CN107749883A - 基于窄带波束定向天线的飞行器地空宽带通信链路方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于窄带波束定向天线的飞行器地空宽带通信链路方法，包括初始建链阶段：保证飞行器升空且通信设备开始工作后，可以迅速和地面站之间进行信令握手，从而实现双方的距离测量、时间基准同步和天线的互相对准，从而实现通信链路的初始建立；通信阶段：通信阶段的目的是保障飞行器和地面站之间通信数据的高速可靠传输，因此协议内容被划分为两个部分：一是双方节点之间周期性进行时间基准校正和天线对准实时调整，二是数据通信时的信道接入机制。本发明可以实现飞行器升空后和地面站之间快速建立链路，同时保障在飞行过程中彼此定向天线之间的实时对准和校正，并具备因飞行器异常机动导致链路中断后的快速自动恢复能力。

Description

基于窄带波束定向天线的飞行器地空宽带通信链路方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种基于窄带波束定向天线的飞行器地空宽带通信链路方法。

背景技术

空中飞行器和地面站之间的通信对链路速率要求正在不断提升，传统的基于全向天线的通信***由于天线增益较低，已经无法满足远距离宽带高速通信的需求；而基于卫星中继的通信保障手段信号带宽有限、租用费用昂贵，因此为飞行器提供一种新的比较廉价的宽带通信保障手段显得十分重要。

较低频段的频率资源由于其无线信道传输衰落特性较好，因此已经基本被各类型的通信***瓜分完毕。而波长为毫米量级的微波频段尚有较多的空闲频率资源，正在成为新通信***的优先考虑对象。比起地地通信链路，地空通信链路没有遮挡物，属于典型的视距通信场景，十分适合采用波长较小、绕射能力较差的微波通信频段。

由于飞行器的高机动性，因此地空之间的通信距离往往需要达到数百千米的量级，传统全向天线增益较低，无法满足这种距离量级的宽带通信需求。而随着定向天线技术的快速发展，在微波频段上各种类型的高增益窄带波束定向天线技术已经十分成熟，因此为更好满足地面站和飞行器之间的远距离宽带高速通信需求，地面站和飞行器都将考虑采用高增益的窄带波束定向天线。

其中地面站的天线安装在体积、重量和功率方面受限较小，因此考虑采用广泛应用于雷达和卫星通信***的机械伺服抛物面天线，信号波束角度非常窄，可以达到约4度量级的水平，天线增益可以达到约35dB；而飞行器的机载天线受限较大，因此采用了半球形的多波束透镜天线，此类天线采用新型设计方案和新材料3D打印技术，具备全向高增益、宽频带、自适应抑制强干扰，宽角范围内扫描、馈电网络简单、造价成本低、体积小重量轻等优点，能克服其它的一些传统机载天线的缺点，比相控阵天线具有更高的性能价格比。信号波束角度约30度量级，天线增益可以达到约13dB。

在通信双方都采用窄带波束定向天线进行信号收发的情况下，虽然可以获得非常高的天线增益，但在空中飞行器高速飞行情况下，定向天线的自动对齐和实时校正是保障通信链路正常运行的一个关键技术。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于窄带波束定向天线的飞行器地空宽带通信链路方法，可以实现飞行器升空后和地面站之间快速建立链路，同时保障在飞行过程中彼此定向天线之间的实时对准和校正，并具备因飞行器异常机动导致链路中断后的快速自动恢复能力。为增加飞行器通信链路的安全性和鲁棒性，上述机制不需要借助卫星定位***的辅助，即在没有地面站和飞行器定位数据的情况下仍能正常持续工作。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于窄带波束定向天线的飞行器地空宽带通信链路方法，飞行器设备内只安装了一个射频功放模块，因此电路开关只能连接其中一根半双工窄波束天线，即在一个时间片上所有窄波束天线中只能有一根天线进入信号收或发的工作状态；地面站天线位置固定不变；

S1初始建链阶段：保证飞行器升空且通信设备开始工作后，可以迅速和地面站之间进行信令握手，从而实现双方的距离测量、时间基准同步和天线的互相对准，从而实现通信链路的初始建立；

S2通信阶段：在通信阶段，时间轴被划分为奇数时隙和偶数时隙，其中奇数时隙含25 个小时隙，每个小时隙的时间长度和建链阶段的信令小时隙保持一致，都为T_S；而偶数时隙则含N个小时隙，参数N的定义和初始建链阶段保持一致；

通信阶段的目的是保障飞行器和地面站之间通信数据的高速可靠传输，因此协议内容被划分为两个部分：一是双方节点之间周期性进行时间基准校正和天线对准实时调整，二是数据通信时的信道接入机制；

数据业务的信道接入采用了一种改进型ALOHA机制，具体内容如下：

1、在链路空闲状态下，除了周期性同步信号和反馈信号所占用的时隙外，飞行器和地面台的天线在其它时隙上都将一直处于RTS信号接收状态；信令形式和前面同步信号相同，则是信令内容有所区别；接收天线或方位则是采用前面介绍的周期性同步信号发送和反馈机制所维护的信息；

2、如果飞行器或地面台在链路空闲状态下突然产生数据业务发送需求，则立刻发送RTS 信令+短数据信号，然后等待接收方的接收效果ACK反馈；如果在发送方指定时隙位置收到接收方的ACK反馈后，则继续以RTS信令+长数据信号进行后续数据的发送，并再次等待接收方的ACK反馈；重复上述过程，直至发送方的业务数据全部完成发送；

3、如果接收方在数据接收过程中也突然产生向对方发送业务数据的需求，则进入双向业务传输的状态；双方将各自利用ACK反馈信号轮流打断对方的数据传输，并立刻传输自己的数据。

进一步的，数据业务的信道接入过程中信令握手中断的异常处理机制：除了数据通信发起方的第一次RTS信号+短数据信号，后续的通信过程都是基于接收方的ACK反馈信号来决策后续传输过程，其中ACK信号携带的信令内容中既包含对前面数据接收CRC结果反馈，又包括后续时隙的传输安排，发送方继续发送或接收方也将开始发送数据；为避免出现死锁情况，这里针对数据发送方和数据接收方制定如下规定：

数据发送方在完成某次数据传输后，如果丢失接收方的ACK反馈信号，则意味当前链路可能受到干扰或双方的天线对准出现偏移，将立刻停止后续信号发送，发送方将重新退回至链路空闲状态，并等待完成新一次的周期性时间基准校正和天线对准后再重新尝试进行数据发送；

而对于数据接收方而言，完成ACK信号后，如果无法正确接收预期的RTS信号，则认为当前链路可能受到干扰或双方的天线对准出现偏移，也将立刻退回至链路空闲状态。

优选的，时间基准校正和天线对准实时调整具体为：

(I)在链路空闲时，飞行器将以每16个奇数加上16个偶数时隙为周期，占用一个奇数时隙和一个偶数时隙来进行同步信号的发送，Y表示地面站最新反馈的飞行器最佳天线编号， Y±1和Y±2表示和天线Y存在覆盖区域重叠的相邻周围4根天线，即飞行器在奇数时隙的 25个小时隙上轮流使用当前对齐天线及其相邻4根天线共5根天线各发送了5次同步信号，从而为飞行器线性运动时的链路双方的天线切换和方位调整提供参考数据；而在偶数时隙上将轮流使用N根天线各发送了一次同步信号，实现了一次对地全覆盖，从而为飞行器非线性机动导致天线发生剧烈变化时，地面站将利用全覆盖信号来重新获得新的天线对准数据；

(II)对地面站而言，将基于最新一次的路径传输时延，对飞行器周期性发送的同步信号进行延后接收；X表示地面站最新指向飞行器的最佳方位，X±1和X±2同样表示和方位X 存在覆盖区域重叠的相邻周围4个方位；地面站将利用这种接收策略，测量25种不同天线和方位组合之间同步信号接收质量，从而为因飞行器线性飞行而导致的相邻天线切换或方位调整提供了充分的参考数据。

(III)反馈信号的发送和接收机制：考虑到地面站和飞行器的最大链路距离，路径传输时延较大，因此这里规定飞行器针对地面站反馈信号的接收位置和对应接收天线安排具体如下：

在该时隙上，飞行器的N根天线将轮流进行接收，因此地面站不管是否正确接收了当前周期飞行器发送的同步信号，都需要对飞行器进行接收结果反馈；考虑周期时间很小，因此飞行器和地面站之间的时间基准和路径传输时延的精确度仍保持一个较高的水平，地面站将基于路径传输时延，采用反馈信号提前发送方式，保证N个信号到达飞行器时都依次落到N 根天线的接收窗口中，1个窗口的持续时间为Ts+25/N×Ts，具体如下：

地面站在决策使用哪个方位来发送反馈信号时，如果地面站成功接收飞行器的同步信号，则从中挑选出信号接收质量最好的方位进行反馈信号发送；如果全部接收失败，设在偶数时隙的地面站接收方位为X，则从历史数据中挑选除X外，最近5个周期内正确接收信号且接收质量最好的方位进行反馈信号发送；如果下一个周期信号的接收仍全部失败，则更换接收质量次之的方位进行尝试。重复上述过程，直至重新正确接收信号或失败次数达到上限，该过程如果出现可用方位不足的情况，则将历史数据的选择周期扩大一倍；

飞行器收到该反馈信号后，可以获取最新的双方天线对准信息，同时通过信号的到达时间再次测量双方之间的最新链路传输时延，并在下一次的信令信号中再通知地面台进行时间基准校正。

进一步的，针对偶数时隙信号的接收策略具体如下：

a)如果地面站在奇数时隙上25次信号接收机会中成功接收1次或多次信号，则从而挑选出信号接收质量最好的方位，记为XX，在偶数时隙上将全部使用该方位进行接收；

b)如果地面站在奇数时隙上25次信号接收机会中全部接收失败，则意味飞行器很可能在这个周期中出现非线性机动而导致对地指向天线发生剧烈变化，因此需要重新进行链路建立；但考虑到地面站是静止的，而飞行器在一个周期内的空中位置不会产生剧烈变化，因此飞行器仍然以趋于1的概率处于当前对空指向方位X的信号覆盖区域内，因此在偶数时隙信号接收时将一直使用该方位进行信号接收，从而确定飞行器新的最佳对地天线编号。

优选的，时间基准校正和天线对准实时调整过程中信令握手中断后的处理机制：

考虑到无线信号的不可靠性和飞行器飞行状态的不可预测性，双方的信令交互过程可能出现中断，为避免出现死锁情况下，在飞行器侧做如下规定：如果飞行器在3个周期内没有收到地面站任何的信令信号或数据信号，则在奇数时隙上将停止发送原来的5根天线各5次的信号，转而轮流使用N根天线进行信号发送，偶数时隙的信号发送方式一致保持不变；10 个周期内如果还没有收到地面站信号，则飞行器将恢复初始状态，使用初始建链阶段的帧结构；

而地面站侧的规定具体为：如果地面站在10个周期内都没有收到飞行器任何的信令信号或数据信号，则地面站也将重新恢复使用初始建链阶段的搜索状态，其中搜索空域范围将设定为最后一次正确接收信号的方位为中心，水平角和仰角各±10度的扇形空域。如果在该空域的搜索时间超过上限，则进一步将搜索空域扩大一倍；重复上述过程，直至重新捕获飞行器同步信号或搜索范围扩展至整个空域。

优选的，初始建链阶段的通信协议内容：

(I)飞行器升空后就立即开始发送空中呼叫信号，N根窄波束天线用矩阵开关控制方式，参数N表示飞行器透镜天线内的窄波束天线的总数量，轮流使用其中的一根天线进行同步信号发送，这N根天线轮流发送一次即可以完成一次对地信号覆盖；每完成10次覆盖后，就有一根窄波束天线进入接收状态，持续时间为T_G+T_S，尝试接收地面站发送的应答信号，T_S表示同步信令信号的时间长度，T_G表示路径传输时延保护时间，T_G可根据***实际应用场景在飞行器起飞前通过人工进行手动设置，并在信令中通知地面站该选择项；

如果接收失败，则继续下一次的空中呼叫，并更换下一根天线进行应答信号接收，重复上述过程，直至某根天线成功接收地面站的应答信号；

(II)地面站开机后即进入空中呼叫信号的搜索状态，如果对飞行器的升空地点有先验信息，则基于该信息设定一个对空搜索区域，抛物线天线通过机械调整方式轮流循环在该区域内的不同对空方位上进行驻守，每个方位的驻守时间为T＝(N+1)×T_S；在该时间段内地面站将尝试接收飞行器的呼叫信号，如果失败，则调整至下一个相邻方位继续搜索；如果地面站没有飞机起飞位置的先验信息，则对空搜索范围扩大至整个空域；

(III)在地面站搜索过程中，如果飞行器某根天线的呼叫信号指向地面站天线，同时地面站天线也指向空中飞行器，则该呼叫信号将被地面站成功捕获。

(IV)设地面站评估出来的最佳组合为对空方位XX和对地天线YY，考虑到视距直线通信时的链路对称性，则在天线YY的接收窗口到来时进行信令应答，从而完成地面站和空中飞行器之间的第一次信令握手；

(V)飞行器收到该应答信号后，则利用该信号的到达时间来计算出自身和地面站之间的路径传输时延；

(VI)飞行器在则在下一次空中呼叫中的N×10次同步信号的信令中都携带应答信号的 ACK确认信息和路径传输时延值，并宣布初始建链阶段结束，双方进入通信阶段。

具体的，设地面站在X方位上捕获到空中节点第Y根天线发送的同步信号，这意味此时双方天线已经处于一定程度的互相对准状态，考虑到飞行器相邻天线和地面站的相邻方位的信号区域都存在一定的重叠，为获取最佳指向，地面站将利用飞行器第Y根天线接收窗口来临前的呼叫信号，测量自身X方位及其邻近4个方位与飞行器天线Y及其邻近4根天线之间的多个组合的信号接收质量，并从中挑选出最佳组合，邻居方位或邻近天线的定义为对应的窄带信号波束覆盖范围存在一定比例的重叠区。

优选的，飞行器收到该应答信号后，则利用该信号的到达时间来计算出自身和地面站之间的路径传输时延：

T_d表示路径传输时延，默认上行和下行链路的路径传输时延相同，T_s1表示同步信号中同步头的时间长度，则有T2-T1＝T_d+T_s+(N-YY)×T_s+T_d+T_s1，即：

T_d＝(T2-T1-T_s-(N-YY)×T_s-T_s1)/2 (1)

优选的，通信阶段默认以后面应答时隙结束处为起始点，而地面站收到路径传输时延值后就在单向同步基础上消除路径传输时延影响，从而实现和空中台的时钟基准保持较高精度的趋同。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明可以实现飞行器升空后和地面站之间快速建立链路，同时保障在飞行过程中彼此定向天线之间的实时对准和校正，并具备因飞行器异常机动导致链路中断后的快速自动恢复能力。为增加飞行器通信链路的安全性和鲁棒性，上述机制不需要借助卫星定位***的辅助，即在没有地面站和飞行器定位数据的情况下仍能正常持续工作。

附图说明

图1是空中飞行器和地面站之间的初始建链阶段的帧结构示意图。

图2是空中飞行器和地面站之间的同步信令交互的时序图。

图3是通信阶段的帧结构示意图。

图4是飞行器周期性信号对应的发送天线情况示意图。

图5是地面站针对奇数时隙信号的方位接收策略示意图。

图6是地面站在奇数时隙成功接收后针对偶数时隙信号的方位接收策略示意图。

图7是地面站在奇数时隙全部接收失败后针对偶数时隙信号的方位接收策略示意图。

图8是飞行器侧的接收位置和接收天线安排示意图。

图9是地面站的反馈信号组成和提前发送示意图。

图10是单向业务传输的信令信号和数据信号的发送时序图。

图11是双向业务传输的信令信号和数据信号的发送时序图。

图12是地面站和飞行器不同角度的窄带波束互相对准示意图。

图13是地面站的对空波束扫描示意图。

图14是地对空天线的覆盖空域情况示意图。

图15是空对天线的覆盖地域情况示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

基于窄带波束定向天线的无线通信***事实上已经发展了几十年，最典型例子为卫星通信***。由于地面和卫星的通信距离非常遥远，因此在卫星和地面上天线都采用了有较高天线增益的定向天线。

随着信息化程度的不断提升，飞行器和地面站之间的通信速率要求正在不同提高，使用卫星进行中继通信保障的费用昂贵，且可用带宽已经无法完全满足飞行器的百Mbps量级的通信速率要求。为具备保障地面站和飞行器之间的远距离宽带通信的基本能力，收发双方同样都需要部署定向天线为获取一定的天线增益。但和卫星链路相比，地空链路存在如下差异性：

卫星通信是一个点对多点的通信***，即一颗卫星的天线需要通过多址方式为大量地面终端同时提供中继通信服务；而地空通信则是一个点对点通信链路，地面站的一部天线只需要为空中的一架飞行器提供通信保障；

在移动性方面，卫星的移动速率虽然非常高，但其运动轨道是可以进行精确预判断的，且通信卫星轨道高度一般比较高，因此对地面站而言，其相对移动是属于比较缓慢的；而飞行器速率虽然相对卫星要小很多，但其移动轨迹可预测性差，且通信距离为数百千米量级，因此相对移动性比卫星要大的多，天线实时对准和校正难度更大。

基于上述分析，这里借鉴卫星***的设计理念，在地面站上继续沿用已经在卫星地面站***中获得广泛应用的半双工机制的机械伺服抛物面天线，信号波束角度非常窄，仅约4度量级，天线增益可以达到约35dB。机械伺服天线技术已经十分成熟，其自身安装的传感器可以在不借助卫星定位***的情况下自动获取高精度的当前信号波束指向的方位角和仰角，从而为空中移动目标的天线对齐和实时校正提供辅助信息。

而在机载天线方面，考虑到成本、体积和重量等因素，选用半球形的多波束透镜天线，此类天线采用新型设计方案和和新材料3D打印技术，具备全向高增益、宽频带、自适应抑制强干扰，宽角范围内扫描、馈电网络简单等优点，且半球形天线表面光滑，空气阻力较小，十分适合通过嵌入方式安装在飞行器的机腹区域，有效保障空对地的半空域信号发送和接收。为在信号收发增益、天线体积和天线对齐维护开销方面获得较好的均衡(信号角度越窄，信号收发增益越大，但天线体积、重量和天线对准维护开销将越大)，这里多波形透镜天线的窄带波束信号角度约30度量级，天线增益可以达到约13dB。

这里解释一下，波束合成和波形切换是实现窄带波束定向信号的两种最常见手段，前者为相控阵类型的天线，是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来进行窄带信号合成和指向方向的变化；而后者是多波束类型天线，通过开关矩阵来控制多根不同方位指向的窄波束天线，可使用电开关切换方式实现信号收发方向的快速调整。前者虽然性能较好，但天线工作原理复杂，电子元器件众多，造价昂贵，体积和功耗方面也比较大；而后者工作原理简单，器件较少，成本低廉，体积和功耗比较小，且随着天线新材料和3D打印技术的不断发展，天线各方面性能有了明显提升，因此比相控阵天线更适合安装在中小型的飞行器上。

为简化机载天线的设计，设备内只安装了一个射频功放模块，因此电路开关只能连接一根半双工窄波束天线，即在一个时间片上所有窄波束天线中只能有一根天线进入信号收或发的工作状态。但由于开关采用了电切换模式，因此不同工作天线之间的切换时间非常短，可以忽略不计。

考虑到地面站和飞行器都采用了波束较窄的定向天线，为降低天线对齐的难度，这里默认地面站没有必要支持动中通能力，即地面站的机械伺服抛物面天线部署完成后，在整个通信过程中将不再进行移动(固定地面站不存在这个问题，车载***将采用驻停通方式)，仅通过机械传动***来按需自动调整天线的对空指向方位。

基于上述地面天线和机载天线，下面分别提供了地面站和飞行器在初始建链阶段和通信阶段的帧结构，以及相关的信道接入方案，具体如下：

一)初始建链阶段

初始建链阶段的帧结构设计方案具体如图1：

参数N表示飞行器透镜天线内的窄波束天线的总数量，在信号波束角度约30度且考虑相邻天线之间一定比例信号重叠覆盖情况下，该值一般为20根至30根之间；

参数T_S表示同步信令信号的时间长度，该信号的结构见图1，其主要目的是用于地面和空中节点之间的信号同步和少量信令信息交互。本实施例不涉及物理层波形的具体设计方案，因此这里只简单介绍一下该波形的设计原则，即信令波形设计需要匹配于的***最低档数据波形，体现为信令信号中PN序列同步虚警和漏检性能要非常好，且后面的信令数据正确解调门限要略微低于最低档数据波形2-3dB。由于仅需要携带约几十个比特的信令数据，因此T_S的典型数值约为0.1ms-0.15ms。

参数T_G表示路径传输时延保护时间，这里提供4个可配置项，具体值和对应保护距离(信号来回双向传输路径保护)如下表所示：

表1 T_G配置选项和对应保护范围

保护时隙时间长度TG	保护范围
		2ms	0km至300km
4ms	0km至600km
		6ms	0km至900km
8ms	0km至1200km

注：该配置项可根据***实际应用场景(飞机起飞时和地面站之间的大概距离)在飞行器起飞前通过人工进行手动设置，并在信令中通知地面站该选择项。

初始建链阶段的目的是保证飞行器升空且通信设备开始工作后，可以迅速和地面站之间进行信令握手，从而实现双方的距离测量、时间基准同步和天线的互相对准，从而实现通信链路的初始建立。下面给出这个阶段的通信协议内容：

(I)飞行器升空后就立即开始发送空中呼叫信号，含N根窄波束天线的半球形透镜天线利用矩阵开关控制方式，轮流使用其中的一根天线进行同步信号发送，这N根天线轮流发送一次即可以完成一次对地信号覆盖。每完成10次覆盖后，就有一根窄波束天线进入接收状态，持续时间为T_G+T_S，尝试接收地面站发送的应答信号。如果接收失败，则继续下一次的空中呼叫，并更换下一根天线进行应答信号接收，重复上述过程，直至某根天线成功接收地面站的应答信号。

(II)地面站开机后即进入空中呼叫信号的搜索状态，如果对飞行器的升空地点有先验信息，则基于该信息设定一个对空搜索区域，抛物线天线通过机械调整方式轮流循环在该区域内的不同对空方位上进行驻守，每个方位的驻守时间为T＝(N+1)×T_S。在该时间段内地面站将尝试接收飞行器的呼叫信号，如果失败，则调整至下一个相邻方位继续搜索；如果地面站没有飞机起飞位置的先验信息，则对空搜索范围扩大至整个空域。

(III)在地面站搜索过程中，如果飞行器某根天线的呼叫信号指向地面站天线，同时地面站天线也指向空中飞行器，则该呼叫信号将被地面站成功捕获。设地面站在X方位上捕获到空中节点第Y根天线发送的同步信号，这意味此时双方天线已经处于一定程度的互相对准状态。考虑到飞行器相邻天线和地面站的相邻方位的信号区域都存在一定的重叠，为获取最佳指向，地面站将利用飞行器第Y根天线接收窗口来临前的呼叫信号，测量自身X方位及其邻近4个方位与飞行器天线Y及其邻近4根天线之间的多个组合的信号接收质量，并从中挑选出最佳组合。(注：邻居方位或邻近天线的定义为对应的窄带信号波束覆盖范围存在一定比例的重叠区。)

(IV)设地面站评估出来的最佳组合为对空方位XX和对地天线YY，考虑到视距直线通信时的链路对称性，则在天线YY的接收窗口到来时进行信令应答(携带该最佳组合信息)，从而完成地面站和空中飞行器之间的第一次信令握手。

(V)飞行器收到该应答信号后，则利用该信号的到达时间来计算出自身和地面站之间的路径传输时延，具体原理如图2，其中T_d表示路径传输时延(由于是视距通信，因此默认上行和下行链路的路径传输时延相同)，T_s1表示同步信号中同步头的时间长度。则基于图2可以看出T2-T1＝T_d+T_s+(N-YY)×T_s+T_d+T_s1，即：

T_d＝(T2-T1-T_s-(N-YY)×T_s-T_s1)/2 (1)

(VI)飞行器在则在下一次空中呼叫中的N×10次同步信号的信令中都携带应答信号的 ACK确认信息和路径传输时延值，并宣布初始建链阶段结束，双方进入通信阶段。(注：通信阶段默认以后面应答时隙结束处为起始点，而地面站收到路径传输时延值后就在单向同步基础上消除路径传输时延影响，从而实现和空中台的时钟基准保持较高精度的趋同。)

二)通信阶段

通信节点的帧结构具体如图3，在通信阶段，时间轴被划分为奇数时隙和偶数时隙，其中奇数时隙含25个小时隙，每个小时隙的时间长度和建链阶段的信令小时隙保持一致，都为 T_S；而偶数时隙则含N个小时隙，参数N的定义和初始建链阶段保持一致。

通信阶段的目的是保障飞行器和地面站之间通信数据的高速可靠传输，因此协议内容被划分为两个部分：一是双方节点之间周期性进行时间基准校正和天线对准实时调整，二是数据通信时的信道接入机制。协议内容具体如下：

◆时间基准校正和天线对准实时调整

在初始建链阶段双方已经完成时间基准同步和天线对准，但考虑到飞行器移动和双方晶振漂移等因素，需要通过周期性校正和调整来保证精度，

具体方案如下：

(I)在链路空闲时(注：数据通信过程中已包含时间基准校正和天线对准机制，因此无需重复进行)，飞行器将以每16个奇数加上16个偶数时隙为周期，占用一个奇数时隙和一个偶数时隙来进行同步信号的发送(注：N值一般为20-30之间，T_S值一般为0.1ms-0.15ms，因此奇数和偶数时隙的时间长度相差不大，都约3毫秒，校正周期约0.1秒量级)，信号的发送天线情况如图4所示，其中Y表示地面站最新反馈的飞行器最佳天线编号，Y±1和Y±2 表示和天线Y存在覆盖区域重叠的相邻周围4根天线，即飞行器在奇数时隙的25个小时隙上轮流使用当前对齐天线及其相邻4根天线共5根天线各发送了5次同步信号，从而为飞行器线性运动时的链路双方的天线切换和方位调整提供参考数据(线性运动是指飞行器移动导致的有重叠覆盖区域的相邻天线切换，可预测性强)；而在偶数时隙上将轮流使用N根天线各发送了一次同步信号，实现了一次对地全覆盖，从而为飞行器非线性机动导致天线发生剧烈变化时(非线性机动是指飞行器侧飞或翻滚等动作导致对地指向天线出现非相邻天线切换，可预测性非常差)，地面站将利用全覆盖信号来重新获得新的天线对准数据。

(II)对地面站而言，将基于最新一次的路径传输时延，对飞行器周期性发送的同步信号进行延后接收。其针对奇数时隙信号的接收策略具体如图5所示，其中X表示地面站最新指向飞行器的最佳方位，X±1和X±2同样表示和方位X存在覆盖区域重叠的相邻周围4个方位。基于图5可以看出，地面站将利用这种接收策略，测量了25种不同天线和方位组合之间同步信号接收质量，从而为因飞行器线性飞行而导致的相邻天线切换或方位调整提供了充分的参考数据。

而针对偶数时隙信号的接收策略具体如下：

a)如果地面站在奇数时隙上25次信号接收机会中成功接收1次或多次信号，则从而挑选出信号接收质量最好的方位，记为XX，在偶数时隙上将全部使用该方位进行接收，如图6。

b)如果地面站在奇数时隙上25次信号接收机会中全部接收失败，则意味飞行器很可能在这个周期中出现非线性机动而导致对地指向天线发生剧烈变化，因此需要重新进行链路建立。但考虑到地面站是静止的，而飞行器在一个周期内的空中位置不会产生剧烈变化(飞行器以2马赫高速飞行，一个周期约0.1秒时间内移动距离也仅几十米)，因此飞行器仍然以趋于1的概率处于当前对空指向方位X的信号覆盖区域内，因此在偶数时隙信号接收时将一直使用该方位进行信号接收，从而确定飞行器新的最佳对地天线编号，如图7。

(III)反馈信号的发送和接收机制：考虑到地面站和飞行器的最大链路距离可能达到 1200km(见表1)，路径传输时延较大，因此这里规定飞行器针对地面站反馈信号的接收位置和对应接收天线安排具体如下(图8)：

在该时隙上，飞行器的N根天线将轮流进行接收。因此地面站不管是否正确接收了当前周期飞行器发送的同步信号，都需要对飞行器进行接收结果反馈。考虑周期时间很小(约0.1 秒)，因此飞行器和地面站之间的时间基准和路径传输时延的精确度仍保持一个较高的水平，因此地面站将基于路径传输时延，采用反馈信号提前发送方式，保证N个信号(1个信号时间长度为Ts)到达飞行器时都依次落到N根天线的接收窗口(1个窗口的持续时间为Ts+25/N ×Ts)中，具体如下(图9)：

地面站在决策使用哪个方位来发送反馈信号时，如果地面站成功接收飞行器的同步信号，则从中挑选出信号接收质量最好的方位进行反馈信号发送；如果全部接收失败，设在偶数时隙的地面站接收方位为X，则从历史数据中挑选除X外，最近5个周期内正确接收信号且接收质量最好的方位进行反馈信号发送。如果下一个周期信号的接收仍全部失败，则更换接收质量次之的方位进行尝试。重复上述过程，直至重新正确接收信号或失败次数达到上限(10 次)，该过程如果出现可用方位不足的情况，则将历史数据的选择周期扩大一倍。

基于上述机制飞行器收到该反馈信号后，可以获取最新的双方天线对准信息，同时通过信号的到达时间再次测量双方之间的最新链路传输时延，并在下一次的信令信号中再通知地面台进行时间基准校正。

(IV)信令握手中断后的处理机制：考虑到无线信号的不可靠性和飞行器飞行状态的不可预测性，双方的信令交互过程可能出现中断。为避免出现死锁情况下，在飞行器侧做如下规定：如果飞行器在3个周期内没有收到地面站任何的信令信号或数据信号，则在奇数时隙上将停止发送原来的5根天线各5次的信号，转而轮流使用N根天线进行信号发送，偶数时隙的信号发送方式一致保持不变；10个周期内如果还没有收到地面站信号，则飞行器将恢复初始状态，使用初始建链阶段的帧结构；

而地面站侧的规定具体为：如果地面站在10个周期内都没有收到飞行器任何的信令信号或数据信号，则地面站也将重新恢复使用初始建链阶段的搜索状态，其中搜索空域范围将设定为最后一次正确接收信号的方位为中心，水平角和仰角各±10度的扇形空域。如果在该空域的搜索时间超过上限(如8秒)，则进一步将搜索空域扩大一倍。重复上述过程，直至重新捕获飞行器同步信号或搜索范围扩展至整个空域。

◆数据业务的信道接入机制

考虑到***为点对点通信链路，因此信道碰撞概率非常低，因此为降低信道接入时延，并考虑到远距离传输时链路传输时延比信令信号长度要大很多(信令信号长度约0.1-0.15ms，而最大传输时延值为4ms)和双方都使用定向天线等因素，因此数据业务的信道接入采用了一种改进型ALOHA机制，具体内容如下：

1、在链路空闲状态下，除了周期性同步信号和反馈信号所占用的时隙外，飞行器和地面台的天线在其它时隙上都将一直处于RTS信号接收状态(信令形式和前面同步信号相同，则是信令内容有所区别)，接收天线或方位则是采用前面介绍的周期性同步信号发送和反馈机制所维护的信息。

2、如果飞行器或地面台在链路空闲状态下突然产生数据业务发送需求，则立刻发送RTS 信令(携带后续数据信号的时间长度信息)+短数据信号(不大于5毫秒)，然后等待接收方的接收效果ACK反馈；如果在发送方指定时隙位置(数据信号后的2倍路径传输时延)收到接收方的ACK反馈后(意味着数据链路成功建立)，则继续以RTS信令(携带后续数据信号的时间长度信息)+长数据信号(不大于25毫秒)进行后续数据的发送，并再次等待接收方的ACK反馈。重复上述过程，直至发送方的业务数据全部完成发送。

3、如果接收方在数据接收过程中也突然产生向对方发送业务数据的需求，则进入双向业务传输的状态。双方将各自利用ACK反馈信号轮流打断对方的数据传输，并立刻传输自己的数据。

4、信令握手中断的异常处理机制：通过上面的3个协议内容可以看出，除了数据通信发起方的第一次RTS信号+短数据信号，后续的通信过程都是基于接收方的ACK反馈信号来决策后续传输过程，其中ACK信号携带的信令内容中既包含对前面数据接收CRC结果反馈，又包括后续时隙的传输安排(发送方继续发送或接收方也将开始发送数据)。为避免出现死锁情况，这里针对数据发送方和数据接收方制定如下规定：

数据发送方在完成图10或图11所示的某次数据传输后，如果丢失接收方的ACK反馈信号，则意味当前链路可能受到干扰或双方的天线对准出现偏移，将立刻停止后续信号发送，发送方将重新退回至链路空闲状态，并等待完成新一次的周期性时间基准校正和天线对准后再重新尝试进行数据发送。

而对于数据接收方而言，完成图10的ACK信号后(该信号将要求对方继续发送RTS+数据信号)，如果无法正确接收预期的RTS信号，则认为当前链路可能受到干扰或双方的天线对准出现偏移，也将立刻退回至链路空闲状态。

值得注意的是，目前许多已有的基于定向天线的移动通信***都需要卫星定位***的辅助才能完成彼此之间的天线对准。考虑到卫星定位***在一些特殊情况下的脆弱性，如战时被摧毁或信号给恶意干扰，因此为进一步提升飞行器的数据通信链路的安全性和鲁棒性，本文所提供的通信方案是不需要借助卫星定位***的帮助的。

为验证上述机制的实际效果，这里提供一些和窄带定向天线互相对齐相关的理论和结果。

1)窄带波束天线互相对准的基本原理

如图12所示，即双方在3维空域上的不同角度的圆锥波束可以同时互相照射对方天线时，则此时双方链路的天线收发增益达到最大值。

2)初始建链阶段的耗时分析

对飞行器而言，其半球形透镜天线中含N窄带根天线，每根天线的波束角度约30度，因此N的取值范围为20-30根，典型值为24根。在保证信号通信性能前提下，一次同步信号的发送时间为0.1-0.15ms，典型值为0.125ms，因此都取典型值时每3ms就可以完成1轮对地的信号全覆盖。

而对于地面节点而言，由于天线体积和重量受限较小，因此为获取更高的信号收发增益，选用体积较大但信号收发波束角度更小的机械伺服抛物面天线，大概约4度。基于示意图13 可以计算出地面天线需要大概约2/(sin(4/2度))²≈1642次对空扫描才能完成对整个天空的覆盖。考虑到扫描区域的无缝性，相邻方位的扫描空域需要有一定的重叠区域，以25％计算，则扫描次数约2200次。而地面站在每个方位的驻留时间为3+0.125＝3.125ms，因此地面站和飞行器之间的初始建链时间在没有任何先验信息的情况下将不大于7秒，如果有先验信息，则搜索空域明显减少，因此建链时间还将明显减少。

3)天线对齐后的时间稳定度分析

首先针对地对空方位的时间稳定度，从图14可以看出，如果链路距离为L，则地对空信号波束(约4度)的覆盖区域是一个直径约为0.07R的圆形。以L＝30km计算，则直径达到2100m。设空中节点以300m/s的速率水平机动，则在该区域的停留时间长达约7s；

其次针对空对地天线的时间稳定度，从图15可以看出，如果链路距离为L，则空对地信号波束(约30度)的地面覆盖区域是一个直径约为0.5R的圆形。以R＝30km计算，则直径达到15000m。设空中节点以300m/s的速率水平机动，则在该区域的停留时间长达约50s；

结论：通过飞行器和地面站以约0.1秒为周期的天线对准链路质量测量和反馈机制，为双方之间天线互相对齐和实时调整机制提供足够的链路参考信息，从而保证在空中节点高度机动场景下以趋于1的概率(正常机动99.5％，其他一些特殊剧烈机动98％，如大角度爬升或翻滚)保持通信链路的连通性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于窄带波束定向天线的飞行器地空宽带通信链路方法，其特征在于，飞行器设备内只安装了一个射频功放模块，因此电路开关只能连接其中一根半双工窄波束天线，即在一个时间片上所有窄波束天线中只能有一根天线进入信号收或发的工作状态；地面站天线位置固定不变；

S1初始建链阶段：保证飞行器升空且通信设备开始工作后，可以迅速和地面站之间进行信令握手，从而实现双方的距离测量、时间基准同步和天线的互相对准，从而实现通信链路的初始建立；

S2通信阶段：通信阶段的目的是保障飞行器和地面站之间通信数据的高速可靠传输，因此协议内容被划分为两个部分：一是双方节点之间周期性进行时间基准校正和天线对准实时调整，二是数据通信时的信道接入机制；

数据业务的信道接入采用了一种改进型ALOHA机制，具体内容如下：

1)、在链路空闲状态下，除了周期性同步信号和反馈信号所占用的时隙外，飞行器和地面台的天线在其它时隙上都将一直处于RTS信号接收状态；信令形式和前面同步信号相同，则是信令内容有所区别；接收天线或方位则是采用前面介绍的周期性同步信号发送和反馈机制所维护的信息；

2)、如果飞行器或地面台在链路空闲状态下突然产生数据业务发送需求，则立刻发送RTS信令+短数据信号，然后等待接收方的接收效果ACK反馈；如果在发送方指定时隙位置收到接收方的ACK反馈后，则继续以RTS信令+长数据信号进行后续数据的发送，并再次等待接收方的ACK反馈；重复上述过程，直至发送方的业务数据全部完成发送；

3)、如果接收方在数据接收过程中也突然产生向对方发送业务数据的需求，则进入双向业务传输的状态；双方将各自利用ACK反馈信号轮流打断对方的数据传输，并立刻传输自己的数据。

2.根据权利要求1所述的基于窄带波束定向天线的飞行器地空宽带通信链路方法，其特征在于，数据业务的信道接入过程中信令握手中断的异常处理机制包括：除了数据通信发起方的第一次RTS信号+短数据信号，后续的通信过程都是基于接收方的ACK反馈信号来决策后续传输过程，其中ACK信号携带的信令内容中既包含对前面数据接收CRC结果反馈，又包括后续时隙的传输安排，发送方继续发送或接收方也将开始发送数据；为避免出现死锁情况，这里针对数据发送方和数据接收方制定如下规定：

数据发送方在完成某次数据传输后，如果丢失接收方的ACK反馈信号，则意味当前链路可能受到干扰或双方的天线对准出现偏移，将立刻停止后续信号发送，发送方将重新退回至链路空闲状态，并等待完成新一次的周期性时间基准校正和天线对准后再重新尝试进行数据发送；

而对于数据接收方而言，完成ACK信号后，如果无法正确接收预期的RTS信号，则认为当前链路可能受到干扰或双方的天线对准出现偏移，也将立刻退回至链路空闲状态。

3.根据权利要求1所述的基于窄带波束定向天线的飞行器地空宽带通信链路方法，其特征在于，时间基准校正和天线对准实时调整具体为：

(I)在链路空闲时，飞行器将以每16个奇数加上16个偶数时隙为周期，占用一个奇数时隙和一个偶数时隙来进行同步信号的发送，Y表示地面站最新反馈的飞行器最佳天线编号，Y±1和Y±2表示和天线Y存在覆盖区域重叠的相邻周围4根天线，即飞行器在奇数时隙的25个小时隙上轮流使用当前对齐天线及其相邻4根天线共5根天线各发送了5次同步信号，从而为飞行器线性运动时的链路双方的天线切换和方位调整提供参考数据；而在偶数时隙上将轮流使用N根天线各发送了一次同步信号，实现了一次对地全覆盖，从而为飞行器非线性机动导致天线发生剧烈变化时，地面站将利用全覆盖信号来重新获得新的天线对准数据；

(II)对地面站而言，将基于最新一次的路径传输时延，对飞行器周期性发送的同步信号进行延后接收；X表示地面站最新指向飞行器的最佳方位，X±1和X±2同样表示和方位X存在覆盖区域重叠的相邻周围4个方位；地面站将利用这种接收策略，测量25种不同天线和方位组合之间同步信号接收质量，从而为因飞行器线性飞行而导致的相邻天线切换或方位调整提供了充分的参考数据；

(III)反馈信号的发送和接收机制：考虑到地面站和飞行器的最大链路距离，路径传输时延较大，因此这里规定飞行器针对地面站反馈信号的接收位置和对应接收天线安排具体如下：

在该时隙上，飞行器的N根天线将轮流进行接收，因此地面站不管是否正确接收了当前周期飞行器发送的同步信号，都需要对飞行器进行接收结果反馈；考虑周期时间很小，因此飞行器和地面站之间的时间基准和路径传输时延的精确度仍保持一个较高的水平，地面站将基于路径传输时延，采用反馈信号提前发送方式，保证N个信号到达飞行器时都依次落到N根天线的接收窗口中，1个窗口的持续时间为Ts+25/N×Ts，具体如下：

地面站在决策使用哪个方位来发送反馈信号时，如果地面站成功接收飞行器的同步信号，则从中挑选出信号接收质量最好的方位进行反馈信号发送；如果全部接收失败，设在偶数时隙的地面站接收方位为X，则从历史数据中挑选除X外，最近5个周期内正确接收信号且接收质量最好的方位进行反馈信号发送；如果下一个周期信号的接收仍全部失败，则更换接收质量次之的方位进行尝试；重复上述过程，直至重新正确接收信号或失败次数达到上限，该过程如果出现可用方位不足的情况，则将历史数据的选择周期扩大一倍；

飞行器收到该反馈信号后，可以获取最新的双方天线对准信息，同时通过信号的到达时间再次测量双方之间的最新链路传输时延，并在下一次的信令信号中再通知地面台进行时间基准校正。

4.根据权利要求3所述的基于窄带波束定向天线的飞行器地空宽带通信链路方法，其特征在于，针对偶数时隙信号的接收策略具体如下：

a)如果地面站在奇数时隙上25次信号接收机会中成功接收1次或多次信号，则从而挑选出信号接收质量最好的方位，记为XX，在偶数时隙上将全部使用该方位进行接收；

b)如果地面站在奇数时隙上25次信号接收机会中全部接收失败，则意味飞行器很可能在这个周期中出现非线性机动而导致对地指向天线发生剧烈变化，因此需要重新进行链路建立；但考虑到地面站是静止的，而飞行器在一个周期内的空中位置不会产生剧烈变化，因此飞行器仍然以趋于1的概率处于当前对空指向方位X的信号覆盖区域内，因此在偶数时隙信号接收时将一直使用该方位进行信号接收，从而确定飞行器新的最佳对地天线编号。

5.根据权利要求3所述的基于窄带波束定向天线的飞行器地空宽带通信链路方法，其特征在于，时间基准校正和天线对准实时调整过程中信令握手中断后的处理机制：

考虑到无线信号的不可靠性和飞行器飞行状态的不可预测性，双方的信令交互过程可能出现中断，为避免出现死锁情况下，在飞行器侧做如下规定：如果飞行器在3个周期内没有收到地面站任何的信令信号或数据信号，则在奇数时隙上将停止发送原来的5根天线各5次的信号，转而轮流使用N根天线进行信号发送，偶数时隙的信号发送方式一致保持不变；10个周期内如果还没有收到地面站信号，则飞行器将恢复初始状态，使用初始建链阶段的帧结构；

而地面站侧的规定具体为：如果地面站在10个周期内都没有收到飞行器任何的信令信号或数据信号，则地面站也将重新恢复使用初始建链阶段的搜索状态，其中搜索空域范围将设定为最后一次正确接收信号的方位为中心，水平角和仰角各±10度的扇形空域；如果在该空域的搜索时间超过上限，则进一步将搜索空域扩大一倍；重复上述过程，直至重新捕获飞行器同步信号或搜索范围扩展至整个空域。

6.根据权利要求1所述的基于窄带波束定向天线的飞行器地空宽带通信链路方法，其特征在于，初始建链阶段的通信协议内容：

(I)飞行器升空后就立即开始发送空中呼叫信号，N根窄波束天线用矩阵开关控制方式，参数N表示飞行器透镜天线内的窄波束天线的总数量，轮流使用其中的一根天线进行同步信号发送，这N根天线轮流发送一次即可以完成一次对地信号覆盖；每完成10次覆盖后，就有一根窄波束天线进入接收状态，持续时间为T_G+T_S，尝试接收地面站发送的应答信号，T_S表示同步信令信号的时间长度，T_G表示路径传输时延保护时间，T_G可根据***实际应用场景在飞行器起飞前通过人工进行手动设置，并在信令中通知地面站该选择项；

如果接收失败，则继续下一次的空中呼叫，并更换下一根天线进行应答信号接收，重复上述过程，直至某根天线成功接收地面站的应答信号；

(II)地面站开机后即进入空中呼叫信号的搜索状态，如果对飞行器的升空地点有先验信息，则基于该信息设定一个对空搜索区域，抛物线天线通过机械调整方式轮流循环在该区域内的不同对空方位上进行驻守，每个方位的驻守时间为T＝(N+1)×T_S；在该时间段内地面站将尝试接收飞行器的呼叫信号，如果失败，则调整至下一个相邻方位继续搜索；如果地面站没有飞机起飞位置的先验信息，则对空搜索范围扩大至整个空域；

(III)在地面站搜索过程中，如果飞行器某根天线的呼叫信号指向地面站天线，同时地面站天线也指向空中飞行器，则该呼叫信号将被地面站成功捕获；

(IV)设地面站评估出来的最佳组合为对空方位XX和对地天线YY，考虑到视距直线通信时的链路对称性，则在天线YY的接收窗口到来时进行信令应答，从而完成地面站和空中飞行器之间的第一次信令握手；

(V)飞行器收到该应答信号后，则利用该信号的到达时间来计算出自身和地面站之间的路径传输时延；

(VI)飞行器在则在下一次空中呼叫中的N×10次同步信号的信令中都携带应答信号的ACK确认信息和路径传输时延值，并宣布初始建链阶段结束，双方进入通信阶段。

7.根据权利要求6所述的基于窄带波束定向天线的飞行器地空宽带通信链路方法，其特征在于，步骤(III)中设地面站在X方位上捕获到空中节点第Y根天线发送的同步信号，这意味此时双方天线已经处于一定程度的互相对准状态，考虑到飞行器相邻天线和地面站的相邻方位的信号区域都存在一定的重叠，为获取最佳指向，地面站将利用飞行器第Y根天线接收窗口来临前的呼叫信号，测量自身X方位及其邻近4个方位与飞行器天线Y及其邻近4根天线之间的多个组合的信号接收质量，并从中挑选出最佳组合，邻居方位或邻近天线的定义为对应的窄带信号波束覆盖范围存在一定比例的重叠区。

8.根据权利要求6所述的基于窄带波束定向天线的飞行器地空宽带通信链路方法，其特征在于，飞行器收到该应答信号后，则利用该信号的到达时间来计算出自身和地面站之间的路径传输时延：

T_d表示路径传输时延，默认上行和下行链路的路径传输时延相同，T_s1表示同步信号中同步头的时间长度，则有T2-T1＝T_d+T_s+(N-YY)×T_s+T_d+T_s1，即：

T_d＝(T2-T1-T_s-(N-YY)×T_s-T_s1)/2。

9.根据权利要求1所述的基于窄带波束定向天线的飞行器地空宽带通信链路方法，其特征在于，通信阶段默认以后面应答时隙结束处为起始点，而地面站收到路径传输时延值后就在单向同步基础上消除路径传输时延影响，从而实现和空中台的时钟基准保持一定范围精度的趋同。