CN104932548A - 一种无人机定向天线自跟踪系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种无人机定向天线自跟踪系统设计方法，用于无人机控制。本方法在载车上安装GPS接收机来实时获取定向天线的位置和速度，主控制器利用定向天线和无人机的位置获取定向天线的跟踪目标角，利用定向天线和无人机的速度实现对位置的预测平滑以及实现当无人机飞过定向天线顶点时对方位运动增加前馈。载车上安装方位角和俯仰角测量仪测量载车的当前方位角和俯仰角，结合角度传感器的测量值获取定向天线的当前角。主控制器根据定向天线的跟踪目标角与当前角的差值计算控制量，驱动定向天线到达目标位置。本发明提高了系统的机动性和隐蔽性，易于工程实现，有效平滑了定向天线跟踪动作，降低了过顶跟踪误差，提高了系统可靠性和适应性。

Description

一种无人机定向天线自跟踪系统设计方法

技术领域

本发明属于无人机控制领域，涉及自动跟踪，具体涉及一种无人机定向天线自跟踪系统的设计方法。

背景技术

随着无人机技术的快速发展，应用越来越广泛。在许多应用中，无人机与地面控制系统间有大量的观测、控制数据需要实时传输，为了保证数据收发准确可靠，同时提高接收增益和抗干扰能力，这种远距离、高带宽的通信，通常采用定向天线。定向天线工作时，只有发射天线和接收天线主瓣对准时，才有较高的增益。如果不能保证定向天线实时对准，将使无人机与地面控制系统间信号中断，这不仅会丢失观测数据，影响任务的完成，还会造成无人机的失控，可能导致无人机丢失、坠毁等严重事故，因此，需要保证定向天线实时对准。实现定向天线对准跟踪主要有人工跟踪和自动跟踪，人工跟踪存在误差大、实时性差等不足。自动跟踪是定向天线根据目标的运动，自动实现对目标的跟踪，是目前主要跟踪方式。根据目标角确定方法的不同，定向天线自跟踪可分为两种主要方式，最常用的是通过信号相位关系来进行目标角判断，这需要一套复杂的天线伺服反馈系统，成本很高，此外，该方法抗干扰能力较差。另一种方法是利用无人机实时发送给地面站的GPS位置信息，根据无人机和定向天线的相对位置来确定跟踪目标角。由于GPS位置信号具有比前者跟踪信号更加稳定、实现简单等特点，两者相比，后者更有优势。但基于GPS位置信号来设计定向天线自动跟踪系统，目前存在如下不足：根据无人机和定向天线的相对位置来确定跟踪目标角，目前的计算方法需要根据定向天线和无人机的相对位置来判断真实的方位角所在象限，在象限边界处容易引起歧义，增加了控制系统实现的复杂度，给工程应用带来了困难。由于通信链路传输能力以及低成本GPS接收机动态特性的限制，通常无人机发送给地面控制系统的位置更新频率较低，在近距离跟踪时，跟踪角变化波动较大，容易造成跟踪系统运动波动和较大的跟踪误差，会显著增加系统磨损。随着无人机的广泛应用，在许多应用领域需要定向天线跟踪系统具有机动跟踪能力，以提高系统的机动性和隐蔽性，但在机动过程中，定向天线的GPS位置信息，容易受隧道、树木、建筑等干扰，造成位置信息不准，从而导致跟踪目标的丢失。

发明内容

为解决基于GPS位置信号来设计定向天线自动跟踪系统目前存在的上述问题，本发明提出了一种无人机定向天线自跟踪系统设计方法。利用该方法设计定向天线自动跟踪系统具有运行稳定、误差小、工程实现方便和具有机动跟踪能力等特点。

本发明提供的一种无人机定向天线自跟踪系统设计方法，采用的技术方案为：

在载车上安装GPS接收机来实时获取定向天线的位置和速度。利用无人机地面控制系统接收无人机通过数据链实时下传的无人机的位置和速度。主控制器利用定向天线和无人机的位置获取出定向天线的跟踪目标角，跟踪目标角包括目标的方位角和俯仰角。主控制器利用定向天线和无人机的速度实现对位置的预测平滑以及实现当无人机飞过定向天线顶点时对方位运动增加前馈。在载车上安装方位角和俯仰角测量仪测量载车的当前方位角和俯仰角，通过角度传感器来测量定向天线相对于载车的方位角和俯仰角，从而获得定向天线的当前角。主控制器根据定向天线的跟踪目标角与当前角的差值计算控制量，驱动定向天线到达目标位置，从而实现无人机定向天线的自动跟踪。

所述的主控制器利用定向天线和无人机的位置获取定向天线的跟踪目标角，实现步骤是：

步骤1：对于方位角，设定以正北为零度，顺时针方向为[0,π]，逆时针方向为[0,-π]；对于俯仰角，设定水平面以上为正，水平面以下为负。

步骤2：根据车载GPS接收机获得定向天线的经度和纬度，计算出参考椭圆地球模型的子午面曲率半径R_N和横向曲率半径R_E；利用R_N和R_E，计算无人机相对于定向天线在当地地理导航坐标系上的相对距离(P_N,P_E,P_D)。所述的当地地理导航坐标系是以定向天线当前位置为原点，北向为N轴，东向为E轴，当地垂线向下方向为D轴。

$\left(\begin{array}{c}{P}_N\\ P_E\\ P_D\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}(R_N+h_T)\×({\mathrm{\λ}}_T-{\mathrm{\λ}}_C)\\ (R_E+h_T)\×\cos \left({\mathrm{\λ}}_C\right)\×(L_T-L_C)\\ -(h_T-h_C)\end{array}\right)$

式中，(L_C,λ_C,h_C)为载车的经度、纬度和海拔高度，(L_T,λ_T,h_T)为无人机位置的经度、纬度和海拔高度。P_N和P_D分别为无人机与定向天线在北向和东向的水平距离，P_E为无人机与定向天线的垂直距离。

步骤3：利用以上计算出的相对距离(P_N,P_E,P_D)，确定目标方位角ψ_T和目标俯仰角θ_T；

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_T\\ {\mathrm{\θ}}_T\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\arctan 2(P_E,P_N)\\ \arctan (-P_D,sqrt({P_N}^2+{P_E}^2\left)\right)\end{array}\right)$

跟踪目标角包括目标方位角ψ_T和目标俯仰角θ_T。

所述的主控制器利用定向天线和无人机的速度实现对位置的预测平滑，包括步骤31和步骤22。

步骤21：在控制周期中，首先判断载车位置是否更新，如已更新且有效，则使用更新的载车位置来计算跟踪目标角，如没有更新或者无效，则利用载车的速度乘以控制周期的时间作为位置的增量来预测载车当前位置。

步骤22：判断无人机的位置是否更新，如已更新且有效，则使用更新的无人机位置来计算跟踪目标角，如没有更新或者无效，则利用无人机的速度乘以控制周期的时间作为位置的增量来预测无人机当前位置。

所述的主控制器实现当无人机飞过定向天线顶点时对方位运动增加前馈，包括步骤31和步骤32。

步骤31：确定无人机与定向天线的水平距离S、水平方向上的相对速度V和到顶时间t；

$\left(\begin{array}{c}S\\ V\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\sqrt{P_N^2+P_E^2}\\ (V_N-v_n)\×cos\left({\mathrm{\ψ}}_T\right)+(V_E-v_e)\×sin\left({\mathrm{\ψ}}_T\right)\end{array}\right)$

t＝S/abs(V)

其中：V_N和V_E分别为无人机在北向和东向的水平速度；v_n和v_e分别为定向天线在北向和东向的水平速度；

步骤32：根据到顶时间t和相对速度V进行判断，判断是否满足条件t＜t₀且V＜V₀，若满足，则将定向天线的目标方位角增加180°，实现方位提前运动；否则，不需要提前运动。其中，t₀为定向天线在方位方向上运行90°时的运行时间，V₀为预先设定的速度阈值。

本发明的无人机定向天线自跟踪系统设计方法的优点和积极效果在于：

(1)通过实时采集载车航向、俯仰和位置等信息，利用基于相对位置的目标角计算方法，可实现定向天线在机动过程中的自跟踪能力，从而提高了系统的机动性和隐蔽性。

(2)提出基于相对位置计算跟踪目标角的新方法，与现有方法相比，不用象限判断，不会造成歧义，易于工程实现。

(3)利用速度对位置进行预测平滑，不仅有效平滑了定向天线跟踪动作，降低了运动部件的磨损，提高了系统跟踪精度，而且当位置信息丢失，速度变化不大时，还可保持定向天线的正确指向，避免目标丢失，提高了系统可靠性。

(4)利用方位运动前馈控制策略，有效降低了过顶跟踪误差，提高了系统可靠性和适应性。

附图说明

图1为本发明方法所应用的定向天线自动跟踪系统的硬件组成框图；

图2为本发明定向天线自动跟踪系统软件主流程图。

具体实施方式

本发明在于提供一种无人机定向天线自跟踪系统设计方法，下面将结合附图对本发明做详细说明。

如图1所示，本发明所应用的定向天线自动跟踪系统，硬件组成主要包括：GPS接收机1、无人机地面控制系统2、主控制器3、方位角和俯仰角测量仪4、角度传感器5、电机驱动电路6、电机及减速器7和定向天线8。

在载车上安装GPS接收机1来实时获取定向天线的位置和速度，并传送给主控制器3。利用无人机地面控制系统2接收无人机通过数据链实时下传的无人机的位置和速度，再转发给主控制器3。主控制器3实现的功能是：利用定向天线和无人机的位置计算出定向天线的跟踪目标角，目标角包括方位角和俯仰角；利用定向天线和无人机的速度来实现对位置的预测平滑以及实现当无人机飞过定向天线顶点时对方位运动增加前馈。通过主控制器3实现的功能达到减小跟踪误差、降低跟踪磨损、提高跟踪平稳的目的。通过在载车上安装方位角和俯仰角测量仪4来测量载车的当前方位角和俯仰角，通过电机输出轴上的角度传感器5来测量定向天线相对于载车的方位角和俯仰角，根据相应的方位角之和、俯仰角之和就可获得定向天线的当前方位角和当前俯仰角，当前方位角和俯仰角简称当前角。主控制器3根据定向天线的跟踪目标角与当前角的差值，计算电机驱动电路6的控制量，发送相应的控制指令给电机驱动电路6。电机驱动电路6把控制指令转化为电机的实际驱动控制信号输出给电机及减速器7，使得安装在输出轴上的定向天线8快速、平稳的到达目标位置，从而实现无人机定向天线的自动跟踪。由于在载车上安装有GPS接收机1与方位角和俯仰角测量仪4，不论载车是否运动，都能够实时获得定向天线8的跟踪目标角和当前角，从而使得该跟踪系统具有机动跟踪能力。

本发明的无人机定向天线自跟踪系统设计方法，体现在主控制器3的功能实现上，包括基于位置来计算目标角的新方法，利用速度信息对位置进行预测平滑方法和实现无人机飞过定向天线顶点时对方位运动增加前馈的方法。

首先，说明利用定向天线和无人机的位置计算定向天线的跟踪目标角的方法，包括下面步骤1～步骤3。

步骤1：对于方位角，设定以正北为零度，顺时针方向为[0,π]，逆时针方向为[0,-π]。俯仰角规定水平面以上为正，水平面以下为负。

步骤2：根据车载GPS接收机1所获得的定向天线的经度和纬度，计算出参考椭圆地球模型的子午面曲率半径R_N和横向曲率半径R_E，如式(1)所示。

$\left(\begin{array}{c}{R}_N\\ R_E\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\frac{R(1-e^2)}{{(1-e^2{\sin }^2({\mathrm{\λ}}_C\left)\right)}^{3/2}}\\ \frac{R}{{(1-e^2{\sin }^2({\mathrm{\λ}}_C\left)\right)}^{1/2}}\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中，R＝6378137.0m为地球长半轴，e＝0.0818191908426为地球椭球偏心率，λ_C为定向天线所在位置的纬度。

然后利用R_N和R_E，根据式(2)计算无人机相对于定向天线在当地地理导航坐标系上的相对距离(P_N,P_E,P_D)。

$\left(\begin{array}{c}{P}_N\\ P_E\\ P_D\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}(R_N+h_T)\×({\mathrm{\λ}}_T-{\mathrm{\λ}}_C)\\ (R_E+h_T)\×\cos \left({\mathrm{\λ}}_C\right)\×(L_T-L_C)\\ -(h_T-h_C)\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中，(L_C,λ_C,h_C)和(L_T,λ_T,h_T)分别为载车和无人机位置的经度、纬度和海拔高度。P_N和P_D分别为无人机与定向天线在北向和东向的水平距离，P_E为无人机与定向天线的垂直距离。

步骤3：利用计算出的相对距离(P_N,P_E,P_D)，利用式(3)计算目标方位角ψ_T和俯仰角θ_T：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_T\\ {\mathrm{\θ}}_T\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\arctan 2(P_E,P_N)\\ \arctan (-P_D,sqrt({P_N}^2+{P_E}^2\left)\right)\end{array}\right)---\left(3\right)$

根据上式计算出的ψ_T和θ_T符合本发明方法所规定的方位角和俯仰角范围，不存在多样性。采用此方法，无需再通过定向天线和无人机的相对位置来确定目标角的真实值，这给工程应用带来了方便。

其次，说明利用定向天线和无人机的速度对位置进行预测平滑方法，包括下面步骤21和步骤22。

步骤21：在控制周期中，首先判断载车位置是否更新，如已更新且有效，则使用更新的载车位置来计算跟踪目标角，如没有更新或者无效，则利用载车的速度乘以控制周期的时间作为位置的增量来预测载车的当前位置。

步骤22：判断无人机的位置是否更新，如已更新且有效，则使用更新的无人机位置来计算跟踪目标角，如没有更新或者无效，则利用无人机的速度乘以控制周期的时间作为位置的增量来预测无人机的当前位置。

利用速度对位置进行预测平滑，不仅有效平滑了定向天线跟踪动作，降低了运动部件的磨损，提高了系统跟踪精度，而且当位置信息丢失，速度变化不大时，还可保持定向天线的正确指向，避免目标丢失，提高了系统可靠性。

然后，说明实现当无人机飞过定向天线顶点时对方位运动增加前馈的方法。

考虑到道路坡度，定向天线伺服系统俯仰角的运动范围机械限定为[-10°,+90°]，就可以实现对无人机任意方向的跟踪。在无人机飞过定向天线顶点的过顶运动时，需要由方位角变化180°来配合实现，此时，由于方位角变化较大，系统指向会有较大的滞后。通过速度和距离，可提前预测该运动，增加前馈，使得方位提前运动，把过顶时的方位滞后角最大误差180°分为90°的提前角度误差和90°的滞后角度误差，这样可使方位最大误差减小为原来的一半。

过顶前馈的具体实施步骤包括步骤31和步骤32。

步骤31：首先计算无人机与定向天线的水平距离S、水平方向上的相对速度V和到顶时间t，计算公式如下：

$\left(\begin{array}{c}S\\ V\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\sqrt{P_N^2+P_E^2}\\ (V_N-v_n)\×cos\left({\mathrm{\ψ}}_T\right)+(V_E-v_e)\×sin\left({\mathrm{\ψ}}_T\right)\end{array}\right)---\left(4\right)$

t＝S/abs(V)             (5)

其中：P_N、P_E分别为定向天线与无人机在北向和东向水平距离；V_N、V_E分别为无人机在北向和东向水平速度；v_n、v_e分别为定向天线在北向和东向水平速度；abs()表示绝对值函数；ψ_T为当前跟踪的目标方位角。按照本发明方法方位角规定的表示方法，不管ψ_T在那个象限区间，都可以采用公式(4)来计算相对速度V。

步骤32：根据计算值t和相对速度V进行判断，若满足，若满足条件t＜t₀且V＜V₀，则定向天线的目标方位角增加180°，实现方位提前运动，若不满足该条件，则不需要提前运动。其中t₀为定向天线在方位方向上运行90°时的运行时间，V₀则主要用来限制当相对速度较慢时，系统无需提前运动，只有当相对速度较大时，才需要提前运动。V₀为预先设定的速度阈值，取值与定向天线的方位最大运动速度、无人机过顶时高度等因素有关，通常取V₀＝-30m/s，可以满足实际要求。利用方位运动前馈控制策略，有效降低了过顶跟踪误差，提高了系统可靠性和适应性。

如图2所示，为利用本发明无人机定向天线自跟踪系统设计方法实现无人机定向天线的自动跟踪的工作流程图。首先，当系统开始运行时，先进行初始化。在初始化系统后，进入一个大循环，首先判断是否当前时刻在控制周期中，如在控制周期中，则判断在该控制周期中，无人机、定向天线的位置是否有更新值，如没有有效更新值，则利用速度进行位置预测，位置的预测平滑在步骤21和步骤22中记载；再根据位置利用公式(1)、(2)和(3)计算跟踪目标角。读取角度传感器5、方位角和俯仰角测量仪6的测量值，根据这些值，获得定向天线的当前角，并利用公式(4)和(5)判断无人机是否要经过天线顶点，如是，则对方位运动增加前馈，修正跟踪目标角。根据跟踪目标角和当前角差值，由主控制器3计算电机控制量，驱动电机运动，使天线到达目标位置，从而实现天线的自跟踪。在控制周期的空闲时间，无人机定向天线自跟踪系统完成一些实时性要求不高的工作，如发送当前系统状态等信息给无人机地面控制系统等。

Claims (5)

1.一种无人机定向天线自跟踪系统设计方法，其特征在于，在载车上安装GPS接收机来实时获取定向天线的位置和速度，利用无人机地面控制系统接收无人机实时下传的无人机的位置和速度；主控制器利用定向天线和无人机的位置获取定向天线的跟踪目标角，利用定向天线和无人机的速度实现对位置的预测平滑以及实现当无人机飞过定向天线顶点时对方位运动增加前馈；在载车上安装方位角和俯仰角测量仪测量载车的当前方位角和俯仰角，通过角度传感器测量定向天线相对于载车的方位角和俯仰角，从而获得定向天线的当前角；主控制器根据定向天线的跟踪目标角与当前角的差值计算控制量，驱动定向天线到达目标位置，从而实现无人机定向天线的自动跟踪；

其中，主控制器利用定向天线和无人机的位置获取定向天线的跟踪目标角，具体步骤是：

步骤1：对于方位角，设定以正北为零度，顺时针方向为[0,π]，逆时针方向为[0,-π]；对于俯仰角，设定水平面以上为正，水平面以下为负；

步骤2：根据车载GPS接收机获得定向天线的经度和纬度，获取参考椭圆地球模型的子午面曲率半径R_N和横向曲率半径R_E；再利用R_N和R_E，获取无人机相对于定向天线在当地地理导航坐标系上的相对距离(P_N,P_E,P_D)；所述的当地地理导航坐标系是以定向天线当前位置为原点，北向为N轴，东向为E轴，当地垂线向下方向为D轴；

$\left(\begin{array}{c}{P}_N\\ P_E\\ P_D\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}(R_N+h_T)\×({\mathrm{\λ}}_T-{\mathrm{\λ}}_C)\\ (R_E+h_T)\×\cos \left({\mathrm{\λ}}_C\right)\×(L_T-L_C)\\ -(h_T-h_C)\end{array}\right)$

其中，(L_C,λ_C,h_C)为载车的经度、纬度和海拔高度，(L_T,λ_T,h_T)为无人机位置的经度、纬度和海拔高度；P_N和P_D分别为无人机与定向天线在北向和东向的水平距离，P_E为无人机与定向天线的垂直距离；

步骤3：确定目标方位角ψ_T和目标俯仰角θ_T；

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_T\\ {\mathrm{\θ}}_T\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}arctan2(P_E,P_N)\\ arctan(-P_D,sqrt({P_N}^2+{P_E}^2\left)\right)\end{array}\right)$

所述的跟踪目标角包括目标方位角ψ_T和目标俯仰角θ_T。

2.根据权利要求1所述的一种无人机定向天线自跟踪系统设计方法，其特征在于，所述的主控制器利用定向天线和无人机的速度实现对位置的预测平滑，具体步骤是：

步骤21：在控制周期中，首先判断载车位置是否更新，如已更新且有效，则使用更新的载车位置来计算跟踪目标角，如没有更新或者无效，则利用载车的速度乘以控制周期的时间作为位置的增量来预测载车的当前位置；

步骤22：判断无人机的位置是否更新，如已更新且有效，则使用更新的无人机位置来计算跟踪目标角，如没有更新或者无效，则利用无人机的速度乘以控制周期的时间作为位置的增量来预测无人机的当前位置。

3.根据要求1所述的一种无人机定向天线自跟踪系统设计方法，其特征在于，所述的主控制器实现当无人机飞过定向天线顶点时对方位运动增加前馈的具体步骤是：

步骤31：确定无人机与定向天线的水平距离S、水平方向上的相对速度V和到顶时间t；

$\left(\begin{array}{c}S\\ V\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\begin{array}{c}\sqrt{P_N^2+P_E^2}\\ (V_N-v_n)\×cos\left({\mathrm{\ψ}}_T\right)+(V_E-v_e)\×sin\left({\mathrm{\ψ}}_T\right)\end{array}\end{array}\right)$

t＝S/abs(V)

其中：V_N和V_E分别为无人机在北向和东向的水平速度；v_n和v_e分别为定向天线在北向和东向的水平速度；

步骤32：判断是否满足条件：t＜t₀且V＜V₀，若满足，则将定向天线的目标方位角增加180°，实现方位提前运动；若不满足，则不需要提前运动；其中，t₀为定向天线在方位方向上运行90°时的运行时间，V₀为预先设定的速度阈值。

4.根据权利要求3所述的一种无人机定向天线自跟踪系统设计方法，其特征在于，所述的步骤32中，设置V₀为-30m/s。

5.根据权利要求1～4任一所述的无人机定向天线自跟踪系统设计方法，其特征在于，在一个控制周期内，实现无人机定向天线自动跟踪的过程是：

判断是否当前时刻在控制周期中，如是，则判断在该控制周期中，无人机、定向天线的位置是否有更新值，如没有有效更新值，则利用定向天线和无人机的速度实现对位置的预测平滑；再根据定向天线和无人机的位置获取定向天线的跟踪目标角；

读取角度传感器与方位角和俯仰角测量仪的测量值，根据测量值，获得定向天线的当前角，当前角包括当前方位角和当前俯仰角；

然后判断无人机是否要经过定向天线顶点，如是，对方位运动增加前馈，修正跟踪目标角；根据跟踪目标角和当前角的差值，由主控制器计算电机控制量，驱动电机运动，使定向天线到达目标位置，实现天线的自跟踪。