遲曉鵬，羅衛(wèi)兵，劉廣斌

(武警工程大學 信息工程系，陜西 西安 710086)

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基于RSSI盲估計的MUAV雙天線跟蹤系統(tǒng)設(shè)計*

遲曉鵬，羅衛(wèi)兵，劉廣斌

(武警工程大學 信息工程系，陜西 西安 710086)

天線實時精確地跟蹤無人機飛行方向，是有效保證無人機擴展戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡覆蓋范圍、提高通信帶寬和質(zhì)量的關(guān)鍵所在。設(shè)計了一款基于信號接收強度(RSSI)盲估計跟蹤的雙天線跟蹤系統(tǒng)，使天線主波束時刻對準中繼無人機，提高了地面定向天線對中繼無人機的初始捕獲速度，實現(xiàn)動態(tài)跟蹤，確保通信信號強度處于優(yōu)值。實驗結(jié)果表明，相比單天線系統(tǒng)，該系統(tǒng)捕獲靈敏度和跟蹤速度明顯提高。

微小型無人機；天線；跟蹤系統(tǒng)；信號接收強度

引用格式：遲曉鵬，羅衛(wèi)兵，劉廣斌. 基于RSSI盲估計的MUAV雙天線跟蹤系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機與應用，2016,35(11)：90-92，96.

0　引言

微小型無人機(Micro-Unmanned Aerial Vehicle，MUAV)搭載通信設(shè)備升空飛行作為通信中繼節(jié)點，快速建立戰(zhàn)術(shù)范圍內(nèi)的寬帶網(wǎng)絡，可實現(xiàn)各個指揮終端間的數(shù)據(jù)、語音、圖像高速傳輸[1-2]。研究帶自動跟蹤能力的地面終端定向天線，有利于進一步擴展戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡的覆蓋范圍，提高通信帶寬和質(zhì)量，降低無人機機載設(shè)備等技術(shù)要求。

當前，關(guān)于天線實時高精度自動跟蹤MUAV的研究還比較少。參考文獻[3]提出的設(shè)計方案，依靠提取飛行器上的GPS地理位置和姿態(tài)信息進行數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)自動跟蹤，當GPS部分區(qū)域服務被關(guān)閉或失效時，將嚴重影響跟蹤質(zhì)量甚至失鎖。參考文獻[4]采用運動補償預測對準算法和信道增益反饋對準算法進行異步雙模式融合，增加了運算復雜度、計算時間和載荷，不適用于戰(zhàn)術(shù)部署。參考文獻[5]提出采用單天線自動跟蹤設(shè)計，存在跟蹤捕獲難度大、跟蹤速度慢等弊端，嚴重影響跟蹤平臺的整體跟蹤性能。本文在參考文獻[5]的基礎(chǔ)上，以某型MUAV中繼通信系統(tǒng)為背景，設(shè)計了基于信號接收強度(Received Signal Strength Indication，RSSI)盲估計的MUAV雙天線跟蹤系統(tǒng)，解決了上述問題。

1　天線跟蹤模型與工作原理

1.1天線跟蹤模型

圖1　天線跟蹤平臺跟蹤示意圖

微小型中繼無人機升空飛行后，在空中主要以勻速圓周運動為主，即以半徑R在指定空域進行盤旋。地面端定向天線的動態(tài)跟蹤是指通過調(diào)整定向天線在方位面與俯仰面內(nèi)的指向，使定向天線的主波束時刻對準中繼無人機。圖1所示為地面終端定向天線的跟蹤示意圖。其中H為中繼無人機升空高度，R為中繼無人機盤旋半徑，d為地面終端距離中繼無人機圓周運動圓心正下方地面處的距離。

1.1.1方位面跟蹤分析

分析中繼無人機在某一空域盤旋時，天線在方位面的轉(zhuǎn)動角度。如圖1所示，確定了參數(shù)d和R，便可以通過反正切函數(shù)計算出天線在方位面內(nèi)的轉(zhuǎn)動范圍。假設(shè)d≥500 m，盤旋半徑R=100 m，通過反正切函數(shù)可得∠γ≈12°，此時，天線在方位面內(nèi)轉(zhuǎn)動的角度范圍為24°?？傻贸鼋Y(jié)論：如果中繼無人機的盤旋半徑變大，天線轉(zhuǎn)動角度的范圍也會變大。但是，當中繼無人機起飛后飛至指定空域的飛行過程中，或者因為地面終端組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的變化，需要中繼無人機改變飛行空域時，天線自動跟蹤平臺需要對中繼無人機進行捕獲，地面端定向天線在方位面內(nèi)的轉(zhuǎn)動角度是不確定的，需要進行超過180°的旋轉(zhuǎn)才能正確對中繼無人機進行跟蹤。所以，本文在硬件設(shè)計中，將天線轉(zhuǎn)臺設(shè)計成可在方位面進行360°旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺，保證跟蹤過程可以全時進行。

1.1.2俯仰面跟蹤分析

俯仰面跟蹤是指天線在俯仰面內(nèi)轉(zhuǎn)動，由圖1可知，地面定向天線在俯仰面內(nèi)的轉(zhuǎn)動角度由參數(shù)H、d以及R共同決定。假定中繼無人機升空高度H=100 m，以半徑R=100 m做圓周運動，地面終端與中繼無人機圓周運動圓心正下方地面處的距離d=500 m。當中繼無人機飛行到A點時，通過反正切函數(shù)可得∠α+∠β≈14°，當中繼無人機飛行到B點時，通過反正切函數(shù)可得∠β≈9°，此時天線在俯仰面內(nèi)轉(zhuǎn)動范圍∠α≈5°。中繼無人機升空高度一定后，地面天線在俯仰面內(nèi)的轉(zhuǎn)動角度主要由d和R決定。當距離d變大時，天線需要在俯仰面內(nèi)轉(zhuǎn)動的角度范圍越來越小，而且中繼無人機的盤旋半徑R對俯仰角度的決定作用越來越小。

1.2雙天線跟蹤原理

地面端不依賴無人機的定位信息，在視距前提下，直接提取地面端天線的信號接收強度作為參考，通過動態(tài)掃描搜尋信號強度閾值完成初始捕獲。采用步進跟蹤算法調(diào)整天線指向，實現(xiàn)地面端定向天線對微小型中繼無人機的動態(tài)跟蹤。平臺工作原理如圖2所示。

圖2　平臺工作原理圖

中繼通信系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時，地面端跟蹤平臺的兩個網(wǎng)絡電臺與空中的網(wǎng)絡電臺組成通信網(wǎng)絡，兩個天線同時接收中繼無人機的中繼信號。跟蹤平臺在每一時刻可以提取到兩個RSSI值，分別記左天線RSSI與右天線RSSI，對這兩個RSSI值進行比較，控制轉(zhuǎn)臺向RSSI值較大一側(cè)天線方向轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)跟蹤。

雙天線跟蹤方向圖如圖3所示。在雙天線跟蹤中，天線對無人機的最佳指向是兩個天線的主波束范圍，天線主波束覆蓋范圍顯著增大，提高了失鎖容忍度。并且，當無人機偏離這個寬波束范圍時，跟蹤平臺只需通過比較兩個天線RSSI的差值即可確定下一步天線轉(zhuǎn)動方向，提高了跟蹤速度。

圖3　雙天線方向圖

2　雙天線跟蹤平臺設(shè)計

2.1平臺跟蹤方式

MUAV天線自動跟蹤平臺的關(guān)鍵問題是平臺采用何種跟蹤技術(shù)。目前，地面天線跟蹤技術(shù)按照跟蹤方式可以分為手動跟蹤、程序跟蹤和自動跟蹤三種[6-7]，根據(jù)參考信號源的來源不同可以將跟蹤技術(shù)分為有源跟蹤和無源跟蹤[8]。

本文研究的MUAV通信中繼是典型的點對多點通信方式，其地面天線跟蹤系統(tǒng)屬于典型的無源跟蹤系統(tǒng)，綜合分析各種跟蹤技術(shù)的優(yōu)缺點，結(jié)合MUAV中繼通信系統(tǒng)的使用實際，簡化系統(tǒng)復雜度，本平臺選用基于RSSI盲估計的步進跟蹤技術(shù)為跟蹤控制方案。

2.2硬件設(shè)計

圖4　雙天線跟蹤平臺組成示意圖

整個跟蹤平臺由7部分組成，分別是天線、信號強度采集單元、網(wǎng)絡電臺、核心控制單元、執(zhí)行單元、功能性擴展單元以及電源。天線是發(fā)送和接收通信信號的裝置，也是跟蹤平臺的控制對象[9]。本平臺選用2個增益為19 dBi的柵格天線，將兩個天線平行放置并安裝在轉(zhuǎn)臺上，兩天線的主波束共同指向同一方向。信號強度提取單元完成天線RSSI的提取。核心控制單元對提取到的天線RSSI進行處理，并向執(zhí)行單元發(fā)出控制指令。執(zhí)行單元主要作用是接收主控單元指令后驅(qū)動天線到達指定位置。雙天線跟蹤平臺組成示意圖如圖4所示。

3　雙天線跟蹤流程設(shè)計

天線跟蹤平臺的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計理念，將平臺的軟件設(shè)計分成以下幾個模塊：RSSI提取模塊、RSSI濾波模塊、初始捕獲模塊、動態(tài)跟蹤模塊，如圖5所示。

圖5　平臺軟件組成框圖

雙天線跟蹤平臺工作時首先進行平臺初始化，雙天線跟蹤初始捕獲采用閾值判定法[10]，掃描方式采取一維旋轉(zhuǎn)掃描即可。其掃描實現(xiàn)過程為：令天線以一定的轉(zhuǎn)速和步長在方位面內(nèi)向左(右)連續(xù)轉(zhuǎn)動，每次轉(zhuǎn)動后采集兩天線的RSSI值。當兩個天線的RSSI值達到設(shè)置的捕獲閾值時，即認為捕獲成功，轉(zhuǎn)入動態(tài)跟蹤。如果在掃描全程中，兩個天線的RSSI值始終低于設(shè)定的閾值，則認為掃描沒有達到要求，初始捕獲失敗，應重新設(shè)定捕獲閾值再次進行掃描。

雙天線動態(tài)跟蹤過程為：同時提取兩個天線的RSSI值，如果右側(cè)天線的RSSI值大，則控制轉(zhuǎn)臺向右轉(zhuǎn)動，雙天線的整體指向便會向右；如果左側(cè)天線的RSSI值大，則控制轉(zhuǎn)臺向左轉(zhuǎn)動，帶動雙天線的整體指向向左。跟蹤流程圖如圖6所示。

圖6　雙天線跟蹤流程圖

雙天線動態(tài)跟蹤時，兩個天線的RSSI是動態(tài)變化的，其差值也將發(fā)生動態(tài)變化。當目標無人機處于最強覆蓋區(qū)域內(nèi)時，兩天線的RSSI差別不大，其差值較小，可保持天線不動。當目標無人機偏離最強覆蓋區(qū)域時，兩天線的RSSI差別將會變大，需迅速調(diào)整天線指向，即提高轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)速度。本平臺依據(jù)兩天線的RSSI差值，采取動態(tài)選擇的思想來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的動態(tài)調(diào)整控制。在平臺初始化階段，給舵機輸入一個固定脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)，令天線在方位面內(nèi)從左最大限位處轉(zhuǎn)至右最大限位處，記錄旋轉(zhuǎn)時間，可通過計算得到轉(zhuǎn)臺的一種旋轉(zhuǎn)速度。調(diào)整PWM，以同樣的方法得到多種旋轉(zhuǎn)速度。本文以三種轉(zhuǎn)速來說明動態(tài)調(diào)整方法，轉(zhuǎn)速由小到大依次記為s1、s2、s3，如表1所示。在實際應用中，可根據(jù)需要測量出多種轉(zhuǎn)速進行調(diào)整。

表1　天線旋轉(zhuǎn)速度測量表

確定出不同的轉(zhuǎn)動速度后，在動態(tài)跟蹤時，根據(jù)RSSI差值的大小選擇不同的速度轉(zhuǎn)動天線。其流程圖如圖7所示。

圖7　雙天線跟蹤轉(zhuǎn)速調(diào)整流程圖

4　雙天線跟蹤平臺試驗

對跟蹤平臺進行實際測試，在相同條件下，分別進行手動跟蹤、單天線自動跟蹤、雙天線自動跟蹤。圖8所示為三個過程中地面端天線RSSI的變化情況，三角標志符折線的RSSI值為雙天線跟蹤過程中兩天線RSSI值的平均值。從測試結(jié)果可以看出，雙天線的跟蹤速度較單天線的跟蹤速度具有改進效果。

圖8　跟蹤測試結(jié)果對比圖

為了反映無人機在轉(zhuǎn)場時天線跟蹤平臺的跟蹤效果，保持采樣頻率不變，以單天線、雙天線兩種跟蹤模式分別進行跟蹤，觀察RSSI的變化并記錄。當RSSI值維持在理想范圍時，控制MUAV飛向跟蹤平臺另一側(cè)，同樣在距離地面端500 m、升空高度100 m處的空域以半徑R=50 m做勻速圓周運動，觀察RSSI的變化并記錄，直到RSSI值維持在理想范圍時，結(jié)束單天線和雙天線跟蹤。測試結(jié)果如圖9所示。從測試結(jié)果可以看出，單天線跟蹤在無人機轉(zhuǎn)場后需要較長時間對無人機進行重新捕獲，而雙天線跟蹤在短時間內(nèi)即可完成重新捕獲，驗證了雙天線跟蹤在跟蹤速度方面的優(yōu)化效果。

圖9　無人機轉(zhuǎn)場跟蹤測試結(jié)果對比圖

5　結(jié)論

通過雙天線跟蹤系統(tǒng)設(shè)計，增加了中繼通信系統(tǒng)的通信容量，提高了中繼通信的抗干擾性，使中繼通信系統(tǒng)更具穩(wěn)健性。雙天線跟蹤平臺上天線的整體波束寬度較單天線跟蹤有了很大提高，波束的覆蓋范圍變大，在初始捕獲過程中，捕獲到目標無人機的概率也就增大。利用雙天線增加天線主波束寬度，提高捕獲靈敏度、跟蹤速度及失鎖容忍度，可有效提高平臺的跟蹤速度與跟蹤精度。

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Design of MUAV dual-antenna tracking system based on RSSI blind estimation

Chi Xiaopeng，Luo Weibing，Liu Guangbin

(Department of Information Engineering, Engineering University of PAP, Xi’an 710086, China)

The real-time and precise antenna tracking of UAV flight direction is the kernel problem of guaranteeing coverage expansion of the tactical network and improvement on the communication bandwidth and quality. This paper desiged a dual-antenna tracking system based on RSSI blind estimation, which makes the antenna’s main beam aligned with the relaying UAV, and the capture speed of the directional antenna in relaying UAV communication by the orientation antenna is improved, so that the dynamic tracking is realized, and the communication signal is maintained at its best. The experimental results show that capture sensitivity and tracking speed is obviously improved compared with single antenna system.

micro-unmanned aerial vehicle; antenna; tracking system; received signal strength indication

國家自然科學基金(61302051)

TN925

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.11.027

2016-01-15)

遲曉鵬(1982-)，男，博士研究生，主要研究方向：軍事通信。

羅衛(wèi)兵(1969-)，男，教授，博士，博導，主要研究方向：軍事通信。

劉廣斌(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：軍事通信。