王春龍，馬傳焱 ，時荔蕙 ，郝博雅 ，周　洲

(1.西北工業(yè)大學(xué) 無人機特種技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710065；

2.中國人民解放軍63961部隊，北京 100012)

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一種無人機微弱擴頻信號角跟蹤方法

王春龍1,2，馬傳焱2，時荔蕙2，郝博雅2，周洲1

(1.西北工業(yè)大學(xué) 無人機特種技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710065；

2.中國人民解放軍63961部隊，北京 100012)

摘要：傳統(tǒng)的無人機測控信號容易被干擾和截獲。在現(xiàn)有無人機測控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，給出了一種無人機微弱擴頻信號的單通道單脈沖跟蹤系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，同時突破了擴頻信號并行快捕和誤差電壓的高精度相關(guān)解調(diào)等難題。該方法可以充分利用現(xiàn)有測控信道而無需額外增加設(shè)備量，具有跟蹤系統(tǒng)靈敏度高、跟蹤精度高、算法簡單和設(shè)備簡單等特點，特別適合于對無人機的隱蔽高精度測角跟蹤。

關(guān)鍵詞：無人機；擴頻；角跟蹤；抗干擾

0引言

無人機具有體積小、造價低、使用方便和對環(huán)境要求低等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于偵察監(jiān)視、搶險救災(zāi)、地形勘測和目標(biāo)打擊等領(lǐng)域。單通道單脈沖角跟蹤技術(shù)[1]因其精度高、工作信噪比較低、動態(tài)響應(yīng)快以及實現(xiàn)簡單、可靠，在無人機測控領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。盛懷潔等[2]研究了無人機角跟蹤系統(tǒng)的體制分類，在干擾響應(yīng)分類的基礎(chǔ)上定義了4個系統(tǒng)抗干擾性能指標(biāo)，并給出了計算方法和物理意義，定量分析無人機角跟蹤系統(tǒng)抗干擾性能；尤明懿等[3]提出了一種可直接評估角跟蹤接收機的測角精度，且便于跟蹤系統(tǒng)指標(biāo)分配的角跟蹤接收機性能評估方法；汪沛[4]設(shè)計了一種單通道角跟蹤系統(tǒng)接收機AGC控制環(huán)路，能夠準(zhǔn)確補償信號傳輸引起的信號電平變化而幾乎不會引入角誤差信息失真；湯恩生等[5]通過分析和通道與差通道相位差對跟蹤性能的影響，提出了一種與跟蹤系統(tǒng)頻率無關(guān)的采用過零點檢測加數(shù)字移相補償方法；黃開達(dá)[6]建立了鏡面反射影響下的遙測角誤差信號模型，分析了多路徑效應(yīng)對天線低仰角3個特征區(qū)跟蹤的影響,提出基于卡爾曼濾波的自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合算法,有效改善遙測設(shè)備低仰角跟蹤的穩(wěn)定性和提高測量精度;趙呈哲等[7]針對工程應(yīng)用具體需求,對傳統(tǒng)解擴方法進行改進,以適應(yīng)單通道單脈沖擴頻角跟蹤技術(shù)在無人飛行器測控領(lǐng)域的應(yīng)用；李中偉等[8]對基于多信息源的目標(biāo)測量模型建模、數(shù)據(jù)融合與最優(yōu)估計算法等解決低仰角跟蹤的措施進行了研究;張晏旭等[9]給出了高速數(shù)傳信號角跟蹤系統(tǒng)設(shè)計方案,并對高速數(shù)傳信號跟蹤誤差進行了分析。

當(dāng)前航空無線電測控領(lǐng)域中對目標(biāo)飛行器的跟蹤主要采用單通道單脈沖體制，下行數(shù)據(jù)采用非擴頻的正交相移鍵控調(diào)制方式，遙測信號很容易被截獲和干擾。擴頻系統(tǒng)可以工作在負(fù)信噪比下，信號淹沒在噪聲中，因此具有很高的隱蔽性、抗干擾性、抗多徑和抗截獲的能力。隨著擴頻技術(shù)在GPS系統(tǒng)、GLONASS系統(tǒng)、中繼衛(wèi)星系統(tǒng)和我國的雙星定位系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，國內(nèi)無人機測控領(lǐng)域開始深入研究擴頻技術(shù)在測控中的應(yīng)用[10，11]。而如何在現(xiàn)有無人機工程實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計一個可靠的無人機擴頻角跟蹤系統(tǒng)，同時能夠直接利用擴頻信息實現(xiàn)角度誤差信號的提取，準(zhǔn)確、及時地完成對飛行目標(biāo)的測角跟蹤，成為無人機測控系統(tǒng)必須要解決的一個問題。

1無人機微弱擴頻角跟蹤系統(tǒng)組成

無人機微弱擴頻角跟蹤系統(tǒng)組成如圖1所示，系統(tǒng)主要包括耦合器、射頻濾波器、低噪聲放大器LNA、本振、下變頻器、自動增益控制AGC、中頻放大器、中頻濾波器、偽碼快速解擴器、2個乘法器、2個0/π調(diào)制器、加法器、T/4移相器和低頻方波發(fā)生器。圖1中，Σ為地面跟蹤天線輸出的和信號、ΔA和ΔE分別為方位和俯仰誤差信號、LNA為低噪放、AGC為自動增益控制、UA和UE分別為地面數(shù)字跟蹤接收機解算輸出的角誤差電壓。

圖1　無人機微弱擴頻角跟蹤系統(tǒng)組成框圖

地面跟蹤天線輸出的和信號Σ依次通過耦合器、射頻濾波器、低噪聲放大器LNA、下變頻器、中放、中頻濾波器后與偽碼快速解擴器的輸入端連接，偽碼快速解擴器的2個輸出端分別與2個乘法器的輸入端連接；在低噪聲放大器LNA與下變頻器之間還連接有本振，中頻濾波器的另一輸入端還與中頻放大器的輸出端連接，該中頻放大器設(shè)有自動增益控制回路AGC；一個0/π調(diào)制器的輸入端和調(diào)制端分別與方位誤差信號ΔA和T/4移相器的輸出端連接，后者的輸入端與低頻方波發(fā)生器的輸出端連接；另外一個0/π調(diào)制器的輸入端和調(diào)制端分別與俯仰誤差信號ΔE和低頻方波發(fā)生器的輸出端連接；2個0/π調(diào)制器的輸出端經(jīng)過加法器后再與耦合器的另一輸入端連接；2個所述的乘法器的另一輸入端分別與T/4移相器和低頻方波發(fā)生器的輸出端連接，輸出端解算出方位、俯仰誤差電壓。

2擴頻角跟蹤原理分析

參考圖1，本節(jié)主要就無人機微弱擴頻角跟蹤原理進行分析。單通道跟蹤接收通道中，和路信號表示為：

Σ=VΣm(t)c(t)cos(ωct+φ0)+n∑(t),

(1)

式中，V∑為和路信號強度，ωc為載波角頻率，φ0為信號初相，nΣ為和路的噪聲，m(t)為調(diào)制數(shù)據(jù)，c(t)為擴頻碼序列。

饋源輸出的方位、俯仰誤差信號分別表示為：

ΔA=VAc(t)m(t)cos(ωct+φ0)+nA(t)，

(2)

ΔE=VEc(t)m(t)cos(ωct+φ0)+nE(t)，

(3)

式中，VA和VE分別為方位、俯仰角誤差信號；nA和nE分別為方位、俯仰支路的噪聲。

將數(shù)字跟蹤接收機輸出的兩路頻率一致，正交關(guān)系的低頻方波信號分別與方位誤差、俯仰誤差信號完成0/π調(diào)制，通過合路器，形成一個復(fù)合角誤差信號：

Q=m(t)c(t)[VAD(t)+VED(t+90°)]cos(ωct+φ0)+

nA(t)+nE(t)，

(4)

式中，D(t)、D(t+90°)為幅度為±1的低頻方波信號。

該合成的角誤差信號再經(jīng)過耦合器與和路信號耦合，成為包含角誤差信號的復(fù)合調(diào)制信號，表達(dá)式如下：

P=m(t)c(t)[VAD(t)+VED(t+90°)+V∑]cos(ωct+φ0)+

n∑(t)+nA(t)+nE(t)，

(5)

式(5)再經(jīng)低噪聲放大、模擬下變頻和放大濾波后，信號中心頻率變?yōu)棣?，噪聲成為窄帶高斯噪聲，此時信號形式為：

P=m(t)c(t)[VAD(t)+VED(t+90°)+V∑]cos(ω0t+φ0)+

nc(t)cos(ω0t+φ0)-ns(t)sin(ω0t+φ0)，

(6)

式中，nc(t)、ns(t)分別為帶限高斯白噪聲的同相和正交分量。

然后復(fù)合信號進入解擴單元，去掉偽隨機碼，解擴后的信號表達(dá)式為：

P=m(t)[VAD(t)+VED(t+90ο)+VΣ]cos(ω0t+φ0)+

nc2(t)cos(ω0t+φ0)-ns2(t)sin(ω0t+φ0)；

(7)

再經(jīng)載波跟蹤后，I支路輸出信號為：

P=m(t)[VAD(t)+VED(t+90ο)+VΣ]+nc2(t)。

(8)

低頻方波信號，頻率一般很低(一般為1 kHz)，遠(yuǎn)低于數(shù)據(jù)速率，大部分調(diào)制有誤差信號的低頻方波信號通過了相關(guān)濾波器，因此，角誤差信息仍然保留在解擴后的信號中。將解調(diào)后的遙測基帶信號m(t)與跟蹤后的I支路信號再相乘，消去數(shù)據(jù)，得到：

P=[VAD(t)+VED(t+90ο)+VΣ]+nc3(t)。

(9)

該信號分別與本地D(t)、D(t+90°)同步檢波：

PA=[VAD(t)+VED(t+90ο)+VΣ]D(t)+nc3(t)D(t)，

(10)

PE=[VAD(t)+VED(t+90ο)+VΣ]D(t+90)+nc3(t)D(t+90)。

(11)

經(jīng)低通濾波后，輸出的方位、俯仰角誤差電壓分別為：

UA=VA+nA，

(12)

UE=VE+nE。

(13)

3無人機微弱擴頻角跟蹤方法

無人機偽碼并行搜索捕獲原理如圖2所示，上述系統(tǒng)通過以下步驟實現(xiàn)無人機微弱擴頻角跟蹤。

圖2　無人機偽碼并行搜索捕獲原理框圖

① 地面跟蹤定向天線的和差網(wǎng)絡(luò)輸出一對方位誤差信號ΔA、俯仰誤差信號ΔE和和信號Σ，在信道雙工器內(nèi)，2個射頻誤差信號分別與地面數(shù)字跟蹤接收機輸出的一對正交低頻方波信號在0/π調(diào)制器內(nèi)完成0/π調(diào)制，調(diào)制后的誤差電壓通過加法器后，在耦合器內(nèi)與和信號Σ耦合到一起，經(jīng)過射頻帶通濾波器、LNA、下變頻器、信道AGC控制和帶通濾波器，最后將中頻信號輸出給去地面數(shù)字跟蹤接收機。

② 地面數(shù)字跟蹤接收機對輸入的微弱擴頻信號進行快速解擴。對于傳統(tǒng)的解擴系統(tǒng)，解擴處理的時延主要在偽碼的搜索捕獲階段，為了降低解擴的時延，采用n路偽碼相位并行搜索的方式。偽碼部分并行搜索捕獲原理如圖2所示，以256位偽隨機碼的擴頻系統(tǒng)為例，考慮到節(jié)省硬件資源，并行支路的個數(shù)n取8，8個并行支路的相位分別為PN0、PN1…PN7；PN8、PN9…PN15；PN248、PN249…PN255。通過8個支路偽碼相位的并行處理，搜索階段所占用的時間為相位串行滑動的1/8，可以滿足工程設(shè)計需求。為了使得系統(tǒng)能夠在低信噪比下，快速準(zhǔn)確地完成解擴。除了在搜索階段采用偽碼相位并行搜索的方式，對于搜索階段的視頻信號，也采用了多倍的能量累積。綜合考慮性能的提升和硬件資源的消耗，選用了8倍的視頻累積。這樣，使得跟蹤系統(tǒng)能夠在微弱信號時完成對飛行目標(biāo)的準(zhǔn)確捕獲和跟蹤。

③ 地面數(shù)字跟蹤接收機對完成快速解擴后的微弱信號通過幅度檢波算法解算出誤差電壓并輸出到伺服設(shè)備，完成閉環(huán)跟蹤。地面數(shù)字跟蹤接收機對解擴后對準(zhǔn)支路的I和Q兩路數(shù)據(jù)，采用幅度檢波算法，消去殘留頻差對角誤差信號的影響，然后積分抽取，帶通濾波、與本地的低頻方波同步檢波、低通濾波、解算出角誤差電壓，組幀后輸出給伺服設(shè)備，完成對飛行器的閉環(huán)跟蹤。

4試驗測試數(shù)據(jù)

為了驗證上述微弱擴頻信號角跟蹤方法的有效性，采用與QPSK信號對比測試，測試方法如下：機載設(shè)備放置在天線的遠(yuǎn)場處，保證與地面設(shè)備有一定的俯仰角度，手動調(diào)整地面天線，使機載設(shè)備處于跟蹤天線的主波束內(nèi)。方位采用自跟蹤模式，鏈路工作正常后開始測試，每隔60 s記錄一個數(shù)據(jù)。

表1和表2分別為角跟蹤系統(tǒng)在高信噪比和低信噪比下QPSK信號和擴頻信號的測試數(shù)據(jù)。

表1　高信噪比下2種QPSK和擴頻信號跟蹤測角精度對比

表2　低信噪比下QPSK和擴頻2種信號跟蹤測角精度對比

從測試數(shù)據(jù)可以看出，擴頻信號的測角精度與QPSK信號的測角精度基本相當(dāng)。但是由于擴頻信號的低探測性，使得采用擴頻角跟蹤的系統(tǒng)具有較強的隱蔽性和抗截獲的能力。

5結(jié)束語

本文提出的無人機微弱擴頻角跟蹤方法有效利用當(dāng)前測控系統(tǒng)的現(xiàn)有信道設(shè)備，在單通道單脈沖信號合成時幾乎沒有什么變動，同時又避免了原有無人機跟蹤體制中隱蔽性差、容易被干擾的缺點。采用的偽碼并行搜索和多倍視頻累積策略，即保持了原有解擴的靈敏度指標(biāo)，又縮短了解擴鎖定的時間，同時將誤差電壓的解算部分與解擴算法統(tǒng)一起來，算法實現(xiàn)靈活、簡單和性能可靠，有利于工程實現(xiàn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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An Angle Tracking Method for UAV feeble Spread Spectrum Signal

WANG Chun-long1,2,MA Chuan-yan2,SHI Li-hui2,HAO Bo-ya2,ZHOU Zhou1

(1.Science and Technology on UAV Laboratory,Northwestern Polytechnic University,Xi’an Shaanxi 710065,China;2.Unit 63961,PLA,Beijing 100012,China)

Abstract：The conventional UAV TT&C signals can be easily disturbed and captured.Based on UAV TT&C system,this paper puts forward an implement method of single channel and single pulse tracking system for UAV feeble spread spectrum signal.At the same time,the difficulties such as parallel and fast acquisition of spread spectrum signal and high-precision correlation demodulation of error voltage are also broken through.This method can fully use the existing TT&C channel without adding equipment,and it has such characteristics as high sensitivity,high tracking accuracy,simple algorithm,simple equipment,etc.,which is very suitable for high-precision angle measuring and tracking of UAV.

Key words：UAV;spread spectrum;angle tracking;anti-interference

中圖分類號：TN914.42

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-3114(2016)02-51-4

作者簡介：王春龍(1979—)，男，博士，主要研究方向：無人機技術(shù)論證與管理研究。馬傳焱(1972—)，男，博士，主要研究方向：飛行器測控與導(dǎo)航技術(shù)研究。

基金項目：預(yù)研基金資助項目(9140A25011315HK03380)

收稿日期：2015-12-02

doi:10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2016.02.13

引用格式：王春龍,馬傳焱,時荔蕙,等. 一種無人機微弱擴頻信號角跟蹤方法[J].無線電通信技術(shù),2016,46(2):51-54.