CN116107348B - 一种无人机天线跟踪低轨卫星的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低轨卫星跟踪技术领域，尤其涉及一种无人机天线跟踪低轨卫星的方法和装置，采用经纬度观测器预估无人机相控阵终端天线的经纬度值，并进一步计算卫星相对于无人机相控阵终端天线的目标俯仰角，然后考虑经纬度观测器的估计误差建立了动态误差阈值，以进行快速逼近跟踪或精准跟踪切换控制，同时考虑了无人机相控阵终端运动过程中的不确定性，可以随时控制切换不同的跟踪方式。解决了现有技术中较少考虑无人机相控阵终端运动过程的不确定性，以及无人机相控阵终端与卫星通信稳定的问题。

Description

一种无人机天线跟踪低轨卫星的方法和装置

技术领域

本发明涉及低轨卫星跟踪技术领域，尤其涉及一种无人机天线跟踪低轨卫星的方法和装置。

背景技术

目前，随着通信质量越来越高，为了提供更优质、快速的通信服务，仅依靠地面通信系统是远远不够。卫星移动通信的覆盖能力更广，通信过程中不会受到外界干扰，应用在以上特殊条件的环境下，卫星能够通过一定的通信方式与地面进行连接，将采集、探测到的信息通过传输信号发送到地面通信系统中，进行信息交互。在信息交互过程中，为了保证卫星通信的稳定性，地面通信系统需要获取卫星实时状态信息；在卫星通信系统中，由于无人机相控阵终端在运动过程中，姿态和地理位置发生变化以及风力、传感器噪声等不确定因素的影响，会使相控阵终端天线的指向偏离卫星，造成通信中断。为了能达到最佳通信效果，需要相控阵终端的天线在通信过程中始终对准卫星，必须进行准确的跟踪控制。然而现有的跟踪技术比较单一，一般是开环控制，跟踪精度低，容易偏离卫星，造成通信中断，并且跟踪过程中传感器噪声、风力等不确定性影响跟踪效果。

现在亟需一种无人机天线跟踪低轨卫星的方法，从而解决在无人机相控阵终端跟踪低轨卫星过程中，受到干扰以及自身传感器噪声导致的天线跟踪卫星时精度低、跟踪速度以及慢效果差的问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的是解决在无人机相控阵终端跟踪低轨卫星过程中，由于无人机相控阵终端容易受到较大的不确定性干扰以及自身传感器噪声导致的天线跟踪卫星时精度低、跟踪速度慢以及效果差，导致无人机相控阵终端通信不稳定的问题，提出了一种无人机天线跟踪低轨卫星的方法和装置。

为了解决上述技术问题，本文的具体技术方案如下：

一方面，本文实施例提供了一种无人机天线跟踪低轨卫星的方法，包括，

通过无人机相控阵终端天线中的经纬度观测器获得所述无人机相控阵终端天线的天线经度估计值，并对所述天线经度估计值进行计算得出天线经纬度精准值；

根据所述准确经纬值计算获得所述无人机相控阵终端天线指向低轨卫星的目标俯仰角；

通过所述无人机相控阵终端天线中的相控阵终端传感器获取所述无人机相控阵终端天线的实际俯仰角；

对比所述目标俯仰角和所述实际俯仰角，获得俯仰角动态误差阈值；

根据所述俯仰角动态误差阈值判断所述无人机相控阵终端天线需要采用的跟踪方式，并操控天线电机控制无人机相控阵终端天线对卫星进行跟踪。

进一步地，获得所述无人机相控阵终端天线的天线经度估计值进一步包括，

天线经度估计值中包括t时刻的天线经度估计值；

所述t时刻的天线经度估计值的表达式为：

其中，k(t)为t时刻的天线经度估计值；α _n为t时刻的外部干扰参数集合；n为外部干扰个数；△₁到△n指未知的外部干扰α _n与其各阶导数的对应估计值；b(t)是t时刻控制系统中不确定量和外界干扰的复合量；v ₁(t)为t时刻无人机相控阵终端横向速度；v ₂(t)为t时刻无人机相控阵终端纵向速度；

为经纬度观测器的干扰估计值；k ⁿ 为系统的未知时变干扰。

进一步地，对所述天线经度估计值进行计算得出天线经纬度精准值进一步包括，

根据所述t时刻天线经度估计值计算天线经度精准值D的表达式为：

式中，D(t)为t时刻天线经度精准值；

表示t时刻天线与卫星的经度差；α(t)表示t时刻电机横滚角；k(t)为t时刻的天线经度估计值。

利用所述经纬度观测器计算天线纬度精准值B，计算公式为：

式中，B(t)为t时刻天线纬度精准值，/>

为t时刻天线的方位角，c(t)表示t时刻地心与卫星的距离；r(t)表示t时刻经纬度观测器的参数。进一步地，根据所述准确经纬值计算获得所述无人机相控阵终端天线指向低轨卫星的目标俯仰角进一步包括，

经纬度观测器根据计算出的所述天线经度精准值D和所述天线纬度精准值B得出所述目标俯仰角

计算公式为：/>

式中，B(t)为t时刻天线纬度精准值，D(t)为t时刻天线经度精准值，/>

为t时刻无人机相控阵终端天线指向卫星的目标俯仰角。

进一步地，对比所述目标俯仰角和所述实际俯仰角，获得俯仰角动态误差阈值进一步包括，

所述俯仰角动态误差阈值由俯仰角动态误差得出，所述俯仰角动态误差的表达式为，

式中，/>

表示t+N+1时刻的无人机相控阵终端天线传感器测量误差；/>

表示t时刻下无人机相控阵终端天线传感器的测量值；

表示t时刻下经纬度观测器计算得到的俯仰角理想值；t→t+N表示检测步长；

所述俯仰角动态误差阈值由俯仰角动态误差得出，表达式为，

式中，

表示t+N+1时刻的动态误差阈值；/>

为t+N+1时刻的俯仰角动态误差；/>

表示经纬度观测器的估计误差。进一步地，根据所述俯仰角动态误差阈值判断所述无人机相控阵终端天线需要采用的跟踪方式，进一步包括，

所述跟踪方式包括快速逼近跟踪和H_∞/H2精准跟踪。

进一步地，所述判断的方式为，

若 ，

，则u=0

若 ，

，则 u=1

式中， △θ为俯仰角实际俯仰角和目标俯仰角的误差，θ _m表示动态误差阈值，u为天线电机PWM占空比控制信号；

当

时，大于动态误差阈值，直接调整天线电机PWM占空比，对卫星通信进行快速逼近跟踪；

当

时，小于动态误差阈值采用H_∞/H2控制，对卫星通信进行H_∞/H2精准跟踪。

进一步地，控制天线对卫星进行H_∞/H2精准跟踪进一步包括，在每一时刻，取状态变量

，系统输入为电线电机定子电流/>

，系统干扰输入为

，系统输出为相控阵终端天线实际俯仰角/>

，则控制系统的状态空间可表示为：/>

式中，/>

，/>

，/>

，C=[1 0]，D₁=0， D₂=0；其中，J _c为等效相控阵终端天线的转动惯量；K _c为等效天线上转矩传感器的刚度；G _m为天线驱动器减速比；ns为传感器噪声干扰，F _yw为无人机相控阵终端运动过程中受到的风力；θ _β为相控阵终端天线的俯仰角；/>

为相控阵终端天线的俯仰角加速度；

将无人机相控阵终端天线运动过程中不确定参数代入控制模型中，控制模型用乘法不确定性表示为：

式中，P _j为无人机相控阵终端控制模型；P为无人机相控阵终端天线标称对象模型，W _J为加权函数矩阵，△为不确定性模型；

无人机相控阵终端天线不确定性模型的乘法加权函数满足条件：

(s)为模型的拉普拉斯变换；

求解出不确定性模型加权函数矩阵为：

通过求解如下的H_∞范数优化问题就可以得到控制器K，并结合H2作为性能指标进行优化，鲁棒控制算法鲁棒性能要求为：

得出俯仰角精准跟踪算法的控制器为：

式中，K(s)为控制器；S(s)为灵敏度函数，也是干扰输入到控制误差的闭环传递函数；T(s)为补灵敏度函数，

为t时刻无人机相控阵终端天线指向卫星的目标俯仰角；控制输出Z=[Z ₁ Z ₂ Z ₃]，Z₁代表实际俯仰角与目标俯仰角之差，Z₂代表控制器输出的大小；Z₃代表输出大小，W ₁，W ₂，W ₃分别为Z ₁ Z ₂ Z ₃的加权函数，P ₁、P ₂为干扰输入的加权矩阵。

另一方面，本文实施例还提供了一种无人机天线跟踪低轨卫星的装置，包括，

无人机相控阵终端天线单元，包括经纬度观测器组件和相控阵终端传感器组件，用于根据俯仰角动态误差阈值判断无人机相控阵终端天线需要采用的跟踪方式；

所述经纬度观测器组件，用于获得所述无人机相控阵终端天线的天线经度估计值，并对所述天线经度估计值进行计算得出天线经纬度精准值，并根据所述准确经纬值计算获得所述无人机相控阵终端天线指向低轨卫星的目标俯仰角；

所述相控阵终端传感器组件，用于获取所述无人机相控阵终端天线的实际俯仰角，并对比所述目标俯仰角和所述实际俯仰角，获得所述俯仰角动态误差阈值；

所述无人机相控阵终端天线单元还包括天线电机组件，用于控制无人机相控阵终端天线根据所述需要采用的跟踪方式对低轨卫星进行跟踪。

最后，本文实施例还提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被计算机设备的处理器运行时，执行上述的方法。

利用本文实施例，实现了切换控制无人机相控阵终端跟踪低轨卫星的方法，并且，为了无人机相控阵终端对低轨卫星进行跟踪时的精确度，将跟踪方式分为快速逼近跟踪和H_∞/H2精准跟踪，对无人机相控阵终端的位置进行计算，并判断无人机相控阵终端天线的实时状态，实现了根据无人机相控阵终的经纬度值和运动状态，以及根据无人机相控阵终端天线的实际俯仰角距离目标俯仰角的误差值，确定无人机相控阵终端天线所需要的跟踪方式，再通过算法进行跟踪，控制无人机相控阵终端天线根据所需要的跟踪方式进行跟踪，实现了高精度的快速跟踪，从而提高无人机相控阵终端天线跟踪的速度和精准度，提升了无人机相控阵终端的稳定性，提高了通信质量。解决了现有技术中跟踪技术比较单一，跟踪精度低，容易偏离卫星，造成通信中断，并且跟踪过程中传感器噪声、风力等不确定性影响跟踪效果的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本文实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本文的一些实施例，对于本领域普通技术玩家来讲，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的附图。

图1所示为本文实施例无人机相控阵终端系统示意图；

图2所示为本文实施例一种无人机天线跟踪低轨卫星的方法的流程图；

图3所示为本文实施例计算机设备的结构示意图。

【附图标记说明】：

10、无人机相控阵终端；

101、无人机相控阵终端天线单元；

102、经纬度观测器组件；

103、相控阵终端传感器组件；

104、天线电机组件；

302、计算机设备；

304、处理设备；

306、存储资源；

308、驱动机构；

310、输入/输出模块；

312、输入设备；

320、网络接口；

322、通信链路；

324、通信总线。

具体实施方式

下面将结合本文实施例中的附图，对本文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文一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本文中的实施例，本领域普通技术玩家在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本文保护的范围。

需要说明的是，本文的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本文的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示为本文实施例无人机相控阵终端系统示意图，可以包括10无人机相控阵终端；无人机相控阵终端天线单元101、经纬度观测器组件102、相控阵终端传感器组件103和天线电机组件104。经纬度观测器组件102、相控阵终端传感器组件103和天线电机组件104位于无人机相控阵终端天线单元101中，无人机相控阵终端天线单元101位于无人机相控阵终端10中。

在本文实施例中经纬度观测器组件102组件用于获得无人机相控阵终端的天线经度估计值并计算出天线经纬度精准值，以及根据准确经纬值计算天线指向低轨卫星的目标俯仰角；相控阵终端传感器组件103用于获取天线的实际俯仰角，并对比目标俯仰角和实际俯仰角获得误差阈值；天线电机组件104用于控制无人机相控阵终端天线根据需要采用的跟踪方式对低轨卫星进行跟踪。此外，无人机相控阵终端还记录了指定范围内所有可通信卫星的位置信息，用于向无人机相控阵终端天线提供目标俯仰角的具体信息，引导无人机相控阵终端天线对低轨卫星进行跟踪。

此外，需要说明的是，在实际应用时，图1所示的应用环境可以应用在低轨卫星跟踪、无人机运动状态实时通信、无人机相控阵终端通信等多种场景，本说明书不做限制。

为了解决现有技术存在的问题。本文实施例提供了一种无人机天线跟踪低轨卫星的方法和装置。图2所示为本文实施例提供的一种无人机天线跟踪低轨卫星的方法的流程图，在本图中描述了无人机天线选择跟踪方式并进行跟踪的过程。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的系统或装置产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行。具体的如图2所示，所述方法可以包括：

步骤201：通过无人机相控阵终端天线中的经纬度观测器获得所述无人机相控阵终端天线的天线经度估计值，并对所述天线经度估计值进行计算得出天线经纬度精准值；

步骤202：根据所述准确经纬值计算获得所述无人机相控阵终端天线指向低轨卫星的目标俯仰角；

步骤203：通过所述无人机相控阵终端天线中的相控阵终端传感器获取所述无人机相控阵终端天线的实际俯仰角；

步骤204：对比所述目标俯仰角和所述实际俯仰角，获得俯仰角动态误差阈值；

步骤205：根据所述俯仰角动态误差阈值判断所述无人机相控阵终端天线需要采用的跟踪方式，并操控天线电机控制无人机相控阵终端天线对卫星进行跟踪。

利用本文实施例，实现了切换控制无人机相控阵终端跟踪低轨卫星的方法，并且，为了无人机相控阵终端对低轨卫星进行跟踪时的精确度，将跟踪方式分为快速逼近跟踪和H_∞/H2精准跟踪，对无人机相控阵终端的位置进行计算，并判断无人机相控阵终端天线的实时状态，实现了根据无人机相控阵终的经纬度值和运动状态，以及根据无人机相控阵终端天线的实际俯仰角距离目标俯仰角的误差值，确定无人机相控阵终端天线所需要的跟踪方式，再通过算法进行跟踪，控制无人机相控阵终端天线根据所需要的跟踪方式进行跟踪，实现了高精度的快速跟踪，从而提高无人机相控阵终端天线跟踪的速度和精准度，提升了无人机相控阵终端的稳定性，提高了通信质量。解决了现有技术中跟踪技术比较单一，跟踪精度低，容易偏离卫星，造成通信中断，并且跟踪过程中传感器噪声、风力等不确定性影响跟踪效果的问题。

根据本文的一个实施例，首先采用经纬度观测器计算天线的经纬度，并考虑无人机相控阵的运动情况，确定天线的大概位置，获取t时刻的天线经度估计值、外部干扰参数集合、外部干扰个数、无人机相控阵终端横向速度和无人机相控阵终端纵向速度，计算t时刻天线经度估计值的表达式为：

其中，k(t)为t时刻的天线经度估计值；α _n为t时刻的外部干扰参数集合；n为外部干扰个数；△₁到△n指未知的外部干扰α _n与其各阶导数的对应估计值；b(t)是t时刻控制系统中不确定量和外界干扰的复合量；v ₁(t)为t时刻无人机相控阵终端横向速度；v ₂(t)为t时刻无人机相控阵终端纵向速度；

为经纬度观测器的干扰估计值；k ⁿ 为系统的未知时变干扰。

然后根据t时刻天线经度估计值计算天线经度精准值D的表达式为：

式中，D(t)为t时刻天线经度精准值；

表示t时刻天线与卫星的经度差；α(t)表示t时刻电机横滚角；k(t)为t时刻的天线经度估计值。

获得天线经度精准值后还需要获得天线纬度精准值来确认天线经纬度精准值，利用经纬度观测器计算天线纬度精准值B，计算公式为：

式中，B(t)为t时刻天线纬度精准值，

为t时刻天线的方位角，c(t)表示t时刻地心与卫星的距离；r(t)表示t时刻经纬度观测器的参数。

获取到天线纬度精准值B和天线经度精准值D后，则获得了无人机相控阵终端的天线经纬度精准值也就是无人机的精准坐标，以及无人机相控阵终端和低轨卫星的相对位置关系，由此也就可以获得理想状态下无人机相控阵终端天线指向低轨卫星时的俯仰角，将其命名为目标俯仰角，作为无人机相控阵终端天线的跟踪目标；通过对比目标俯仰角和当时无人机相控阵终端天线的实际俯仰角，可以获得一个俯仰角误差阈值，这一误差可以体现无人机相控阵终端天线的实际俯仰角距离目标俯仰角的距离，当距离较大时采用快速逼近的跟踪方式，保证天线的实际俯仰角和目标俯仰角误差快速减小到误差阈值之中，然后采用H_∞/H2进行精准跟踪；当距离较小时则直接采用H_∞/H2进行精准跟踪。具体计算过程如下所示：

经纬度观测器根据计算出的所述天线经度精准值D和所述天线纬度精准值B得出所述目标俯仰角

，计算公式为：

式中，B(t)为t时刻天线纬度精准值，D(t)为t时刻天线经度精准值，

为t时刻无人机相控阵终端天线指向卫星的目标俯仰角。

进一步的根据相控阵终端传感器测得的实际俯仰角，建立俯仰角动态误差阈值，考虑经纬度观测器对天线俯仰角的估计值和天线传感器对俯仰角位置信号的测量值两者误差的预设阈值，建立动态误差阈值如下：

式中，

表示t+N+1时刻的无人机相控阵终端天线传感器测量误差；/>

表示/>

时刻下无人机相控阵终端天线传感器的测量值；/>

表示t时刻下经纬度观测器计算得到的俯仰角理想值；t→t+N表示检测步长；/>

随着无人机相控阵终端在不同时间段的状态进行调整。考虑经纬度观测器的估计误差/>

，设计离线预设相应的动态误差阈值θ _m 为：

式中，θ _m 表示t+N+1时刻的动态误差阈值；

表示经纬度观测器的估计误差。

获得动态误差阈值后和动态误差进行比较并判断跟踪方式，判断的方式为，

若 ，

，则u=0

若 ，

，则 u=1

式中， △θ为俯仰角实际俯仰角和目标俯仰角的误差，θ _m表示动态误差阈值，u为天线电机PWM占空比控制信号；

当

时，大于动态误差阈值，直接调整天线电机PWM占空比，对卫星通信进行快速逼近跟踪；

当

时，小于动态误差阈值采用H_∞/H2控制，对卫星通信进行H_∞/H2精准跟踪。

示例性地，通过这种切换控制的方法，可以使无人机相控终端与卫星的通信在最大范围内保持稳定。例如在无人机相控阵终端启动时，天线的俯仰角与目标俯仰角会相差很大，通过现有技术直接进行H_∞/H2精准跟踪则需要较长时间到达目标俯仰角再进行通信，而在本发明中这一过程可以通过快速逼近跟踪减少很多时间，尤其在一些需要无人机反复起降的场景下，将会大幅度减少每次起飞时所需要的通信调试时间；另一方面，例如在山区或城市中，无人机在飞行过程中周围存在很多障碍物，有可能影响无人机与卫星之间的通信传输，造成通信中断，当通信中断时间较长时，可能需要无人机相控阵终端天线对另一卫星进行跟踪，重新建立通信，如果使用现有技术中的精准跟踪，就需要很长时间调整天线的俯仰角完成这一跟踪过程，而本发明则可以快速逼近另一卫星进行通信，大幅度减少无人机在飞行过程中的通信中断时间。

根据本发明的一个实施例，控制天线对卫星进行H_∞/H2精准跟踪进一步包括，

在每一时刻，取状态变量

，系统输入为电线电机定子电流/>

，系统干扰输入为/>

，系统输出为相控阵终端天线实际俯仰角/>

，则控制系统的状态空间可表示为：

式中，

，/>

，/>

，C=[1 0]，D₁=0， D₂=0；其中，J _c为等效相控阵终端天线的转动惯量；K _c为等效天线上转矩传感器的刚度；G _m为天线驱动器减速比；ns为传感器噪声干扰，F _yw为无人机相控阵终端运动过程中受到的风力；θ _β为相控阵终端天线的俯仰角；/>

为相控阵终端天线的俯仰角加速度；

将无人机相控阵终端天线运动过程中不确定参数代入控制模型中，控制模型用乘法不确定性表示为：

式中，P _j为无人机相控阵终端控制模型；P为无人机相控阵终端天线标称对象模型，W _J为加权函数矩阵，△为不确定性模型；

无人机相控阵终端天线不确定性模型的乘法加权函数满足条件：

(s)为模型的拉普拉斯变换；

求解出不确定性模型加权函数矩阵为：

通过求解如下的H_∞范数优化问题就可以得到控制器K，并结合H₂作为性能指标进行优化，鲁棒控制算法鲁棒性能要求为：

得出俯仰角精准跟踪算法的控制器为：

式中，K(s)为控制器；S(s)为灵敏度函数，也是干扰输入到控制误差的闭环传递函数；T(s)为补灵敏度函数，

为t时刻无人机相控阵终端天线指向卫星的目标俯仰角；控制输出Z=[Z ₁ Z ₂ Z ₃]，Z₁代表实际俯仰角与目标俯仰角之差，Z₂代表控制器输出的大小； Z₃代表输出大小，W ₁，W ₂，W ₃分别为Z ₁ Z ₂ Z ₃的加权函数，P ₁、P ₂为干扰输入的加权矩阵。

示例性地，无人机在恶劣天气中，无人机相控阵终端天线上的传感器和无人机的飞行速度都会收到较大的影响，例如在大风天气中，无人机的移动速度会受到风力的很大影响，出现预计的运动方向之外的偏转，甚至影响无人机的平衡性造成一定程度的翻转，在面临这种不稳定的风力影响下，现有技术中的精准跟踪无法完成跟踪的工作，影响了无人机在大风天气中的通信，而本发明中，在受到风力影响后天线会根据目标俯仰角进行快速的逼近跟踪进行调整，保持在误差阈值内进行通信。另一方面在大风的影响下，天线的运动也会受到风力的干扰，因此在本发明中控制天线进行追踪时，会考虑到天线上转矩传感器的刚度、天线驱动器减速比、传感器噪声干扰、无人机相控阵终端运动过程中受到的风力等多种参数的影响，确保天线在精准跟踪的过程中的稳定性。

如图3所示为本发明实施例计算机设备的结构示意图，本文中的装置可以为本实施例中的计算机设备，执行上述本文的方法。计算机设备302可以包括一个或多个处理设备304，诸如一个或多个中央处理单元(CPU)，每个处理单元可以实现一个或多个硬件线程。计算机设备302还可以包括任何存储资源306，其用于存储诸如代码、设置、数据等之类的任何种类的信息。非限制性的，比如，存储资源306可以包括以下任一项或多种组合：任何类型的RAM，任何类型的ROM，闪存设备，硬盘，光盘等。更一般地，任何存储资源都可以使用任何技术来存储信息。进一步地，任何存储资源可以提供信息的易失性或非易失性保留。进一步地，任何存储资源可以表示计算机设备302的固定或可移除部件。在一种情况下，当处理设备304执行被存储在任何存储资源或存储资源的组合中的相关联的指令时，计算机设备302可以执行相关联指令的任一操作。计算机设备302还包括用于与任何存储资源交互的一个或多个驱动机构308，诸如硬盘驱动机构、光盘驱动机构等。

计算机设备302还可以包括输入/输出模块310（I/O），其用于接收各种输入(经由输入设备312)。在其他实施例中，还可以不包括输入/输出模块310（I/O）、输入设备312，仅作为网络中的一台计算机设备。计算机设备302还可以包括一个或多个网络接口320，其用于经由一个或多个通信链路322与其他设备交换数据。一个或多个通信总线324将上文所描述的部件耦合在一起。

通信链路322可以以任何方式实现，例如，通过局域网、广域网(例如，因特网)、点对点连接等、或其任何组合。通信链路322可以包括由任何协议或协议组合支配的硬连线链路、无线链路、路由器、网关功能、名称服务器等的任何组合。

对应于图2中的方法，本文实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述所述方法的步骤。

本文实施例还提供一种计算机可读指令，其中当处理器执行所述指令时，其中的程序使得处理器执行如图2所示的方法。

应理解，在本文的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本文实施例的实施过程构成任何限定。

还应理解，在本文实施例中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本领域普通技术玩家可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术玩家可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本文的范围。

所属领域的技术玩家可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本文所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本文实施例方案的目的。

另外，在本文各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本文的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本文各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本文中应用了具体实施例对本文的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本文的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术玩家，依据本文的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本文的限制。

Claims (8)

1.一种无人机天线跟踪低轨卫星的方法，其特征在于，包括，

通过无人机相控阵终端天线中的经纬度观测器获得所述无人机相控阵终端天线的天线经度估计值，并对所述天线经度估计值进行计算得出天线经纬度精准值；

根据所述天线经纬度精准值计算获得所述无人机相控阵终端天线指向低轨卫星的目标俯仰角；

通过所述无人机相控阵终端天线中的相控阵终端传感器获取所述无人机相控阵终端天线的实际俯仰角；

对比所述目标俯仰角和所述实际俯仰角，获得俯仰角动态误差阈值；

所述俯仰角动态误差阈值由俯仰角动态误差得出，所述俯仰角动态误差的表达式为，

式中，

为t+N+1时刻的俯仰角动态误差；/>

为/>

时刻下无人机相控阵终端天线中的相控阵终端传感器测量的实际俯仰角；/>

表示t时刻无人机相控阵终端天线指向低轨卫星的目标俯仰角；t→t+N表示检测步长；

所述俯仰角动态误差阈值由俯仰角动态误差得出，表达式为，

式中，θ _m 表示t+N+1时刻的俯仰角动态误差阈值； η表示经纬度观测器的估计误差；根据所述俯仰角动态误差阈值判断所述无人机相控阵终端天线需要采用的跟踪方式，具体判断步骤为：

若

，则u _pwm =0

若

，则 u _pwm =1

式中， △θ为实际俯仰角和目标俯仰角的误差，θ _m表示俯仰角动态误差阈值，u_pwm为天线电机PWM占空比控制信号；

当

时，实际俯仰角和目标俯仰角的误差大于俯仰角动态误差阈值，直接调整天线电机PWM占空比，对低轨卫星通信进行快速逼近跟踪；

当

时，实际俯仰角和目标俯仰角的误差小于俯仰角动态误差阈值采用H_∞/H2控制，对低轨卫星进行H_∞/H2精准跟踪；

操控天线电机控制无人机相控阵终端天线对低轨卫星进行跟踪。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过无人机相控阵终端天线中的经纬度观测器获得所述无人机相控阵终端天线的天线经度估计值进一步包括，天线经度估计值中包括t时刻的天线经度估计值；

所述t时刻的天线经度估计值的表达式为：

其中，

(t)为t时刻的天线经度估计值；α _n为t时刻的外部干扰参数集合；n为外部干扰个数；△₁到△n指未知的外部干扰α _n与其各阶导数的对应估计值；b(t)是t时刻控制系统中不确定量和外界干扰的复合量；v ₁(t)为t时刻无人机相控阵终端横向速度；v ₂(t)为t时刻无人机相控阵终端纵向速度；/>

为经纬度观测器的干扰估计值；k ⁿ 为系统的未知时变干扰。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述天线经度估计值进行计算得出天线经纬度精准值进一步包括，

根据t时刻天线经度估计值计算天线经度精准值D的表达式为：

式中，D(t)为t时刻天线经度精准值；γ（t）表示t时刻天线与低轨卫星的经度差；α(t)表示t时刻电机横滚角；

(t)为t时刻的天线经度估计值；

利用所述经纬度观测器计算天线纬度精准值B，计算公式为：

式中，B(t)为t时刻天线纬度精准值，φ（t）为t时刻天线的方位角，c(t)表示t时刻地心与低轨卫星的距离；r(t)表示t时刻经纬度观测器的参数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述天线经纬度精准值计算获得所述无人机相控阵终端天线指向低轨卫星的目标俯仰角进一步包括，

经纬度观测器根据计算出的所述天线经度精准值D和所述天线纬度精准值B得出所述目标俯仰角

，计算公式为：

式中，B(t)为t时刻天线纬度精准值，D(t)为t时刻天线经度精准值，

为t时刻无人机相控阵终端天线指向低轨卫星的目标俯仰角。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述俯仰角动态误差阈值判断所述无人机相控阵终端天线需要采用的跟踪方式，进一步包括，所述跟踪方式包括快速逼近跟踪和H_∞/H₂精准跟踪。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对低轨卫星进行H_∞/H2精准跟踪进一步包括，

在每一时刻，取状态变量

，系统输入为电线电机定子电流/>

，系统干扰输入为/>

，系统输出为相控阵终端天线实际俯仰角/>

，则控制系统的状态空间可表示为：

式中，

，/>

，/>

，C=[1 0]，D₁=0， D₂=0；

其中，J _c为等效相控阵终端天线的转动惯量；K _c为等效天线上转矩传感器的刚度；G _m为天线驱动器减速比；ns为传感器噪声干扰，F _yw为无人机相控阵终端运动过程中受到的风力；θ _β为相控阵终端天线的实际俯仰角；

为相控阵终端天线的实际俯仰角加速度；

将无人机相控阵终端天线运动过程中不确定参数代入控制模型中，控制模型用乘法不确定性表示为：

式中，P _j为无人机相控阵终端控制模型；P为无人机相控阵终端天线标称对象模型，W _J为加权函数矩阵，△为不确定性模型；

无人机相控阵终端天线不确定性模型的乘法加权函数满足条件：

(s)为模型的拉普拉斯变换；

求解出不确定性模型加权函数矩阵为：

通过求解如下的H_∞范数优化问题就可以得到控制器K，并结合H₂作为性能指标进行优化，鲁棒控制算法鲁棒性能要求为：

得出俯仰角精准跟踪算法的控制器为：

式中，K(s)为控制器；S(s)为灵敏度函数，也是干扰输入到控制误差的闭环传递函数；T(s)为补灵敏度函数，

为t时刻无人机相控阵终端天线指向低轨卫星的目标俯仰角；控制输出Z=[Z ₁ Z ₂ Z ₃]，Z₁代表实际俯仰角与目标俯仰角之差，Z₂代表控制器输出的大小； Z₃代表输出大小，W ₁，W ₂，W ₃分别为Z ₁ Z ₂ Z ₃的加权函数，P ₁、P ₂为干扰输入的加权矩阵。

7.一种无人机天线跟踪低轨卫星的装置，其特征在于，包括，

无人机相控阵终端天线单元，包括经纬度观测器组件和相控阵终端传感器组件，用于根据俯仰角动态误差阈值判断无人机相控阵终端天线需要采用的跟踪方式；

所述经纬度观测器组件，用于获得所述无人机相控阵终端天线的天线经度估计值，并对所述天线经度估计值进行计算得出天线经纬度精准值，并根据所述天线经纬度精准值计算获得所述无人机相控阵终端天线指向低轨卫星的目标俯仰角；

所述相控阵终端传感器组件，用于获取所述无人机相控阵终端天线的实际俯仰角，并对比所述目标俯仰角和所述实际俯仰角，获得所述俯仰角动态误差阈值，

所述俯仰角动态误差阈值由俯仰角动态误差得出，所述俯仰角动态误差的表达式为，

式中，

为t+N+1时刻的俯仰角动态误差；/>

为/>

时刻下无人机相控阵终端天线中的相控阵终端传感器测量的实际俯仰角；/>

表示t时刻无人机相控阵终端天线指向低轨卫星的目标俯仰角；t→t+N表示检测步长；

所述俯仰角动态误差阈值由俯仰角动态误差得出，表达式为，

式中，θ _m 表示t+N+1时刻的俯仰角动态误差阈值； η表示经纬度观测器的估计误差；

根据所述俯仰角动态误差阈值判断所述无人机相控阵终端天线需要采用的跟踪方式，具体判断步骤为：

若

，则u _pwm =0

若

，则 u _pwm =1

式中， △θ为实际俯仰角和目标俯仰角的误差，θ _m表示俯仰角动态误差阈值，u_pwm为天线电机PWM占空比控制信号；

当

时，实际俯仰角和目标俯仰角的误差大于俯仰角动态误差阈值，直接调整天线电机PWM占空比，对低轨卫星通信进行快速逼近跟踪；

当

时，实际俯仰角和目标俯仰角的误差小于俯仰角动态误差阈值采用H_∞/H2控制，对低轨卫星进行H_∞/H2精准跟踪；

所述无人机相控阵终端天线单元还包括天线电机组件，用于控制无人机相控阵终端天线根据所述需要采用的跟踪方式对低轨卫星进行跟踪。

8.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被计算机设备的处理器运行时，执行权利要求1至6任意一项所述的方法。

Images