[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

说明书

本发明公开了一种基于窄带波束定向天线的飞行器空中定位方法，方法包括初始建链阶段和持续定位阶段：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，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。本发明可以实现空中飞行器在卫星定位手段失效后和地面测控站直接快速建立信息交互链路并实现初始定位，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。

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空中定位方法。

背景技术

空中飞行器实时获取自身飞行位置对保障安全飞行有着重要的意义，而中国北斗、美国GPS、欧盟伽利略或俄罗斯格纳斯的卫星定位系统在军事层面上都存在信号被干扰或系统被摧毁的可能性，飞行器定位完全依赖卫星定位系统将对自身安全带来一定的隐患，因此为飞行器提供一套无需卫星系统、简单且不易受到干扰的空中定位手段显得十分重要。

被定位对象利用和多个已经有精准位置信息的地面锚点之间的无线信号交互来实现测距和位置计算是所有无线定位系统的基本思路。而针对空中飞行器的，传统基于全向天线的定位系统需要至少设置4个地面锚点，系统比较复杂，基于全向天线的信号容易受到干扰，接收信噪比较低，且容易引入因信号多径传输而导致的测量误差问题，综合导致系统的测距距离和精度性能较差。

比起全向天线，使用窄带波束定向天线的飞行器定位技术在系统复杂度、定位距离、抗干扰能力、消除多径干扰、定位精度等方面有着明显优势。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测控站和飞行器之间的远距离高精度定位需求，双方都将考虑采用高增益的窄带波束定向天线。

其中地面测控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系统的机械伺服抛物面天线，信号波束角度非常窄，可以达到约3至4度的量级水平，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13.5dB。

地面测控站的天线体积重量较大，因此主瓣波束角度非常小，对旁瓣的抑制效果比较明显；而机载多透镜天线在体积重量方面受限较大，因此主瓣波束角度较大，且旁瓣的抑制效果相对较差。

为实现空中飞行器的连续定位，地面测控站和飞行器的窄带波束定向天线需要实时对准才能实现正常的信号交互。在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定位过程持续稳定进行的一个关键技术。

发明内容

基于上述两种类型的天线，本发明提供了一套与之匹配的定位方法，可以实现空中飞行器在卫星定位手段失效后和地面测控站直接快速建立信息交互链路并实现初始定位，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。

飞行器在空中高速飞行过程中需要实时获取较高精度的自身飞行位置信息，这对保证飞行安全有着十分重要的意义，而过分依赖卫星定位系统在军事意义上是十分危险和致命的。