一种测控站备选站址获取方法、测控站布设规划方法

1.本发明涉及无线通信领域，具体来说，涉及高动态终端与测控站通信 领域，更具地说，涉及针对高动态终端的测控站备选站址获取方法、测控 站布设规划方法。


背景技术：

2.测控站是一种为高动态终端测试系统提供测试控制、数据采集和数据 录取等功能的设备，一个合理有效的测控站布设方案，能够提升测控站和 高动态终端之间的可通信时长，获取更大的数据流量，为高动态终端测试 系统提供更好的数据支持，高动态终端测试系统测试得越完备越有助于提 高实际实施的安全性。对于数据采集和数据录取来说，测控站布设的核心 问题就是通信问题，而影响通信的因素包括高动态终端和测控站两方面的 因素。
3.从高动态终端的角度来说，存在着多个严重影响其通信效能的因素， 主要包括：1、高动态终端飞行高度极高，其高度能达到上百千米，在此 高度下，终端天线因功率受限，难以和地面测控站保持通信；2、高动态 终端飞行速度极快，最高速度能达到10～20马赫，平均速度能达到4～6马 赫，在如此高的速度之下，会给通信带来较大的多普勒频移；3、高动态 终端飞行时姿态也在不断变化，包括俯仰、偏航和滚动变化，其中最大的 变化是俯仰的变化，终端姿态的变化直接影响到了天线中心所指方向的变 化，易导致天线指不上测控站，从而使得通信链路中断。
4.从测控站的角度来说，也存在着多个影响系统通信效能的因素，主要 包括：1、受地理环境影响，并非任何地点都能布设测控站，如山地、河 流，地理位置不同，高动态终端天线的覆盖时长也不同，继而影响到其可 通信时长，对于密林等遮挡物较多的地区，也会影响其通信链路性能；2、 测控站天线的转动速度较慢，而终端飞行速度极快，测控站天线不能保证 始终跟着高动态终端；3、测控站的天线在三维空间的覆盖也有限，表现 为覆盖张角有限、覆盖距离有限，只能短时间覆盖到高速移动的终端。
5.现有技术下，在实践中，测控站的布设往往根据操作人员经验设定备 选站址，随后实地考察选定最终方案，且更为关注的是跟踪测量精度的问 题，并没有重点考虑对通信链路带来的影响，使得布设出来的测控站无法 保证很好的通信质量。在面向高动态终端的测控站布设领域，布设问题更 多的是聚焦在跟踪测量精度之上，通过一些计算，生成测控站布设的几何 方案，达到提升测控设备测量精度的目的。
6.也有一些研究人员通过仿真的手段预先获得测控站布设方案，然后再 进行实施。在整个高动态终端通信系统中，为了完成通信链路的仿真计算， 需要对测控站和高动态终端进行建模，然后进行一系列仿真计算。关于仿 真建模的部分，已有较多的组织或机构做了相应的研究工作，但其过分依 赖于输入，根据输入数据对通信系统进行仿真评估，只能用于评价布设方 案的好坏，实际上考虑的因素较少，大都没有考虑地形因素、各坐标系统 数据统一问题，因此也难以用于规划布设方案，不能准确预测到终端通信 链路性能，不能保证测控设备和高动态终端的通信效能。


技术实现要素：

7.因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种测控站 备选站址获取方法及测控站布设规划方法。
8.根据本发明的第一方面，提供一种测控站备选站址获取方法，包括： s1、获取测控站布设对应的高动态终端目标航迹，将其均匀分段，并对每 个分段生成预设数量的备选站址；s2、调整每个备选站址的测控站天线指 向为最优指向，以使该备选站址的测控站能获得对高动态终端的最大通信 时长的天线指向；s3、统计每个备选站址的可通信时间段，其中，所述备 选站址的可通信时间段是指同时满足符合测控站和高动态终端通信距离、 高动态终端天线能覆盖到测控站的时间段、测控站天线能覆盖到高动态终 端的时间段；s4、根据所有备选站址按照可通信时间段的大小，选出预设 数量的备选站址。优选的，所述方法还包括：s5、在判断出s4选出的备 选站址中有地形不可达的站址时，以每一个地形不可达的备选站址为中心 向航迹两侧扩散以选出最终的地形可达的备选站址。
9.优选的，在所述步骤s1中，每个分段为1个经度距离。
10.优选的，所述每个分段备选站址的预设数量为大于等于2的整数。
11.在本发明的一些实施例中，所述步骤s2包括：s21、将测控站天线的 方位角指向高动态终端飞来的一侧，从大到小调整测控站天线俯仰角的变 化步长，并对每次调整执行下列步骤s22、s23；s22、基于测控站天线指 向和测控站位置构建第一空间向量，其中，所述第一空间向量是由测控站 天线指向的坐标指向测控站备选站址位置坐标的空间向量；s23、基于高 动态终端位置和测控站位置构建第二空间向量集合，其中，所述第二空间 向量集合是由高动态终端每个时刻所在的位置坐标指向测控站备选站址 位置坐标的第二空间向量的集合；s24、基于第一空间向量和第二空间向 量集合中的每一个第二空间向量计算测控站在备选站址满足与高动态终 端通信条件的时长，其中，测控站在备选站址时满足与高动态终端通信条 件是指第一空间向量和第二空间向量的夹角对应的天线增益衰减小于或 等于预设天线增益衰减阈值；s24、将测控站天线指向固定在测控站满足 与高动态终端通信条件且通信时长最大时对应的指向。
12.优选的，所述在所述步骤s2中，将测控站备选站址和高动态终端任 意时刻所在的位置、测控站天线指向转换到预设的统一的坐标系下之后再 调整每个备选站址的测控站天线指向为最优指向。
13.优选的，所述预设天线增益衰减阈值为3db。
14.优选的，所述步骤s3包括针对每个备选站址执行如下步骤：s31、分 别计算符合测控站和高动态终端通信距离的时间段、高动态终端天线能覆 盖到测控站的时间段、测控站天线能覆盖到高动态终端的时间段，其中， 符合测控站和高动态终端通信距离的时间段是指测控站和高动态终端之 间的距离小于高动态终端天线最大覆盖距离和测控站天线最大覆盖距离 中的较小值的时间段；高动态终端天线能覆盖到测控站的时间段是指第一 空间向量与第二空间向量的夹角小于高动态终端天线的半波束张角的时 间段；测控站天线能覆盖到高动态终端的时间段是指第一空间向量与第二 空间向量的夹角小于测控站天线半波束张角的时间段；s32、计算符合测 控站和高动态终端通信距离的时间段、高动态终端天线能覆盖到测控站的 时间段、测控站天线能覆盖到高动态终端的时间段的交集。
15.在本发明的一些实施例中，所述步骤s5包括以步骤s4选出的每个备 选站址为中
效能。为此，本发明通过仿真预先筛选出合适的测控站位置和测控站天线 指向角来提升测控站与高动态终端的通信时长。进一步，本发明针对上述 问题，从提升通信时长的角度出发，来进行测控站备选站址的筛选以及测 控站布设，本发明通过构建测控站模型、测控站天线模型、高动态终端模 型，并将各个模型统一到了wgs84坐标系统之下，计算测控站和终端之间 的波束覆盖，构建天线约束、地形约束等约束条件，完成测控站的布设规 划，实现从全局的角度对高动态终端航迹和通信链路进行仿真，设定高动 态终端和测控设备天线性能约束、信道约束，选出最适合布站的大致位置， 随后在此基础上，设定地形因素，采用优化算法解算最优布设站点和测控 设备天线指向。
26.为了更好的理解本发明，下面结合附图详细说明本发明。
27.如图1所示为一个测控站和一个高动态终端的系统，高动态终端波束 覆盖范围和距离有限，其指向随着终端姿态变化而变化，如图1中所示， 在t1、t2、t3、t4时刻，高动态终端的姿态发生变化，其天线覆盖范围 也随之发生了变化。而实际的测控站布设中，包含多个测控站，每个地面 测控站都有个天线指向空中，为高动态终端提供通信服务。
28.本发明以最大化通信时长为性能指标，对高动态终端和测控站的通信 链路进行分析，建立终端和测控站模型，包括：高动态终端模型、测控站 模型、测控站天线模型。
29.1)高动态终端模型
30.为了表征和计算高动态终端的运动模型，本发明建立了下式所示的终 端模型以将高动态终端的航线轨迹用数据集合的方式进行表述方便仿真 分析：
31.m＝(t,v,pm,att,ant)
32.其中，t表示终端运动时长，v表示t时间内终端每一时刻的速度，p表 示t时间内终端每一时刻的位置，att表示t时间内终端每一时刻的姿态， ant表示终端采用的天线模型，涵盖终端天线安装位置、天线指向以及天 线增益等，如图2(a)所示为一种典型的高动态终端位置随时间的变化趋 势，如图2(b)所示的为一种典型的高动态终端姿态随时间的变化趋势， 模型代表对应的是高动态终端航迹数据集合。
33.2)测控站模型
34.为了表征和计算测控站的位置和天线覆盖，建立下式所示的测控站模 型：
35.f＝(pf,azi,ele,ant)
36.其中，p表示测控站的位置，如经纬度和高度，azi和ele表示测控站 天线的中心指向，即方位角和俯仰角，ant表示测控站采用的天线模型， 涵盖测控站天线增益等，测控站模型对应的是所有测控站对应的位置、每 个位置测控站天线的中心指向、天线模型的数据集合。
37.3)天线模型
38.天线模型采用的是半波束张角和距离的简单模型：
39.ant＝(θf,df)
40.其中，θ是天线的半波束张角，d是距离，天线增益衰减以3db为限， 在指定半波束张角和距离范围内，就认为天线是可以正常工作的，即在天 线增益衰减距离天线中心不超过3db的前提下，在半波束张角和距离范围 内，天线就是可以正常工作的，能够为覆盖范围内的高动态终端提供服务。， 在给定天线模型的情况下，即可得到天线增益表格，根据张角可查询天线 增益，此处不再详细赘述。
41.在建立了测控站、高动态终端以及天线的基本模型后，本发明在约束 条件下对测控站布设规划问题进行求解，如图2所示，具体求解过程如下：
42.步骤1：响应于需要布设测控站的需求，获取测控站布设对应的高动 态终端目标航迹，根据高动态终端航迹生成一定量的备选站址。其中，将 终端航迹均匀分段，例如每段约为1个经度距离，每段生成相同数量的站 址。例如，终端自西向东飞行10个经度的距离，便可以在终端航迹下方 每个经度生成3个备选站址，即一共生成30个备选站址。在构建了测控 站模型、高动态终端模型、测控站天线基础上，获取高动态终端航迹相当 于获取一段航迹对应的高动态终端数据集合，该数据集合按照高动态终端 模型的方式进行布局。生成的备选站址也相当于是在每个备选站址生成一 个包含该站址的测控站数据，形成测控站数据集合以及测控站天线数据集 合。
43.步骤2：计算每个备选站址的测控站天线最优指向，所谓的最优指向 是指相较于其他方向，测控站在该站址时天线采用该指向能使测控站天线 覆盖高动态终端更长的时间。根据本发明的一个实施例，所述步骤2包括 针对每个备选站址执行：
44.步骤21：将步骤1中获取到的测控站、高动态终端所在位置数据转换 到统一的坐标系下，例如wgs84坐标系下，并分别用(xf，yf，zf)表示测控站 位置、(xm，ym，zm)表示高动态终端任意时刻位置。
45.步骤22：建立基于测控站的载体坐标系，根据测控站天线指向 (azi，ele)将天线指向转换到wgs84坐标系下(xa，ya，za)，然后基于测控站 位置(xf，yf，zf)构造第一空间向量：
[0046][0047]
步骤23：根据测控站位置和高动态终端任意时刻位置(xm，ym，zm)，构 造第二空间向量：
[0048][0049]
步骤24：计算测控站可覆盖高动态终端的时长。具体地，计算和的夹角θ大小：
[0050][0051]
根据天线模型获得该方向的天线增益值(查询天线模型对应的天线增 益表)，从而判断其通信能力，逐秒计算θ
t
，通过查表获得增益，增益衰 减小于3db是符合通信条件的，分析统计高动态终端运动过程中与测控站 符合通信条件(半功率波束范围内即和的夹角θ
t
要在天线模型对应 的半功率波束张角范围内)的时间段，累加可得通信时长。
[0052]
步骤25：固定测控站天线的方位角指向终端飞来的一侧，从大到小调 整俯仰角变化步长，调整俯仰角并重复步骤22到24，迭代计算得到测控 站能获得对终端的最大通信时长对应的测控站天线最优的指向角。
[0053]
步骤3：统计每个备选站址的可通信时间段，其中，备选站址的可通 信时间段是指同时满足符合测控站和高动态终端通信距离、高动态终端天 线能覆盖到测控站的时间段、
测控站天线能覆盖到高动态终端。根据本发 明的一个实施例，所述步骤3包括对每个备选站址执行：
[0054]
步骤31：计算在飞行过程中高动态终端和测控站的距离d
t
，终端天线 最大覆盖距离为dm，测控站天线最大覆盖距离为df，符合通信距离的时间 段为td＝{t|(d
t
＜min(df，dm))}
[0055]
步骤32：高动态终端天线半波束张角为θm，在不考虑距离的情况下， 计算高动态终端在飞行过程中的波束覆盖，高动态终端波束可覆盖到备选 站址的时间段tm＝{t|(θ
t
＜θm)}。
[0056]
步骤33：测控站天线半波束张角为θf，在不考虑距离的情况下，计算 测控站的波束覆盖，测控站天线可以覆盖到终端的时间段为tf＝{t|(θ
t
＜ θf)}。
[0057]
步骤34：汇总步骤31到33之间的时间段，如图4所示，统计出同时 符合测控站和高动态终端通信距离、测控站天线能覆盖到终端、终端天线 能覆盖到测控站的时间段，该时间段即为可通信时间段：
[0058]
t＝td∩tm∩tf[0059]
步骤4：将备选站址按照可通信时间段由大到小进行排序，按照预设 的备选站址数量要求选择排序靠前的那些备选站址。
[0060]
步骤5：以各个备选站址为中心，考虑地形可达和不可达，使用分块 模拟退火算法分别向航迹两侧扩散选出最终的备选站址，向其中一侧的步 骤如下：
[0061]
步骤51：向航迹一侧移动备选站址，若地形不可达，则继续移动以得 当前备选站址的新位置；
[0062]
步骤52：使用步骤2和步骤3以获得测控站在新位置与高动态终端的 可通信时长t
′
，测控站在当前备选站址不移动到新位置时对应的与高动态 终端的可通信时长为t；
[0063]
步骤53：如果t
′
≥t则接受移动即将当前备选站址移动到新位置，重 复步骤5直到结束，如果t
′
＜t，则进入步骤54；
[0064]
步骤54：计算系统温度temp＝t-t
′
，如果系统温度temp小于设定 的最低温度值temp
min
，则结束当前备选站址的移动；反之，更新系统温 度temp＝r*temp，重复步骤5直至完成移动，其中r是预设的退火速率，0＜r＜1，r越小，系统降温越快。
[0065]
步骤6：汇总数据，按可通信时间长短排序，统计站点位置、站点天 线方位角、俯仰角等数据，给出最终的站点布设规划方案。
[0066]
由上述实施例可以看出：
[0067]
1、本发明建立了一个通信效能评估体系。本发明以通信时长为性能 指标，对三维空间下的高动态终端、天线、测控站和测控站天线进行统一 建模，在wgs84坐标系统下，计算全时刻的终端天线和测控站天线的覆盖， 根据链路预算的结果，计算得到两者之间可通信时间段和累计通信时长。
[0068]
2、本发明提供了一个计算测控站天线最优指向的方法。对于测控站， 存在天线转向无法跟随高动态终端转动的情况，往往选择固定天线指向。 本发明在高动态终端路径规划的基础上，在指定测控站站址的情况下，以 通信效能评估体系作为标准，提供了一种计算最优天线指向的方法。
[0069]
3、本发明设计了一套测控站选址和布设的方法。在高动态终端路径 规划基础上，
根据飞行距离设定步长，生成多个备选站址。随后设定终端 和测控设备天线性能约束、信道约束，调整测控设备天线指向，对各个备 选站址和终端通信效能进行评估，择出较优的几个站址。最后增加地形约 束，提升选址精度，将备选站址向周边进行扩充，采取分块模拟退火算法 计算得到最优的几个站址及相应的天线指向，生成分析报告。
[0070]
总的来说，本发明提供了一种全自动的面向高动态终端的测控站布设 规划方法，它以通信效能为评价指标，以已知高动态终端路径规划为前提， 对测控站的布设进行规划。本发明在规划的过程中，针对高动态终端建立 了高动态终端的航迹模型、姿态模型、波束模型，针对无线信道建立了空 间信道模型，针对测控站建立了测控站终端的位置模型、天线模型，针对 地形因素设定了地形约束条件，采用了分块模拟退火算法对站址进行选择， 从而保障测控站和终端的长时间通信，具有较大的应用价值。
[0071]
需要说明的是，虽然上文按照特定顺序描述了各个步骤，但是并不意 味着必须按照上述特定顺序来执行各个步骤，实际上，这些步骤中的一些 可以并发执行，甚至改变顺序，只要能够实现所需要的功能即可。
[0072]
本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可 以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方 面的计算机可读程序指令。
[0073]
计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令 的有形设备。计算机可读存储介质例如可以包括但不限于电存储设备、磁 存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意 合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括： 便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、 可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、静态随机存取存储器(sram)、 便携式压缩盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能盘(dvd)、记忆棒、 软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、 以及上述的任意合适的组合。
[0074]
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽 性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范 围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更 都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原 理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术 人员能理解本文披露的各实施例。