[发明专利]一种应用于临空通信的3D柔性覆盖方法

摘要

本发明公开了一种应用于临空通信的3D柔性覆盖方法，属于临空通信领域。该方法首先由某无人机搭载M×N个半波长的均匀平面阵列天线，在三维空间中，对平面阵列天线的波束指向向量进行分解，将耦合的俯仰角与方位角变换为u,v两个角，实现x轴和y轴两个方向上天线权系数的解耦；然后针对空地链路中给定任意大小形状的目标区域D，计算各边界点对应波束方向与阵列天线x轴和y轴两个正方向上的夹角范围；最后根据夹角范围，计算能够覆盖该夹角范围的波束包络，目标区域D内各点均获得较高的阵列增益。本发明对硬件要求较低，具有较低的计算复杂度，快速实现波束成形，实现了单个射频下波束同时覆盖地面任意区域。

主权项

1.一种应用于临空通信的3D柔性覆盖方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、某无人机搭载M×N个半波长的均匀平面阵列天线，所有天线共用一个射频；步骤二、在三维空间中，对平面阵列天线的波束指向向量进行分解，将耦合的俯仰角与方位角变换为u,v两个角，实现x轴和y轴两个方向上天线权系数的解耦；波束指向向量为：a(θ,φ,M,N)＝[1,L,ejπsin(θ)[(m‑1)cos(φ)+(n‑1)sin(φ)],L,ejπsin(θ)[(M‑1)cos(φ)+(N‑1)sin(φ)]]其中俯仰角θ表示波束方向与面阵天线法向量的夹角，方位角φ表示波束方向在面阵天线上的投影与x轴的夹角；m,n分别表示天线所处的位置坐标；将波束指向向量分解变形为：其中，cos(u)＝sin(θ)cos(φ),cos(v)＝sin(θ)sin(φ)；u为波束与x轴正方向的夹角，v为波束与y轴正方向的夹角；步骤三、针对空地链路中给定任意大小形状的目标区域D，计算各边界点对应波束方向与阵列天线x轴和y轴两个正方向上的夹角范围；步骤四、针对夹角范围，计算能够覆盖该夹角范围的波束包络，目标区域D内各点均获得较高的阵列增益；具体步骤如下：步骤401、将x轴方向的阵列划分为若干子阵列，并计算满足目标波束宽度的子阵列个数；目标波束宽度为：Δx＝cos(umin)‑cos(umax)；根据每个子阵列的波束宽度和子阵列的个数与目标波束宽度的关系，求得x轴方向子阵列个数；关系满足不等式方程：此时M_x为x轴方向每个子阵列天线数，x轴方向子阵列个数为步骤402、根据x轴方向子阵列的个数和波束中心，得到每个天线的权系数vx[m]；波束中心为：第p个子阵列指向角度为：其余子阵列的天线权系数都取0，得到每个天线的权系数分别为：步骤403、将y轴方向的阵列划分为若干子阵列，并计算满足目标波束宽度的子阵列个数；目标波束宽度为Δy＝cos(vmin)‑cos(vmax)；根据每个子阵列的波束宽度和子阵列的个数与目标波束宽度的关系，求得y轴方向子阵列个数；关系满足不等式方程：此时N_y为y轴方向每个子阵列天线数，y轴方向子阵列个数为步骤404、根据y轴方向子阵列的个数和波束中心，得到每个天线的权系数vy[n]；波束中心为第p个子阵列指向角度为：其余子阵列的的天线权系数都取0，得到每个天线的权系数分别为：步骤405、针对x轴和y轴上每个天线的权系数vx[m]和vy[n]，将两个方向的波束叠加得到天线权系数矩阵v[m,n]；v[m,n]＝vx[m]×vy[n]步骤406、对天线权系数矩阵v[m,n]向量化得到最终波束赋形向量w即可形成覆盖该区域的最小包络；w＝vec(v)。