CN106019210A - 一种无人机搜索系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于定位导航技术领域，公开了一种无人机搜索系统，其中，该信标发射装置包括：相互电连接的六片微带天线和信标发射模块；信标发射模块中包括：单刀六掷开关、信标信号源、射频放大器、控制芯片、电源开关、电源以及重力加速度计，其中，单刀六掷开关分别与六片微带天线和电源开关电连接，射频放大器分别与单刀六掷开关和电源开关电连接，信标信号源分别与射频放大器、电源开关以及控制芯片电连接，控制芯片分别与电源开关、电源以及重力加速度计电连接，电源分别与电源开关及重力加速度计电连接。系统简单、精确度高，而无需依赖于GPS等外界条件。

Description

一种无人机搜索系统
技术领域
本发明属于定位导航技术领域，尤其涉及一种信标发射装置、无人机搜索装置以及无人机搜索系统。
背景技术
目前，市面上使用的无人飞行器，如航空模型、玩具模型、用于航空拍摄、勘探和抗震救灾等实现定位导航的方式一般都是建立于人工操控和GPS（Global Positioning System，全球定位系统）导航。其以安装在无人飞行器上面的GPS信号接收模块作为GPS信号接收端，以此通过其接收到的GPS卫星信号来定位飞行器的位置、飞行速度等信息。
要实现无人飞行器安全、准确地定位或导航，必须要保证GPS信号接收模块实时接收到的卫星信号足够良好和准确。但是，在一些如山区、建筑物、公路或其他GPS信号盲区，GPS信号接收模块无法准确地接收到GPS卫星信号。这样，就会造成无人飞行器无法实现正常的定位或导航，甚至会使无人飞行器在飞行过程中飞行状态失控，从高空跌落损坏。
当然，还有其他技术能够实现无人飞行器的导航，如图像辅助定位导航系统，其需要事先在无人机的系统中存储地形资料，通过无人机实时拍摄的三维地形图与存储的地形资料图做相关操作，从而实现无人机的定位。这种方式只适用于无人机在已知的特定区域和位置的定位导航任务。可以看出，一种能够实现精确定位、不需要依赖外界条件就能实现目的的定位系统成为一种需求。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种信标发射装置、无人机搜索装置以及无人机搜索系统，系统简单，有效地解决了现有无人机搜索精度不高的问题。
本发明提供的技术方案如下：
一种信标发射装置，外形为立体状，且该信标发射装置包括：用于微波信号的六片微带天线和一信标发射模块，所述六片微带天线分别与所述信标发射模块电连接，且所述六片微带天线分别安装于所述信标发射装置的各个表面上、大小与所述信标发射装置外形匹配；
所述信标发射模块中包括：用于控制所述六片微带天线工作的单刀六掷开关、用于产生2.6GHz微波信号的信标信号源、用于对所述微波信号进行放大的射频放大器、用于控制所述信标发射模块工作的控制芯片、用于控制所述信标发射模块供电的电源开关、用于为所述信标发射模块供电的电源以及用于感应所述信标发射装置重力加速度的重力加速度计，其中，所述单刀六掷开关分别与所述六片微带天线和电源开关电连接，所述射频放大器分别与所述单刀六掷开关和电源开关电连接，所述信标信号源分别与所述射频放大器、电源开关以及控制芯片电连接，所述控制芯片分别与所述电源开关、电源以及重力加速度计电连接，所述电源分别与所述电源开关及重力加速度计电连接。
进一步优选地，所述微带天线中包括一导体贴片、一介质基板以及一接地板，所述导体贴片和所述接地板分别设置在所述介质基板的两侧；
所述导体贴片和所述接地板之间激励起射频电磁场得到微带信号并辐射出去。
进一步优选地，所述信标信号源中包括相互电连接的参考信号源和频率合成器；
所述单刀六掷开关中包括PIN管和MMIC；
所述重力加速度计为3轴重力加速度计。
本发明还提供了一种无人机搜索装置，包括：用于接收微波信号的接收天线、用于对接收到的微波信号进行放大的低噪声放大器以及用于对放大后的微带信号进行处理的信标接收机，其中，所述低噪声放大器与所述接收天线电连接，所述信标接收机与所述低噪声放大器电连接。
进一步优选地，所述信标接收机中包括：用于对放大后的微带信号进行多级变频的变频模块、用于检测处理后的微带信号幅度的幅值检测模块以及用于锁定信标发射装置方位的信标锁定模块，所述幅值检测模块与所述变频模块电连接，所述信标锁定模块与所述幅值检测模块电连接。
进一步优选地，所述无人机搜索装置中还包括用于指示信标发射装置方位的方位指示器，所述方位指示器与所述信标接收机电连接。
进一步优选地，所述无人机搜索装置中还包括用于与外界通信的无人机通信系统，所述无人机通信系统与所述信标接收机电连接。
本发明还提供了一种无人机搜索系统，包括上述信标发射装置和上述无人机搜索装置。
本发明提供的信标发射装置、无人机搜索装置以及无人机搜索系统，其有益效果在于：
在本发明提供的无人机搜索系统由信标发射装置和无人机搜索装置两部分组成，其中，信标发射装置安装于目标物上，无人机搜索装置设置在无人机中或者手持。这样，只要将安装了信标发射装置的目标物抛射出去，就能通过无人机搜索装置精确地搜索到目标物所在地，系统简单、精确度高，而无需依赖于GPS等外界条件。
另外，在本发明提供的信标发射装置的各个方向上分别设置微带天线，这样，无人机搜索装置能够全方位的对信标发射装置进行搜索，大大提高了系统的搜索精度。最后，在无人机搜索中设有方位指示器和无人机通信系统，这样，可以很直观的看到目标物所处的方位，并将搜索到的目标物的相关数据通过无人机通信系统发送出去。
附图说明
图1为本发明中信标发射装置的硬件框图；
图2为本发明中微带电线结构示意图；
图3为本发明具体实施例中微带天线的参数仿真曲线；
图4为本发明具体实施例中微带天线方向图；
图5为本发明中无人机搜索装置硬件框图；
附图标记：
100-信标发射装置，110-六片微带天线，120-信标发射模块，121-单刀六掷开关，122-信标信号源，123-射频放大器，124-控制芯片，125-电源开关，126-重力加速度计，127-电源，111-导体贴片，112-介质基板，113-接地板，200-无人机搜索装置，210-接收天线，220-低噪声放大器，230-信标接收机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步详细说明。需要说明的是，下面描述的本发明的特定细节仅为说明本发明用，并不构成对本发明的限制。根据所描述的本发明的教导作出的任何修改和变型也在本发明的范围内。
如图1所示为本发明提供的信标发射装置100的硬件框图，其外形为立体状，从图中可以看出，该信标发射装置100包括：用于微波信号的六片微带天线110（如图示中的包括微带天线1、微带天线2、……、微带天线6）和一信标发射模块120，六片微带天线分别与信标发射模块电连接，且六片微带天线分别安装于信标发射装置的各个表面上、大小与信标发射装置外形匹配。
具体来说，在该信标发射模块120中包括：用于控制六片微带天线工作的单刀六掷开关121、用于产生2.6GHz微波信号的信标信号源122、用于对微波信号进行放大的射频放大器123、用于控制信标发射模块工作的控制芯片124、用于控制信标发射模块供电的电源开关125、用于为信标发射模块供电的电源127以及用于感应信标发射装置重力加速度的重力加速度计126，其中，单刀六掷开关分别与六片微带天线和电源开关电连接，射频放大器分别与单刀六掷开关和电源开关电连接，信标信号源分别与射频放大器、电源开关以及控制芯片电连接，控制芯片分别与电源开关、电源以及重力加速度计电连接，电源分别与电源开关及重力加速度计电连接。
要说明的是，这里我们之所以选定2.6GHz（吉兆）的频率为信标发射装置的工作频率，原因在于：根据信标发射装置和无人机搜索装置之间通信距离的限制（若无人机搜索装置设置于无人机中，两者之间的通信距离大于5km（千米）；若无人机搜索装置手持，则两者之间的通信距离大于1km）和信标发射装置/无人机搜索装置的使用特点、以及在实际应用中需要将天线要设置在信标发射装置上，同时该天线要耐冲击震动，还要当信标发射装置任意面着地后都能将微波信号发射出来，故将天线选定为双面敷铜环氧树脂印制电路板的微带天线，该微带天线能够紧密贴合在信标发射装置的外表面、有一定的柔韧性、耐冲击以及不易碎，即使天线阵子在落地时有些破损也不会影像其正常工作。
选定了微带天线之后就不能选择短波/超短波为工作频率，我们知道，频率为300MHZ（兆赫）的四分之一波长为250mm（毫米）。当信标发射装置的尺寸大于60mm，2GHZ的四分之一波长为50mm；当信标发射装置的尺寸小于60mm，只有频率大于2GHZ的频率才能使用。又由于1.7GHZ至2.2GHZ为3G手机的使用频段，2.3GHZ至2.4GHZ为补充频段，2.4GHZ至2.5GHZ位WIFI频段，为了避免手机与WIFI信号的干扰，故选定2.6GHZ为工作频率。该频段的波方向性比短波强，利于搜索，且在信标发射装置的六面都装上天线，在落地时至少有一面是向上，便于无人机从高空搜寻。
在具体实施例中，信标信号源中包括相互电连接的参考信号源和频率合成器，能够产生纯正的2.6GHZ的微波信号，且该信标信号源的技术指标包括：输出功率≥5dBm（分贝毫X），相位噪声为-80dBc/Hz@1KHz、-90dBc/Hz@10KHz、-100dBc/Hz@100KHz，杂散与谐波抑制≤-65dBc。射频放大器采用高效滤波放大模块，技术指标为：增益≥22dB@2.5GHz，P-1dB≥22dBm@2.5GHz。单刀六掷开关采用PIN管和MMIC组合的方式，技术指标为：插损≤-65dB，隔离≥5dBc，P-1dB≥30dBm@2.5GHz，开关响应时间为微秒级。控制芯片的技术指标为：工作电流≥1A，开关时间为微秒级。重力加速度计为3轴重力加速度计，技术指标为：灵敏度为56Count/g、1456Count/g，分辨率为17.8mg。
该信标发射模块在工作过程中：控制芯片始终处于工作状态，重力加速度计在控制芯片的控制下开始工作后判断出该信标发射模块着地，随即发送着地状态信息至控制芯片；之后，控制芯片控制电源开关开启，使电源为信标发射模块中的其他模块供电，是信标发射模块中处于待机状态的模块启动工作。
更进一步来说，在该信标发射模块中，微带天线中包括一导体贴片111、一介质基板112以及一接地板113，导体贴片和接地板分别设置在介质基板的两侧。在导体贴片和接地板之间激励起射频电磁场得到微带信号，并通过导体贴片和接地板间的缝隙向外辐射。如图2所示，导体贴片的尺寸为L*W，介质基板的厚度为h、介电常数为εr。我们知道，在微带天线中，提高介电常数有利于减小天线尺寸，但过高会限制缝隙的辐射场，降低辐射效率，并使带宽变窄；增加介质基板厚度可以提高天线增益，适当提高介电常数和介质基板的厚度可以提高天线的辐射功率，且对输入阻抗基本没有影响。导体贴片也可以看成为宽W，长L的一段微带传输线，且一般来说，，其中，微带天线上的波长，λ为自由空间的波长。经过方针，如图3和图4，将微带天线的增益调节到最佳状态（大于6dBi），宽带在60MHZ左右，水平波瓣宽度70°，垂直波瓣宽度60°，以此完成对微带天线参数的设计。
如图5所示，本发明还提供了一种无人机搜索装置200，包括：用于接收微波信号的接收天线210、用于对接收到的微波信号进行放大的低噪声放大器220以及用于对放大后的微带信号进行处理的信标接收机230，其中，低噪声放大器与接收天线电连接，信标接收机与低噪声放大器电连接。
在具体实施例中，上述接收天线也为微带天线，具体该微带天线的设计可与信标发射装置中相同，指标参数也基本相同，但是该微带天线的增益要大于18dBi，尺寸根据无人机能够携带的尺寸而定。低噪声放大器的技术指标包括：噪声系数≤4dB@2.5GHz，增益≥30dB@2.5GHz，P-1dB≥0dBm@2.5GHz。信标接收机将2.5GHz的信标信号（接收到的微波信号）进行多级变频处理，变为中级信号，然后进行数字信号处理，锁定该信标信号。具体，该信标接收机的技术指标包括：输入频率为2.5GHz左右，输入功率范围为-80dBm~-30dBm，动态范围为50dB，跟踪体制为最大跟踪，L波段本真频率稳定度≤±0.5ppm，L波段本真频率步进1KHz，杂散与镜像抑制≤-60dBc，频率捕获带宽为50KHz，捕获时间≤5ms，AGC电压幅值范围为0~10V可选。另外，要说明的是，该无人机搜索装置中还包括前置滤波器，设于接收天线和低噪声放大器之间。
进一步优选地，信标接收机中包括：用于对放大后的微带信号进行多级变频的变频模块、用于检测处理后的微带信号幅度的幅值检测模块以及用于锁定信标发射装置方位的信标锁定模块，幅值检测模块与变频模块电连接，信标锁定模块与幅值检测模块电连接。
更进一步来说，在该无人机搜索装置中还包括用于指示信标发射装置方位的方位指示器，方位指示器与信标接收机电连接。还包括用于与外界通信的无人机通信系统，无人机通信系统与信标接收机电连接，这样，当信号接收机锁定了信标信号之后将其通过该无人机通信系统及时输出给地面控制人员。
本发明还提供了一种无人机搜索系统，在该无人机搜索系统中包括上述信标发射装置和上述无人机搜索装置。
在工作过程中，将信标发射装置抛射出去之后，当信标发射装置着地开始向各个方向发射微波信号。无人机搜索装置中的接收天线不断地检测信标发射装置发出的微波信号，并分析其强度大小，并比较各个方向的信号强度大小，进而判断信标发射装置的方位。
根据上述信标发射装置和无人机搜索装置的设计，根据仿真计算出面积60*60mm左右的微带定向天线在2.6GHz有大约6~8dB的增益，根据空间损耗计算公式计算出信号损耗值Ls=32.44+20Logd=32.44+20Log2600+20Log5≈115dB（其中，f为频率，单位为MHz；d为传输距离，单位为km）。随后根据场强计算公式计算出接收端信号电平Rr=Po-Co+Ao-Ls+Ar-Cr= Po(20dBm)-Co(0)+Ao(6dBi)-Ls(115dB)+Ar(18dBi)-Cr(0)≈-71dBm（其中，Rr为接收端信号电平，单位为dBm；Po为发射功率，单位为dBm；Co为发射端天线馈线损耗，单位为dB；Ao为天线增益，单位为dBi；Ls为空间传输损耗；Ar为接收天线增益，单位为dBi；Cr为接收端天线馈线损耗，单位为dB），受天气等影响，实际值会小3dB左右，故接收端信号电平为-74dBm左右，且在该过程中，考虑到信标发射装置的尺寸、功耗、持续工作时间，发射功率Po要求大于20dBm；天线增益保守选择6dBi；接收天线增益要求达到18dBi。
接收灵敏度Sin(dBm)=NF(dB)×KTBRF(dBm)×Eb/No(dB)×1/PG(dB)=-124+4+5=-115dBm，其中，NF为接收机噪声系数，这里小于4dB；KTBRF中k为玻尔兹曼常数（1.381*10-23），T0为室温的绝对温度（290K），B为接收机有效噪声带宽，这里为1MHz，故KTBRF=-174+50=-124；Eb/No为输出信噪比，这里为5dB，即当信噪比大于噪声5dB，则可以捕获；PG为处理增益。根据计算结果可以看出，-74dBm的接收端电平完全可以满足接收灵敏度的要求，且设计的信标接收机由50dB的动态范围，完全可以正常工作。
以上通过分别描述每个过程的实施场景案例，详细描述了本发明，本领域的技术人员应能理解。在不脱离本发明实质的范围内，可以作修改和变形，比如部分模块的剥离使用和将系统嵌入于其他应用系统中。

Claims (8)

1.一种无人机搜索系统，其特征在于，所述无人机搜索系统中主要包括被搜索物的信号发射装置，以及无人机搜索装置，其中无人机搜索装置安装于无人机内部。
2.根据权利要求1所述的一种无人机搜索系统，其特征在于：所述信标发射装置的外形为立体状，包括：用于微波信号的六片微带天线和一信标发射模块，所述六片微带天线分别与所述信标发射模块电连接，且所述六片微带天线分别安装于所述信标发射装置的各个表面上、大小与所述信标发射装置外形匹配；所述信标发射模块中包括：用于控制所述六片微带天线工作的单刀六掷开关、用于产生2.6GHz微波信号的信标信号源、用于对所述微波信号进行放大的射频放大器、用于控制所述信标发射模块工作的控制芯片、用于控制所述信标发射模块供电的电源开关、用于为所述信标发射模块供电的电源以及用于感应所述信标发射装置重力加速度的重力加速度计，其中，所述单刀六掷开关分别与所述六片微带天线和电源开关电连接，所述射频放大器分别与所述单刀六掷开关和电源开关电连接，所述信标信号源分别与所述射频放大器、电源开关以及控制芯片电连接，所述控制芯片分别与所述电源开关、电池以及重力加速度计电连接，所述电池分别与所述电源开关及重力加速度计电连接。
3.根据权利要求2所述的一种无人机搜索系统，其特征在于：所述微带天线中包括一导体贴片、一介质基板以及一接地板，所述导体贴片和所述接地板分别设置在所述介质基板的两侧；所述导体贴片和所述接地板之间激励起射频电磁场得到微带信号并辐射出去。
4.根据权利要求2所述的一种无人机搜索系统，其特征在于：所述信标信号源中包括相互电连接的参考信号源和频率合成器；所述单刀六掷开关中包括PIN管和MMIC；所述重力加速度计为3轴重力加速度计。
5.根据权利要求1所述的一种无人机搜索系统，其特征在于：所述无人机搜索装置中包括：用于接收微波信号的接收天线、用于对接收到的微波信号进行放大的低噪声放大器以及用于对放大后的微带信号进行处理的信标接收机，其中，所述低噪声放大器与所述接收天线电连接，所述信标接收机与所述低噪声放大器电连接。
6.根据权利要求5所述的一种无人机搜索系统，其特征在于：所述信标接收机中包括：用于对放大后的微带信号进行多级变频的变频模块、用于检测处理后的微带信号幅度的幅值检测模块以及用于锁定信标发射装置方位的信标锁定模块，所述幅值检测模块与所述变频模块电连接，所述信标锁定模块与所述幅值检测模块电连接。
7.根据权利要求5所述的一种无人机搜索系统，其特征在于：所述无人机搜索装置中还包括用于指示信标发射装置方位的方位指示器，所述方位指示器与所述信标接收机电连接。
8.根据权利要求5所述的一种无人机搜索系统，其特征在于：所述无人机搜索装置中还包括用于与外界通信的无人机通信系统，所述无人机通信系统与所述信标接收机电连接。
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