[发明专利]一种基于窄带波束定向天线的飞行器空中定位方法

权利要求书

1.一种基于窄带波束定向天线的飞行器空中定位方法，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；

飞行器在飞行过程中发现自己无法正确接收卫星定位信号后，而将自己最后的定位数据和飞行信息通过机载无线通信系统通知地面测控站，并要求其启动天线来帮助自己实现定位；设飞行器机载天线共安装了N根窄波束天线，具体如下：

S1初始建链阶段：初始建链阶段的目的是用于飞行器和地面测控站之间迅速进行信令握手，从而实现链路建立和初次定位；

S2持续定位阶段：飞行器利用地面测控站的应答信号完成初次定位后，由于其一直处于高速移动中，因此需要进行持续定位，目的是实现飞行器在飞行过程中获取持续稳定的定位数据，具体方法是利用双方的周期性信号交互来实现无线测距，并通过地面站的位置数据和窄带波束方向信息来计算空中位置坐标；该阶段的核心技术是双方节点之间的周期性时间基准校正和在飞行器飞行状态下的双方定向天线对准实时调整。

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空中定位方法，其特征在于，初始建链阶段的通信协议内容如下：

(I)飞行器在空中无法通过卫星定位系统进行定位后，就将最后的定位数据和飞行信息通知地面测控站，并开始发送空中呼叫信号；其含N根窄波束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无任何死角的信号覆盖；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，尝试接收地面测控站发送的应答信号，参数T_S表示同步信令信号的时间长度，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；参数T_G表示路径传输时延保护时间；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测控站的应答信号；

(II)地面测控站获知飞行器的卫星定位机制出现问题后，则启动天线并进入空中呼叫信号的搜索状态，并以最后的定位数据为中心设定一个对空搜索圆锥形区域，天线将通过机械调整方式轮流循环在该范围空域内的不同对空方位上进行驻守，直至正确接收到呼叫信号或搜索范围布满整个空域；

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

(IV)设地面测控站评估出来的最佳组合为对空方位XX和对地天线YY，考虑到收发双方都使用定向天线时的地空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，从而完成地面测控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测控站天线之间的距离；距离＝路径传输时延×光速；

(VI)飞行器收到地面测控站的应答信号后，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。

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空中定位方法，其特征在于，飞行器在失去卫星定位数据后的移动区域半径设定为：不大于2倍飞行速率×1分钟。

4.根据权利要求2所述的基于窄带波束定向天线的飞行器空中定位方法，其特征在于，步骤(II)中天线将通过机械调整方式轮流循环在该范围空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；在该时间段内地面测控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；如果该区域的每个方位的搜索次数都达到2次但仍接收失败，则将搜索空域范围扩大一倍；重复上述过程，直至正确接收到呼叫信号或搜索范围布满整个空域。