根据输入信息在空中编队飞行；
步骤3：由卫星导航***获得的每个无人机的位置信息，通过无线通信***构成的无人机集群内部局域网互通位置信息，根据天线阵布阵需要的空间相对位置要求，经过飞行控制***自主调整飞行，完成无人机编队中各单个无人机位置修正；
步骤4：各无人机上的卫星导航***获得的位置信息由遥控遥测***发送至用户终端，用户终端判断由无人机构成的空中编队是否满足天线阵布阵要求，如果不满足要求则进入步骤5，如果满足天线阵布阵要求则进入步骤6；
步骤5：通过遥控遥测***反馈至无人机飞行控制***，进行飞行编队修正；
步骤6：无人机上的天线单元开展工作，其工作信息通过数传***下传至用户终端，用户终端根据来自每个无人机上天线单元的信息：幅度和相位，结合无人机上卫星导航***获取的位置信息，通过计算获得天线阵辐射方向图。
本发明的技术效果在于：
1、基于无人机集群的大型天线阵扩展性强，天线阵大小可以通过放飞无人机集群规模来调整；
2、基于无人机集群的大型天线阵布阵自由度大，天线阵可以根据用户终端需求，控制无人机飞行布局，重构天线阵形状、天线单元布阵方式，获得平面阵、多面阵、曲面阵或者三维立体阵；
3、由于消除了大型天线阵机械结构、尺寸包络的限制，尤其运动平台重量、体积限制，在低频段可以获得大型或超大型阵面，因此，很容易获得高增益能力；
4、基于无人机集群的大型天线阵，由于无人机飞行高度较高，因此在低频段消除了天线阵地面镜像影响，避免了天线方向图低仰角波瓣***、出现覆盖盲点的缺陷；
5、基于无人机集群的大型天线阵，由于无人机飞行高度较高，削弱了地球曲率影响，提升了天线直视作用距离，尤其是低仰角空域的覆盖能力提升；
6、基于无人机集群的大型天线阵，由于采用车辆、船和飞机等运输，达到使用位置无人机放飞，空中飞行运动中组阵，另外，天线阵还可以随运动用户终端而运动，因此，天线阵机动性好。
附图说明
图1为本发明所述基于无人机集群大型天线阵构成图；
图2为本发明所述无人机配备设备示意图；
图3为本发明所述基于无人机集群大型天线阵工作流程图；
图4为本发明所述基于无人机集群大型天线阵双层阵示意图；
图5为本发明所述基于无人机集群大型天线阵双层阵XZ面投影图；
图6为本发明所述基于无人机集群大型天线阵雁形阵示意图；
图7为本发明所述基于无人机集群大型天线阵雁形阵XZ面投影图；
图8为本发明所述基于无人机集群大型天线阵三维立体不规则阵示意图。
上图中序号：无人机1、天线单元2、无线通信***3、卫星导航***4、遥控遥测***5、数传***6、飞行控制***7、用户终端8。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的描述。
实施例1
如图2所示，一种无人机1，该无人机1配备有无线通信***3、卫星导航***4、遥控遥测***5和飞行控制***7；所述无线通信***用于与其它无人机1进行信息互通；所述卫星导航***4用于获取无人机1位置信息；该位置信息通过遥控遥测***5发送至用户终端8，遥控遥测***5接收用户终端8发出的控制指令，并将控制指令发送至飞行控制***7，飞行控制***7根据控制指令对无人机1进行飞行控制；无人机1还携带有天线单元2和数传***6，所述天线单元2为大型天线阵的其中一个组成部分，所述天线单元2的信息数据通过数传***6与用户终端8进行互通。
实施例2
如图1、4-8所示，一种基于无人机集群的天线阵，包括至少两个无人机1组成的无人机集群以及用于远程控制该无人机集群的用户终端8；其中每个无人机1均携带有一个天线单元2，各无人机1在用户终端8的控制下进行编队飞行来获得天线阵需要的空间布局，使各无人机1上的天线单元2组成大型天线阵；各天线单元2的信息数据通过无人机1上设置的数传***6与用户终端8进行互通。
由无人机集群和天线单元2构成的天线阵为单层平面阵如图1、多层平面阵如图4、5所示的双层平面阵和图6、7所示的雁形阵或不规则三维立体阵如图8所示。
实施例3
如图3所示，一种实施例2所述基于无人机集群的天线阵的控制***，包括配备于每架无人机1的无线通信***3、卫星导航***4、遥控遥测***5和飞行控制***7；所述无线通信***用于与集群中的其它无人机1建立内部局域网，实现无人机集群的信息互通；所述卫星导航***4用于获取无人机1位置信息；所述遥控遥测***5用于将所述位置信息发送至用户终端8，并从用户终端8接收控制指令；所述用户终端8能够制定无人机集群的布阵位置信息，并根据该布阵位置信息生成控制指令；所述飞行控制***7用于接收所述控制指令并根据该控制指令对无人机1进行飞行控制；所述用户终端8能够根据来自每个无人机1上天线单元2的幅度和相位信息，结合无人机1上卫星导航***4获取的位置信息，通过计算获得天线阵辐射方向图。所述无人机集群可以通过内部局域网互通各自位置信息以及来自用户终端8的信息，由飞行控制***7实现天线阵自主调整。
下面根据图3介绍基于无人机集群大型天线阵工作过程，首先由运输平台将众多的无人机1运输至工作区域，根据天线阵布阵要求，输入每个无人机飞行1位置信息，包含高度、空间相对位置和飞行区域等信息，然后放飞无人机1，由无人机1构成的集群根据输入信息在空中编队飞行，由卫星导航***4获得的每个无人机1的位置信息，通过无线通信***4构成的无人机集群内部局域网互通位置信息，根据天线阵布阵需要的空间相对位置要求，经过飞行控制***7自主调整飞行，完成无人机编队中各单个无人机1位置修正。同时，各无人机1上的卫星导航***4获得的位置信息由遥控遥测***5发送至用户终端8，用户终端8判断由无人机1构成的空中编队是否满足天线阵布阵要求，如果不满足要求，则通过遥控遥测***5反馈至无人机1飞行控制***7，进行飞行编队修正。如果满足天线阵布阵要求，则无人机1上的天线单元2开展工作，其工作信息通过数传***6下传至用户终端，用户终端根据来自每个无人机1上天线单元2的信息：幅度和相位，结合无人机1上卫星导航***5获取的位置信息，通过计算获得天线阵辐射方向图。
本发明提供的大型天线阵与现有技术相比具有以下几点优势：
1、基于无人机集群的大型天线阵扩展性强，天线阵大小可以通过放飞无人机集群规模来调整；
2、基于无人机集群的大型天线阵布阵自由度大，天线阵可以根据用户终端8需求，控制无人机1飞行布局，重构天线阵形状、天线单元2布阵方式，可以构成平面阵、多面阵、曲面阵或者三维立体阵；
3、由于消除了大型天线阵机械结构、尺寸包络的限制，尤其运动平台重量、体积限制，在低频段可以获得大型或超大型阵面，因此，很容易获得高增益能力；
4、基于无人机集群的大型天线阵，由于无人机1飞行高度较高，因此在低频段消除了天线阵地面镜像影响，避免了天线方向图低仰角波瓣***、出现覆盖盲点的缺陷；
5、基于无人机集群的大型天线阵，由于无人机1飞行高度较高，削弱了地球曲率影响，提升了天线直视作用距离，尤其是低仰角空域的覆盖能力提升；
6、基于无人机集群的大型天线阵，由于采用车辆、船和飞机等运输，达到使用位置无人机1放飞，空中飞行运动中组阵，另外，天线阵还可以随运动用户终端8而运动，因此，天线阵机动性好。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无人机，该无人机(1)配备有无线通信***(3)、卫星导航***(4)、遥控遥测***(5)和飞行控制***(7)；所述无线通信***用于与其它无人机(1)进行信息互通；所述卫星导航***(4)用于获取无人机(1)位置信息；该位置信息通过遥控遥测***(5)发送至用户终端(8)，遥控遥测***(5)接收用户终端(8)发出的控制指令，并将控制指令发送至飞行控制***(7)，飞行控制***(7)根据控制指令对无人机(1)进行飞行控制；其特征在于：无人机(1)还携带有天线单元(2)和数传***(6)，所述天线单元(2)为大型天线阵的其中一个组成部分，所述天线单元(2)的信息数据通过数传***(6)与用户终端(8)进行互通。
2.一种基于无人机集群的天线阵，其特征在于：包括至少两个无人机(1)组成的无人机集群以及用于远程控制该无人机集群的用户终端(8)；其中每个无人机(1)均携带有一个天线单元(2)，各无人机(1)在用户终端(8)的控制下进行编队飞行来获得天线阵需要的空间布局，使各无人机(1)上的天线单元(2)组成大型天线阵；各天线单元(2)的信息数据通过无人机(1)上设置的数传***(6)与用户终端(8)进行互通。
3.根据权利要求2所述的基于无人机集群的天线阵，其特征在于：由无人机集群和天线单元(2)构成的天线阵为单层平面阵、多面阵、多层平面阵或不规则三维立体阵。
4.一种权利要求2或3所述基于无人机集群的天线阵的控制***，其特征在于：包括配备于每架无人机(1)的无线通信***(3)、卫星导航***(4)、遥控遥测***(5)和飞行控制***(7)；所述无线通信***用于与集群中的其它无人机(1)建立内部局域网，实现无人机集群的信息互通；所述卫星导航***(4)用于获取无人机(1)位置信息；所述遥控遥测***(5)用于将所述位置信息发送至用户终端(8)，并从用户终端(8)接收控制指令；所述用户终端(8)能够制定无人机集群的布阵位置信息，并根据该布阵位置信息生成控制指令；所述飞行控制***(7)用于接收所述控制指令并根据该控制指令对无人机(1)进行飞行控制；所述用户终端(8)能够根据来自每个无人机(1)上天线单元(2)的幅度和相位信息，结合无人机(1)上卫星导航***(4)获取的位置信息，通过计算获得天线阵辐射方向图。
5.根据权利要求4所述的控制***，其特征在于：所述无人机集群可以通过内部局域网互通各自位置信息以及来自用户终端(8)的信息，由飞行控制***(7)实现天线阵自主调整。
6.一种权利要求4或5所述控制***的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：由运输平台将众多的无人机(1)运输至工作区域，根据天线阵布阵要求，输入每个无人机(1)飞行位置信息，包含高度、空间相对位置和飞行区域信息；
步骤2：放飞无人机(1)，由无人机(1)构成的集群根据输入信息在空中编队飞行；
步骤3：由卫星导航***(4)获得的每个无人机(1)的位置信息，通过无线通信***(3)构成的无人机集群内部局域网互通位置信息，根据天线阵布阵需要的空间相对位置要求，经过飞行控制***(7)自主调整飞行，完成无人机(1)编队中各单个无人机(1)位置修正；
步骤4：各无人机(1)上的卫星导航***(4)获得的位置信息由遥控遥测***(5)发送至用户终端(8)，用户终端(8)判断由无人机(1)构成的空中编队是否满足天线阵布阵要求，如果不满足要求则进入步骤5，如果满足天线阵布阵要求则进入步骤6；
步骤5：通过遥控遥测***(5)反馈至无人机(1)飞行控制***(7)，进行飞行编队修正；
步骤6：无人机(1)上的天线单元(2)开展工作，其工作信息通过数传***(6)下传至用户终端(8)，用户终端(8)根据来自每个无人机(1)上天线单元(2)的信息：幅度和相位，结合无人机(1)上卫星导航***(4)获取的位置信息，通过计算获得天线阵辐射方向图。
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