本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)鏈領(lǐng)域，特別涉及一種使用通信終端位置坐標(biāo)和姿態(tài)信息進(jìn)行天線選擇和波束指向計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
1、隨著天線技術(shù)的發(fā)展，相控陣天線的成本正在不斷下降，體積越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕，普遍的應(yīng)用到數(shù)據(jù)鏈中，相比普通天線，相控陣天線通過(guò)控制陣列天線中的輻射單元的饋電相位來(lái)改變天線方向圖最大值的指向，以達(dá)到波束掃描的目的，其掃描速度高，克服了機(jī)械旋轉(zhuǎn)天線慣性大，速度慢的缺點(diǎn)。
2、高速移動(dòng)通信場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)中，需要在載體上固定安裝多個(gè)相控陣天線陣列，從而達(dá)到全向覆蓋能力。由于通信終端處于高速運(yùn)動(dòng)之中，收發(fā)設(shè)備的相對(duì)位置一直處于不斷快速變化的狀態(tài)；而多個(gè)相控陣天線陣列固定安裝在載體上(如天線安裝在車(chē)輛或飛行器上)，其天線陣列朝向不可旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)，如附圖2所示，為了保證通信鏈路的信號(hào)質(zhì)量，就需要選出合適的相控陣天線陣列、并將波束指向目標(biāo)通信終端方向往往才能實(shí)現(xiàn)最理想的通信性能。因此，為了保障通信鏈路的穩(wěn)定可靠，一種準(zhǔn)確高效的天線選擇和波束指向方法在采用相控陣天線的數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)中尤為重要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本公開(kāi)提供一種新型天線選擇和波束指向計(jì)算方法，其能夠利用天線載體上的導(dǎo)航設(shè)備提供的發(fā)慣系位置坐標(biāo)和姿態(tài)信息，計(jì)算出最優(yōu)的天線面和波束指向角度。
2、該方法首先通過(guò)慣性導(dǎo)航裝置獲取天線載體的實(shí)時(shí)坐標(biāo)和姿態(tài)信息，然后根據(jù)載體坐標(biāo)，計(jì)算出目標(biāo)通信終端相對(duì)于本通信終端各相控陣天線面的方位角和俯仰角，由此選擇最優(yōu)的天線陣面并且使得其波束能夠?qū)崟r(shí)指向目標(biāo)通信終端，從而確定天線的波束指向。
3、具體包括以下步驟：
4、s1，通信終端進(jìn)入連接態(tài)；
5、s2，通過(guò)慣性導(dǎo)航裝置獲取本通信終端的位置和姿態(tài)信息；
6、s3，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)信令獲取目標(biāo)通信終端位置信息；
7、s4，使用慣導(dǎo)裝置提供的位置和姿態(tài)信息，計(jì)算目標(biāo)通信終端在本通信終端各相控陣天線陣面下的波束俯仰角和方位角，以其中俯仰角最小的天線面及對(duì)應(yīng)的俯仰角和方位角，作為最優(yōu)天線陣面和波束指向。
8、進(jìn)一步的，所述步驟s4具體包括：
9、s41，根據(jù)步驟s2獲取到的本通信終端在發(fā)射慣性坐標(biāo)系，即發(fā)慣系下的坐標(biāo)、四元數(shù)姿態(tài)信息，以及步驟s3獲取到的目標(biāo)通信終端的發(fā)慣系坐標(biāo)，計(jì)算出在本通信終端的載體坐標(biāo)系下本通信終端指向目標(biāo)通信終端的向量；
10、s42，對(duì)本通信終端上的每個(gè)相控陣天線陣面進(jìn)行遍歷：將載體坐標(biāo)系下本通信終端指向目標(biāo)通信終端的向量依次轉(zhuǎn)換到各天線坐標(biāo)系下，計(jì)算所述向量在各天線坐標(biāo)系下的波束指向，即俯仰角和方位角；
11、s43，根據(jù)遍歷得到的各個(gè)天線陣面的波束指向計(jì)算結(jié)果，選出其中俯仰角最小的天線陣面，以該天線陣面及其對(duì)應(yīng)的俯仰角和方位角，作為最優(yōu)天線陣面和波束指向。
12、進(jìn)一步的，所述步驟s41具體包括：
13、設(shè)本通信終端發(fā)慣系坐標(biāo)記為coordself＝[xself,yself,zself]t，目標(biāo)通信終端發(fā)慣系坐標(biāo)記為coordtarget＝[xtarget,ytarget,ztarget]t，本通信終端在發(fā)慣系下的四元數(shù)為q0、q1、q2、q3，則從發(fā)慣系到載體系的轉(zhuǎn)換矩陣即為：
14、
15、則載體坐標(biāo)系下，本通信終端指向目標(biāo)通信終端向量[xc,yc,zc]t由下式可得
16、
17、進(jìn)一步的，所述步驟s42具體包括：
18、設(shè)天線坐標(biāo)系下向量為[xa,ya,za]t，則天線坐標(biāo)系下本通信終端指向目標(biāo)通信終端的向量通過(guò)下式計(jì)算可得
19、
20、其中，為載體坐標(biāo)系到天線坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。
21、進(jìn)一步的，所述轉(zhuǎn)換矩陣的確定采用基于最小二乘法和線性擬合的波束指向角算法，具體包括：
22、設(shè)公共點(diǎn)在天線坐標(biāo)系的坐標(biāo)表示為[x2,y2,z2]t,在載體坐標(biāo)系的坐標(biāo)表示為[x1,y1,z1]t，二者之間關(guān)系如下：
23、
24、其中，[δx,δy,δz]t為平移值，m為尺度因子，g為由歐拉角形成的旋轉(zhuǎn)矩陣；
25、為了統(tǒng)一處理m和g構(gòu)成的矩陣元素，令
26、
27、代入(1)中經(jīng)過(guò)變換得到
28、
29、其中
30、
31、基于最小二乘的線性擬合求解的過(guò)程包括以下步驟：
32、(1)在空間中找到n個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，n不小于4，分別測(cè)量該點(diǎn)在載體系和天線系下的坐標(biāo)，則天線系坐標(biāo)記為觀測(cè)值vi,將載體系坐標(biāo)代入(2)式中得出估計(jì)值
33、(2)依據(jù)最小二乘法原理，定義以觀測(cè)值與估計(jì)值之差的平方和為誤差函數(shù)
34、(3)對(duì)誤差函數(shù)q分別關(guān)于式(3)中的12個(gè)參數(shù)求偏導(dǎo)并令其為0，將求偏導(dǎo)數(shù)得到的12個(gè)方程聯(lián)立形成線性方程組；
35、(4)求解(3)中得到的線性方程組，得到使誤差最小的中各個(gè)參數(shù)的估計(jì)值，完成線性擬合，即得到了基于最小二乘擬合的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣的解。
36、進(jìn)一步的，所述步驟s42中計(jì)算所述向量在各天線坐標(biāo)系下的波束指向，即俯仰角和方位角的具體方法包括：
37、設(shè)o點(diǎn)為本終端天線陣面中心，a點(diǎn)為目標(biāo)通信終端，b點(diǎn)為a點(diǎn)在xoy平面上的投影，ox、oy、oz為坐標(biāo)軸，oa即為本終端指向目標(biāo)通信終端的向量；
38、俯仰角為oa與z軸正方向的夾角，取值范圍為0～90度；
39、方位角為oa在xoy面上的投影ob與x軸正方向的夾角，取值范圍為0～360度。
40、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本公開(kāi)的有益效果是：①基于線性擬合和最小二乘法對(duì)載體系到天線系轉(zhuǎn)換矩陣進(jìn)行處理，能夠滿(mǎn)足高速移動(dòng)場(chǎng)景對(duì)波束指向精度的要求；
41、②基于通信終端的位置和姿態(tài)信息，通過(guò)計(jì)算對(duì)準(zhǔn)向量在天線系俯仰角的方式實(shí)現(xiàn)天線選擇和波束指向，工程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單；
42、③基于波束指向在天線系下俯仰角最小的方法，在本通信終端指向目標(biāo)通信終端的過(guò)程中，基于終端的移動(dòng)性，動(dòng)態(tài)遍歷本終端所有安裝的相控陣天線面，及時(shí)為波束指向選擇最優(yōu)的天線陣面。
1.一種天線選擇和波束指向計(jì)算方法，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟s4具體包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟s41具體包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟s42具體包括：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換矩陣的確定采用基于最小二乘法和線性擬合的波束指向角算法，具體包括：
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述步驟s42中計(jì)算所述向量在各天線坐標(biāo)系下的波束指向，即俯仰角和方位角的具體方法包括：