一种基于氢能无人机的突发事件应急通信系统及方法与流程

本发明涉及应急通信，具体为一种基于氢能无人机的突发事件应急通信系统及方法。

背景技术：

1、在突发事件导致地面通信设施损毁的应急场景中，常采用无人机搭载通信载荷升空构建临时空中通信节点。现有方案通过无人机平台获取自身位置，地面站基于该位置计算指向角并发射定向波束以建立空地链路。无人机搭载的可重构智能表面或中继设备进一步转发信号，延伸地面网络的覆盖范围。然而，无人机空中平台在飞行过程中存在实时姿态变化，仅依据位置信息确定的波束指向角难以准确反映机载天线面的实际朝向，导致地面基站需要反复调整波束方向进行扫描捕获，链路建立耗时较长，无法满足应急通信快速开通的需求。同时，受低空复杂传播环境影响，空地链路信号易经历多径衰落，导致接收信号产生随机相位畸变，传统链路维持方式依赖提高发射功率或降低传输速率，缺乏对相位失真本身的主动补偿手段，在深衰落发生时误码率急剧攀升，通信中断风险高。需要解决的问题是在无人机升空后，如何避免因姿态变化带来的波束对准延迟，利用单次交互即实现对机载可重构智能表面目标端的精确指向，以快速形成稳定的初始链路；以及在通信过程中当链路误码率因相位畸变而恶化时，如何在不中断数据传输的前提下，主动消除信号损伤，维持可靠的通信质量。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于氢能无人机的突发事件应急通信系统及方法，以解决现有技术中地面波束与无人机机载目标端对准耗时长、受姿态变化影响大，以及链路恶化时缺乏相位失真主动补偿机制，导致通信可靠性不足的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明提供一种基于氢能无人机的突发事件应急通信方法，由地面通信子系统执行，该方法在氢能无人机搭载的ris机动目标端升空后，利用地面ris相控阵基站pro进行波束快速对准、精准调整、数据中继和链路抗干扰传输，实现灾区或应急现场与卫星网络的可靠互联。具体包括：

3、响应于氢能无人机升空后发送的包含无人机当前位置和当前姿态的入网请求，根据所述入网请求中的当前位置和当前姿态，确定所述氢能无人机的ris机动目标端与地面ris相控阵基站pro之间的初始对准波束角度，由此实现波束的快速初始对准，避免大范围空域搜索，缩短建链时间。

4、按照所述初始对准波束角度向所述ris机动目标端发射携带有时间同步信号的第一相控阵波束信号，确保两端在定向波束下完成时间同步和初始信号握手，为后续稳健通信提供基准定时。

5、接收所述ris机动目标端响应于所述第一相控阵波束信号而返回的应答信号，所述应答信号包含所述ris机动目标端的实际接收信号强度；根据所述实际接收信号强度与期望接收信号强度的差值，调整所述第一相控阵波束信号的相位，生成第二相控阵波束信号，通过闭环调整使波束能量持续对准ris机动目标端，提升接收信号质量并减小链路损耗。

6、以所述第二相控阵波束信号作为载波，将便携卫星站从卫星接收到的下行网络数据调制至所述第二相控阵波束信号上，并定向发射至所述ris机动目标端，利用稳定调向的波束将卫星数据可靠地中继至空中节点，扩展应急区域的网络覆盖。

7、监测所述ris机动目标端返回的实时链路状态参数，若所述实时链路状态参数中的误码率高于预设门限，则叠加发射与所述第二相控阵波束信号等幅反相的补偿波束至所述ris机动目标端，更新所述第二相控阵波束信号，通过相位对消技术补偿信道畸变，在信道衰落和干扰加剧时仍能维持低误码率通信，保障应急数据传输的完整性。

8、作为本发明的一个技术方案，在确定初始对准波束角度时，从所述入网请求中解析出所述ris机动目标端的三维空间坐标和所述氢能无人机的三轴偏转角度；根据所述三维空间坐标计算所述ris机动目标端相对于所述地面ris相控阵基站pro的位置矢量的水平方向角和俯仰方向角；将所述三轴偏转角度分解为横滚角、俯仰角和偏航角；根据所述横滚角、所述俯仰角和所述偏航角对所述位置矢量的所述水平方向角和所述俯仰方向角进行姿态修正，得到所述ris机动目标端的天线法线方向在空间中的实际指向；设定所述初始对准波束角度为所述天线法线方向与所述位置矢量之间的夹角。优选的，所述姿态修正通过将所述横滚角、所述俯仰角和所述偏航角依次代入预设的旋转矩阵，对所述位置矢量进行旋转运算，得到经姿态修正后的所述天线法线方向在空间中的所述实际指向，从而准确补偿无人机空中姿态变化，提高初始波束对准精度。

9、作为本发明的一个技术方案，在发射携带有时间同步信号的第一相控阵波束信号时，将所述初始对准波束角度输入至所述地面ris相控阵基站pro的波束成形网络，所述波束成形网络根据所述初始对准波束角度计算所述地面ris相控阵基站pro中每个天线单元的移相器配置值，同时根据所述每个天线单元在阵列中的位置坐标计算对应的相位补偿量，并将所述相位补偿量叠加至所述移相器配置值中；根据每个天线单元的所述移相器配置值调整对应的所述天线单元的发射相位，使所有天线单元合成的波束主瓣指向所述初始对准波束角度；生成包含时间戳和频率参考的所述时间同步信号，将所述时间同步信号调制到所述波束主瓣对应的载波上，形成所述第一相控阵波束信号；按照预设的发射功率将所述第一相控阵波束信号定向辐射至所述初始对准波束角度对应的空域，既保证了波束指向的精确合成，又为后续信号处理提供了统一的时间频率基准。

10、作为本发明的一个技术方案，在根据实际接收信号强度调整相位并生成第二相控阵波束信号时，计算所述实际接收信号强度与所述期望接收信号强度的差值，所述差值为标量差值；读取所述第一相控阵波束信号当前的相位分布矩阵，所述相位分布矩阵包含所述地面ris相控阵基站pro中每个天线单元当前施加的相位值；根据所述标量差值确定所述相位分布矩阵的整体偏移步长，所述整体偏移步长为所述标量差值与预设相位步进系数的乘积；将所述相位分布矩阵中的每个所述相位值按所述整体偏移步长进行同向偏移，得到更新后的相位分布矩阵；根据所述更新后的相位分布矩阵重新驱动所述地面ris相控阵基站pro的天线阵列，辐射出所述第二相控阵波束信号。优选的，所述整体偏移步长的确定进一步包括：对所述标量差值进行归一化处理，将归一化后的标量差值乘以所述预设相位步进系数得到初始偏移步长，并以所述初始偏移步长对所述相位分布矩阵中的每个相位值执行同向偏移后，校验更新后的所述相位分布矩阵的相位峰值是否超出所述地面ris相控阵基站pro中移相器的最大可调范围，若超出则将所述初始偏移步长等比例缩放至所述最大可调范围内，从而在保证移相器硬件可执行的前提下快速完成波束相位调整，使波束能量最大化指向ris机动目标端。

11、作为本发明的一个技术方案，在将下行网络数据调制至第二相控阵波束信号并发射时，从所述便携卫星站的网络输出端口实时读取所述下行网络数据的数据包序列，所述数据包序列中的每个数据包包含包头信息和有效载荷；对所述数据包序列进行串并转换，得到多路并行数据流，分别映射到所述第二相控阵波束信号的同相分量和正交分量上；将映射后的所述同相分量和所述正交分量叠加至所述第二相控阵波束信号的载波频率上，完成所述下行网络数据对所述第二相控阵波束信号的调制；将调制有所述下行网络数据的所述第二相控阵波束信号经由所述地面ris相控阵基站pro的功率放大器放大后，按所述第二相控阵波束信号的当前波束指向定向发射至所述ris机动目标端，实现了卫星数据的高速、高可靠性中继，解决地面设施受损时的信息孤岛问题。

12、作为本发明的一个技术方案，在叠加补偿波束以更新第二相控阵波束信号时，通过所述地面ris相控阵基站pro的控制端口周期性地接收所述ris机动目标端通过回传通道发送的所述实时链路状态参数，所述实时链路状态参数包括信号噪声比、所述误码率和信号衰落深度；从所述实时链路状态参数中提取所述误码率，比较所述误码率与所述预设门限的大小关系；若所述误码率大于所述预设门限，则根据所述信号噪声比和所述信号衰落深度计算所述ris机动目标端接收到的所述第二相控阵波束信号在当前传输时刻的相干带宽内的损伤相位；将所述损伤相位取反得到补偿相位，按照所述补偿相位生成与所述第二相控阵波束信号等幅反相的所述补偿波束；将所述补偿波束叠加到所述第二相控阵波束信号的发射波束上，以所述补偿波束的补偿相位抵消所述第二相控阵波束信号的相位畸变，得到更新后的第二相控阵波束信号。该过程利用实时链路反馈自适应对消信道畸变，有效对抗因无人机晃动、多径传播等引起的突发误码，显著提升链路鲁棒性。

13、本发明还提供一种基于氢能无人机的突发事件应急通信系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述应急通信方法的步骤。该系统将智能波束赋形、闭环相位调整、卫星数据中继和自适应信道补偿集于一体，能够在应急环境下快速构建远距离、高可靠的空地通信链路，满足突发事件现场的应急通信需求。

14、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

15、根据氢能无人机升空后发来的当前位置和当前姿态，计算ris机动目标端相对于地面ris相控阵基站pro的位置矢量的水平方向角和俯仰方向角，并利用无人机的横滚角、俯仰角和偏航角对位置矢量进行姿态修正，得到ris机动目标端天线法线方向在空间中的实际指向，将初始对准波束角度设定为该法线方向与位置矢量之间的夹角。地面ris相控阵基站pro据此配置波束成形网络中各天线单元的移相值，单次定向发射携带时间同步信号的第一相控阵波束信号。这一直接基于位姿的初始波束确定方式，无需波束扫描搜索过程，即便无人机处于倾斜、偏转等非平稳状态，天线法线指向也能被准确捕获，初始波束主瓣直接对准ris机动目标端，通信链路建立时间从多次扫描迭代缩短为单次发射握手，大幅提升了应急通信的开通速度。由于初始对准角度纳入了姿态旋转修正，波束指向精度不受无人机飞行姿态扰动的影响，避免了因姿态偏差反复重调波束，降低了地面系统运算负荷和空口资源占用。在利用第二相控阵波束信号作为载波传输便携卫星站下行网络数据的过程中，通过地面ris相控阵基站pro的控制端口周期接收ris机动目标端回传的实时链路状态参数，当从中提取的误码率超出预设门限时，根据信号噪声比和信号衰落深度计算出当前传输时刻相干带宽内的损伤相位。将损伤相位取反得到补偿相位，生成与第二相控阵波束信号等幅反相的补偿波束并叠加到原始发射波束上。补偿波束的补偿相位直接抵消第二相控阵波束信号在传播路径中受到的相位畸变，得到更新后的波束信号，使得到达ris机动目标端的合成信号相位恢复平坦，误码率被有效拉低。这一叠加补偿方式在物理层主动对消失真，无需等待高层重传或降低调制阶数，不中断业务数据流的持续发送，在链路深衰落发生时仍然保持低误码通信，使应急通信具备对抗复杂环境扰动的自适应维持能力。