一种无人机载全方位卫星信号跟踪装置及方法与流程

1.本公开一般涉及无人机载卫星通信技术领域，具体涉及一种无人机载全方位卫星信号跟踪装置及方法。


背景技术：

2.在无人机上安装卫星信号跟踪装置，可以实现无人机与卫星通信，通过卫星信号转发可以实现对无人机的远程操控。
3.目前常用的无人机卫星通信装置通常选用单天线方案。例如，美国的全球鹰无人机，使用的就是一个安装在飞机头部的锅状天线。此方案的优点是锅状天线增益较高；缺点是体积很大，安装后无人机头部有明显的凸起，影响整机的气动性能，从而显著减小无人机续航时间；并且会有通信死角，不能实现全方位跟踪，当飞机在滚转角较大时，单天线无法实现与卫星通信。


技术实现要素：

4.鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种无人机载全方位卫星信号跟踪装置及方法。
5.本技术一方面提供一种无人机载全方位卫星信号跟踪装置，包括：
6.天线单元，所述天线单元设有多个且均安装在无人机的侧壁上；
7.获取模块，所述获取模块用于：获取所述天线单元在无人机上的分布位置、无人机的位置信息、姿态信息和目标通信卫星的位置信息；
8.处理模块，所述处理模块的输入端与所述获取模块连接，输出端与所述天线单元连接，所述处理模块用于：
9.根据所述天线单元在无人机上的分布位置、无人机的位置信息、姿态信息和目标通信卫星的位置信息，选择朝向所述目标通信卫星的所述天线单元为通信天线；
10.根据所述目标通信卫星的位置信息、无人机的位置信息和姿态信息计算所述目标通信卫星相对于所述通信天线的指向角；
11.控制所述通信天线的波束朝向所述指向角所指方向，对所述目标通信卫星的信号进行跟踪。
12.根据本技术实施例提供的技术方案，所述无人机在载体坐标系的姿态信息包括：偏航角ψc、俯仰角θc和横滚角γc；所述目标通信卫星的位置信息包括：所述目标通信卫星在本地坐标系的方位角为和俯仰角为θ
l
；
13.通过以下步骤解算所述目标通信卫星相对于所述通信天线的指向角：
14.根据公式(一)，将所述目标通信卫星在本地坐标系中的方位角和俯仰角θ
l
转换为载体坐标系的归一化坐标位置(x
l
,y
l
,z
l
)；
[0015][0016]
根据公式(二)计算所述目标通信卫星的位置信息相对载体坐标系的坐标(xc,yc,
zc)；
[0017][0018]
根据公式(三)计算所述目标通信卫星相对于载体的方位角和俯仰角θc，得到指向角
[0019][0020]
根据本技术实施例提供的技术方案，所述天线单元具有多个阵元天线。
[0021]
根据本技术实施例提供的技术方案，所述天线单元至少设置三个；每个所述天线单元包括至少四个具有相同波束宽度的阵元天线；多个所述阵元天线的波束宽度合成后形成所述天线单元的波束宽度，所有所述天线单元的波束宽度之和大于360度。
[0022]
根据本技术实施例提供的技术方案，多个所述天线单元沿所述无人机的周向均匀排布；所有所述天线单元均具有相同的波束宽度。
[0023]
根据本技术实施例提供的技术方案，所述处理模块根据所述获取模块获取的所述天线单元在无人机上的分布位置解算出所有所述天线单元位于所述无人机的位置；根据无人机的位置信息、姿态信息和所述目标通信卫星的位置信息，计算所有所述天线单元距离所述目标通信卫星的距离，选择距离所述目标通信卫星最近的所述天线单元作为通信天线。
[0024]
本技术另一方面提供一种无人机载全方位卫星信号跟踪装置，包括：
[0025]
获取天线单元在无人机上的分布位置、无人机的位置信息、姿态信息和目标通信卫星的位置信息；所述天线单元设有多个且均安装在无人机的侧壁上；
[0026]
根据所述天线单元在无人机上的分布位置、无人机的位置信息、姿态信息和目标通信卫星的位置信息，选择朝向所述目标通信卫星的所述天线单元为通信天线；
[0027]
根据所述目标通信卫星的位置信息、无人机的位置信息和姿态信息计算所述目标通信卫星相对于所述通信天线的指向角；
[0028]
控制所述通信天线的波束朝向所述指向角所指方向，对所述目标通信卫星的信号进行跟踪。
[0029]
根据本技术实施例提供的技术方案，所述无人机在载体坐标系的姿态信息包括：偏航角ψc、俯仰角θc和横滚角γc；所述目标通信卫星的位置信息包括：所述目标通信卫星在本地坐标系的方位角为和俯仰角为θ
l
；
[0030]
通过以下步骤解算所述目标通信卫星相对于所述通信天线的指向角：
[0031]
根据公式(一)，将所述目标通信卫星在本地坐标系中的方位角和俯仰角θ
l
转换为载体坐标系的归一化坐标位置(x
l
,y
l
,z
l
)；
[0032][0033]
根据公式(二)计算所述目标通信卫星的位置信息相对载体坐标系的坐标(xc,yc,
zc)；
[0034][0035]
根据公式(三)计算所述目标通信卫星相对于载体的方位角和俯仰角θc，得到指向角
[0036][0037]
根据本技术实施例提供的技术方案，所述天线单元至少设有三个且沿所述无人机的周向均匀排布；
[0038]
每个所述天线单元上至少设有四个波束宽度相同的阵元天线，多个所述阵元天线的波束宽度合成后形成所述天线单元的波束宽度；
[0039]
所有所述天线单元均具有相同的波束宽度，所有所述天线单元的波束宽度之和大于360度。
[0040]
根据本技术实施例提供的技术方案，所述处理模块根据所述获取模块获取的所述天线单元在无人机上的分布位置解算出所有所述天线单元位于所述无人机的位置；根据无人机的位置信息、姿态信息和所述目标通信卫星的位置信息，计算所有所述天线单元距离所述目标通信卫星的距离，选择距离所述目标通信卫星最近的所述天线单元作为通信天线。
[0041]
本技术的有益效果在于：
[0042]
由于在无人机上设置多个天线单元，获取模块用于获取所述天线单元在无人机上的分布位置、无人机的位置信息、姿态信息和目标通信卫星的位置信息；
[0043]
处理模块用于：根据所述天线单元在无人机上的分布位置、无人机的位置信息、姿态信息和目标通信卫星的位置信息，选择朝向所述目标通信卫星的所述天线单元为通信天线；根据所述目标通信卫星的位置信息、无人机的位置信息和姿态信息计算所述目标通信卫星相对于所述通信天线的指向角；控制所述通信天线的波束朝向所述指向角所指方向，对所述目标通信卫星的信号进行跟踪。
[0044]
通过选择朝向目标通信卫星的天线单元作为通信天线，计算目标通信卫星相对于所述通信天线的指向角，并控制所述通信天线的波束朝向所述指向角。能够实现全方位跟踪，不会有通信死角，使无人机能够在滚转角较大时实现与卫星通信。
附图说明
[0045]
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0046]
图1为本技术提供的一种无人机载全方位卫星信号跟踪方法的流程图；
[0047]
图2为无人机的结构示意图；
[0048]
图3为本技术提供的一种无人机载全方位卫星信号跟踪装置的阵元天线的结构示意图；
[0049]
图4为本技术提供的一种无人机载全方位卫星信号跟踪装置的工作流程图；
[0050]
其中：1、无人机；2、天线单元；3、阵元天线；4、获取模块；5、处理模块。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
[0052]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
[0053]
实施例1
[0054]
请参考图2和图4，为本实施例提供的一种无人机载全方位卫星信号跟踪装置的示意图，包括：
[0055]
天线单元2，所述天线单元2设有多个且均安装在无人机1的侧壁上；
[0056]
获取模块4，所述获取模块4用于：获取所述天线单元2在无人机1上的分布位置、无人机1的位置信息、姿态信息和目标通信卫星的位置信息；
[0057]
处理模块5，所述处理模块5的输入端与所述获取模块4连接，输出端与所述天线单元2连接，所述处理模块5用于：
[0058]
根据所述天线单元2在无人机1上的分布位置、无人机1的位置信息、姿态信息和目标通信卫星的位置信息，选择朝向所述目标通信卫星的所述天线单元2为通信天线；
[0059]
根据所述目标通信卫星的位置信息、无人机1的位置信息和姿态信息计算所述目标通信卫星相对于所述通信天线的指向角；
[0060]
控制所述通信天线的波束朝向所述指向角所指方向，对所述目标通信卫星的信号进行跟踪。
[0061]
在一些实施方式中，所述获取模块4包括：惯导系统，用于获取所述天线单元2在无人机1上的分布位置、无人机1的位置信息、姿态信息和目标通信卫星的位置信息。
[0062]
在一些实施方式中，所述处理模块5包括：多通道接收机，用于根据所述天线单元2在无人机1上的分布位置、无人机1的位置信息、姿态信息和目标通信卫星的位置信息，选择朝向所述目标通信卫星的所述天线单元2为通信天线；根据所述目标通信卫星的位置信息、无人机1的位置信息和姿态信息计算所述目标通信卫星相对于所述通信天线的指向角；控制所述通信天线的波束朝向所述指向角所指方向，对所述目标通信卫星的信号进行跟踪。
[0063]
工作过程：人工设置无人机的初始位置信息与姿态信息，所述获取模块4获取探测范围内通信卫星的位置信息、天线单元2在无人机1上的位置信息；所述处理模块5经过计算通信卫星与无人机的距离选择最近的通信卫星作为目标通信卫星；计算距离所述目标通信卫星最近的天线单元2作为通信天线；计算所述目标通信卫星相对于通信天线的指向角；控制通信天线的波束朝向所述目标通信卫星，对卫星信号进行跟踪。
[0064]
进一步地，所述无人机1在载体坐标系的姿态信息包括：偏航角ψc、俯仰角θc和横滚角γc；所述目标通信卫星的位置信息包括：所述目标通信卫星在本地坐标系的方位角为
和俯仰角为θ
l
；
[0065]
通过以下步骤解算所述目标通信卫星相对于所述通信天线的指向角：
[0066]
根据公式(一)，将所述目标通信卫星在本地坐标系中的方位角和俯仰角θ
l
转换为载体坐标系的归一化坐标位置(x
l
,y
l
,z
l
)；
[0067][0068]
根据公式(二)计算所述目标通信卫星的位置信息相对载体坐标系的坐标(xc,yc,zc)；
[0069][0070]
根据公式(三)计算所述目标通信卫星相对于载体的方位角和俯仰角θc，得到指向角
[0071][0072]
具体地，所述本地坐标系为球坐标系，载体坐标系为笛卡尔坐标系或称直角坐标系。公式(一)为球坐标转化为笛卡尔坐标的变换公式。为变换矩阵，用于将本地坐标系的坐标转换为载体坐标系的坐标。其中，小括号均表示坐标，中括号均表示矩阵，公式(二)中大括号表示连立方程；公式(二)中[x
c y
c zc]'和[x
l y lzl
]'分别表示[x
c y
c zc]和[x
l y
l z
l
]的转置。
[0073]
具体地，在球坐标系中确定目标位置与原点位置的方式为：确定目标位置相对原点的方位角、俯仰角和距离；计算出方位角和俯仰角即可获知目标点相对原点的方向。其中，将所述目标通信卫星相对于载体的指向角作为相对于通信天线的指向角。
[0074]
进一步地，参考图3，所述天线单元2具有多个阵元天线3。
[0075]
在一些实施方式中，所述天线单元2具有多个阵元天线3，多个所述阵元天线3的增益叠加提高天线单元2的增益。有效缩小了体积的同时保持较高的增益，使天线的工作性能更强兼具良好的气动特性。
[0076]
进一步地，所述天线单元2至少设置三个；每个所述天线单元2包括至少四个具有相同波束宽度的阵元天线3；多个所述阵元天线3的波束宽度合成后形成所述天线单元2的波束宽度，所有所述天线单元2的波束宽度之和大于360度。
[0077]
在一些实施方式中，天线单元2设有四个且安装在所述无人机1的各个方向上，能够使所述无人机1朝向任意方向均能够接收通信卫星的信号，没有信号盲区。
[0078]
在一些实施方式中，每个所述天线单元2设置九个所述阵元天线3。阵元天线3的数量越多所述天线单元2的增益越高，波束宽度越窄。设置九个阵元天线3，能够有效提高天线单元2的增益，并且使所述天线单元2具有较宽的波束范围；使所述天线单元2的增益与波束宽度满足工作需求，从而保证能够卫星通信链路正常工作。
[0079]
在一些实施方式中，所有所述天线单元2的波束宽度之和大于360度。能够使天线单元2的波束宽度全方向覆盖，进而实现全方位跟踪。
[0080]
进一步地，多个所述天线单元2沿所述无人机1的周向均匀排布；所有所述天线单元2均具有相同的波束宽度。
[0081]
在一些实施方式中，所述天线单元2沿所述无人机1的周向均匀排布；并且所有所述天线单元2均具有相同的波束宽度所有所述天线单元2的波束宽度之和大于360度。能够使所述天线单元2的波束360度权方向覆盖并且不具有跟踪盲区，能够实现良好的全向跟踪效果。
[0082]
进一步地，所述处理模块根据所述获取模块获取的所述天线单元2在无人机1上的分布位置解算出所有所述天线单元2位于所述无人机1的位置；根据无人机1的位置信息、姿态信息和所述目标通信卫星的位置信息，计算所有所述天线单元2距离所述目标通信卫星的距离，选择距离所述目标通信卫星最近的所述天线单元2作为通信天线。
[0083]
在一些实施方式中，所述处理模块根据所述天线单元2在无人机1上的分布位置解算出所有所述天线单元2位于所述无人机1的位置。计算并选择距离所述目标通信卫星最近的天线单元2作为通信天线。能够使卫星信号无障碍传输，保证信号跟踪稳定。
[0084]
实施例2
[0085]
请参考图1，为本实施例提供的一种无人机载全方位卫星信号跟踪系统的示意图，包括：
[0086]
s1：获取天线单元2在无人机1上的分布位置、无人机1的位置信息、姿态信息和目标通信卫星的位置信息；所述天线单元2设有多个且均安装在无人机1的侧壁上；
[0087]
s2：根据所述天线单元2在无人机1上的分布位置、无人机1的位置信息、姿态信息和目标通信卫星的位置信息，选择朝向所述目标通信卫星的所述天线单元2为通信天线；
[0088]
s3：根据所述目标通信卫星的位置信息、无人机1的位置信息和姿态信息计算所述目标通信卫星相对于所述通信天线的指向角；
[0089]
s4：控制所述通信天线的波束朝向所述指向角所指方向，对所述目标通信卫星的信号进行跟踪。
[0090]
在一些实施方式中，所述获取模块4包括：惯导系统，用于获取所述天线单元2在无人机1上的分布位置、无人机1的位置信息、姿态信息和目标通信卫星的位置信息。
[0091]
在一些实施方式中，所述处理模块5包括：多通道接收机，用于根据所述天线单元2在无人机1上的分布位置、无人机1的位置信息、姿态信息和目标通信卫星的位置信息，选择朝向所述目标通信卫星的所述天线单元2为通信天线；根据所述目标通信卫星的位置信息、无人机1的位置信息和姿态信息计算所述目标通信卫星相对于所述通信天线的指向角；控制所述通信天线的波束朝向所述指向角所指方向，对所述目标通信卫星的信号进行跟踪。
[0092]
进一步地，所述无人机1在载体坐标系的姿态信息包括：偏航角ψc、俯仰角θc和横滚角γc；所述目标通信卫星的位置信息包括：所述目标通信卫星在本地坐标系的方位角为和俯仰角为θ
l
；
[0093]
通过以下步骤解算所述目标通信卫星相对于所述通信天线的指向角：
[0094]
根据公式(一)，将所述目标通信卫星在本地坐标系中的方位角和俯仰角θ
l
转换为载体坐标系的归一化坐标位置(x
l
,y
l
,z
l
)；
[0095][0096]
根据公式(二)计算所述目标通信卫星的位置信息相对载体坐标系的坐标(xc,yc,zc)；
[0097][0098]
根据公式(三)计算所述目标通信卫星相对于载体的方位角和俯仰角θc，得到指向角
[0099][0100]
具体地，所述本地坐标系为球坐标系，载体坐标系为笛卡尔坐标系或称直角坐标系。公式(一)为球坐标转化为笛卡尔坐标的变换公式。为变换矩阵，用于将本地坐标系的坐标转换为载体坐标系的坐标。其中，小括号均表示坐标，中括号均表示矩阵，公式(二)中大括号表示连立方程；公式(二)中[xcyczc]'和[x
lylzl
]'分别表示[xcyczc]和[x
lylzl
]的转置。
[0101]
具体地，在球坐标系中确定目标位置与原点位置的方式为：确定目标位置相对原点的方位角、俯仰角和距离；计算出方位角和俯仰角即可获知目标点相对原点的方向。其中，将所述目标通信卫星相对于载体的指向角作为相对于通信天线的指向角。
[0102]
进一步地，所述天线单元2至少设有三个且沿所述无人机1的周向均匀排布；
[0103]
每个所述天线单元2上至少设有四个波束宽度相同的阵元天线3，多个所述阵元天线3的波束宽度合成后形成所述天线单元2的波束宽度；
[0104]
所有所述天线单元2均具有相同的波束宽度，所有所述天线单元2的波束宽度之和大于360度。
[0105]
在一些实施方式中，所述天线单元2具有多个阵元天线3，多个所述阵元天线3的增益叠加提高天线单元2的增益。有效缩小了体积的同时保持较高的增益，使天线的工作性能更强兼具良好的气动特性。
[0106]
在一些实施方式中，每个所述天线单元2设置九个所述阵元天线3。阵元天线3的数量越多所述天线单元2的增益越高，波束宽度越窄，设置九个阵元天线3，能够有效提高天线单元2的增益，并且使所述天线单元2具有较宽的波束范围；使所述天线单元2的增益与波束宽度满足工作需求，从而保证能够卫星通信链路正常工作。
[0107]
在一些实施方式中，所述天线单元2沿所述无人机1的周向均匀排布；并且所有所述天线单元2均具有相同的波束宽度所有所述天线单元2的波束宽度之和大于360度。能够使所述天线单元2的波束360度权方向覆盖并且不具有跟踪盲区，能够实现良好的全向跟踪效果。
[0108]
进一步地，所述处理模块根据所述获取模块获取的所述天线单元2在无人机1上的分布位置解算出所有所述天线单元2位于所述无人机1的位置；根据无人机1的位置信息、姿
态信息和所述目标通信卫星的位置信息，计算所有所述天线单元2距离所述目标通信卫星的距离，选择距离所述目标通信卫星最近的所述天线单元2作为通信天线。
[0109]
在一些实施方式中，所述处理模块根据所述天线单元2在无人机1上的分布位置解算出所有所述天线单元2位于所述无人机1的位置。计算并选择距离所述目标通信卫星最近的天线单元2作为通信天线。能够使卫星信号无障碍传输，保证信号跟踪稳定。
[0110]
工作过程：
[0111]
一、所述获取模块4获取所述天线单元2在无人机1上的分布位置、无人机1的位置信息、姿态信息和目标通信卫星的位置信息。
[0112]
二、所述处理模块5根据探测范围内通信卫星的位置信息选择距离无人机1最近的通信卫星作为目标通信卫星。
[0113]
三、所述处理模块5根据所述天线单元2在无人机1上的分布位置计算并选择距离所述目标通信卫星最近的天线单元2作为通信天线。
[0114]
四、所述处理模块5计算所述目标通信卫星相对与所述通信天线的指向角。
[0115]
五、所述处理模块5控制所述通信天线的波束朝向所述指向角，接收所述目标通信卫星的信号。
[0116]
以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。