CN110989677A - 一种基于无人机的遥测抛物面天线电轴动态标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于无人机的遥测抛物面天线电轴动态标定方法，RTK基准端的基准天线和测向天线，放置在与遥测天线站址中心同一水平面内，测定三角形的三边长度，并计算得到夹角∠OB₁B₂；调整天线馈源安装位置，转动天线稳定自跟踪无人机，在标校电视中读取无人机的水平方向实际脱靶量和垂直方向实际脱靶量；计算得到无人机的水平方向理论脱靶量与垂直方向理论脱靶量；计算水平方向的理论脱靶量与实际脱靶量的差值，垂直方向的理论脱靶量与实际脱靶量的差值；直到垂直方向的理论脱靶量与实际脱靶量的差值达到设定的阈值，即完成电轴动态标定。本发明可以实现遥测抛物面天线电轴动态标定，且不需要假设标校板，操作简单，方便实用。

Description

一种基于无人机的遥测抛物面天线电轴动态标定方法

技术领域

本发明属于遥测设备天线电轴动态标定领域，特别涉及一种基于无人机的遥测抛物面天线电轴动态标定方法。

背景技术

车载遥测设备因任务需要经常转场，设备需要在转场前拆下天线馈源与支撑杆，到达新点位后重新安装，进而再将全系统展开、天线座调平、抛物面天线电轴标定，再进行其他技术状态准备。

由于馈源与支撑杆的拆装为手工操作，难以保证安装位置精度，每次拆装都会使馈源偏离原位置，如果不采取措施，电轴将会偏离机械轴，导致天线增益损失，信号接收效果下降。因此每次设备转场后都会对馈源进行调整，即进行电轴标定。在保证精度条件下简化遥测天线的电轴标定工作，对于车载遥测设备外场参试来说意义重大，迫在眉睫。

目前多采用标校板方法，该方法要求操作人员爬到天线上，反复以正镜、倒镜方式通过观测方位标的方式获取方位角真值。需要选择标校板位置、挂标校板、信标机加电，工作繁杂，费工费时，造成大量人力资源投入。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于小型无人机的遥测抛物面天线电轴动态标定方法，通过无人机挂载信标机以及RTK差分定位系统，计算无人机水平与垂直方向上的理论脱靶量，与在标校电视上读取的实际脱靶量比较差值，用以调整馈源安装位置，直到理论脱靶量与实际脱靶量的差值小于设定的阈值。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于无人机的遥测抛物面天线电轴动态标定方法，包括以下步骤：

S1、将RTK基准端的基准天线B₁和测向天线B₂放置在与遥测天线站址中心O同一水平面内，测定三角形OB₁B₂的三边OB₁、OB₂、B₁B₂的长度，并计算得到夹角∠OB₁B₂；

S2、调整天线馈源安装位置，转动天线稳定自跟踪无人机，在标校电视中读取无人机的水平方向实际脱靶量A′和垂直方向实际脱靶量E′；

S3、通过定向系统得到RTK移动端M’到投影点M距离、M到基准天线B₁的距离和M到测向天线B₂的距离，计算得到夹角∠B₂B₁M；

S4、将夹角∠OB₁B₂与夹角∠B₂B₁M相加得到夹角∠OB₁M，计算得到边OM长度；

S5、在直角三角形OO’M中，计算得到O’M长度和夹角∠O’MO；

S6、计算得到夹角∠O’MM’，在三角形O`MM`中，计算得到O’M’长度；

S7、计算得到无人机的水平方向理论脱靶量A与垂直方向理论脱靶量E；

S8、计算水平方向的理论脱靶量与实际脱靶量的差值

垂直方向的理论脱靶量与实际脱靶量的差值

S9、重复步骤S2～S8，直到水平方向的理论脱靶量与实际脱靶量的差值

与垂直方向的理论脱靶量与实际脱靶量的差值

达到设定的阈值，完成电轴动态标定。

具体的，步骤S1中，通过余弦定理计算夹角∠OB₁B₂，计算公式为：

其中，三角形OB₁B₂中，通过大地测量得到三边OB₁、OB₂、B₁B₂的长度，分别记为R₃、R₄、R₀。

具体的，步骤S2具体为：

将天线馈源调整安装在遥测抛物面天线支撑杆上，并进行固定；将RTK移动端、数传电台和信标机安装固定在无人机上，人为控制无人机起飞，达到一定高度并且与遥测设备天线有一定距离的位置悬停，假设悬停点为M’，悬停点在OB₁B₂水平面的投影点为M；遥测设备伺服操作人员控制转动天线，指向无人机悬停位置M’，使遥测抛物面天线稳定自跟踪无人机；通过标校电视，读取无人机的水平方向实际脱靶量A′和垂直方向实际脱靶量E′。

具体的，步骤S3中，通过余弦定理得到三角形B₁B₂M的夹角∠B₂B₁M，公式如下：

其中，R₁为到RTK移动端M到基准天线B₁的距离，R₂为RTK移动端M到基准天线B₂的距离。

进一步的，基准端的基准天线B₁与移动端天线M’构成一套RTK定向系统，根据此定向系统直接得到RTK移动端M’到投影点M距离H；假设通过数传电台下传的边B₁M’的径向距离为H₁，横向距离为L₁，计算得到RTK移动端M到基准天线B₁的距离R₁下：

假设通过数传电台下传的边B₂M’径向距离为H₂，横向距离为L₂，计算得到RTK移动端M到基准天线B₂的距离R₂如下：

具体的，步骤S4中，将夹角∠OB₁B₂与夹角∠B₂B₁M相加得到夹角∠OB₁M如下：

∠OB₁M＝∠OB₁B₂+∠B₂B₁M

在三角形OB₁M中，通过余弦定理得到边OM的长度R₅如下：

具体的，步骤S5中，假设遥测抛物面天线中心点为O’，根据设备出所资料查询得到遥测抛物面天线中心点O’到天线站址中心点O的距离h；在直角三角形OO’M中，根据下式计算得到O’M长度R₆如下：

R₆＝(R₅)²+h²

在直角三角形OO’M中，夹角∠O’MO如下：

具体的，步骤S6中，夹角∠O’MM’如下：

∠O’MM’＝∠OMM’-∠O’MO

在三角形O`MM`中，通过余弦定理得到边O’M’的长度R如下：

具体的，步骤S7中，无人机的水平方向理论脱靶量A与垂直方向理论脱靶量E如下：

其中，a为根据遥测设备出所资料查询得到遥测天线电轴到标校电视光轴的水平距离，e为根据遥测设备出所资料查询得到遥测天线电轴到标校电视光轴的垂直距离，R为三角形O`MM`中边O’M’的长度。

具体的，步骤S8中，水平方向的理论脱靶量与实际脱靶量的差值

如下：

垂直方向的理论脱靶量与实际脱靶量的差值

如下：

其中，A′为无人机的水平方向实际脱靶量，E′为垂直方向实际脱靶量。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明一种基于小型无人机的遥测抛物面天线电轴动态标定方法，将RTK基准端的基准天线B₁和测向天线B₂放置在与遥测天线站址中心O同一水平面内，测定三角形OB₁B₂的三边OB₁、OB₂、B₁B₂的长度，不需要假设标校板，操作简单，方便、实用、经济、高效。

进一步的，步骤S2中无人机操作简单，飞行稳定，可以实现遥测天线稳定跟踪无人机，在标校电视可以直接读取实际脱靶量，简单方便。

进一步的，步骤S3中得到M’到投影点M距离，计算M到基准天线B1的距离和M到测向天线B2的距离，计算得到夹角∠B2B1M，继而可以得到夹角∠OB1M,也就得到了三角形OB1M的两边夹一角。

进一步的，步骤S5中计算得到夹角∠O’MM’，在三角形O`MM`中，计算得到O’M’长度，也就得到了遥测天线到无人机的距离，可以用于下一步计算理论脱靶量。

进一步的，步骤S6中计算理论脱靶量，可以用于与实际脱靶量比较，以调整馈源安装。

附图说明

图1为计算无人机至遥测抛物面天线中心点距离的示意图；

图2为无人机差分定位系统设备组成示意图；

图3为RTK基准端组成示意图；

图4为无人机及RTK移动端组成示意图；

图5为遥测抛物面天线机械轴、光轴、电轴示意图；

图6为标校摄像机、天线中心的平面位置关系示意图；

图7为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

本发明为一种基于无人机的遥测抛物面天线电轴动态标定方法，通过无人机挂载信标机以及RTK差分定位系统，计算无人机水平与垂直方向上的理论脱靶量，与在标校电视上读取的实际脱靶量比较差值，用以调整馈源安装位置，直到理论脱靶量与实际脱靶量的差值小于设定的阈值。

请参阅图7，本发明为一种基于无人机的遥测抛物面天线电轴动态标定方法，包括以下步骤：

S1、放置RTK基准端的基准天线B₁和测向天线B₂，测定三角形OB₁B₂的三边OB₁、OB₂、B₁B₂的长度和夹角∠OB₁B₂；

如图1所示，为计算无人机至遥测抛物面天线中心点距离的示意图。点O为遥测天线站址中心，点O’为遥测抛物面天线的中心点，点B1、B2分别为RTK基准端的基准天线和测向天线位置，点M’为无人机悬停位置，点M为无人机在地面的投影。

在三角形OB₁B₂中，通过大地测量得到三边OB₁、OB₂、B₁B₂的长度(分别记为R₃、R₄、R₀)。通过余弦定理计算夹角∠OB₁B₂，计算公式为：

请参阅图2，为无人机差分定位系统设备组成示意图。无人机差分定位系统由RTK基准端、旋翼无人机及其载荷RTK移动端、数据处理终端组成。旋翼无人机搭载RTK移动端、数传电台，无人机动力及所搭载设备供电统一由无人机电源模块提供。RTK基准端同时接基准天线和测向天线，通过无线电台把基准端的载波相位观测数据连续不断的传给悬停无人机上的RTK移动端，RTK移动端解算基线长度、方位信息并向地面数据处理终端发送，同时数据处理终端通过电台发送无人机控制信息和信标设置命令。

请参阅图3，为RTK基准端组成示意图。RTK基准端由主机、电源模块和电台组成，主机由RTK板卡、微处理器及天线等组成。RTK板卡接收卫星信号，并接收所有卫星的RTK改正数据，然后按照RTCM的标准格式通过串口发送给数传电台，数传电台将RTK改正数据发送给无人机搭载的RTK移动端，供其进行实时载波相位差分定位。RTK板卡采用采用ZED-F9P芯片，微处理器完成相关运算和通信参数设置。

请参阅图4，为无人机及RTK移动端组成示意图。无人机及RTK移动端由旋翼无人机、信标机、数传电台和RTK移动端组成。RTK移动端由RTK板卡、微处理器和天线等组成。RTL移动端接收卫星信号，并接收基准站发送的改正数据，进行实时载波相位差分定位，从而获得高精度基线测向。微处理器完成相关运算和通信参数设置。。

S2、调整天线馈源安装位置，天线稳定自跟踪无人机悬停点，读取并记录无人机的水平方向与垂直方向的实际脱靶量；

具体如下：

将天线馈源调整安装在遥测抛物面天线支撑杆上，并进行固定。

无人机悬停位置M’，遥测抛物面天线稳定自跟踪无人机，读取记录无人机的水平方向实际脱靶量A′和垂直方向实际脱靶量E′。

请参阅图5，为遥测抛物面天线机械轴、光轴、电轴示意图。机械轴指的是经过天线运转中心与抛物面焦点、指向天线口面前方的直线，该轴是天线抛物面的中心轴。光轴是与光学标校摄像机镜筒中心轴重合、指向镜头前方的直线。标校摄像机也叫做标校电视。电轴指的是天线自跟踪稳定后经过天线运转中心与飞行目标、指向飞行目标的直线。图1中，上方经过标校摄像机镜筒的水平虚线为光轴，下方经过天线运转中心的水平实线为机械轴，经过天线运转中心且指向飞行目标的水平虚线为电轴。

请参阅图6，为标校摄像机、天线中心的平面位置关系示意图。从图中2可以看到，标校摄像机距离遥测抛物面天线中心为偏右侧a米及偏上侧e米，是固定不变的。因此，通过比较无人机水平以及垂直方向上的理论脱靶量与实际脱靶量的差值，进而调节天线的馈源安装，可以实现遥测抛物面电轴动态标定。

S3、得到无人机悬停点到投影点的距离H，计算三角形B₁B₂M中MB₁、MB₂的长度和夹角∠B₂B₁M；

基准端的基准天线B₁与移动端天线M’构成一套RTK定向系统，直接得到RTK移动端M’到M距离，记为H。根据基准端的基准天线B₁与移动端天线M’构成的定向系统，得到边B₁M’的径向距离H₁和横向距离L₁。通过下式可得到RTK移动端M到基准天线B₁的距离R₁：

同理，根据基准端的定向天线B₂与移动端天线M’构成的定向系统，得到边B₂M’径向距离为H₂，横向距离为L₂，则通过下式可得到RTK移动端M到基准天线B₂的距离R₂：

通过余弦定理得到三角形B₁B₂M的夹角∠B₂B₁M，公式如下：

S4、根据余弦定理计算边OM的长度；

将夹角∠OB₁B₂与夹角∠B₂B₁M相加得到夹角∠OB₁M，公式如下：

∠OB₁M＝∠OB₁B₂+∠B₂B₁M；

在三角形OB₁M中，通过余弦定理得到边OM的长度(记为R₅)，公式如下：

S5、计算三角形OO’M中边O’M长度和夹角∠O’MO；

查询得到遥测抛物面天线中心点O’到天线站址中心点O的距离(记为h)。

在直角三角形OO’M中，根据下式计算得到O’M长度(记为R₆)：

R₆＝(R₅)²+h².

在直角三角形OO’M中，根据下式计算得到夹角∠O’MO：

S6、计算三角形O`MM`中O’M’长度；

根据下式计算得到夹角∠O’MM’：

∠O’MM’＝∠OMM’-∠O’MO.

在三角形O`MM`中，通过余弦定理得到边O’M’的长度(记为R)，公式如下：

S7、计算无人机的水平方向与垂直方向的理论脱靶量；

根据遥测设备出所资料查询得到遥测天线电轴到标校电视光轴的水平距离a和垂直距离e，计算无人机的水平方向理论脱靶量A与垂直方向理论脱靶量E，公式如下：

S8、计算水平方向以及垂直方向的理论脱靶量与实际脱靶量的差值；

计算水平方向的理论脱靶量与实际脱靶量的差值

公式如下：

计算垂直方向的理论脱靶量与实际脱靶量的差值

公式如下：

S9、重复步骤S2～S8，直到差值

与差值

达到设定的阈值，即完成电轴动态标定。

如果理论脱靶量与实际脱靶量相差较大，即差值大于设定的阈值时，说明馈源安装较差，导致电轴与光轴平行性不足，因此重复步骤S2～S8，直到差值

与差值

达到设定的阈值，即完成电轴动态标定。本发明设定的水平与垂直方向阈值均为5％。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以实际算例说明本专利方法的有效性。在某遥测设备转场至某遥测场坪后，使用本发明方法对抛物面天线电轴进行标定。在标定过程中，对馈源安装进行了三次调整后，水平方向的理论脱靶量与实际脱靶量差值为2.3％，垂直方向的理论脱靶量与实际脱靶量差值为1.8％，均小于阈值5％，即认为使用本专利方法完成了电轴的动态标定。接下来使用架设的标校板来验证电轴标定的正确性。遥测抛物面天线稳定自跟踪标校板，此时抛物面天线电轴指向标校板信标十字，在标校电视上看到标校电视十字与标校板上标校摄像机十字重合，说明电轴标定正确，即验证了本专利标定方法的正确性。

本发明具有如下有益效果：

1)无人机搭载信标机飞行高度高，飞行距离远，比标校塔与标校杆更容易兼顾距离与仰角要求，能够提高电轴标定精度。

2)无人机搭载信标机功能比标校塔与标校杆安装信标机功能更强大。

3)无人机飞行高度越高，地面通视范围越大，达到一定的高度时，可满足地面通视范围内多台遥测设备同时标校使用。

4)与修建标校塔、架设标校杆相比，无人机搭载信标机成本低，展开、撤收方便，操作简单，而且无人机系统占地空间小，方便运输。

最后需要说明的是，以上算例对本发明的目的，技术方案以及有益效果提供了进一步的验证，这仅属于本发明的具体实施算例，并不用于限定本发明的保护范围，在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，改进或等同替换等，均应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于无人机的遥测抛物面天线电轴动态标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将RTK基准端的基准天线B₁和测向天线B₂放置在与遥测天线站址中心O同一水平面内，测定三角形OB₁B₂的三边OB₁、OB₂、B₁B₂的长度，并计算得到夹角∠OB₁B₂；

S2、调整天线馈源安装位置，转动天线稳定自跟踪无人机，在标校电视中读取无人机的水平方向实际脱靶量A′和垂直方向实际脱靶量E′；

S3、通过定向系统得到RTK移动端M’到投影点M距离、M到基准天线B₁的距离和M到测向天线B₂的距离，计算得到夹角∠B₂B₁M；

S4、将夹角∠OB₁B₂与夹角∠B₂B₁M相加得到夹角∠OB₁M，计算得到边OM长度；

S5、在直角三角形OO’M中，计算得到O’M长度和夹角∠O’MO；

S6、计算得到夹角∠O’MM’，在三角形O`MM`中，计算得到O’M’长度；

S7、计算得到无人机的水平方向理论脱靶量A与垂直方向理论脱靶量E；

S8、计算水平方向的理论脱靶量与实际脱靶量的差值

垂直方向的理论脱靶量与实际脱靶量的差值

S9、重复步骤S2～S8，直到水平方向的理论脱靶量与实际脱靶量的差值

与垂直方向的理论脱靶量与实际脱靶量的差值E达到设定的阈值，完成电轴动态标定。

2.根据权利要求1所述的基于无人机的遥测抛物面天线电轴动态标定方法，其特征在于，步骤S1中，通过余弦定理计算夹角∠OB₁B₂，计算公式为：

其中，三角形OB₁B₂中，通过大地测量得到三边OB₁、OB₂、B₁B₂的长度，分别记为R₃、R₄、R₀。

3.根据权利要求1所述的基于无人机的遥测抛物面天线电轴动态标定方法，其特征在于，步骤S2具体为：

将天线馈源调整安装在遥测抛物面天线支撑杆上，并进行固定；将RTK移动端、数传电台和信标机安装固定在无人机上，人为控制无人机起飞，达到一定高度并且与遥测设备天线有一定距离的位置悬停，假设悬停点为M’，悬停点在OB₁B₂水平面的投影点为M；遥测设备伺服操作人员控制转动天线，指向无人机悬停位置M’，使遥测抛物面天线稳定自跟踪无人机；通过标校电视，读取无人机的水平方向实际脱靶量A′和垂直方向实际脱靶量E′。

4.根据权利要求1所述的基于无人机的遥测抛物面天线电轴动态标定方法，其特征在于，步骤S3中，通过余弦定理得到三角形B₁B₂M的夹角∠B₂B₁M，公式如下：

其中，R₁为到RTK移动端M到基准天线B₁的距离，R₂为RTK移动端M到基准天线B₂的距离。

5.根据权利要求4所述的基于无人机的遥测抛物面天线电轴动态标定方法，其特征在于，基准端的基准天线B₁与移动端天线M’构成一套RTK定向系统，根据此定向系统直接得到RTK移动端M’到投影点M距离H；假设通过数传电台下传的边B₁M’的径向距离为H₁，横向距离为L₁，计算得到RTK移动端M到基准天线B₁的距离R₁下：

假设通过数传电台下传的边B₂M’径向距离为H₂，横向距离为L₂，计算得到RTK移动端M到基准天线B₂的距离R₂如下：

6.根据权利要求1所述的基于无人机的遥测抛物面天线电轴动态标定方法，其特征在于，步骤S4中，将夹角∠OB₁B₂与夹角∠B₂B₁M相加得到夹角∠OB₁M如下：

∠OB₁M＝∠OB₁B₂+∠B₂B₁M

在三角形OB₁M中，通过余弦定理得到边OM的长度R₅如下：

7.根据权利要求1所述的基于无人机的遥测抛物面天线电轴动态标定方法，其特征在于，步骤S5中，假设遥测抛物面天线中心点为O’，根据设备出所资料查询得到遥测抛物面天线中心点O’到天线站址中心点O的距离h；在直角三角形OO’M中，根据下式计算得到O’M长度R₆如下：

R₆＝(R₅)²+h²

在直角三角形OO’M中，夹角∠O’MO如下：

8.根据权利要求1所述的基于无人机的遥测抛物面天线电轴动态标定方法，其特征在于，步骤S6中，夹角∠O’MM’如下：

∠O’MM’＝∠OMM’-∠O’MO

在三角形O`MM`中，通过余弦定理得到边O’M’的长度R如下：

9.根据权利要求1所述的基于无人机的遥测抛物面天线电轴动态标定方法，其特征在于，步骤S7中，无人机的水平方向理论脱靶量A与垂直方向理论脱靶量E如下：

其中，a为根据遥测设备出所资料查询得到遥测天线电轴到标校电视光轴的水平距离，e为根据遥测设备出所资料查询得到遥测天线电轴到标校电视光轴的垂直距离，R为三角形O`MM`中边O’M’的长度。

10.根据权利要求1所述的基于无人机的遥测抛物面天线电轴动态标定方法，其特征在于，步骤S8中，水平方向的理论脱靶量与实际脱靶量的差值

如下：

垂直方向的理论脱靶量与实际脱靶量的差值

如下：

其中，A′为无人机的水平方向实际脱靶量，E′为垂直方向实际脱靶量。

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