CN102156275B - 一种用于无人机的测角方法 - Google Patents

Abstract

一种用于无人机的测角方法，利用安装在无人机上的列阵天线测得各子阵的载波相位、利用第一、二子阵的载波相位差来调整列阵天线的方向、利用第一、二子阵的载波相位差对第一、四子阵的载波相位差进行解模糊确定整数N的值、最后通过公式θ₁＝2πN+θ得到无人机所需的入射角θ。本发明测角方法采用4子阵的列阵天线，采用解模糊方法来确定无人机所用的入射角，测角精度达0.11°；本发明采用的列阵天线采用平板设计，每个天线单元采用单独平板设计，最后安装在整体底板内，使整个天线结构小、重量轻，能使用于无人机。

Description

一种用于无人机的测角方法

技术领域

本发明涉及一种载波相位测角方法，特别是利用列阵天线测角方法，属于无人机测控技术领域。

背景技术

无人机测控传统所用天线为抛物面天线或螺旋天线，抛物面天线其方向图的半功率角由下式确定：2θ_0.5≈70λ/D，测角精度约为半功率角的1/10，如当F＝1535MHz，波长λ＝0.195m，2θ_0.5≈70λ/D＝70×0.195/1.8＝7.58°，D为天线口径直径1.8m，跟踪精度为≈0.758°。采用螺旋天线，

如L0单圈螺距长为0.2m，N为螺旋圈数取10圈，其方向图的半功率角为9.4°，跟踪精度为≈0.94°。采用抛物面天线或螺旋天线的测角精度一般大于0.5°，而且天线尺寸大，无法满足现有无人机测控的精度要求(小于0.2°)和天线小型化要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于无人机的测角精度达0.11°的测角方法。

本发明的技术解决方案是：一种用于无人机的测角方法，通过以下步骤实现：

第一步，将列阵天线安装在无人机上，

所述列阵天线采用平板结构，由四个子阵组成，其中第一、第二和第四子阵为接收子阵，第三子阵为接收发射共用子阵，每个子阵包括六个天线单元，接收子阵的六个天线单元通过一个一分六功分器合成，接收发射共用子阵的六个天线单元通过两个一分六功分器合成，每个天线单元安装在单独的底板上，然后安装在整阵底板里；

所述接收子阵天线单元采用双层耦合微带天线形式，包括圆环铝片、敷铜介质板、介质柱、金属体、小盖板、电桥印制板组件、馈电缆、天线罩和小套筒，双层耦合微带天线的上层为圆环铝片，下层为敷铜介质板，圆环铝片通过介质柱和小套筒与敷铜介质板和金属体固定，安装在金属体正面，同时加盖天线罩，金属体背面为电桥盒体，盒体内部安装电桥印制板组件，电桥印制板组件与敷铜介质板通过馈电缆焊接连通，电桥盒体上方安装小盖板；

所述接收发射共用子阵天线单元采用三层耦合微带天线形式，包括第一层金属铝片、第二层金属铝片、敷铜介质板、介质柱、天线罩、小套筒、馈电缆、电桥印制板组件、小盖板和金属体，三层耦合微带天线的上两层为第一层金属铝片和第二层金属铝片，下层为敷铜介质板，第一层金属铝片和第二层金属铝片通过介质柱和小套筒与敷铜介质板和金属体固定，安装在金属体正面，同时加盖天线罩，金属体背面为电桥盒体，电桥盒体内部安装电桥印制板组件，电桥印制板组件与敷铜介质板通过馈电缆焊接连通，电桥盒体上方安装小盖板；

第二步，四个子阵测得各自的载波相位和

第三步，根据第二步得到的载波相位

和

得到第一、四子阵的载波相位差

和第一、二子阵的载波相位差

判断

的值，若

则进入第四步，若

则调整列阵天线方向，转入第二步；

第四步，利用第三步得到的第一、四子阵的载波相位差

和公式(1)得到θ₁，

其中，f为列阵天线的固有频率，c为光速，d₁₄为第一、四子阵的间距，θ₁＝2πN+θ，θ为无人机所需的入射角，N为整数；

第五步，根据公式组(2)确定N值，

其中d₁₂为第一、二子阵的间距；

第六步，根据公式θ₁＝2πN+θ得到无人机所需的入射角θ，发送给无人机。

所述第一步列阵天线中两个子阵的相位中心间距误差小于0.45mm。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明测角方法采用4子阵的列阵天线，采用解模糊方法来确定无人机所用的入射角，测角精度达0.11°；

(2)本发明采用的列阵天线采用平板设计，每个天线单元采用单独平板设计，最后安装在整体底板内，使整个天线结构小、重量轻，能使用于无人机；

(3)本发明天线单元的上层采用金属铝片代替传统的敷铜介质板，减少了天线的结构尺寸；

(4)本发明接收发射共用子阵天线单元采用三层耦合微带天线形式，增加了一层耦合贴片，增加了带宽；

(5)本发明接收子阵天线单元的上层金属铝片采用圆环结构，进一步减少整个天线的重量。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明载波相位测角原理图；

图3为本发明采用的列阵天线结构示意图；

图4为本发明采用的接收子阵天线单元的结构示意图；

图5为本发明采用的接收发射共用子阵天线单元的结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实例和附图来具体说明本发明。

如图1所示，本发明通过以下步骤实现：

1、在无人机上安装列阵天线

本发明采用的列阵天线如图3所示，由四个子阵组成，每个子阵由六个天线单元组成，天线单元间距150mm，子阵之间间距300mm。

整个天线阵包含两种子阵，一种是接收子阵1，另一种是接收发射共用子阵2。每一种子阵都由六个天线单元组成，整个天线阵由三个接收子阵和一个收发共用子阵组成，也就是共含有24个天线单元。具体包括接收子阵天线单元3、高频组件4、接收发射共用子阵天线单元5、滤波器6、功率放大器7、一分六功分器8、天线安装架9(安装架通过螺钉安装在整体底板侧面，整体底板为盒体，盒体内部安装各天线单元)、放大器电源10、高频组件电源11和合路/分路器12。接收子阵天线单元3和接收发射共用子阵天线单元5分别通过半刚型电缆与5个一分六功分器8连接，连接接收子阵天线单元3的一分六功分器8功率合成口连接高频组件4的输入端，高频组件4输出端对外，并且由高频组件电源11供电，高频组件4的耦合端与合路/分路器12连接然后与外部连接。连接接收发射共用子阵天线单元5的一分六功分器8功率合成口连接滤波器然后接功率放大器7。

接收子阵天线单元3如图4所示，包括圆环铝片101、敷铜介质板102、介质柱13、金属体14、小盖板15、电桥印制板组件16、馈电缆17、天线罩18和小套筒19，双层耦合微带天线的上层为圆环铝片101，下层为敷铜介质板102，圆环铝片101通过介质柱13和小套筒19与敷铜介质板102和金属体14固定，安装在金属体14)正面，同时加盖天线罩18，金属体14背面为电桥盒体，盒体内部安装电桥印制板组件16，电桥印制板组件16与敷铜介质板102通过馈电缆17焊接连通，盒体上方安装小盖板15。接收子阵天线单元3通过金属体14与各自的底板连接，再通过各自底板与阵列天线的整体底板连接。

接收用的天线单元3采用双层耦合微带天线形式，为了尽量做到小型化，微带天线上层材料由金属铝片代替传统的敷铜介质板，下层则为传统的微带天线材料敷铜介质板。天线采用两点背向馈电形式进行馈电，馈电点在下层圆形辐射贴片边缘，两馈电点到圆心连线成90度夹角。上层耦合贴片则用四个玻璃钢介质柱支撑固定。天线馈电是由去皮的同轴半刚性电缆来实现的，后端通过微带板焊接90度电桥来实现圆极化，并且在两路输出端选择左旋端口作为输出端并焊接SMA输出插座，另一端焊接50欧姆负载以匹配电路。以上结构组成了一个完整的接收天线单元，此单元有一个输出接口。

接收发射共用子阵天线单元5形式与接收子阵天线单元3相似，为了增加带宽，增加了一层耦合贴片，即采用三层耦合微带天线形式。下层微带贴片材料为敷铜介质板，天线同样采用两点背向馈电形式进行馈电，馈电点在下层圆形辐射贴片边缘，两馈电点到圆心连线成90度夹角。上边两层均采用金属铝片，同样用四个玻璃钢介质柱来固定支撑。天线馈电同样是由去皮的同轴半刚性电缆来实现的，后端通过微带板焊接90度电桥来实现圆极化，并且在两路输出端均接SMA插座作为输出端，分别实现天线的左旋与右旋圆极化形式来完成发射与接收要求。以上结构组成了一个完整的发射接收共用单元。此单元有两个输出接口。

接收发射共用子阵天线单元5如图5所示，采用三层耦合微带天线形式，包括第一层金属铝片21、第二层金属铝片22、敷铜介质板23、介质柱24、天线罩25、小套筒26、馈电缆27、电桥印制板组件28、小盖板29和金属体210，三层耦合微带天线的上两层为第一层金属铝片21和第二层金属铝片22，下层为敷铜介质板23，第一层金属铝片21和第二层金属铝片22通过介质柱24和小套筒26与敷铜介质板23和金属体210固定，安装在金属体210正面，同时加盖天线罩25，金属体210背面为电桥盒体，盒体内部安装电桥印制板组件28，电桥印制板组件28与敷铜介质板23通过馈电缆27焊接连通，盒体上方安装小盖板29。接收发射共用子阵天线单元5通过金属体210与各自的底板连接，再通过各自底板与阵列天线的整体底板连接。

整个天线阵尺寸约为1200mm×420mm×50mm，半功率角为≈20°，用载波相位方式测量，测角精度可达到0.11°。每个天线单元采用单独的底板设计，然后安装在整阵底板里。每个天线单元背面都设计一个电桥以满足宽频带轴比指标。每个子阵含有一个或两个功分器来合成信号。另外，天线背板内还安装有四个耦合器及高频组件及一个30W功放。天线阵采用微带形式以降低天线剖面，并应用耦合技术大量的展宽了带宽，使天线阵在体积很小的情况下做到收发一体，并且各子阵无源增益可以达到14dB。

两天线阵相位中心间距误差小于0.45mm。下行工作频率：1425～1535MHz，半功率角：2θ_0.5≈20°，增益：G≥13dB，驻波比：VSWR≤1.5，极化：RHC，输出插座型式：SMA-50KFD，上行天线工作频率：1750～1850MHz，半功率角：2θ_0.5≈20°，增益：G≥14dB。

接收天线六阵元通过一个一分六功分器合成；而接收发射共用的六阵元则通过两个L频段一分六功分器合成，一路用来接收，另一路用来发射。无论在空间上还是在后端网络合成方面都进行了仔细配相处理，天线阵的相位特性较一致。

2、四个子阵测得各自的载波相位和

3、载波相位

和

得到第一、四子阵的载波相位差

和第一、二子阵的载波相位差

判断

的值：

1)若

则利用公式(1)得到θ₁，

其中，f为列阵天线的固有频率，c为光速，d₁₄为第一、四子阵的间距。

2)若则调整列阵天线方向，从新测量四个子阵的载波相位，再次判断

的值，直至满足

4、解模糊

由于根据公式(1)得到的θ₁是包含2πN的入射角，因此利用第一、二子阵的载波相位差

对其进行解模糊，确定N的数值。

利用公式(2)确定N值，

第五步，根据公式组，

其中d₁₂为第一、二子阵的间距，N为整数。

5、根据公式θ₁＝2πN+θ得到无人机所需的入射角θ，发送给无人机。

实施例

如图2所示，d为两天线相位中心之间的距离，ΔR表示两个天线接收信号的传输距离差，θ为入射角，则有ΔR＝d sinθ，对应的载波相位差为：

式中，λ为载波信号波长，c为空气中的光速。对上式两边取导数，有

当d取0.6m，f取1.5GHz，Δθ取2mrad时，为达到2mrad的测向精度，相位差的测量误差应该小于2.16°，单路的相位测量误差应该小于1.53°。

整个天线阵由四个子阵组成，子阵之间间距300mm，两边子阵之间间距d为900mm，通过测量出到两个天线子阵之间的ΔR表示两个天线接收信号的传输距离差，θ为入射角，本实施例达到了测角精度可以达到0.11°的精度。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种用于无人机的测角方法，其特征在于通过以下步骤实现：

第一步，将列阵天线安装在无人机上，

所述列阵天线采用平板结构，由四个子阵组成，其中第一、第二和第四子阵为接收子阵(1)，第三子阵为接收发射共用子阵(2)，每个子阵包括六个天线单元，接收子阵(1)的六个天线单元通过一个一分六功分器(8)合成，接收发射共用子阵(2)的六个天线单元通过两个一分六功分器(8)合成，每个天线单元安装在单独的底板上，然后安装在整阵底板里；

所述接收子阵天线单元(3)采用双层耦合微带天线形式，包括圆环铝片(101)、敷铜介质板(102)、介质柱(13)、金属体(14)、小盖板(15)、电桥印制板组件(16)、馈电缆(17)、天线罩(18)和小套筒(19)，双层耦合微带天线的上层为圆环铝片(101)，下层为敷铜介质板(102)，圆环铝片(101)通过介质柱(13)和小套筒(19)与敷铜介质板(102)和金属体(14)固定，安装在金属体(14)正面，同时加盖天线罩(18)，金属体(14)背面为电桥盒体，盒体内部安装电桥印制板组件(16)，电桥印制板组件(16)与敷铜介质板(102)通过馈电缆(17)焊接连通，电桥盒体上方安装小盖板(15)；

所述接收发射共用子阵天线单元(5)采用三层耦合微带天线形式，包括第一层金属铝片(21)、第二层金属铝片(22)、敷铜介质板(23)、介质柱(24)、天线罩(25)、小套筒(26)、馈电缆(27)、电桥印制板组件(28)、小盖板(29)和金属体(210)，三层耦合微带天线的上两层为第一层金属铝片(21)和第二层金属铝片(22)，下层为敷铜介质板(23)，第一层金属铝片(21)和第二层金属铝片(22)通过介质柱(24)和小套筒(26)与敷铜介质板(23)和金属体(210)固定，安装在金属体(210)正面，同时加盖天线罩(25)，金属体(210)背面为电桥盒体，电桥盒体内部安装电桥印制板组件(28)，电桥印制板组件(28)与敷铜介质板(23)通过馈电缆(27)焊接连通，电桥盒体上方安装小盖板(29)；

第二步，四个子阵测得各自的载波相位和

第三步，根据第二步得到的载波相位

和

得到第一、四子阵的载波相位差

和第一、二子阵的载波相位差

判断

的值，若则进入第四步，若

则调整列阵天线方向，转入第二步；

第四步，利用第三步得到的第一、四子阵的载波相位差

和公式(1)得到θ₁，

其中，f为列阵天线的固有频率，c为光速，d₁₄为第一、四子阵的间距，θ₁＝2πN+θ，θ为无人机所需的入射角，N为整数；

第五步，根据公式组(2)确定N值，

其中d₁₂为第一、二子阵的间距；

第六步，根据公式θ₁＝2πN+θ得到无人机所需的入射角θ，发送给无人机。

2.根据权利要求1所述的一种用于无人机的测角方法，其特征在于：所述第一步列阵天线中两个子阵的相位中心间距误差小于0.45mm。

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