CN112490636A - 一种基于通视的机载天线自动切换方法 - Google Patents

一种基于通视的机载天线自动切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于通视的机载天线自动切换方法，属于无人机测控技术领域。本方法中，飞机和地面站都采用的GPS坐标系，由经度、纬度和高度来确定其位置；通过四次坐标变换，将地面站转换到飞机机体坐标系下；然后，在飞机机体的坐标系中进行判断，若机载天线和地面测控站天线的连线与飞机蒙皮相交，则认为遮挡，否则视为通视；最后，根据通视情况、天线方向图、天线覆盖范围和天线增益等进行信息综合，选择合适的机载天线。本发明在现有的平台上即可实现，无需增加额外硬件，可增强无人机数据链的智能控制，为无人机自主飞行、智能控制发展提供可能。

Description

一种基于通视的机载天线自动切换方法
技术领域
本发明涉及无人机测控技术领域，尤其是指一种基于通视的机载天线自动切换方法。
背景技术
数据链是无人机***的重要组成部分，是实现地面操控人员对无人机进行实时控制的信息通道。数据链通信属于微波通信，要求满足无线电通视条件。所谓通视是指两者之间是无障碍物遮挡视线(LOS)，即在两个相互通信的设备天线之间保持无障碍。通视情况与飞机姿态变化引起的自身遮挡、地球曲率、大气折射、地形地貌等诸多因素有关。合理规划航线可以规避外界通视障碍。为了克服机体自身遮挡，飞机上一般安装多副天线，根据飞机姿态变化切换使用。
大中型无人机都实现了自主飞行，起飞、巡航、着陆等阶段飞行控制操作员主要是在监视无人机的状态，不出意外时很少进行手工操作。测控链路操作员要根据飞机与地面站的相对位置、飞行航迹显示和飞机姿态实时切换机载天线，保持链路畅通。目前，测控链路操作员主要采用手工操作，因而成为指挥舱内最忙的人。繁忙的手工操作不仅效率低下，还容易发生错误。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于通视的机载天线自动切换的方法，能够减少链路操作员的手工操作。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种基于通视的机载天线自动切换方法，包括以下步骤：
(1)采集临界点：通过安装在飞机蒙皮上的天线向飞机的各方向做切线，与飞机蒙皮相切的点为通视临界点；
(2)四次坐标变换：首先将地面站GPS坐标变换成大地直角坐标，然后转换为以飞机为原点的飞机地理坐标，接着再变换为以飞机为参心的球面坐标，最后根据飞机的航向角、俯仰角和横滚角进行坐标旋转，得到飞机机体坐标系下，地面测控站的方位角和俯仰角；
(3)通视判断：如果地面测控站的俯仰角大于飞机机体坐标系下方位角点上临界点的俯仰角度，则飞机天线与地面测控站天线的连线与飞机蒙皮不相交，判为通视，否则判为遮挡；
(4)天线选择：根据通视情况、天线的方向图、覆盖范围和天线增益信息选择天线。
进一步的，步骤(1)的具体方式为：
(101)获取飞机的数字模型；
(102)判断天线的安装位置，若天线安装在机背或机腹中线上，则采集飞机一侧180°范围内的临界点，另一侧通过对称方式直接获得，若天线未安装在中线上，则采集360°范围内的临界点；
(103)根据飞机轮廓曲线的变化程度设置步进值，采集每个步进值处的临界点。
进一步的，步骤(2)的具体方式为：
(201)地面站GPS采用的是WGS-84大地坐标，将GPS测得的大地坐标转换为空间大地直角坐标：
Figure BDA0002790582540000021
式中：B、L、H分别为WGS-84大地坐标中的纬度、经度和高度，X、Y、Z分别为地面站的空间大地直角坐标的三个分量，
Figure BDA0002790582540000022
是卯酉曲率半径，
Figure BDA0002790582540000023
为第一偏心率平方，a为椭球长半轴，b为椭球短半轴；
(202)将地面站的空间大地直角坐标转换成以飞机为原点的直角坐标：
Figure BDA0002790582540000024
Figure BDA0002790582540000025
式中：x、y、z分别为飞机地理坐标系下地面站的三个坐标分量，X0、Y0、Z0分别为飞机的空间大地直角坐标的三个分量，B0、L0分别为飞机的纬度和经度；
(203)将飞机地理坐标系下的地面站的直角坐标转换为飞机地理球坐标：
Figure BDA0002790582540000026
式中：d、α、ε分别为地面站相对于飞机的斜距、方位角和俯仰角；
(204)计算飞机机体坐标系下，地面测控站的方位角和俯仰角：
Figure BDA0002790582540000031
Figure BDA0002790582540000032
式中：h为飞机的航向角，p为飞机的俯仰角，r为飞机的横滚角。
进一步的，步骤(4)的具体方式为：
(401)若飞机上安装的是多个全向天线，则从中选择通视的天线；如果有多个天线都满足通视条件，则根据天线方向图判断，选择在飞机机体坐标系中俯仰角最小的天线；
(402)若飞机上同时安装有全向天线和定向天线，则在满足通视的前提下，优先选择定向天线。
进一步的，仅在接收信号强度下降到预设门限以下时，才进行天线切换。
本发明的有益效果在于：
1、本发明方法简单易行，执行效率高，便于实现。
2、本发明方法可实现机载天线的自动切换，能够减少链路操作员的手工操作，提高操作效率，防止人工操作发生错误。
附图说明
图1是本发明实施例中机载天线自动切换方法的流程图。
图2是本发明实施例中飞机地理坐标系和机体坐标系之间的关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图1所示，一种基于通视的机载天线自动切换方法，其包括以下步骤：
(1)采集临界点：天线一般安装在飞机的蒙皮上，通过天线向飞机的各方向(0,360°)做切线，与飞机蒙皮相切的点为通视临界点。具体方式为：
(101)临界点的采集可以在飞机的数字模型上进行。天线安装在机背或机腹中线上的，临界点可以采集180°，由于飞机左右对称分布，另一半可以镜像处理。
(102)天线安装不在飞机中线上的，临界点要采集360°。
(103)当临界点采集时，可根据飞机轮廓曲线变化的程度选择合适的步进，以减少采集数据量。
(2)四次坐标变换，首先将地面站GPS坐标变换成大地直角坐标，然后转换为以飞机为原点的飞机地理坐标，然后再变换为以飞机为参心的球面坐标，最后根据飞机的航向角、俯仰角和横滚角进行坐标旋转，得到飞机机体坐标系下，地面测控站的方位角和俯仰角。具体方式为：
(201)地面站GPS采用的是WGS-84大地坐标，将GPS测得的大地坐标(纬度B、经度L、高度H)转换为空间大地直角坐标(X、Y、Z)：
Figure BDA0002790582540000041
式中：
Figure BDA0002790582540000042
是卯酉曲率半径；
Figure BDA0002790582540000043
为第一偏心率平方，
a为椭球长半轴，b为椭球短半轴。
(202)将地面站的空间大地直角坐标(X、Y、Z)转换成以飞机为原点的直角坐标：
Figure BDA0002790582540000044
Figure BDA0002790582540000045
式中：X0、Y0、Z0为飞机的空间大地直角坐标，B0、L0为飞机的纬度和经度。
(203)将飞机地理坐标系下的地面站的直角坐标(x，y，z)转换为飞机地理球坐标(d,α,ε)：
Figure BDA0002790582540000046
其中，(d,α,ε)为地面站相对于飞机的斜距、方位角和俯仰角。
(204)飞机机体坐标系和地理坐标系之间的关系可用一个方向余弦来表示，地理坐标经过三次转动后与飞机机体坐标重合。如图2所示，OXgYgZg为飞机地理坐标系，OXbYbZb为飞机机体坐标系。首先，地理坐标先绕OZg轴旋转角度h(即航向角)，得到OX′Y′Zg；再绕OX′轴旋转角度p(即俯仰角)，得到OX′YbZ′；最后绕OYb轴旋转r(即横滚角)，最终得到OXbYbZb。
经过推导，得到飞机机体坐标下地面测控站的方位角(A)和俯仰角(E)为：
Figure BDA0002790582540000051
Figure BDA0002790582540000052
其中，α为飞机地理坐标系下的地面站方位角；ε为飞机地理坐标系下的地面站俯仰角；h为飞机的航向角；p为飞机的俯仰角；r为飞机的横滚角。
(3)通视判断：在飞机机体坐标系中，地面测控站的方位角(A)和俯仰角为(E)。如果俯仰角(E)角大于飞机机体坐标系下方位角(A)点的临界点的俯仰角，则飞机天线与地面测控站天线的连线与飞机蒙皮不相交，判为通视，否则判为遮挡。
(4)天线选择：天线选择需要综合通视情况、天线的方向图、覆盖范围和天线增益等信息。一般来说，飞机上通常安装一个定向天线和多个全向天线，几乎没有安装多个定向天线的情况。天线选择的具体方式为：
(401)飞机上安装的是多个全向天线时，选择通视的天线，如果多个天线都满足通视条件，根据天线方向图判断，选择在飞机机体坐标系中俯仰角小的天线，因为天线一般在水平方向上增益较大。
(402)若飞机上同时安装有全向天线和定向天线，在远距离飞行时，定向天线增益高，可以保证正常通信，全向天线则可能作用距离不够。因此，在满足通视的前提下，优先选择定向天线。此外，对于一轴定向天线，机体坐标系中俯仰角要小于波束宽度；对于两轴定向天线，机体坐标系中俯仰角要小于天线的俯仰覆盖范围。
此外，为了避免天线不必要的切换，在链路通信正常的情况下尽量不切换，只有接收信号强度下降到预设门限时，才进行天线切换。
本发明在现有的平台上即可实现，无需增加额外硬件，可增强无人机数据链的智能控制，为无人机自主飞行、智能控制发展提供可能。
需要说明的是，上述实施例旨在使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明，对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种基于通视的机载天线自动切换方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采集临界点：通过安装在飞机蒙皮上的天线向飞机的各方向做切线，与飞机蒙皮相切的点为通视临界点；
(2)四次坐标变换：首先将地面站GPS坐标变换成大地直角坐标，然后转换为以飞机为原点的飞机地理坐标，接着再变换为以飞机为参心的球面坐标，最后根据飞机的航向角、俯仰角和横滚角进行坐标旋转，得到飞机机体坐标系下，地面测控站的方位角和俯仰角；
(3)通视判断：如果地面测控站的俯仰角大于飞机机体坐标系下方位角点上临界点的俯仰角度，则飞机天线与地面测控站天线的连线与飞机蒙皮不相交，判为通视，否则判为遮挡；
(4)天线选择：根据通视情况、天线的方向图、覆盖范围和天线增益信息选择天线。
2.如权利要求1所述的一种基于通视的机载天线自动切换方法，其特征在于，步骤(1)的具体方式为：
(101)获取飞机的数字模型；
(102)判断天线的安装位置，若天线安装在机背或机腹中线上，则采集飞机一侧180°范围内的临界点，另一侧通过对称方式直接获得，若天线未安装在中线上，则采集360°范围内的临界点；
(103)根据飞机轮廓曲线的变化程度设置步进值，采集每个步进值处的临界点。
3.如权利要求1所述的一种基于通视的机载天线自动切换方法，其特征在于，步骤(2)的具体方式为：
(201)地面站GPS采用的是WGS-84大地坐标，将GPS测得的大地坐标转换为空间大地直角坐标：
Figure FDA0002790582530000011
式中：B、L、H分别为WGS-84大地坐标中的纬度、经度和高度，X、Y、Z分别为地面站的空间大地直角坐标的三个分量，
Figure FDA0002790582530000012
是卯酉曲率半径，
Figure FDA0002790582530000013
为第一偏心率平方，a为椭球长半轴，b为椭球短半轴；
(202)将地面站的空间大地直角坐标转换成以飞机为原点的直角坐标：
Figure FDA0002790582530000014
Figure FDA0002790582530000021
式中：x、y、z分别为飞机地理坐标系下地面站的三个坐标分量，X0、Y0、Z0分别为飞机的空间大地直角坐标的三个分量，B0、L0分别为飞机的纬度和经度；
(203)将飞机地理坐标系下的地面站的直角坐标转换为飞机地理球坐标：
Figure FDA0002790582530000022
式中：d、α、ε分别为地面站相对于飞机的斜距、方位角和俯仰角；
(204)计算飞机机体坐标系下，地面测控站的方位角和俯仰角：
Figure FDA0002790582530000023
Figure FDA0002790582530000024
式中：h为飞机的航向角，p为飞机的俯仰角，r为飞机的横滚角。
4.如权利要求1所述的一种基于通视的机载天线自动切换方法，其特征在于，步骤(4)的具体方式为：
(401)若飞机上安装的是多个全向天线，则从中选择通视的天线；如果有多个天线都满足通视条件，则根据天线方向图判断，选择在飞机机体坐标系中俯仰角最小的天线；
(402)若飞机上同时安装有全向天线和定向天线，则在满足通视的前提下，优先选择定向天线。
5.如权利要求1所述的一种基于通视的机载天线自动切换方法，其特征在于，仅在接收信号强度下降到预设门限以下时，才进行天线切换。
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