CN104515987B - 毫米波无人机回收引导装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波无人机回收引导装置,包括无人机上机载毫米波雷达设备和舰载毫米波雷达设备两部分组成，其中机载毫米波雷达设备包括机载422接口电路、机载数据及信息处理单元、机载毫米波频综、功率解算模块、毫米波收发前端、机载天线；舰载毫米波雷达设备包括舰载422接口电路、舰载数据及信息处理单元、舰载毫米波频综、相位解算、毫米波功放组件、毫米波宽带多通道接收机和四象限天线。其中所述毫米波收发前端包括混频器、腔体滤波器、LNA和1320MHz带通滤波器；所述的毫米波多通道接收机包括腔体滤波器、XL1000、下变频器、1320MHz带通滤波器、TGA4516和CHA3093；所述的毫米波频综包括100MHz恒温晶振、ADF4107和HMC509。

Description

毫米波无人机回收引导装置

技术领域

本发明涉及无人机回收引导技术，利用无线电测向和测距原理为无人机回收提供精确的空间位置信息和飞行路线，其实质是协同式引导雷达系统。

背景技术

舰载无人机是以战舰为基地的作战机种，必须满足和适应战舰的工作环境、自然环境和作战环境。海上的自然环境比陆地复杂、恶劣，无人机在舰上起降时必然存在较大的外界干扰。目前，固定翼无人机大部分是靠阻拦网或伞降回收的，存在着很大的安全隐患，能否安全可靠地实现自动回收已成为评价舰载无人机性能好坏的重要指标之一。

舰载无人机撞网回收是一种理想的精确定点回收方式,特别适合小型固定翼无人机在狭窄回收场地或舰船上使用,可以认为它是一种零距离回收方式。撞网回收系统一般由拦阻网装置、吸能缓冲装置和末端引导装置等组成,其核心技术在于如何引导无人机准确地飞向拦阻网，从而平稳、准确地实现撞网回收。无人机撞网回收系统在工程应用方面的集成研制工作目前在国内还未开展。与国外相比,国内对无人机撞网回收技术的研究应用存在着相当大的差距,其中精确引导技术为主要瓶颈。

目前，国内对撞网回收的无人机末端精确引导技术的研究应用主要有激光引导、GPS组合引导和电视跟踪引导等。其中激光引导和电视跟踪引导最大的问题是不能全天候工作，系统复杂；GPS组合引导系统引导精度一般，位置结算较慢，实时性差。

本发明通过舰载毫米波设备在空间某一区域内发射雷达引导波束，机载雷达设备将接收到的雷达信号再生后发出,舰载雷达设备根据四个接收天线接收到的信号强度和相位关系判断无人机所处象限及偏离中心情况，计算航向及俯仰偏差；舰载设备的发射信号经过了PN调制和数据调制，将机载设备回波中的PN序列和本地序列比较后得到无人机的斜距。机载雷达设备对接收到的信号解调得到无人机航向及俯仰偏差数据最终通过422接口将偏差量传给无人机飞控设备。本发明具有体积小、定位精度高、速度快、覆盖范围广、可靠性高等优点，能有效减少无人机回收的工作量，加快了回收速度。

发明内容

本发明的目的就是将毫米波技术、通信技术和无线电测距测角技术有机结合，在满足测角测距精度的同时减小设备体积重量，为舰载无人机回收提供全天候的精确引导。

本发明主要由无人机上机载毫米波雷达设备和舰载毫米波雷达设备两部分组成，其中机载毫米波雷达设备包括机载422接口电路、机载数据及信息处理单元、机载毫米波频综、功率解算模块、毫米波收发前端、机载天线；舰载毫米波雷达设备包括舰载422接口电路、舰载数据及信息处理单元、舰载毫米波频综、相位解算、毫米波功放组件、毫米波宽带多通道接收机和四象限天线。其中所述毫米波收发前端包括混频器、腔体滤波器、LNA和1320MHz带通滤波器；所述的毫米波多通道接收机包括腔体滤波器、XL1000、下变频器、1320MHz带通滤波器、TGA4516和CHA3093；所述的毫米波频综包括100MHz恒温晶振、ADF4107和HMC509。

本发明的工作原理如下：

1、角度测量：舰载定向天线发射四象限信标频率，机载全向接收机接收到信标频率以后，根据信标可以判别出所处象限并能粗略估计角度偏差。为了实现精确角度测量采用相位法测角，机载设备定向发射机向舰载设备发射以PN序列开始的单频(其中PN序列作为再生测距伪码和同步信息)作为舰载设备精确测角的频标。舰载设备多通道毫米波接收机根据四个接收天线收到的信号相位关系解算出无人机的航向和俯仰精确偏差。精确角度偏差值再通过四象限信标频率发射传给机载设备，精度可达0.05度。

2、距离测量：采用伪码再生测距方式，利用精确测角时机载设备定向发射机信道1向舰载设备发射的PN序列作为舰载设测距备的伪码。舰载设备对PN序列跟踪同步后由四象限信标频率发射，机载设备根据本地PN序列和接收到的PN序列的相位差解算出无人机与舰载拦阻网的距离，精度可达±1米。

本发明的优点：(1)功能强，体积小(2)适应性强，定位精度高(3)速度快、覆盖范围广。

附图说明

图1是本发明目毫米波无人机引导装置原理框图。

图2是本发明机载雷达设备原理框图。

图3是本发明舰载雷达设备原理框图。

图4是本发明所述机载毫米波雷达设备的数据及信号处理板和舰载雷达设备数据及信号处理板的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明是一种毫米波无人机回收导引装置，包括无人机上机载毫米波雷达设备和舰载毫米波雷达设备两部分组成，其中机载毫米波雷达设备包括机载422接口电路6、机载数据及信息处理单元5、机载毫米波频综3、功率解算模块4、毫米波收发前端2、机载天线1；舰载毫米波雷达设备包括舰载422接口电路7、舰载数据及信息处理单元8、舰载毫米波频综10、相位解算12、毫米波功放组件14、毫米波宽带多通道接收机11和四象限天线13。

所述机载毫米波前端2包括功放组件21、腔体滤波器221、上变频24、1320MHz带通滤波器251、腔体滤波器222、下变频组件23以及1320MHz带通滤波器252；所述机载毫米波频综3包括第一压控振荡器HMC509芯片261、第二压控振荡器HMC509芯片262、第一锁相环ADF4107芯片271、第二锁相环ADF4107芯片272和100MHz恒温晶振28；所述毫米波宽带多通道接收机11包括第一、二、三、四腔体滤波器321、322、323和324，第一、二、三、四下变频组件351、352、353、354，第一、二、三、四1320MHz带通滤波器381、382、383、384；所述舰载毫米波频综10包括第一压控振荡器HMC509芯片371、第二压控振荡器HMC509芯片372、第一锁相环ADF4107芯片361、第二锁相环ADF4107芯片362和100MHz恒温晶振34；所述机载毫米波雷达设备的数据及信号处理板28和舰载雷达设备数据及信号处理板39电路结构相同，包括第一、二、三、四缓冲放大器411、412、413、414，第一、二、三、四高速A/D芯片421、422、423、424，Xilinx VIRTEX5高速FPGA芯片43，TI公司DSP2812芯片44，第一、二高速DAC芯片451、452和第一、二低通滤波器461、462。

所述机载毫米波雷达设备的数据及信号处理板28和舰载雷达设备数据及信号处理板39将载有PN序列的中频信号通过上变频单元325与HMC509芯片372产生的本振信号混频并由功放组件33放大后经馈电网络由四象限天线13发射出去。所载PN序列根据解算时间要求、系统可实现性等综合考虑，确定伪码速率为f_c＝2Mbps，再根据伪码测距的最大无模糊距离公式R＝c×N/2f_c，当最大无模糊距离为R＝10Km时，确定码长N＝134，粗测时距离误差为：为了加快捕获，采用多个子码组成复合码进行测距，其中一个子码是周期为2，即1和0交替的(布尔)序列，称为钟码分量。为了提高测距精度，使再生测距码的钟码分量在整个测距码中所占功率比重较大，借鉴JPL1999测距码。伪码测距信号结构如下：取C₁码长为2，C₂码长为7，C₃码长为11。码长N＝2×7×11＝154位，满足最大无模糊距离为10Km的需求。对于每个子码C_n(i)，通过周期为L_n的无穷重复形成序列，即：

C'_n(i)＝C_n(imodL_n)

由子码组成的复合码的逻辑表达式为

Seq(i)＝C'₁(i)+[C'₂(i)·C'₃(i)]

精测时距离误差为：

R₁为伪码测距信号中测距时钟的相对强度，为上行测距信噪比。本发明实际测距精度为±2米，一次测距所需时间约为250us。

机载雷达设备通过天线1接收舰载设备四象限天线13发射的毫米波信号，经由下变频组件23和压控振荡器HMC509芯片262产生的本振混频后得到中频信号，中频信号在机载毫米波雷达设备的数据及信号处理板28中被高速AD采样由FPGA芯片完成伪码的再生，并经上变频器24与压控振荡器HMC509芯片261产生的本振混频得到再生后的毫米波信号，该信号经功放组件21放大后由天线1发射给舰载雷达设备以便测距、测角；如果伪码还载有信息，机载毫米波雷达设备的数据及信号处理板28还要进行数据解调，并将解调后的数据由机载422接口电路6传输。

舰载雷达设备天线13接收到由机载设备天线1发射的再生信号后经下变频组件351、352、353和354与压控振荡器HMC509芯片371产生的本振混频得到4路中频信号，这些中频信号由机载毫米波雷达设备的数据及信号处理板28和舰载雷达设备数据及信号处理板39中的高速AD芯片421、422、423和424分别采样，并在FPGA芯片43进行相位解算得到角度信息，同时将恢复出来的PN序列与本地PN序列比较得到距离信息。

角度测量原理是将舰载天线收到的信号按水平方向两两相加并比较相位得到俯仰方向的偏差角，同理将俯仰方向的信号两两相加并比较相位得到水平方向的偏差角。若q为视角，D为两个天线波束轴间的距离，λ为载波波长，设相加后得到的接收信号电相位差为θ，根据公式

和λ＝c/f解算得到偏离角，c是光速常数，f(约为35GHz)为舰载设备发射的毫米波频率。本发明毫米波天线间距为100mm，测量角误差优于0.05^°。

Claims (4)

1.毫米波无人机回收引导装置，其特征在于：所述毫米波无人机回收引导装置由无人机上机载毫米波雷达设备和舰载毫米波雷达设备两部分组成，其中机载毫米波雷达设备包括机载422接口电路(6)、机载数据及信息处理单元(5)、机载毫米波频综(3)、功率解算模块(4)、毫米波收发前端(2)、机载天线(1)；舰载毫米波雷达设备包括舰载422接口电路(7)、舰载数据及信息处理单元(8)、舰载毫米波频综(10)、相位解算(12)、毫米波功放组件(12)、毫米波宽带多通道接收机(11)和四象限天线(13)；所述舰载雷达设备数据机信号处理板(39)将载有PN序列的中频信号通过上变频单元(325)与HMC509芯片(372)产生的本振信号混频并由功放组件(33)放大后经馈电网络由四象限天线(13)发射出去；机载雷达设备通过机载天线(1)接收舰载设备四象限天线(13)发射的毫米波信号，经由下变频组件(23)和压控振荡器HMC509芯片(262)产生的本振混频后得到中频信号，中频信号在机载毫米波雷达设备的数据及信号处理板(28)中被高速AD采样由FPGA芯片完成伪码的再生，并经上变频器(24)与压控振荡器HMC509芯片(261)产生的本振混频得到再生后的毫米波信号，该信号经功放组件(21)放大后由机载天线(1)发射给舰载雷达设备以便测距、测角；如果伪码还载有信息，机载毫米波雷达设备的数据及信号处理板(28)还要进行数据解调，并将解调后的数据由机载422接口电路(6)传输；四象限天线(13)接收到由机载机载天线(1)发射的再生信号后经下变频组件(351)、(352)、(353)和(354)与压控振荡器HMC509芯片(371)产生的本振混频得到4路中频信号，这些中频信号由舰载雷达设备数据及信号处理板(39)中的高速AD芯片(421)、(422)、(423)和(424)分别采样，并在FPGA芯片(43)进行相位解算得到角度信息，同时将恢复出来的PN序列与本地PN序列比较得到距离信息。

2.根据权利要求1所述的毫米波无人机回收引导装置，其特征在于：机载毫米波频综(3)和舰载毫米波频综(10)电路相同，以机载毫米波频综(3)为例，其第一压控振荡器HMC509芯片(261)与第一锁相环ADF4107芯片(271)组成的频综电路为发射上变频(24)提供本振信号，其中上变频(24)为谐波混频器，第一压控振荡器HMC509芯片(261)输出频率为8GHz到8.25GHz；同理第二压控振荡器HMC509芯片(262)、和第二锁相环ADF4107芯片(272)组成的频综电路为下变频组件提供本振，频率范围为8.75GHz到9GHz。

3.根据权利要求1所述的毫米波无人机回收引导装置，其特征在于：所述的所述机载毫米波前端(2)将机载天线(1)接收到的毫米波引导信号经腔体滤波器(222)滤波后由下变频组件(23)和压控振荡器HMC509芯片(262)产生的本振混频得到机载毫米波雷达设备的数据及信号处理板(28)的输入中频信号；同时，机载毫米波雷达设备的数据及信号处理板(28)的再生中频信号经上变频(24)混频、腔体滤波器(221)滤除边带后经功放组件(21)放大后由机载天线(1)发出。

4.根据权利要求1所述的毫米波无人机回收引导装置，其特征在于：所述机载毫米波雷达设备的数据及信号处理板(28)和舰载雷达设备数据机信号处理板(39)电路结构相同，第一、二、三、四缓冲放大器(411)、(412)、(413)和(414)将输入的中频信号缓冲放大并由第一、二、三、四高速A/D芯片(421)、(422)、(423)和(424)进行正交采样，采样频率为1.5GHz，采样后的信号送至Xilinx公司的VIRTEX5高速FPGA芯片(43)处理；TI公司DSP2812芯片(44)实现舰载422接口和其它控制；FPGA芯片(43)，第一、二高速DAC芯片(451)、(452)和第一、二低通滤波器(461)、(462)共同产生所需的发射中频信号。