CN113031660A

CN113031660A - 一种飞行器定向天线跟踪定位装置

Info

Publication number: CN113031660A
Application number: CN202110360852.1A
Authority: CN
Inventors: 张艳岗; 董震; 孔融智; 裴健; 郝贤; 董懿; 白羽; 贾坤樵; 郭旭旭; 薛文阳
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2021-04-02
Filing date: 2021-04-02
Publication date: 2021-06-25
Anticipated expiration: 2041-04-02
Also published as: CN113031660B

Abstract

本申请涉及飞行器控制跟踪技术领域，具体而言，涉及一种飞行器定向天线跟踪定位装置。飞行器定向天线跟踪定位装置接收飞行器时刻飞行位置高度数据；根据飞行器位置速度数据，与跟踪系统初始位置参数由系统内设函数运算，根据位置预估系统进行处理；根据位置预估系统增益系数、运行模式，解算得到定向天线运动参数，地面自跟踪终端将预测模型飞行器的运动，以使天线尽可能指向其实际位置，而非最后数据接收位置；地面接收部分以本地GPS为参考时，允许地面端对飞行器动态跟踪；保持定向天线的指向，提高信号强度，提升飞行器控制可靠性。

Description

一种飞行器定向天线跟踪定位装置

技术领域

本申请涉及飞行器控制跟踪技术领域，具体而言，涉及一种飞行器定向天线跟踪定位装置。

背景技术

无人驾驶飞行器简称“飞行器”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作的不载人飞机。目前，常通过对飞行器增强遥控信号来获得清晰的视频流输出，现有的增强遥控信号的方式有加大发射功率、平板天线手动对准飞行器等方式；但对于加大发射功率的方式，在法律规范下发射功率不能无限制增加，对于平板天线手动对准飞行器方式，由飞行器超视距飞行的需要，手动对准的方式效率更低，准确率不高，无法保证安全性。

发明内容

本发明针对平板天线手动对准飞行器方式中存在的效率低、准确率不高和安全性差的问题，提供一种飞行器定向天线跟踪定位装置。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种飞行器定向天线跟踪定位装置，包括地面自跟踪终端，地面自跟踪终端包括平板天线全向跟踪模块和视频流显示终端；平板天线全向跟踪模块获取飞行数据流保持全角度、高度跟踪指向，所述视频流显示终端用于地面自跟踪终端对飞行器摄像机视频流输出，对画面进行存储录制；

平板天线全向跟踪模块包括基座，基座内安装有跟踪云台主控板、旋转驱动器，旋转驱动器上连接有位于其上方的水平的平台驱动齿轮，平台驱动齿轮和平台从动齿轮啮合，平台从动齿轮上方连接有水平的旋转平台，旋转平台上安装有俯仰驱动器，俯仰驱动器连接有俯仰驱动齿轮，俯仰驱动齿轮在竖直方向上旋转，俯仰驱动齿轮和俯仰从动齿轮啮合，俯仰从动齿轮上连接有天线支架，天线支架上固定有平板天线，跟踪云台主控板和旋转驱动器、俯仰驱动器连接，旋转平台上还安装有电子罗盘传感器，电子罗盘传感器和跟踪云台主控板连接，旋转电位器安装在俯仰从动齿轮上，旋转电位器和跟踪云台主控板连接；

平板天线全向跟踪模块中全角度、高度跟踪指向方法包括以下步骤：飞行器起飞前与地面自跟踪终端处于同一位置，通过飞行数据下行链路获取飞行器GPS绝对坐标位置为初始位置；飞行器起飞后，获取飞行器GPS绝对坐标系中实时位置特征点对应的位置坐标为实时参考位置，位置计算函数以初始位置和实时参考位置为已知量，相对角度移动为自变量，计算水平和垂直角度作为位置预估系统基础输入参数值；根据飞行器位置速度数据与飞行器实时参考位置由位置预估系统内预设函数运算，根据位置预估系统进行处理，地面自跟踪终端将预测飞行器的运动，以使天线尽可能指向其实际位置，而非最后数据接收位置，基于基础输入参数值补偿数据传输时间所产生的飞行器实际位置数据偏差；根据位置预估系统增益系数、运行模式，解算得到定向天线水平和垂直角度作为最终运动参数；跟踪云台主控板将计算出的水平角度传输给旋转驱动器，将计算出的垂直角度传输给俯仰驱动器，旋转驱动器驱动旋转平台进行360度全向旋转，保持飞行器全角度跟踪指向；电子罗盘传感器随旋转平台转动,保持平板天线跟踪角度,确定旋转平台旋转到位；俯仰驱动器驱动平板天线俯仰，保持平板天线跟踪角度，保持飞行器高度跟踪，旋转电位器跟随俯仰从动齿轮旋转，旋转电位器电压的变化反应相应的旋转角度，确定俯仰从动齿轮旋转到位。平板天线全角度、高度跟踪飞行器，飞行器摄像机视频流通过平板天线进入视频流显示终端显示存储。

上述的一种飞行器定向天线跟踪定位装置，所述位置预估系统模式1为：地面自跟踪终端每次接收到新的实时位置特征点，均执行预估计算，地面自跟踪终端收到飞行器上一时刻实时参考位置A，使用此时实时参考位置U中的坐标来估计飞行器在两个实时位置之间采取的速度和航向，并应用增益因子（可由用户配置）得到预估距离的值，即飞行器可能会移动到的估计位置E，估计位置E也即水平和垂直角度。

上述的一种飞行器定向天线跟踪定位装置，所述位置预估系统模式2为；当地面自跟踪终端接收到新的实时位置特征点，不会立即进行估算，而是定期进行估算，时间计数器（时钟）达到设定值（用户可配置设定值），使用已接收的最后参考位置的坐标以规则的间隔执行估算。具体过程为：接收到三个时刻的参考位置Pi-1，Pi和Pi + 1，位置E1，E2，E3，E4和E5是根据位置Pi-1和Pi的数据估算的位置。跟踪器在位置和位置之间进行的移动将变得平滑。

上述的一种飞行器定向天线跟踪定位装置，所述系统位置预估系统模式3为模式1和2的混合，既在接收到新的位置数据时进行位置预估，又在计时器到达估计频率时进行位置估计。

上述的一种飞行器定向天线跟踪定位装置，地面自跟踪终端还包括人机交互显示模块，所述人机交互显示模块用于地面自跟踪终端运行模式设置、飞行器状态检测。

上述的一种飞行器定向天线跟踪定位装置，平板天线全向跟踪模块获取飞行数据流有两种方式，一种方式通过飞行器遥控设备获取，飞行器遥控设备再通过蓝牙传给平板天线全向跟踪模块，另一种方式通过跟踪定位装置内独立的数传模块自行获取飞行数据。

上述的一种飞行器定向天线跟踪定位装置，该装置包括显示屏、按键和指示灯，跟踪云台主控板执行信号处理运算，当装置运行时，所述显示屏通过总线和跟踪云台主控板通讯。

上述的一种飞行器定向天线跟踪定位装置，跟踪云台主控板还连接有GPS模块，飞行器起飞前与地面自跟踪终端处于同一位置，若以地面自跟踪终端本地GPS绝对坐标位置为初始位置时，时刻更新本地GPS绝对坐标位置，允许地面自跟踪终端以运动状态进行飞行器跟踪；保持定向天线的指向性，提高信号强度，提升飞行器控制可靠性。

上述的一种飞行器定向天线跟踪定位装置，俯仰旋转角度基于PID算法反馈响应驱动信号旋转角度值。

本发明提供的飞行器定向天线跟踪定位装置，飞行器飞行数据流通过图传系统下行链路，由地面端接受并进行处理，得到飞行器时刻飞行位置高度参数；根据飞行器位置速度数据，与跟踪定位装置初始位置进行对比运算，根据位置预估系统进行处理；根据位置预估系统增益系数，运行模式，解算得到定向天线运动参数，跟踪定位装置将预测模型飞行器的运动，以使天线尽可能指向其实际位置，而不是最后收到的位置。本发明提供的飞行器定向天线跟踪定位装置能够保持定向天线时刻跟踪飞行器位置保持信号强度，提高飞行器运行安全。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本申请实施例所提供的一种定向天线指向跟踪方法的流程图；

图2示出了本申请实施例所提供的定向天线指向跟踪方法中，获取运动角度具体方法的流程图；

图3示出了本申请实施例所提供的定向天线指向跟踪方法中，预估模式工作模型图；

图4示出了平板天线全向跟踪模块的结构示意图。

图中：1-基座，2-旋转驱动器，3-平台驱动齿轮，4-平台从动齿轮，5-旋转平台，6-俯仰驱动齿轮，7-俯仰从动齿轮，8-天线支架。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以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申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。目前，通过加大发射功率和普通的跟踪设备无法满足控制的精准性，效率低，基于此，本申请提供的一种定向天线指向跟踪方法及装置，实时获取飞行器的位置信息，提高对飞行器进行定位的效率。

为便于对本实施例进行理解，首先对本申请实施例所公开的一种定向天线跟踪方法进行详细介绍，

S101：通过飞行器下行链路飞行数据，确定飞行器空间实时位置特征点与跟踪定位装置初始位置,在具体实现的时候，飞行器的飞行数据下行链路，可以通过飞行器遥控设备获取，飞行器遥控设备再通过蓝牙传给跟踪定位装置，或者也可通过跟踪定位装置内独立的数传模块工作在2.4Ghz或者915Mhz下，跟踪定位装置自行获取飞行数据，远距离使用借助4G网络设备的大范围覆盖，通过手持数据终端（例如智能手机）获取飞行数据，手持数据终端通过蓝牙发送给跟踪定位装置。

S102：根据飞行器初始位置和实时位置、位置预估系统模式、增益系数,确定平板天线旋转角度和俯仰跟踪角度。数传模块接收飞行数据以后，由实时位置特征点与初始位置计算相对位置，根据用户配置的预估模式增益系数和工作模式，确定平板天线在旋转平台旋转的角度，以及实时特征位置与初始位置的高度差，确定俯仰角度。

S103：根据计算得到的旋转角度控制量，闭环旋转驱动通过齿轮啮合驱动旋转平台转动。电子罗盘随旋转平台转动检测旋转平台与地磁场的角度，根据用户配置的PID参数，表现为不同的运行状态，直到旋转平台转动到计算的旋转角度，即旋转平台的磁场角度。

S104：根据计算得到的俯仰角度控制量，闭环旋转驱动通过齿轮啮合驱动俯仰从动齿轮转动，旋转电位器跟随俯仰从动齿轮旋转，旋转电位器电压的变化反应相应的旋转角度，确定俯仰从动齿轮旋转到位;定向天线极限位置防堵转,俯仰极限位置与旋转角度数据关联存储,构建运动干涉相对坐标系。

具体地，参见图2所示，本申请实施例还提供了获取运动角度的具体方法，包括：

S201：跟踪定位装置绝对位置坐标获取有两种方式，一种方式为，在飞行器起飞前，跟踪定位装置与飞行器在同一位置，通过飞行数据下行链路确定飞行器GPS位置坐标，也即获取跟踪系统当前坐标位置；另外一种方式为，可通过跟踪定位装置本身的GPS接收器获取本身位置信息。

S202：飞行器起飞后，根据飞行器GPS获取实时位置特征点对应的位置坐标,

S203：位置计算函数以初始位置和实时参考位置为已知量，相对角度移动为自变量，计算水平垂直角度作为基础数据。

S204：根据位置预估系统工作模式，基于基础输入参数值补偿数据传输时间所产生的飞行器实际位置数据偏差，得到最终俯仰和旋转角度。

具体地，参见图3所示，本申请实施例还提供了根据所述系统位置预估模式，确定定向天线指向具体方法，包括：

跟踪定位装置接收飞行器飞行数据，存储在内部存储器；

地面自跟踪终端收到飞行器的上一时刻实时位置A，使用此时实时位置U中的可用信息来估计飞行器在两个实时位置之间采取的速度和航向；

应用增益因子B（可由用户配置）乘以最后时刻速度值，应用最后接收飞行器航向得到预估距离的值，即飞行器可能会移动到的估计位置E。

当地面自跟踪终端接收到新的位置数据，不会立即进行估算，而是定期进行估算，

通过遥测以1Hz的频率接收位置数据Pi-1，Pi和Pi+1,根据时间定时器对未接受数据的间隔进行位置估算，使得没有位置信号的空隙内平滑运行。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种飞行器定向天线跟踪定位装置，其特征在于：包括地面自跟踪终端，地面自跟踪终端包括平板天线全向跟踪模块和视频流显示终端；平板天线全向跟踪模块获取飞行数据流保持全角度、高度跟踪指向，所述视频流显示终端用于地面自跟踪终端对飞行器摄像机视频流输出，对画面进行存储录制；

平板天线全向跟踪模块包括基座（1），基座（1）内安装有跟踪云台主控板、旋转驱动器（2），旋转驱动器（2）上连接有位于其上方的水平的平台驱动齿轮（3），平台驱动齿轮（3）和平台从动齿轮（4）啮合，平台从动齿轮（4）上方连接有水平的旋转平台（5），旋转平台上安装有俯仰驱动器，俯仰驱动器连接有俯仰驱动齿轮（6），俯仰驱动齿轮（6）在竖直方向上旋转，俯仰驱动齿轮（6）和俯仰从动齿轮（7）啮合，俯仰从动齿轮（7）上连接有天线支架（8），天线支架（8）上固定有平板天线，跟踪云台主控板和旋转驱动器、俯仰驱动器连接，旋转平台上还安装有电子罗盘传感器，电子罗盘传感器和跟踪云台主控板连接，旋转电位器安装在俯仰从动齿轮上，旋转电位器和跟踪云台主控板连接；

平板天线全向跟踪模块中全角度、高度跟踪指向方法包括以下步骤：飞行器起飞前与地面自跟踪终端处于同一位置，通过飞行数据下行链路获取飞行器GPS绝对坐标位置为初始位置；飞行器起飞后，获取飞行器GPS绝对坐标系中实时位置特征点对应的位置坐标为实时参考位置，位置计算函数以初始位置和实时参考位置为已知量，相对角度移动为自变量，计算水平和垂直角度作为位置预估系统基础输入参数值；根据飞行器位置速度数据与飞行器实时参考位置由位置预估系统内预设函数运算，根据位置预估系统进行处理，地面自跟踪终端将预测飞行器的运动，以使天线尽可能指向其实际位置，而非最后数据接收位置，基于基础输入参数值补偿数据传输时间所产生的飞行器实际位置数据偏差；根据位置预估系统增益系数、运行模式，解算得到定向天线水平和垂直角度作为最终运动参数；跟踪云台主控板将计算出的水平角度传输给旋转驱动器，将计算出的垂直角度传输给俯仰驱动器，旋转驱动器驱动旋转平台进行360度全向旋转，保持飞行器全角度跟踪指向；电子罗盘传感器随旋转平台转动,保持平板天线跟踪角度,确定旋转平台旋转到位；俯仰驱动器驱动平板天线俯仰，保持平板天线跟踪角度，保持飞行器高度跟踪，旋转电位器跟随俯仰从动齿轮旋转，旋转电位器电压的变化反应相应的旋转角度，确定俯仰从动齿轮旋转到位。

2.根据权利要求1所述的一种飞行器定向天线跟踪定位装置，其特征在于，所述位置预估系统模式1为：地面自跟踪终端每次接收到新的实时位置特征点，均执行预估计算，地面自跟踪终端收到飞行器上一时刻实时参考位置A，使用此时实时参考位置U中的坐标来估计飞行器在两个位置之间采取的速度和航向，并应用增益因子得到预估距离的值，即飞行器可能会移动到估计位置E。

3.根据权利要求2所述的一种飞行器定向天线跟踪定位装置，其特征在于，所述位置预估系统模式2为：当地面自跟踪终端接收到新的实时位置特征点，不会立即进行估算，而是定期进行估算，时间计数器达到设定值，在使用已接收的最后实时参考位置的坐标以规则的间隔执行估算。

4.根据权利要求3所述的一种飞行器定向天线跟踪定位装置，其特征在于，所述系统位置预估系统模式3为模式1和2的混合，既在接收到新的位置数据时进行位置预估，又在计时器到达估计频率时进行估计。

5.根据权利要求4所述的一种飞行器定向天线跟踪定位装置，其特征在于，地面自跟踪终端还包括人机交互显示模块，所述人机交互显示模块用于地面自跟踪终端运行模式设置、飞行器状态检测。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种飞行器定向天线跟踪定位装置，其特征在于，平板天线全向跟踪模块获取飞行数据流有两种方式，一种方式通过飞行器遥控设备获取，飞行器遥控设备再通过蓝牙传给平板天线全向跟踪模块，另一种方式通过跟踪定位装置内独立的数传模块自行获取飞行数据。

7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种飞行器定向天线跟踪定位装置，其特征在于，该装置包括显示屏、按键和指示灯，跟踪云台主控板执行信号处理运算，当装置运行时，所述显示屏通过总线和跟踪云台主控板通讯。

8.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种飞行器定向天线跟踪定位装置，其特征在于，跟踪云台主控板还连接有GPS模块，飞行器起飞前与地面自跟踪终端处于同一位置，若以地面自跟踪终端本地GPS绝对坐标位置为初始位置时，时刻更新本地GPS绝对坐标位置，允许地面自跟踪终端以运动状态进行飞行器跟踪；保持定向天线的指向性，提高信号强度，提升飞行器控制可靠性。

9.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种飞行器定向天线跟踪定位装置，其特征在于，俯仰旋转角度基于PID算法反馈响应驱动信号旋转角度值。