[發明專利]基于波束成型技術的海上浮標節點間無線遠距離通信方法

有效

• 申請號: 201210210475.4
• 申請日: 2012-06-20
• 公開（公告）號: CN102800966A
• 公開（公告）日: 2012-11-28
• 發明（設計）人: 瞿逢重;張斌;葉瑛;陳煒
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01Q3/26
• 分類號: H01Q3/26;H01Q21/00;H04B7/04
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 周烽

1.一種基于波束成型技術的海上浮標節點間無線遠距離通信方法，其特征在于，包括以下步驟：

（1）如圖1所示，建立天線陣直角坐標系，假設初始時刻天線陣平面垂直于水平面,則令X軸為天線陣法線方向向外，Y為天線陣平面水平方向，Z為天線陣平面豎直方向向上；

（2）在浮標節點上安裝三維加速度計，得到浮標沿坐標三個方向的實時加速度a_x、a_y、a_z；

（3）對時間進行分段,令其中每段間隔為0.1s,并令此時間段間隔開始時刻及結束時刻天線陣沿各坐標軸的速度分別為v_x0，v_y0，v_z0;v_x1，v_y1，v_z1，其中：

vx1=vx0+∫0Δtaxdt;]]>vy1=vy0+∫0Δtaydt;]]>vz1=vz0+∫0Δtazdt;]]>

式中，a_x、a_y、a_z為浮標沿三個坐標方向的實時加速度；Δt=0.1s；

（4）對步驟2所得的加速度在步驟3所分的某時間段分別積分得到三個方向的位移：sx=vx0Δt+∫0Δt∫0Δtaxdtdt;]]>sy=vy0Δt+∫0Δt∫0Δtaydtdt;]]>sz=vz0Δt+∫0Δt∫0Δtazdtdt;]]>

其中，s_x、s_y、s_z為Δt時刻天線陣中心的位移；a_x、a_y、a_z為浮標沿三個坐標方向的實時加速度；v_x0，v_y0,v_z0;v_x1，v_y1，v_z1為此時間段間隔開始時刻及結束時刻天線陣沿各坐標軸的速度；Δt＝0.1s；

（5）浮標上安裝三軸陀螺儀，得到天線陣旋轉的實時角速度ω_x、ω_y、ω_z；

（6）對步驟5得到的角速度積分得浮標在步驟3所分的某時間段內的角位移：

Δα=∫0Δtωxdt;]]>Δβ=∫0Δtωydt;]]>Δθ=∫0Δtωzdt;]]>

其中，Δα、Δβ、Δθ為Δt時刻天線陣旋轉的角位移；ω_x、ω_y、ω_z為天線陣旋轉地實時角速度；Δt＝0.1s；

（7）此時間段間隔開始時刻及結束時刻目標節點在天線陣坐標系中的坐標為(x₀,y₀,z₀)，(x₁,y₁,z₁)；則目標節點在天線陣齊次坐標系始末時刻坐標為V₀=(x₀,y₀,z₀,1)^T，V₁=(x₁,y₁,z₁,1)^T；

（8）由齊次變換相關知識可知在步驟（3）所分的某段時間內繞X軸、Y軸、Z軸的旋轉矩陣分別為：

R(x,Δα)=10000cosΔα-sinΔα00sinΔαcosΔα00001,]]>

R(y,Δβ)=cosΔβ0sinΔβ00100-sinΔβ0cosΔβ00001,]]>

R(z,Δθ)=cosΔθ-sinΔθ00sinΔθcosΔθ0000100001,]]>

平移矩陣為：

Trans(Δx,Δy,Δz)=100Δx010Δy001Δz0001,]]>

（9）由步驟7、8的結果計算：

R(z,Δθ)R(y,Δβ)R(x,Δα)Trans(Δx,Δy,Δz)V₁=V₀，

令⁰T₁=R(z,Δθ)R(y,Δβ)R(x,Δα)Trans(Δx,Δy,Δz)；

則上式可簡化為：⁰T₁V₁=V₀；

則有：V₁=⁰T₁^-1V₀；

其中，R(x,Δα)R(y,Δβ)R(z,Δθ)為X軸、Y軸、Z軸的旋轉矩陣；Trans(Δx,Δy,Δz)為平移矩陣；

（10）根據步驟9所得的結果,即得到波束成型的方向,再依據相應的波束成型算法對Δt時刻進行波束成型，可采用如下方法：根據天線波束所應指向的空間位置，波控計算機計算出相應的方位及仰角初始相位值，然后再計算出陣列天線中每個單元移相器所需的相位值，通過驅動器使移相器移相，從而使天線波束指向規定的方向；

（11）重復步驟1-9，可對任意時刻進行波束成型，從而使波束方向始終跟蹤目標節點，不因海面情況的影響而改變，保證節點間的可靠通信。