CN116149343A - 一种应急机动部署的无人机自主着陆引导系统及引导方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应急机动部署的无人机自主着陆引导系统及引导方法,该引导系统包括多套地面引导站和一套机载引导终端,各地面引导站与机载引导终端构建自组网数据链通信,机载引导终端向地面引导站发射申请信号,并接收地面引导站的应答信号,测量机载引导终端与多个地面引导站的双向距离,同时接收高程信息,解算机载引导终端位置信息,并将位置信息发送给无人机飞控系统,用于无人机着陆引导;本发明采用高程信息作为定位解算约束条件,提升无人机距离引导站布设区域较远时的定位精度,构建的自组网数据链系统能够与无人机数据链系统兼容,不依赖于卫星导航且可全天候应用;该系统地面设备能够机动部署,同时设备成本远低于微波着陆系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种应急机动部署的无人机自主着陆引导系统及引导方法,属于定位导航技术领域。
背景技术
无人机进场着陆是无人机执行任务过程中安全事故发生最多的阶段,优良的无人机自主着陆引导技术能使无人机事故率大幅度降低。目前能够用于无人机自主着陆的导航技术主要有惯性导航技术、精密进场雷达着陆引导技术、微波着陆引导技术、卫星导航着陆引导技术及计算机视觉技术,以上导航技术用于无人机自主着陆有其各自的优缺点。
惯性导航系统工作不受外部环境的影响,具有全天候、全时空工作能力和很好的隐蔽性,产生的导航参数的数据更新率高,导航参数短期精度高。但惯性导航系统最大的缺点是误差随着时间的推移而发散,因此惯性导航系统不能独立应用于无人机着陆引导。
精密进场雷达着陆引导精度高,支持黑夜、雨雾、云层等复杂天气导致机场能见度差的场合盲降;此外,精密进场雷达着陆引导技术的主要功能处理在地面的精密进场雷达上实现,对机载设备的要求不高,能普遍适用于各种无人机引导着陆。精密进场雷达的缺点是机上不能显示飞机的空间位置,依靠地面指挥引导,完全处于被动状态;引导效率比较低,一次只能引导一架飞机着陆,引导及时性差,修正偏差有时间延迟;探测距离受气象条件影响较大,在大雨、大雪的情况下探测距离大大缩小;在地形复杂和净空条件不好的机场,受地形、地物固定的回波干扰较大,近距离引导有一定困难。
微波着陆引导技术具有引导精度高,支持全天候工作的特点;具有较宽阔的工作覆盖区,系统容量大,能够满足大批量飞机同时降落的要求;机载设备体积小,适用于各种机型,并且系统抗多径干扰能力强。微波着陆系统的缺点是地面设备复杂,价格昂贵,体积庞大。
卫星导航着陆引导技术具有引导精度高、受天气地形影响小的特点,一套卫星导航着陆系统可为多个机场、多条跑道、多架飞机同时提供服务,且地面站可实现机动部署,方便灵活,支持快速作战。卫星导航着陆系统最主要的弱点是卫星信号容易受到干扰,也容易受到树荫房屋的遮挡。
计算机视觉着陆引导技术根据安装在飞机上的大视角高清摄像机获取机场跑道中着陆点的图像信息,不需要复杂的地面和空中导航等电子设备,因此具有成本低、灵活性强的特点;在气候天气条件优良的环境着陆引导精度高。但是视觉着陆引导技术的定位精度会因不同的应用场景及实现方法而存在较大的差别,尤其是在恶劣天气情况下,机载摄像机很难获得比较清晰的图像,从而影响无人机着陆引导的精确性。
随着卫星导航系统的建设和日益完善,基于卫星导航的无人机着陆引导技术逐步成为无人机自主着陆的重要手段,但由于卫星导航系统自身易受干扰,需采用一种不依赖于卫星导航的全天候着陆引导系统作为卫星导航着陆引导的备份系统,从而保障无人机着陆引导的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足,提供一种应急机动部署的无人机自主着陆引导系统及引导方法,该系统及方法不依赖于卫星导航且可全天候应用,该系统及方法的地面设备能够机动部署,可以提升无人机距离引导站布设区域较远时的定位精度,并且地面引导站与机载引导终端构建的自组网数据链系统能够与无人机数据链系统兼容,同时设备成本远低于微波着陆系统。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的:
一种应急机动部署的无人机自主着陆引导系统,包括:
n个地面引导站,通过地面接收天线接收机载引导终端发射的申请电文,并记录机载下行信号接收时间;进行地面应答电文的组帧和调制,所述应答电文包含从所述记录的机载下行信号接收时间到地面上行信号发射时间的时间间隔△t,并通过地面发射天线向空间发射携带所述应答电文的上行应答信号;
机载引导终端,进行申请电文的组帧和调制,通过机载发射天线向外发出,并记录机载下行信号发射时间t1;通过机载接收天线接收地面引导站发射的上行应答信号,并记录地面上行信号接收时间t2;根据所述应答电文中包含的时间间隔△t,以及发射时间t1和接收时间t2,获得机载引导终端和地面引导站之间信号往返时间,根据所述往返时间完成无人机位置的定位解算,并将定位解算结果向外输出用于着陆引导;
n为正整数,且n≥3。
在上述应急机动部署的无人机自主着陆引导系统中,所述地面引导站包括第一信号处理模块和第一数字处理模块,其中:
第一信号处理模块,通过地面接收天线接收机载引导终端发射的下行申请信号,进行下变频处理和模数转换之后发送给第一数字处理模块;接收第一数字处理模块输出的已调制应答电文的数字信号,依次进行数模转换、低通滤波和上变频处理后发送给地面发射天线;
第一数字处理模块,接收第一信号处理模块发送的下行申请信号,依次进行载波和伪码的捕获、跟踪与解调,解码电文获取机载引导终端的申请电文信息,并记录机载下行信号接收时间;进行地面应答电文的组帧和调制,所述应答电文包含从所述记录的机载下行信号接收时间到地面上行信号发射时间的时间间隔△t,并将已调制应答电文的数字信号发送给第一信号处理模块。
在上述应急机动部署的无人机自主着陆引导系统中,所述机载引导终端包括第二信号处理模块和第二数字处理模块,其中:
第二信号处理模块,接收第二数字处理模块输出的数字信号,依次进行数模转换、低通滤波和上变频处理后发送给机载发射天线;通过机载接收天线接收地面引导站发射的上行应答信号,进行下变频处理和模数转换后发送给第二数字处理模块;
第二数字处理模块,进行申请电文的组帧和调制,将调制后的数字信号发送给第二信号处理模块,并记录机载下行信号发射时间t1;接收第二信号处理模块输出的上行应答信号依次进行载波和伪码的捕获、跟踪与解调,解码电文获取地面引导站的应答电文信息,并记录地面上行信号接收时间t2;根据所述应答电文中包含的时间间隔△t,以及发射时间t1和接收时间t2,获得机载引导终端和地面引导站之间信号往返时间,根据所述往返时间完成无人机位置的定位解算,并将定位解算结果向外输出。
在上述应急机动部署的无人机自主着陆引导系统中,根据所述应答电文中包含的时间间隔△t,以及发射时间t1和接收时间t2,获得机载引导终端和地面引导站之间信号往返时间,根据所述往返时间完成无人机位置的定位解算的方法,包括:
其中,x、y、z为定位时刻无人机位置;ρ为机载引导终端与地面引导站的双向距离;Δxi1、Δyi1、Δzi1分别为无人机发射申请信号时刻到定位时刻的三维位置变化量;Δxi2、Δyi2、Δzi2分别为无人机接收应答信号时刻到定位时刻的三维位置变化量;xi、yi、zi分别为地面引导站三维位置;C为光速;δρ为双向对流层延时。
在上述应急机动部署的无人机自主着陆引导系统中,所述地面引导站还包括地面接收天线和第一低噪声放大器,地面接收天线接收机载引导终端发射的下行申请信号,经第一低噪声放大器放大、滤波后送入第一信号处理模块;所述地面引导站还包括地面发射天线和第一功率放大器,第一功率放大器接收所述第一信号处理模块发送的上行应答信号,进行功率放大后经地面发射天线向空间发射。
在上述应急机动部署的无人机自主着陆引导系统中,所述地面引导站还包括第一电源模块,所述第一电源模块为第一信号处理模块和第一数字处理模块供电。
在上述应急机动部署的无人机自主着陆引导系统中,所述n个地面引导站中至少一个地面引导站包含气象传感器,所述气象传感器获取温度、湿度、压力气象参数信息,所述气象参数信息通过应答电文向外发出。
在上述应急机动部署的无人机自主着陆引导系统中,所述地面引导站还包括监控设备,所述监控设备用于监视第一信号处理模块和第一数字处理模块的工作状态及设置设备参数。
在上述应急机动部署的无人机自主着陆引导系统中,所述地面引导站还包括蓄电池,所述蓄电池为地面引导站的各组成部件供电。
在上述应急机动部署的无人机自主着陆引导系统中,所述地面引导站还包括逆变器,所述逆变器将蓄电池输出的直流供电转换为交流供电,用于地面引导站的气象传感器和监控设备供电。
在上述应急机动部署的无人机自主着陆引导系统中,所述机载引导终端还包括机载接收天线和第二低噪声放大器,机载接收天线接收地面引导站发射的应答电文,经第二低噪声放大器放大、滤波后送入第二信号处理模块;所述机载引导终端还包括机载发射天线和第二功率放大器,第二功率放大器接收所述第二信号处理模块发送的模拟信号,进行功率放大后经机载发射天线向空间发射。
在上述应急机动部署的无人机自主着陆引导系统中,所述机载引导终端还包括第二电源模块,所述第二电源模块为第二信号处理模块和第二数字处理模块供电。
一种应急机动部署的无人机自主着陆引导方法,包括:
机载引导终端进行申请电文的组帧和调制,通过机载发射天线向外发出,并记录机载下行信号发射时间t1;
n个地面引导站通过地面接收天线接收机载引导终端发射的申请电文,并记录机载下行信号接收时间;
n个地面引导站进行地面应答电文的组帧和调制,所述应答电文包含从所述记录的机载下行信号接收时间到地面上行信号发射时间的时间间隔△t,并通过地面发射天线向空间发射携带所述应答电文的上行信号;
机载引导终端通过机载接收天线接收地面引导站发射的上行应答信号,并记录地面上行信号接收时间t2;根据所述应答电文中包含的时间间隔△t,以及发射时间t1和接收时间t2,获得机载引导终端和地面引导站之间信号往返时间,根据所述往返时间完成无人机位置的定位解算,并将定位解算结果向外输出用于着陆引导;
n为正整数,且n≥3。
在上述应急机动部署的无人机自主着陆引导方法中,机载引导终端根据所述应答电文中包含的时间间隔△t,以及发射时间t1和接收时间t2,获得机载引导终端和地面引导站之间信号往返时间,根据所述往返时间完成无人机位置的定位解算的方法,包括:
其中,x、y、z为定位时刻无人机位置;ρ为机载引导终端与地面引导站的双向距离;Δxi1、Δyi1、Δzi1分别为无人机发射申请信号时刻到定位时刻的三维位置变化量;Δxi2、Δyi2、Δzi2分别为无人机接收应答信号时刻到定位时刻的三维位置变化量;xi、yi、zi分别为地面引导站三维位置;C为光速;δρ为双向对流层延时。
在上述应急机动部署的无人机自主着陆引导方法中,所述地面引导站包括第一信号处理模块和第一数字处理模块,所述机载引导终端包括第二信号处理模块和第二数字处理模块,所述引导方法包括:
第二数字处理模块进行申请电文的组帧和调制,将调制后的数字信号发送给第二信号处理模块,并记录机载下行信号发射时间t1;
第二信号处理模块接收第二数字处理模块输出的数字信号,依次进行数模转换、低通滤波和上变频处理后发送给机载发射天线,由机载发射天线向空间发射;
第一信号处理模块通过地面接收天线接收机载引导终端发射的申请信号,进行下变频处理和模数转换之后发送给第一数字处理模块;
第一数字处理模块接收第一信号处理模块发送的申请信号,依次进行载波和伪码的捕获、跟踪与解调,解码电文获取机载引导终端的申请电文信息,并记录机载下行信号接收时间;
第一数字处理模块进行地面应答电文的组帧和调制,所述应答电文包含从所述记录的机载下行信号接收时间到地面上行信号发射时间的时间间隔△t,并将携带所述应答电文的数字信号发送给第一信号处理模块;
第一信号处理模块接收第一数字处理模块输出的应答信号,依次进行数模转换、低通滤波和上变频处理后发送给地面发射天线,由地面发射天线向空间发射;
第二信号处理模块通过机载接收天线接收地面引导站发射的应答信号,进行下变频处理和模数转换后发送给第二数字处理模块;
第二数字处理模块接收第二信号处理模块输出的应答信号依次进行载波和伪码的捕获、跟踪与解调,解码电文获取地面引导站的应答电文信息,并记录地面上行信号接收时间t2;根据所述应答电文中包含的时间间隔△t,以及发射时间t1和接收时间t2,获得机载引导终端和地面引导站之间信号往返时间,根据所述往返时间完成无人机位置的定位解算,并将定位解算结果向外输出。
本发明与现有技术相比至少包含如下有益效果:
(1)、本发明公开的应急机动部署的中小型无人机自主着陆引导系统包括多套地面引导站和一套机载引导终端,本发明各地面引导站与机载引导终端构建自组网数据链通信,机载引导终端向地面引导站发射申请信号,并接收地面引导站的应答信号,测量机载引导终端与多个地面引导站的双向距离,同时接收高程信息,解算机载引导终端位置信息,并将位置信息发送给无人机飞控系统,用于无人机着陆引导;本发明采用高程信息作为定位解算约束条件,用于提升无人机距离引导站布设区域较远时的定位精度;本发明地面引导站与机载引导终端构建的自组网数据链系统能够与无人机数据链系统兼容;
(2)、本发明提供的应急机动部署的无人机自主着陆引导系统及引导方法不依赖于卫星导航且可全天候应用,该系统及方法的地面设备能够机动部署,同时设备成本远低于微波着陆系统;
(3)、本发明实现了不依赖卫星导航且可全天候应用的无人机自主引导方法,地面设备可部署在马路等降落区域,实现在应急情况下的紧急降落引导;
(4)、本发明机载引导终端分别测量与三个地面引导站的双向距离,各地面引导站之间不需要时间同步,降低了地面引导站设计和部署的难度;
(5)、本发明融合无人机上原配置的高度表提供的高程信息,定位解算时将高程信息作为约束条件,相当于增加了一个位于地心的地面引导站,可以显著提高无人机距离引导站布设区域较远时的定位精度;
(6)、本发明机载引导终端和各地面引导站在不同时隙发射信号,信息交互采用自组网数据链通信,能够与无人机数据链系统兼容,实现无人机数据链通导一体化。
附图说明
图1为本发明无人机自主着陆引导系统组成图;
图2为本发明地面引导站结构图;
图3为本发明机载引导终端结构图;
图4为本发明无人机自主着陆引导系统工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述:
如图1所示为本发明无人机自主着陆引导系统组成图,本发明引导系统包括n套地面引导站和机载引导终端,其中:
n个地面引导站,通过地面接收天线接收机载引导终端发射的申请信号,并记录机载下行信号接收时间;进行地面应答电文的组帧和调制,所述应答电文包含从所述记录的机载下行信号接收时间到地面上行信号发射时间的时间间隔△t,并通过地面发射天线向空间发射携带所述应答电文的上行信号;
机载引导终端,进行申请电文的组帧和调制,通过机载发射天线向外发出,并记录机载下行信号发射时间t1;通过机载接收天线接收地面引导站发射的应答信号,并记录地面上行信号接收时间t2;根据所述应答电文中包含的时间间隔△t,以及发射时间t1和接收时间t2,获得机载引导终端和地面引导站之间信号往返时间,根据所述往返时间完成无人机位置的定位解算,并将定位解算结果向外输出用于着陆引导;
n为正整数,且n≥3。
如图2所示为本发明地面引导站结构图,地面引导站包括地面引导处理机、引导站收发天线、蓄电池、监控设备、逆变器、气象传感器(选配)及配套电缆,其中地面引导处理机包括第一信号处理模块、第一数字处理模块和第一电源模块,引导站收发天线包括地面接收天线、第一低噪声放大器、第一功率放大器、地面发射天线。
第一信号处理模块,通过地面接收天线接收机载引导终端发射的申请信号,进行下变频处理和模数转换之后发送给第一数字处理模块;接收第一数字处理模块输出的应答信号,依次进行数模转换、低通滤波和上变频处理后发送给地面发射天线;
第一数字处理模块,接收第一信号处理模块发送的申请信号,依次进行载波和伪码的捕获、跟踪与解调,解码电文获取机载引导终端的申请电文信息,并记录机载下行信号接收时间;进行地面应答电文的组帧和调制,所述应答电文包含从所述记录的机载下行信号接收时间到地面上行信号发射时间的时间间隔△t,并将携带所述应答电文的数字信号发送给第一信号处理模块。
地面接收天线,接收机载引导终端发射的申请信号,经第一低噪声放大器放大、滤波后送入第一信号处理模块;
第一功率放大器,接收第一信号处理模块发送的上行应答信号,进行功率放大后经地面发射天线向空间发射;
监控设备,用于监视地面引导处理机中第一信号处理模块和第一数字处理模块的工作状态及设置设备参数。
第一电源模块为第一信号处理模块、第一数字处理模块供电。
蓄电池,为地面引导站的各组成部件供电。
逆变器,将蓄电池输出的直流供电转换为交流供电,用于地面引导站的气象传感器和监控设备供电。
n个地面引导站中至少一个地面引导站包含气象传感器,所述气象传感器获取温度、湿度、压力气象参数信息,所述气象参数信息通过应答电文向外发出。
如图3所示为本发明机载引导终端结构图,每套机载引导终端包括机载收发天线、机载引导处理机以及配套电缆;机载收发天线包括机载接收天线、第二低噪声放大器、第二功率放大器、机载发射天线;机载引导处理机包括第二信号处理模块、第二数字处理模块、第二电源模块。
第二信号处理模块,接收第二数字处理模块输出的数字信号,依次进行数模转换、低通滤波和上变频处理后发送给机载发射天线;通过机载接收天线接收地面引导站发射的应答信号,进行下变频处理和模数转换后发送给第二数字处理模块;
第二数字处理模块,进行申请电文的组帧和调制,将调制后的数字信号发送给第二信号处理模块,并记录机载下行信号发射时间t1;接收第二信号处理模块输出的应答电文依次进行载波和伪码的捕获、跟踪与解调,解码电文获取地面引导站的应答电文信息,并记录地面上行信号接收时间t2;根据所述应答电文中包含的时间间隔△t,以及发射时间t1和接收时间t2,获得机载引导终端和地面引导站之间信号往返时间,根据所述往返时间完成无人机位置的定位解算,并将定位解算结果向外输出。
一可选实施例中,根据应答电文中包含的时间间隔△t,以及发射时间t1和接收时间t2,获得机载引导终端和地面引导站之间信号往返时间,根据所述往返时间完成无人机位置的定位解算的具体计算公式如下:
其中,x、y、z为定位时刻无人机位置,即需要求解的无人机位置的定位解算结果;ρ为机载引导终端与地面引导站的双向距离;Δxi1、Δyi1、Δzi1分别为无人机发射申请信号时刻到定位时刻的三维位置变化量;Δxi2、Δyi2、Δzi2分别为无人机接收应答信号时刻到定位时刻的三维位置变化量;xi、yi、zi分别为地面引导站三维位置;C代表光速;δρ为双向对流层延时。
机载接收天线,接收地面引导站发射的应答信号,经第二低噪声放大器放大、滤波后送入第二信号处理模块。
第二功率放大器,接收第二信号处理模块发送的模拟信号,进行功率放大后经机载发射天线向空间发射。
第二电源模块为第二信号处理模块和第二数字处理模块供电。
本发明提供的应急机动部署的无人机自主着陆引导方法,包括如下步骤:
一、机载引导终端进行申请电文的组帧和调制,通过机载发射天线向外发出,并记录机载下行信号发射时间t1;
二、n个地面引导站通过地面接收天线接收机载引导终端发射的申请电文,并记录机载下行信号接收时间;
三、n个地面引导站进行地面应答电文的组帧和调制,所述应答电文包含从所述记录的机载下行信号接收时间到地面上行信号发射时间的时间间隔△t,并通过地面发射天线向空间发射携带所述应答电文的上行信号;
四、机载引导终端通过机载接收天线接收地面引导站发射的上行应答信号,并记录地面上行信号接收时间t2;根据所述应答电文中包含的时间间隔△t,以及发射时间t1和接收时间t2,获得机载引导终端和地面引导站之间信号往返时间,根据所述往返时间完成无人机位置的定位解算,并将定位解算结果向外输出用于着陆引导;n为正整数,且n≥3。
如图4所示为本发明无人机自主着陆引导系统工作流程图,一可选实施例中,本发明无人机自主着陆引导方法具体包括如下步骤:
(1)、第二数字处理模块进行申请电文的组帧和调制,将调制后的数字信号发送给第二信号处理模块,并记录机载下行信号发射时间t1;第二信号处理模块接收第二数字处理模块输出的数字信号,依次进行数模转换、低通滤波和上变频处理后发送给机载发射天线;
(2)、第一信号处理模块通过地面接收天线接收机载引导终端发射的申请信号,进行下变频处理和模数转换之后发送给第一数字处理模块;
(3)、第一数字处理模块接收第一信号处理模块发送的申请信号,依次进行载波和伪码的捕获、跟踪与解调,解码电文获取机载引导终端的申请电文信息,并记录机载下行信号接收时间;
(4)、第一数字处理模块进行地面应答电文的组帧和调制,所述应答电文包含从所述记录的机载下行信号接收时间到地面上行信号发射时间的时间间隔△t,并将携带所述应答电文的数字信号发送给第一信号处理模块;
(5)、第一信号处理模块接收第一数字处理模块输出的应答信号,依次进行数模转换、低通滤波和上变频处理后发送给地面发射天线;
(6)、第二信号处理模块通过机载接收天线接收地面引导站发射的应答信号,进行下变频处理和模数转换后发送给第二数字处理模块;
(7)、第二数字处理模块接收第二信号处理模块输出的应答信号依次进行载波和伪码的捕获、跟踪与解调,解码电文获取地面引导站的应答电文信息,并记录地面上行信号接收时间t2;根据所述应答电文中包含的时间间隔△t,以及发射时间t1和接收时间t2,获得机载引导终端和地面引导站之间信号往返时间,根据所述往返时间完成无人机位置的定位解算,并将定位解算结果向外输出。
机载引导终端根据所述应答电文中包含的时间间隔△t,以及发射时间t1和接收时间t2,获得机载引导终端和地面引导站之间信号往返时间,根据所述往返时间完成无人机位置的定位解算的方法,包括:
其中,x、y、z是定位时刻无人机位置;ρ为机载引导终端与地面引导站的双向距离;Δxi1、Δyi1、Δzi1分别为无人机发射申请信号时刻到定位时刻的三维位置变化量;Δxi2、Δyi2、Δzi2分别为无人机接收应答信号时刻到定位时刻的三维位置变化量;xi、yi、zi分别为地面引导站三维位置;C代表光速;δρ为双向对流层延时。
本发明机载引导终端向地面引导站发射申请信号,并接收地面引导站的应答信号,测量从发射申请信号到接收应答信号的时间间隔,获取机载引导终端与地面引导站之间的双向距离,根据机载引导终端到三个引导站的双向距离,可以解算出机载引导终端的位置信息。
本发明机载引导终端接收无人机上原配置的高度表提供的高程辅助信息,定位解算时将高度表信息作为约束条件,相当于增加了一个位于地心的地面引导站,可以明显提高无人机距引导站布设区域较远时定位精度。
本发明三套地面引导站可任选一站配置气象传感器,用于测量温度、湿度、压力等气象参数,并将获取的气象参数通过应答电文发送给机载引导终端,机载引导终端采用该参数进行对流层延时计算,能够提高对流层延时估计精度,用其修正机载引导终端与地面引导站之间的测距值,有利于提高定位精度。
本发明机载引导终端和各地面引导站在不同时隙发射信号,进行自组网数据链通信,能够与无人机数据链系统兼容,实现无人机数据链通导一体化。
实施例
如图1所示,一种应急机动部署的中小型无人机自主着陆引导方法,包括三套地面引导站和一套机载引导终端,机载引导终端向地面引导站发射申请信号,地面引导站回复应答信号,机载引导终端接收应答信号,结合无人机飞控系统提供的惯导信息和高程信息,进行定位解算,实现着陆引导。
如图2所示,每套地面引导站包括引导站收发天线、地面引导处理机、气象传感器(选配)、监控设备、蓄电池、逆变器以及配套电缆;
引导站收发天线包括地面接收天线、第一低噪声放大器、第一功率放大器、地面发射天线;
地面引导处理机包括第一信号处理模块、第一数字处理模块、第一电源模块;
气象传感器是地面引导站的选配设备,三个地面引导站中,仅需要其中一个地面引导站配置气象传感器;
监控设备选用手持终端(PDA);
蓄电池采用通用产品,选用锂电池提供24V供电;
逆变器将直流供电转换为交流供电。
如图3所示,每套机载引导终端包括机载收发天线、机载引导处理机以及配套电缆;
机载收发天线包括机载接收天线、第二低噪声放大器、第二功率放大器、机载发射天线;
机载引导处理机包括第二信号处理模块、第二数字处理模块、第二电源模块。
如图4所示,本实施例应急机动部署的中小型无人机自主着陆引导方法中,机载引导终端的数字处理模块进行申请电文的组帧和调制,并将调制后的数字信号发送给信号处理模块,并记录机载下行信号发射时间t1;
信号处理模块接收数字处理模块输出的信号,进行数模转换、低通滤波和上变频处理,变频后的信号发送给机载收发天线;
机载收发天线的功率放大器接收信号处理模块输出信号,进行功率放大并经由发射天线向空间发射申请信号;
引导站收发天线的接收天线接收机载引导终端发射的申请信号,经低噪声放大器放大、滤波后送入地面引导处理机;
地面引导处理机的信号处理模块接收引导站收发天线输出的申请信号,进行下变频处理和模数转换,并送入数字处理模块;
地面引导处理机的数字处理模块接收信号处理模块输出的信号,进行载波和伪码的捕获、跟踪与解调,解码电文获取机载引导终端的申请电文信息,并记录机载下行信号接收时间;
地面引导处理机的数字处理模块进行地面应答电文的组帧和调制,发送到信号处理模块,其中应答电文中包含从机载下行信号接收时间到地面上行信号发射时间的时间间隔△t;
地面引导处理机的信号处理模块接收数字处理模块输出信号,进行数模转换、低通滤波和上变频处理,并将处理后信号发送给引导站收发天线;
引导站收发天线的功率放大器接收地面引导处理机输出信号,进行功率放大,并经由发射天线向空间发射应答信号;
机载收发天线的接收天线接收地面引导站发射的应答信号,经低噪声放大器放大、滤波后送入机载引导处理机;
机载引导处理机的信号处理模块进行下变频处理和模数转换,处理后的信号发送给数字处理模块;
机载引导处理机的数字处理模块接收信号处理模块输出的信号,进行载波和伪码的捕获、跟踪与解调,解码电文获取地面引导站的应答电文信息,记录地面上行信号接收时间t2,获取机载引导终端和地面引导站之间信号往返时间,根据三个引导站的往返时间信息进行定位解算,向无人机控制系统发送实时定位结果,用于着陆引导。
地面引导站的气象传感器获取温度、湿度、压力等气象参数信息,气象参数输出给地面引导处理机,通过应答电文向外播发;
地面引导站的监控设备用于监视地面引导站工作状态及设置设备参数;
地面引导站的蓄电池向地面引导站各组成设备供电,便于地面引导站机动部署;
地面引导站的逆变器将蓄电池输出的直流供电转换为交流供电,用于地面站的气象传感器和监控设备供电。
如图4所示,本发明的无人机自主引导系统通过以下步骤实现无人机自主着陆引导:
a)在跑道顶端和两侧部署三个地面引导站,通过全站仪进行站址标定。
b)设置地面引导站站址和编号,地面引导站启动工作。
c)机载引导终端发射申请信号,并记录信号发射时间(t1)。
d)地面引导站接收到机载引导终端的申请信号,根据引导站编号延迟不同时间发射应答信号,应答信号携带的电文包含从接收申请信号到发送应答信号的时间间隔信息,此外,站址信息和气象参数信息也随应答电文播发。
e)机载引导终端接收地面引导站的应答信号,测量应答信号的到达时间(t2),解码电文,获取地面引导站从接收申请信号到发送应答信号的时间间隔信息(△t)、站址信息(xi、yi、zi)以及气象参数信息。
可得到机载引导终端与地面引导站的双向距离:
上式中,C代表光速;x、y、z是定位时刻无人机位置;Δxi1、Δyi1、Δzi1是无人机发射申请信号时刻到定位时刻的三维位置变化量,Δxi2、Δyi2、Δzi2是无人机接收应答信号时刻到定位时刻的三维位置变化量(惯导获取),上述位置变化量可以从无人机上的惯导信息获得;δρ是双向对流层延时,是根据气象参数计算获得。
f)机载引导终端接收无人机上高度表测量的高程信息,作为定位解算的约束条件,等效于增加了一个位于地心的引导站。
g)机载引导终端接收三个地面引导站的应答信号,并结合高程信息进行定位解算,将定位结果发送给无人机飞控系统进行着陆引导。
i)无人机飞控系统接收机载引导终端发送的定位信息,用于无人机着陆引导。
本发明包括以下功能:
(1)不依赖卫星导航的全天候定位功能
机载引导终端接收地面引导站信号,结合无人机上已有设备提供的惯导信息和高程信息,实现全天候实时定位,系统工作完全不依赖卫星导航系统,可以作为卫星导航拒止环境下的无人机着陆引导手段。
(2)无人机数据链通导一体化功能
本发明机载引导终端申请信号和各地面引导站应答在不同时隙发射,采用自组网数据链通信,能够与无人机数据链系统兼容,使数据链系统在原有通信功能的基础上增加导航定位功能,实现无人机数据链通导一体化。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
Claims (15)
1.一种应急机动部署的无人机自主着陆引导系统,其特征在于,包括:
n个地面引导站,通过地面接收天线接收机载引导终端发射的申请电文,并记录机载下行信号接收时间;进行地面应答电文的组帧和调制,所述应答电文包含从所述记录的机载下行信号接收时间到地面上行信号发射时间的时间间隔△t,并通过地面发射天线向空间发射携带所述应答电文的上行应答信号;
机载引导终端,进行申请电文的组帧和调制,通过机载发射天线向外发出,并记录机载下行信号发射时间t1;通过机载接收天线接收地面引导站发射的上行应答信号,并记录地面上行信号接收时间t2;根据所述应答电文中包含的时间间隔△t,以及发射时间t1和接收时间t2,获得机载引导终端和地面引导站之间信号往返时间,根据所述往返时间完成无人机位置的定位解算,并将定位解算结果向外输出用于着陆引导;
n为正整数,且n≥3。
2.根据权利要求1所述的应急机动部署的无人机自主着陆引导系统,其特征在于,所述地面引导站包括第一信号处理模块和第一数字处理模块,其中:
第一信号处理模块,通过地面接收天线接收机载引导终端发射的下行申请信号,进行下变频处理和模数转换之后发送给第一数字处理模块;接收第一数字处理模块输出的已调制应答电文的数字信号,依次进行数模转换、低通滤波和上变频处理后发送给地面发射天线;
第一数字处理模块,接收第一信号处理模块发送的下行申请信号,依次进行载波和伪码的捕获、跟踪与解调,解码电文获取机载引导终端的申请电文信息,并记录机载下行信号接收时间;进行地面应答电文的组帧和调制,所述应答电文包含从所述记录的机载下行信号接收时间到地面上行信号发射时间的时间间隔△t,并将已调制应答电文的数字信号发送给第一信号处理模块。
3.根据权利要求1所述的应急机动部署的无人机自主着陆引导系统,其特征在于,所述机载引导终端包括第二信号处理模块和第二数字处理模块,其中:
第二信号处理模块,接收第二数字处理模块输出的数字信号,依次进行数模转换、低通滤波和上变频处理后发送给机载发射天线;通过机载接收天线接收地面引导站发射的上行应答信号,进行下变频处理和模数转换后发送给第二数字处理模块;
第二数字处理模块,进行申请电文的组帧和调制,将调制后的数字信号发送给第二信号处理模块,并记录机载下行信号发射时间t1;接收第二信号处理模块输出的上行应答信号依次进行载波和伪码的捕获、跟踪与解调,解码电文获取地面引导站的应答电文信息,并记录地面上行信号接收时间t2;根据所述应答电文中包含的时间间隔△t,以及发射时间t1和接收时间t2,获得机载引导终端和地面引导站之间信号往返时间,根据所述往返时间完成无人机位置的定位解算,并将定位解算结果向外输出。
5.根据权利要求2所述的应急机动部署的无人机自主着陆引导系统,其特征在于,所述地面引导站还包括地面接收天线和第一低噪声放大器,地面接收天线接收机载引导终端发射的下行申请信号,经第一低噪声放大器放大、滤波后送入第一信号处理模块;
所述地面引导站还包括地面发射天线和第一功率放大器,第一功率放大器接收所述第一信号处理模块发送的上行应答信号,进行功率放大后经地面发射天线向空间发射。
6.根据权利要求2所述的应急机动部署的无人机自主着陆引导系统,其特征在于,所述地面引导站还包括第一电源模块,所述第一电源模块为第一信号处理模块和第一数字处理模块供电。
7.根据权利要求1所述的应急机动部署的无人机自主着陆引导系统,其特征在于,所述n个地面引导站中至少一个地面引导站包含气象传感器,所述气象传感器获取温度、湿度、压力气象参数信息,所述气象参数信息通过应答电文向外发出。
8.根据权利要求2所述的应急机动部署的无人机自主着陆引导系统,其特征在于,所述地面引导站还包括监控设备,所述监控设备用于监视第一信号处理模块和第一数字处理模块的工作状态及设置设备参数。
9.根据权利要求1或2所述的应急机动部署的无人机自主着陆引导系统,其特征在于,所述地面引导站还包括蓄电池,所述蓄电池为地面引导站的各组成部件供电。
10.根据权利要求9所述的应急机动部署的无人机自主着陆引导系统,其特征在于,所述地面引导站还包括逆变器,所述逆变器将蓄电池输出的直流供电转换为交流供电,用于地面引导站的气象传感器和监控设备供电。
11.根据权利要求3所述的应急机动部署的无人机自主着陆引导系统,其特征在于,所述机载引导终端还包括机载接收天线和第二低噪声放大器,机载接收天线接收地面引导站发射的应答电文,经第二低噪声放大器放大、滤波后送入第二信号处理模块;
所述机载引导终端还包括机载发射天线和第二功率放大器,第二功率放大器接收所述第二信号处理模块发送的模拟信号,进行功率放大后经机载发射天线向空间发射。
12.根据权利要求3所述的应急机动部署的无人机自主着陆引导系统,其特征在于,所述机载引导终端还包括第二电源模块,所述第二电源模块为第二信号处理模块和第二数字处理模块供电。
13.一种应急机动部署的无人机自主着陆引导方法,其特征在于,包括:
机载引导终端进行申请电文的组帧和调制,通过机载发射天线向外发出,并记录机载下行信号发射时间t1;
n个地面引导站通过地面接收天线接收机载引导终端发射的申请电文,并记录机载下行信号接收时间;
n个地面引导站进行地面应答电文的组帧和调制,所述应答电文包含从所述记录的机载下行信号接收时间到地面上行信号发射时间的时间间隔△t,并通过地面发射天线向空间发射携带所述应答电文的上行信号;
机载引导终端通过机载接收天线接收地面引导站发射的上行应答信号,并记录地面上行信号接收时间t2;根据所述应答电文中包含的时间间隔△t,以及发射时间t1和接收时间t2,获得机载引导终端和地面引导站之间信号往返时间,根据所述往返时间完成无人机位置的定位解算,并将定位解算结果向外输出用于着陆引导;
n为正整数,且n≥3。
15.根据权利要求13所述的应急机动部署的无人机自主着陆引导方法,其特征在于:所述地面引导站包括第一信号处理模块和第一数字处理模块,所述机载引导终端包括第二信号处理模块和第二数字处理模块,所述引导方法包括:
第二数字处理模块进行申请电文的组帧和调制,将调制后的数字信号发送给第二信号处理模块,并记录机载下行信号发射时间t1;
第二信号处理模块接收第二数字处理模块输出的数字信号,依次进行数模转换、低通滤波和上变频处理后发送给机载发射天线,由机载发射天线向空间发射;
第一信号处理模块通过地面接收天线接收机载引导终端发射的申请信号,进行下变频处理和模数转换之后发送给第一数字处理模块;
第一数字处理模块接收第一信号处理模块发送的申请信号,依次进行载波和伪码的捕获、跟踪与解调,解码电文获取机载引导终端的申请电文信息,并记录机载下行信号接收时间;
第一数字处理模块进行地面应答电文的组帧和调制,所述应答电文包含从所述记录的机载下行信号接收时间到地面上行信号发射时间的时间间隔△t,并将携带所述应答电文的数字信号发送给第一信号处理模块;
第一信号处理模块接收第一数字处理模块输出的应答信号,依次进行数模转换、低通滤波和上变频处理后发送给地面发射天线,由地面发射天线向空间发射;
第二信号处理模块通过机载接收天线接收地面引导站发射的应答信号,进行下变频处理和模数转换后发送给第二数字处理模块;
第二数字处理模块接收第二信号处理模块输出的应答信号依次进行载波和伪码的捕获、跟踪与解调,解码电文获取地面引导站的应答电文信息,并记录地面上行信号接收时间t2;根据所述应答电文中包含的时间间隔△t,以及发射时间t1和接收时间t2,获得机载引导终端和地面引导站之间信号往返时间,根据所述往返时间完成无人机位置的定位解算,并将定位解算结果向外输出。
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