CN102508237A - 一种角跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种角跟踪系统，其特征是包括控制中心、天线分系统、馈线分系统、发射分系统、接收分系统、伺服分系统和通讯接口分系统。该系统可以对无人机进行搜索、捕获与跟踪；利用角跟踪分系统取得的方位、仰角测量信息和信息帧测距信息，可对无人机进行精确定位；发射对无人机飞行状态及机载设备工作状态的实时遥控信号；接收无人机飞行参数、侦察信息及机载设备工作状态的实时遥测信号；工作行信道各具有多个频点，且工作频段宽，抗干扰能力强。

Description

一种角跟踪系统

技术领域

本发明属于雷达领域，具体是一种无人机视距链路地面车角跟踪系统。

背景技术

从1914年英国研制军用无人机开始，至今快一个多世纪了。经过不懈的努力，无人机已经成为人们生活中必不可少的部分。目前，无人机应用在各个领域，如地质勘探、气象监测、军事和海上稽查等。如何使无人机上的监测信息有效的反馈回控制中心，成为研究的重要方向。目前国内大多数使用电台等平台来实现信息传输，但这种方式使得无人机作用距离近、带宽窄极易受到干扰；国外则是利用卫星通信，这样解决了无人机作用距离近、带宽窄极易受到干扰的问题，但占用了大量的卫星资源。

发明内容

本发明的目的在于解决有效的传输无人机监测信息。

一种角跟踪系统，包括控制中心、天线分系统、馈线分系统、发射分系统、接收分系统、伺服分系统和通讯接口分系统；

所述天线分系统包括电线座，以及安装在天线座上的定向天线、全向天线和定向喇叭；

所述发射分系统，包括上变频器、频控处理器、功放和选择开关；由控制中心送来的基带激励信号送给发射分系统，在发射分系统内，基带激励信号经上变频器后送至功放；功放的输出端连接选择开关的输入端；所述选择开关的输出端分别连接定向天线、全向天线和定向喇叭的发射信号输入端；所述定向天线通过馈线分系统连接该选择开关的输出端；本频控处理器接收来自控制中心的控制信号，并依此输出选择开关、上变频器频率选择和功放的控制信号；

所述馈线分系统，本分系统传输发射信号给定向天线，接收相应频率回波信号，在发射信号的同时接收和∑、方位差ΔA二路接收信号，再经接收分系统送接收机；本分系统包括双工器、加减器、左馈源和右馈源；对于定向天线的发射信号，该发射信号依次经双工器、加减器和左馈源输出；接收和∑信号依次经左馈源、加减器和端口输出至双工器，接收方位差ΔA信号由左右馈源经加减器差输出；

所述接收分系统，包括选择开关、LNA、下变频器、频控处理器和中频接收机；本选择开关的一个输出端依次连接LNA和下变频器，下变频器的输出端连接中频接收机的输入端；该选择开关有三个输入端，全向天线和定向喇叭分别连接该选择开关的两个输入端；本选择开关的另一个输入端接收所述∑信号和ΔA信号；本频控处理器接收来自控制中心的控制信号，并依此输出选择开关、下变频器的控制信号；

所述伺服分系统，包括伺服控制器和驱动电机，所述伺服控制器的控制信号输出给驱动电机，驱动电机驱动电线座作转动和俯仰动作；

所述通讯接口分系统，连接在控制中心与发射分系统的频控处理器、接收分系统的频控处理器以及伺服分系统的伺服控制器之间。

所述下变频器由依次连接的第一混频器和第二混频器构成；对于所述∑信号和ΔA信号，这两路信号分别经第一混频器和第二混频器两次变频道中频信号。

还包括运载车辆，该运载车辆上设有方舱，所述角跟踪系统安放在方舱内；所述角跟踪系统的天线座通过升降机构与方舱连接。

所述接收分系统中，接收链路电平估算的方法是，

接收链路的最低接收电平P_Rmin：P_Rmin＝[E_b/N_c]+[B]+[K]+[T]+[N_F]-[P_G]；

式中：E_b/N_c是归一化信噪比，取为6.6dB，即对应于误码率10^-5，解调门限为9.6dB，再减去译码增益3dB；B为通带带宽；K为波尔兹曼常数：-228.6dB；T为系统噪声温度，取为298K对应24.74dB；N_F为接收机噪声系数，取为2dB；P_G为扩频处理增益：10lg0(0dB)；

将各数值代入上式后，计算出系统接收链路的最低接收电平P_Rmin；

对于发射分系统，同理可计算出系统发射链路的最低接收电平P_Rmin；

通过信道参数计算，得到的系统发射/接收链路的最低接收电平P_Rmin，带入链路功率估算式中：P_T＝[P_R]-[G_T]-[G_R]+[L_fs]+[SM]，

P_R为最小接收电平，对应于误差率10^-5；G_T为发射天线的增益；G_R为接收天线的增益；L_fs为自由空间传播损耗：32.4+20lgD(km)+20lgf(MHz)；SM为系统余量：15dB，其中，防跌落电平储备6dB，多径衰落余量5.4dB，极化损失1dB，解调抖动0.6dB，馈线损耗2dB；将各数值代入上式后，计算出发射机功率。

本系统基本不占用卫星通信，且高效率、低成本、操控灵活，是解决无人机信息传输的有效方法。

本无人机视距链路地面车角跟踪系统的特点是：天线方位采用振幅和-差单脉冲跟踪体制，俯仰采用最大值跟踪体制，有较高的测角精度和良好的搜索、捕获能力；在全向天线增益不够的情况下，增加的定向喇叭(超声波的发声器)。增加在近距离时的信号增益，有利于目标的跟踪；方位角伺服系统为直流电机驱动的二阶系统，能获得高动态性能，伺服回路采用嵌入式计算机控制，使操作控制灵活方便；操控台具有完好的人机界面，可通过各种指令控制，监视工作情况、显示工作状态、参数与测量数据；具有故障自动监测功能；工作行信道各具有多个频点，且工作频段宽，抗干扰能力强。

附图说明

图1是本角跟踪系统原理简图；

图2是天线结构示意图图；

图3是馈线分系统原理框图；

图4是发射分系统原理框图；

图5是第一混频器原理框图；

图6是第二混频器原理框图；

图7是伺服分系统原理框图；

图8是伺服分系统直流脉宽调制功放原理框图；

图9是接口分系统控制界面软件原理框图；

图10是角跟踪系统工作状态结构图；

图11是角跟踪系统运输状态结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明的无人机视距链路地面车角跟踪系统做详细的说明。

·信道参数计算，接收链路电平估算，接收链路的最低接收电平P_Rmin按下式计算：

P_Rmin＝[E_b/N_c]+[B]+[K]+[T]+[N_F]-[P_G]；

式中：E_b/N_c归一化信噪比，取为6.6dB(即对应于误码率10^-5，解调门限为9.6dB，再减去译码增益3dB)；B为通带带宽；K波尔兹曼常数：-228.6dB；T为系统噪声温度，取为298K(24.74dB)；N_F接收机噪声系数，取为2dB；P_G扩频处理增益：10lg0(0dB)。将各数值代入上式后，可计算出系统接收链路的最低接收电平P_Rmin。同理可计算出系统发射链路的最低接收电平P_Rmin。

通过上面的信道参数计算，得到的系统发射/接收链路的最低接收电平P_Rmin，带入链路功率估算式中：

P_T＝[P_R]-[G_T]-[G_R]+[L_fs]+[SM]

P_R最小接收电平(对应于误差率10^-5)，；G_T发射天线的增益；G_R接收天线的增益；L_fs自由空间传播损耗：32.4+20lgD(km)+20lgf(MHz)；SM  系统余量：15dB(防跌落电平储备6dB，多径衰落余量5.4dB，极化损失1dB，解调抖动0.6dB，馈线损耗2dB)；将各数值代入上式后，计算出由此确定机载发射机功率。同理也可确定地面发射机功率。

参考图1，本技术方案的信号走向说明如下：

由控制中心送来的基带激励信号，经发射机上变频后送功放，根据需要可选择由定向天线或全向天线以垂直线极化形式辐射到空中，或者选择由定向喇叭辐射到空中。

遥测信号在高仰角近区被全向天线或定向喇叭接收，该信号经过低噪声放大、下变频，形成基带信号送中频接收机；

遥测信号在远区落入定向天线仰角覆盖范围内，定向天线则通过搜索、捕获、跟踪到遥测信号后，由高频加减器把遥测形成∑、ΔA两路信号，并分别经LNA(低噪声放大器)放大、下变频后形成基带信号，送中频接收机。

中频接收机采用单脉冲接收体制，它将得到的方位角误差信号送方位伺服分系统进行方位自动跟踪。中频接收机得到的AGC电平送俯仰伺服分系统进行俯仰最大值跟踪。

·天线分系统，通过对天线系统的各项技术指标进行论证，天线采用抛物面型式，天线结构示意图见图2所示。天线副瓣电平理论计算值在-16dB左右，考虑馈源和支杆遮挡的影响，天线俯仰面的副瓣电平小于-13dB。为了实现天线方位面的单脉冲形式，馈源在方位面采用了两路馈电的单脉冲形式，通过模T实现和/差通道信号的分离。经过仿真计算，天线和差增益均可满足技术要求。

·馈线分系统，馈线系统具有传输发射频率功率小于40W的微波信号，接收频率回波信号。根据收发均为垂直线极化信号，设备具有方位自跟踪功能馈线采用典型的一发二收方案。在发射信号的同时接收和、方位差二路接收信号送接收机。馈线系统收发的工作原理框图如图3。发射信号由电缆、波导同轴变换、连接波导双工器、加减器经馈源输出。由馈源输入的接收和信号经馈源、加减器和端口输出至双工器，在低损耗传输接收信号同时阻断发射功率漏如接收通道。接收方位差信号由左右馈源经加件器差端口提取。

·发射分系统，发射分系统由上变频器、功放、频控处理器和电源等组成，系统原理框图见图4，输入的基带信号由控制中心提供，输出的射频信号送馈线系统，供全向天线、定向天线或定向喇叭天线发射。为了消除发射机杂散谐波及热噪声对接收信道的泄露，放大链中采取必要的抑制、滤波措施。

·接收分系统，如图5、6，∑、ΔA信号经低噪声放大器后两次变频到中频信号，进行两次变频有利于镜像和带外干扰抑制。高频接收机的和、差通道从LNA到AGC控制前，通道的传输特性一致。和中频信号除了供图像、通讯用外，还供跟踪接收机作角误差提取、向差信号提供AGC控制，实现对差信号进行归一化处理。中频放大器的增益可根据通讯和角误差解调的需要来设计。

·伺服分系统，本分系统方位须自动跟踪，俯仰采用最大值跟踪或引导方式，因此，模式基本相同，主要包括系统设计、环路设计、系统校正、对结构的考虑如间隙、谐振等。功放、传感器件等的选择，系统框图见图7。为提高性能，在方位仰角轴还采用消隙电路、差速反馈电路等。对于方位采用误差跟踪方式，驱动功放是重要环节，其性能的好坏直接影响到伺服分系统的性能指标。目前功放的类型主要有可控硅功放、直流脉宽调制功放、交流伺服功放。本系统选用抗震动、直流脉宽调制功放，该功放性能优良、可靠性高，特别是电流、速度环性能很好，从而提高了伺服分系统的性能和可靠性，原理框图见图8所示。在系统工作时，为避免天线失控，保护设备，提供如下保护。对方位仰角失速保护，连锁保护，仰角限位保护，故障保护。轴角编码用单极旋转变压器做测量元件，输出14位方位角、俯仰角编码，量化0.38mrad。

·通讯接口分系统，完成伺服、接收机、功放和跟踪系统的控制工控机与控制中心的数据编码和交换；完成将外部的中断信号，分送到伺服、接收机和跟踪系统的控制工控机，确保跟踪系统的各个分系统实时同步的进行数据交换；控制界面用于通讯接口分系统，为跟踪系统内外设备间提供信息交流(传输)通道.达到建立天线跟踪分系统操控显示界面，实现搜索、数引、目标截获、自动跟踪的控制和显示；建立与接口分机间的数据通讯、显示目标航迹、录取目标方位、仰角、误差电压数据。原理框图见图9。

该系统是在野外条件下使用，面临着复杂的自然环境和困难的工作条件。因此要求系统机动性能好，具有高可靠性和良好的维修性。尽量减少设备数量、重量和体积，缩短架设时间。系统工作状态见图10，系统运输状态见图11。

Claims (4)

1.一种角跟踪系统，其特征是包括控制中心、天线分系统、馈线分系统、发射分系统、接收分系统、伺服分系统和通讯接口分系统；

所述天线分系统包括电线座，以及安装在天线座上的定向天线、全向天线和定向喇叭；

所述发射分系统，包括上变频器、频控处理器、功放和选择开关；由控制中心送来的基带激励信号送给发射分系统，在发射分系统内，基带激励信号经上变频器后送至功放；功放的输出端连接选择开关的输入端；所述选择开关的输出端分别连接定向天线、全向天线和定向喇叭的发射信号输入端；所述定向天线通过馈线分系统连接该选择开关的输出端；频控处理器接收来自控制中心的控制信号，并依此输出选择开关、上变频器频率选择和功放的控制信号；

所述馈线分系统，本分系统传输发射信号给定向天线，接收相应频率回波信号，在发射信号的同时接收和∑、方位差ΔA二路接收信号，再经接收分系统送接收机；本分系统包括双工器、加减器、左馈源和右馈源；对于定向天线的发射信号，该发射信号依次经双工器、加减器和左馈源输出；接收和∑信号依次经左馈源、加减器和端口输出至双工器，接收方位差ΔA信号由左右馈源经加减器差输出；

所述接收分系统，包括选择开关、LNA、下变频器、频控处理器和中频接收机；本选择开关的一个输出端依次连接LNA和下变频器，下变频器的输出端连接中频接收机的输入端；该选择开关有三个输入端，全向天线和定向喇叭分别连接该选择开关的两个输入端；本选择开关的另一个输入端接收所述∑信号和ΔA信号；本频控处理器接收来自控制中心的控制信号，并依此输出选择开关、下变频器的控制信号；

所述伺服分系统，包括伺服控制器和驱动电机，所述伺服控制器的控制信号输出给驱动电机，驱动电机驱动电线座作转动和俯仰动作；

所述通讯接口分系统，连接在控制中心与发射分系统的频控处理器、接收分系统的频控处理器以及伺服分系统的伺服控制器之间。

2.根据权利要求1所述的角跟踪系统，其特征是所述下变频器由依次连接的第一混频器和第二混频器构成；对于所述∑信号和ΔA信号，这两路信号分别经第一混频器和第二混频器两次变频道中频信号。

3.根据权利要求1所述的角跟踪系统，其特征是还包括运载车辆，该运载车辆上设有方舱，所述角跟踪系统安放在方舱内；所述角跟踪系统的天线座通过升降机构与方舱连接。

4.根据权利要求1所述的角跟踪系统，其特征是所述接收分系统中，接收链路电平估算的方法是，

接收链路的最低接收电平P_Rmin：P_Rmin＝[E_b/N_c]+[B]+[K]+[T]+[N_F]-[P_G]；

式中：E_b/N_c是归一化信噪比，取为6.6dB，即对应于误码率10^-5，解调门限为9.6dB，再减去译码增益3dB；B为通带带宽；K为波尔兹曼常数：-228.6dB；T为系统噪声温度，取为298K对应24.74dB；N_F为接收机噪声系数，取为2dB；P_G为扩频处理增益：10lg0(0dB)；

将各数值代入上式后，计算出系统接收链路的最低接收电平P_Rmin；

对于发射分系统，同理可计算出系统发射链路的最低接收电平P_Rmin；

通过信道参数计算，得到的系统发射/接收链路的最低接收电平P_Rmin，带入链路功率估算式中：P_T＝[P_R]-[G_T]-[G_R]+[L_fs]+[SM]，

P_R为最小接收电平，对应于误差率10^-5；G_T为发射天线的增益；G_R为接收天线的增益；L_fs为自由空间传播损耗：32.4+20lgD(km)+20lgf(MHz)；SM为系统余量：15dB，其中，防跌落电平储备6dB，多径衰落余量5.4dB，极化损失1dB，解调抖动0.6dB，馈线损耗2dB；将各数值代入上式后，计算出发射机功率。

Images