樊瓊劍，高 翔，丁 吉，王鳳仙

(空軍航空大學，長春 130022)

隨著信息、電子、材料等技術的快速發(fā)展，中小型無人機各項性能也得到了極大提升，應用范圍逐步擴展為城市交通監(jiān)測、氣象水文、地形測繪、地雷/水雷探測和核生化探測等任務，無人機的活動空間隨之變大，這對無人機機載設備的圖像、數(shù)據(jù)收發(fā)監(jiān)測以及無人機飛行的安全操縱控制都提出了越來越高的要求。由于無人機系統(tǒng)間數(shù)據(jù)收發(fā)都是通過無線通訊系統(tǒng)完成，而在該系統(tǒng)中天線是重要組成部分。考慮到全向天線存在增益低、干擾大、多徑效應等問題，因此飛行滯空時間超過1 h的中小型無人機系統(tǒng)都會采用具有方向性增益的定向天線。

目前，中小型長航時無人機所使用的定向天線多采用固定安置方式，每次天線打開時，需要通過人工方式尋找基準位置，而定向天線的工作中心頻率大多在微波波段，頻率較高，天線主瓣較窄，，只有發(fā)射天線和接收天線主瓣對準程度高時才會產(chǎn)生較高增益，一旦定向天線對準角度稍有偏差，將使地面控制站的接收信號中斷，造成監(jiān)測用圖像數(shù)據(jù)信息無法回傳，同時也使得地面控制站人員無法操縱無人機安全返回，嚴重時會出現(xiàn)墜機事故。

1 自動穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)組成

自動穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)主要由單片機控制器、電機及其驅(qū)動器、信標接收機、GPS接收機、人機交互儀、各類傳感器和機械設備組成，如圖1所示。整個系統(tǒng)核心部分是單片機控制器，利用速度和角度傳感器信號，能夠自動完成傳輸設備的對準，提高數(shù)據(jù)鏈路的傳輸質(zhì)量。

1.2 系統(tǒng)工作原理

天線自動穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)是通過將GPS接收機獲取飛行器的地理位置和姿態(tài)信息，信標接收機產(chǎn)生的俯仰角和方位角誤差信號，以及傳感器反饋的天線位置信息引入到單片機控制器，進行數(shù)據(jù)融合糾偏計算，從而產(chǎn)生精確的角度控制信號，并將此信號按照一定的頻率實時傳送給伺服電機驅(qū)動器，最后通過伺服電機驅(qū)動天線到達相應的指令角位置，實現(xiàn)天線對飛行器的自動跟蹤。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)控制單元采用數(shù)字式二階閉環(huán)鎖相的反饋式控制。在搜索階段，根據(jù)解算的方位控制量，進行位置閉環(huán)控制，調(diào)整天線指向。如果由于通信鏈路等因素的影響，一旦出現(xiàn)回傳數(shù)據(jù)丟失，該系統(tǒng)將自動切換到航程推算模式，預測此時刻的目標位置，保持跟蹤的連續(xù)性，即通過數(shù)據(jù)的預測，避免因為數(shù)據(jù)丟失導致的跟蹤精度下降。

1.3 系統(tǒng)技術指標

天線轉(zhuǎn)動范圍:水平角:0°～ 360°，俯仰角:0°～ +50°;

系統(tǒng)精度:≤1.5°;跟蹤速度:30 °/s;跟蹤加速度:30°/s2;工作溫度:－40°～ +50°;單電源供電:+28 V。

1.4 主要硬件設備選擇

1)單片機的選擇。單片機是天線跟蹤系統(tǒng)控制器的核心部件，采用Cygnal C8051芯片。該芯片具有PWM口、A/D轉(zhuǎn)換器、同步串行接口、較大的內(nèi)部ROM和RAM等，能夠自動產(chǎn)生PWM波，對電動機的輸出轉(zhuǎn)速、電壓和電流的模擬量可進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換等功能，滿足快速產(chǎn)生精確天線角度跟蹤信號的需求。

2)電機的選擇。電機的主要功能就是根據(jù)所接收的信號驅(qū)動天線進行垂直和水平兩個方向旋轉(zhuǎn)，以保持飛行器始終處于天線探測范圍內(nèi)。本系統(tǒng)選擇使用反應式步進電動機，以完成將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應的角位移和直線位移工作。該電機的輸出角位移與脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖的頻率成正比，轉(zhuǎn)向取決于控制繞組中的通電順序，同時具有正常工作時不失步，步距精度高等特點，能夠滿足本系統(tǒng)在天線高精度偏轉(zhuǎn)需求。

2 根據(jù)GPS位置計算天線方向

GPS全球定位系統(tǒng)是衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)，它通過接收、計算來自導航衛(wèi)星的導航電文與時間差來提取移動目標的精確經(jīng)度、維度、速度、高度和時間等信息，它不僅具有全球性、全天候、連續(xù)的精密導航與定位能力，而且具有良好的抗干擾和保密性，它從根本上解決了人類在地球上的導航與定位問題，可以滿足不同的需要。

鑒于GPS系統(tǒng)快速、準確的定位能力，將其應用在本系統(tǒng)中。其基本工作思路是:將GPS接收板作為一個位置傳感器，通過它解算出衛(wèi)星地球站的位置坐標，求出天線的目標方位角和仰角，然后對無人機發(fā)出的信標信號進行搜索，一旦信標信號被鎖定，二階閉環(huán)鎖相細調(diào)，控制執(zhí)行機構(gòu)轉(zhuǎn)動天線方向。

圖2 天線方位計算示意圖

圖2可以做一簡單的示意，用于解釋如何從GPS得到的位置和高度信息得到天線的指向，即仰角和方位角。(x0，y0，z0)、(x1，y1，z1)分別為天線指向和無人機飛行位置的經(jīng)度、緯度和高度。計算所得到的角度即可確定為天線方位角和俯仰角的調(diào)整數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)的控制方法和控制精度考慮

跟蹤系統(tǒng)準確定位的關鍵取決于單片機控制器如何融合處理所接收到的各種數(shù)據(jù)以及處理效果情況，這些數(shù)據(jù)分別來自傳感器、GPS接收機和信標接收機。因此設計能夠獲取高精度偏轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)的控制算法尤為重要。為保證跟蹤系統(tǒng)全天候使用，跟蹤電路的信標信號強度判斷采用差分工作方式，并進行歸一化處理，以適應輸入信號幅度的變化。

由于跟蹤系統(tǒng)采用數(shù)字引導和航程推算集成方式，因此可能出現(xiàn)的誤差形式多為實時目標的位置誤差和系統(tǒng)機械誤差。實時目標的位置誤差主要針對方位角度誤差，該角度誤差不僅與目標的定位誤差有關，還與飛機的距離相關，當飛機距離較近的時候，GPS接收數(shù)據(jù)將存在著較大的固有誤差，如飛機距離為300 m時，存在方位角度的固有跟蹤誤差為4°，距離增加的同時誤差減小，俯仰角度的誤差相對方位角度誤差來說要小得多，一般不特別加以考慮。這種誤差我們一般利用信標信號的強度信息來微調(diào)天線的指向，同時設置了不同飛行距離對應的天線位置的誤差門限，使天線可以精確穩(wěn)定地指向無人機飛行方向。

相對于實時目標的位置誤差來說，系統(tǒng)機械誤差對于天線跟蹤系統(tǒng)的影響是在無人機處于較遠距離的時候。這種誤差主要來源于機械結(jié)構(gòu)自身存在一定的耦合精度。鑒于此，我們采用了二階閉環(huán)鎖相的反饋式控制，利用電機轉(zhuǎn)動軸角編碼器完成閉環(huán)控制，從而使機械方面誤差精度小于0.8°。

4 結(jié)束語

由于天線自動穩(wěn)定實時跟蹤無人機飛行方向?qū)ΡＵ巷w行安全起至關重要作用，因此隨計算機運行速度飛速提升，北斗衛(wèi)星、電機等設備發(fā)展，將會有更多不同類型天線系統(tǒng)得到研制和廣泛應用，同時也推動我國中小型無人機在民用領域的更廣領域使用，提高無人機執(zhí)行森林火警預報、地質(zhì)勘探、災區(qū)救援等任務時具備更強工作效率。

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(責任編輯周江川)