CN109633524B - 一种基于四天线的无人平台测向方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于四天线的无人平台测向算法，基于通信传输物理波形，利用相互垂直的两组二元天线完成入射信号方向的测量，本方法通过两组二元天线获得信号入射方向并消除了方位的模糊性，通过比较判决以及误差补偿确保了两组天线方位的最优估计。通过结合无人平台惯性导航设备，对平台自身运动带来的入射信号方位估计误差进行补偿。本发明能够为实现平台之间精确相对定位提供测向信息支撑。

Description

一种基于四天线的无人平台测向方法
技术领域
本发明属于平台相对定位技术领域，具体涉及到阵列信号的方位估计方法。
背景技术
在空中编队队形控制中，作为基于卫星定位导航下的一个备份系统以及卫导拒止情况下的主要手段，基于非卫导的精确相对定位能力存在迫切需求。这种能力不能仅依靠平台的自身惯导系统来实现，这是因为在没有卫导校正的情况下，惯导系统会随着时间不断积累位置误差。若采用通信波形测距与仅安装于无人机上简易四元阵列天线测向相结合的方式，依靠通信系统就可以提供在没有卫导参与下的精确相对定位能力。
根据这一思路前人做了很多工作，朱福乐(朱福乐.高精度北斗动态四天线定向技术研究[D]北京理工大学，2016)研究了基于四天线的高精度北斗动态定向技术，通过四天线基线网平差提高定向精度，但还是基于北斗卫星的定向体制；王宏伦(王宏伦.无人机自动空中加油精确对接控制[J]北京航空航天大学学报，2011.37(7))针对无人机自动空中加油对接段的精确控制问题，提出了无人机自动空中加油的控制方案和策略，但主要是设计适用于自动空中加油精确对接控制的受油机参考轨迹发生器和轨迹跟踪控制器。凤建广(凤建广.旋转飞行器的应答机天线分析[J]全国天线年会论文集，2009)提出了四天线分集式工作模式，但设计思想是四副相控阵天线构成天线阵，结构复杂。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于四天线的无人平台测向方法，利用平台之间的通信信号，能够为实现平台之间精确相对定位提供测向信息支撑。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
(1)在机身上安装相互平行的四个天线，两两为一组，同一组两个天线的连线与另一组两个天线的连线相互垂直；其中一组天线的阵列方向与无人平台机身方向一致，另一组天线的阵列方向与第一组天线的阵列方向垂直；每一组天线接收到的两路信号经AD采样，数据进行DDC后成为基带I\Q信号；
(2)分别对同一组两路天线接收的基带I\Q信号X1(N)和X2(N)作相关处理，获取同一组基带信号的相位差
Figure GDA0003386492520000021
其中，X1(N)信号的自相关
Figure GDA0003386492520000022
X2(N)信号的自相关
Figure GDA0003386492520000023
X1(N)信号和X2(N)信号的互相关
Figure GDA0003386492520000024
N是采样点数；
(3)将计算得到的基带信号相位差作平滑处理，获得相位差的最终估值；
(4)将两组天线的相位差
Figure GDA0003386492520000025
和
Figure GDA0003386492520000026
进行比较，选择数值较小的
Figure GDA0003386492520000027
作为最后的估计；
(5)在测向计算公式中补偿俯仰或横滚误差，在测向公式转化后补偿航向角度误差，补偿公式
Figure GDA0003386492520000028
其中，ω是基带角频率，C的光速、d是阵元半波长间距，θ是入射信号与阵列法线的夹角，α为航向角，β为俯仰角，γ为横滚角。
本发明的有益效果是：在利用通信波形实现信息交互的基础上，同时基于四天线设计实现平台间的精确测向。四天线可以接收来自360°全向的通信信号，该天线不仅作为通信天线，还可以通过对通信波形的相关处理能够实现平面的二维测向，并提出一种结合平台姿态信息的实时测向补偿机制，解决由平台机动(如航向、横滚、俯仰等)或姿态变化带来的测向误差问题。
附图说明
图1是四天线结构示意图；
图2是基于四天线的测向方法流程示意图；
图3是仿真信号的波形示意图；
图4是补偿算法的测向性能对比(SNR＝30dB)示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明采用四天线接收确保通信波形截获和平面二维测向；采用两组天线比较判决确保测向精度最优；采用与平台惯导模块的信息协同处理机制，确保平台机动带来的测向误差得到实时补偿。
本发明的四天线设计如图1所示，A1和A2构成第一组天线，B1和B2构成第二组天线，四个天线的材料与设计规格均相同，具体设计尺寸可根据发射与接收频段做适当修改。基于四天线的测向方法处理流程如图2所示(实线框图内是算法实现部分)。具体实现流程如下：
(1.1)首先确定坐标系，使第一组天线的阵列方向与无人平台机身方向一致。而第二组天线与第一组天线垂直。每一组二元天线接收到的两路信号经AD采样，数据在FPGA内做DDC后成为基带I\Q信号。需要说明，数字信号采集到数字下变频这个过程中的信号处理仅为本专利方法提供数据输入，而非本专利主张保护的内容，因此不做详细介绍；
(1.2)通过对两路天线接收的同基带I\Q信号作相关处理，获取该组基带信号的相位差。具体过程是：若两路信号分别为X1(N)和X2(N)，相位差估计为：
Figure GDA0003386492520000031
Figure GDA0003386492520000032
Figure GDA0003386492520000033
Figure GDA0003386492520000034
其中，N是采样点数，Rx是X1(N)信号的自相关，Ry是X2(N)信号的自相关，Rxy是X1(N)信号和X2(N)信号的互相关，
Figure GDA0003386492520000035
是X1(N)和X2(N)两路信号的相位差；
(1.3)可将计算得到的基带信号相位差作平滑处理，获得相位差的最终估值。此处需要说明，数字下变频后若只有一路信号，可不做平滑处理，故该步骤根据情况适当的调整；
(1.4)第二组天线采用与第一组相同的计算方式。结合坐标系，将得到第一组相位差
Figure GDA0003386492520000036
和第二组相位差
Figure GDA0003386492520000037
进行比较，选择数值较小的
Figure GDA0003386492520000038
作为最后的估计；
(1.5)为了保证测角精度，本文提出了一种基于平台自身姿态参数的测向补偿算法。具体过程是：俯仰或横滚误差在测向计算公式中进行补偿，航向角度误差在测向公式转化后进行补偿，其补偿公式为：
Figure GDA0003386492520000041
其中，ω是基带角频率，C的光速、d是阵元半波长间距，θ是入射信号与阵列法线的夹角，α为航向角、β为俯仰角和γ为横滚角，单位是弧度。
本发明的实施例通过MATLAB仿真进行说明：
1.信号为单频正弦波信号，频率f0＝160MHz，采样频率为fs＝4*f0，信号持续时间10us，信号入射角度30°，天线间距为半波长为0.9375m，SNR＝30dB，蒙特卡洛次数为100。仿真信号的波形如图3所示。
2.对第一组天线A1和A2的相位差进行估计。按照公式(1)～(3)，计算第一组天线接收信号的自相关函数与互相关函数，Rx1＝501.45、Ry1＝500.99和Rxy1＝12.132，按照公式(4)求解第一组两路天线数据的相位差估计
Figure GDA0003386492520000042
3.对第二组天线B1和B2的相位差进行估计。按照公式(1)～(3)，计算第二组天线接收信号的自相关函数与互相关函数，Rx2＝500.55、Ry2＝500.55和Rxy2＝-447.19，按照公式(4)求解第二组两路天线数据的相位差估计
Figure GDA0003386492520000043
4.结合坐标系比较
Figure GDA0003386492520000044
和
Figure GDA0003386492520000045
选择数值较小的作为最后的估计，给出
Figure GDA0003386492520000046
5.实时读取平台陀螺仪的姿态数据，按照公式(5)计算即可得到补偿后的估计值。仿真中具体参数如下：航向a＝0、俯仰β＝0°、横滚γ＝10°，基带角频率ω＝1.0053×109、光速C＝3.0×108、阵元半波长间距d＝0.9375，惯导误差分别设为0.05弧度和0.01弧度。经过计算，未经补偿计算得到的θ＝29.491°，惯导误差为0.05弧度时进行补偿计算得到的θ＝30.329°，惯导误差为0.01弧度时进行补偿计算得到的θ＝30.052°。图4给出相关补偿算法在不同惯导误差下测量精度与横滚的关系。
本发明提出了一种四天线的无人平台测向技术，该技术适用于对无人平台通信传输系统进行改进设计，实现平台间的相互测向，为后期无人平台间的相对定位和相对导航提供技术支撑。本发明在二元阵列测向的基础上，通过增添垂直的二元阵列天线，既保证了通信的可靠传输，又增加了无人平台的精确测向功能，提出的测向补偿算法具有良好的工程应用价值；采用基于通信波形的实时测距技术，通过测角与测距相结合，可为无人平台的实时相位导航提供技术手段支撑。
最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims (1)

1.一种基于四天线的无人平台测向方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)在机身上安装相互平行的四个天线，两两为一组，同一组两个天线的连线与另一组两个天线的连线相互垂直；其中一组天线的阵列方向与无人平台机身方向一致，另一组天线的阵列方向与第一组天线的阵列方向垂直；每一组天线接收到的两路信号经AD采样，数据进行DDC后成为基带I\Q信号；
(2)分别对同一组两路天线接收的基带I\Q信号X1(N)和X2(N)作相关处理，获取同一组基带信号的相位差
Figure FDA0003386492510000011
其中，X1(N)信号的自相关
Figure FDA0003386492510000012
X2(N)信号的自相关
Figure FDA0003386492510000013
X1(N)信号和X2(N)信号的互相关
Figure FDA0003386492510000014
N是采样点数；
(3)将计算得到的基带信号相位差作平滑处理，获得相位差的最终估值；
(4)将两组天线的相位差
Figure FDA0003386492510000015
和
Figure FDA0003386492510000016
进行比较，选择数值较小的
Figure FDA0003386492510000017
作为最后的估计；
(5)在测向计算公式中补偿俯仰或横滚误差，在测向公式转化后补偿航向角度误差，补偿公式
Figure FDA0003386492510000018
其中，ω是基带角频率，C的光速、d是阵元半波长间距，θ是入射信号与阵列法线的夹角，α为航向角，β为俯仰角，γ为横滚角。
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