CN116794616A - 一种基于脱靶量融合计算的无人机校相方法、设备、装置及存储介质 - Google Patents

一种基于脱靶量融合计算的无人机校相方法、设备、装置及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于脱靶量融合计算的无人机校相方法、设备、装置及存储介质。本方法以微光电视脱靶量提取与快速校相算法相结合。其中，该方法包括基于伺服系统通过微光电视获取悬停偏差量，计算出无人机相对天线间的准确角度信息数据，记录脱靶量为零时刻天线编码器的角度，调整天线方位俯仰角，分别读取脱靶量值和输出电压值，计算出相位及定向灵敏度系数，将得到的移相值、定向灵敏度系数添加至数字基带中。本发明解决了使用无人机作为信标塔时的快速校相算法存在的误差，即定向灵敏度不准确则会导致数字基带接收解调后的误差电压不能准确反应真实的目标空间位置，最终给跟踪测量带来影响的技术问题。

Description

一种基于脱靶量融合计算的无人机校相方法、设备、装置及存 储介质
技术领域
本发明属于无线电测控技术领域，尤其涉及一种基于脱靶量融合计算的无人机校相方法、设备、装置及存储介质。
背景技术
在航天及靶场测控任务中，对于双通道单脉冲、或单通道单脉冲体制的跟踪测量设备，为消除和差通道相位差，跟踪前的相位校准(简称校相)是必不可少的工作流程之一，一般情况下校相工作需满足以下两个条件，一是校相所用的信标应满足设备天线远场空间距离，二是校相过程中为信标信号免受地面反射波影响，天线需工作在一定仰角，因此为解决该问题，固定站测控设备一般采用建设标校塔、陆上机动测控设备一般采用架设标校杆、海上测量船一般采用放球等方法完成设备的校相，通过上述手段，可满足测控设备校相所需的远场空间距离和天线工作仰角。
在校相中，对于低频段、小口径天线，在距离天线几十米或者上百米位置处建立十五米高的标校塔则可满足校相的要求，但随着测控技术的发展，高频段大口径的测控天线在测控领域具有了广泛的应用，天线频段的提高、口径的增大必然会使天线校相时的远场空间距离增大，同时为满足一定仰角，标校塔的高度就需要建设的很高，以3.8m口径的Ka频段机动测控天线为例，标准测试场需建设至2.8km外，3°以上的标校塔高度为140m，在日常的相位校准时，以1/4远场距离计算，也需要将标校塔建设至800m，37m高的位置，这对于固定测控站点来说建设成本大，对于机动测控设备架设这样的标校设施不但成本极高并且实现难度大、耗时长。对此，科研人员提出了很多新的校相方法，其中张垚、全录贤等人提出了采用射电星校相的方法，但该方法适用局限性较大，射电星校相适合大口径天线如35米、66米口径天线，对于小口径天线，G/T值比较低，射电星校相就不太适合了；华林提出了采用偏馈校记忆法校相，也称之为近场校相法，该方法是在测量船出海前，在码头将设备按一定频率间隔和不同设备组合将对塔和偏馈角误差信号标出，出海后可对任意频点和设备组合通过偏馈标校计算即可得到海上系统校相值，偏馈记忆法校相可以克服船摇带来的影响，是一种比较简单易行的方法，但由于海上温度、湿度等条件与陆地上不完全相同，得到的角跟踪值精度不是很高，同时采用该方法完成校相后还需要采用放球等手段进行校相结果的验证；雷鸣提出了基于无人机平台校相方法，但由于无人机悬停精度的影响，无人机在空中悬停受到风等外界环境变化的影响，无人机校相只适合在无风环境下开展，校相过程中受到的局限性较多；为解决无人机校相过程中零点不固定的问题，洪宇,吴宗清等人提出了基于S频段天线自跟踪叠加偏置进行Ka频段校相方法，该方法很好的解决了无人机校相过程悬停不稳造成的零点偏差，但该方法也存在一定的局限性，具体表现在：一是采用无人机校相的天线必须具备多频段跟踪解调能力，如Ka、X、S同源，由于同一天线的低频段校相要求的标校条件较容易实现，所以在完成低频段校相的基础上，采用低频段跟踪无人机搭载的低频信标，而后再采用在自跟踪低频信号的基础上叠加偏置量完成高频段校相，现实情况下，很多测控设备不具备多频跟踪解调能力；二是在标校过程中，需要完成两次校相，准备校相过程耗时较长。
现有技术中有一种快速校相算法无需准确找到天线相对于信标的电零点，这对于无人机校相来说是有益的，但由于无人机无法准确悬停特点，在校相过程中存在误差，即悬停不稳造成空间角度偏差会带来定向灵敏度不准确，悬停不稳造成的误差电压偏差则会导致校准后的和差通道相位不准确，最终使误差电压不能准确反应真实的目标空间位置，给跟踪测量带来影响。
发明内容
为解决上述背景技术中无人机校相存在的误差，即悬停不稳造成空间角度偏差会带来定向灵敏度不准确，悬停不稳造成的误差电压偏差则会导致校准后的和差通道相位不准确，最终使误差电压不能准确反应真实的目标空间位置，给跟踪测量带来影响的技术问题。
本发明提供一种基于脱靶量融合计算的无人机校相方法、设备、装置及存储介质，本方法以微光电视脱靶量提取与快速校相算法相结合，提出一种新的无人机校相方法，采用如下方案：
校相开始，微光电视将无人机的脱靶量信息提供给伺服系统，伺服系统分别采集脱靶量为零时刻和方位或俯仰拉偏时刻天线编码器角度信息,同时采集所述脱靶量为零时刻和所述方位或俯仰拉偏时刻无人机在微光电视中的脱靶量值与基带接收解调的误差电压值，计算出移相值和定向灵敏度系数并添加到数字基带中，校相完成。
优选的，基于脱靶量融合计算的无人机校相方法，具体包括以下步骤：
S01校相开始，无人机悬停于预定空域，调整天线使无人机处于电视视场中，伺服系统采用电视跟踪工作方式，微光电视捕获并跟踪目标，确认测控设备接收解调信标信号正常，伺服系统解调角误差信号正常；
S02定义任意时刻微光电视持续向伺服系统输出脱靶量信息(Agi，Egi)，定义任意时刻数字基带向伺服系统解调输出误差电压信息为(Uai，Uei)，采用微光电视跟踪并积累20s跟踪数据；
S03选取积累数据中两个不同脱靶量与误差电压对应值，提取O1点处方位脱靶量及误差电压为(Ag1、Ua1)、俯仰脱靶量及误差电压为(Eg1、Ue1)，提取O2点处方位脱靶量及误差电压为(Ag2、Ua2)、俯仰脱靶量及误差电压为(Eg2、Ue2)，根据01、02点处数据分别拟合出方位脱靶量与方位误差电压函数曲线、俯仰脱靶量与俯仰误差电压函数曲线；
S04t0时刻，伺服系统保持电视跟踪工作方式，提取脱靶量为零时刻的天线编码器角度为(A0，E0)，误差电压值为(Ua0，Ue0)，定义该天线编码器位置为P0点；
S05t1时刻，伺服系统由电视跟踪工作方式切换至指向工作方式，将天线在方位或俯仰方向拉偏xmil至p1点，天线编码器的角度为(A1，E1)，伺服系统读取脱靶量值为(Ag1，Eg1)、误差电压值为(Ua1，Ue1)；
S06根据天线拉偏角度与脱靶量角度做差，得到角度补偿值为(ΔAg，ΔEg)，求得该脱靶量下的误差电压值为(ΔUa，ΔUe)；
S07根据公式计算移相值及定向灵敏度系数；
S08将所述步骤校相得到的移相值定向灵敏度系数C添加至数字基带中，交叉耦合检查，校相结束。
优选的，采用步骤4、5中相关参量计算相位及定向灵敏度系数：
对左旋圆极化波，校相后移相值:
对右旋圆极化波，校相后移相值:
优选的，所述定向灵敏度系数为：
方位方向拉偏时：
俯仰方向拉偏时：
公式中：Δψ—为移相值
C—为定向灵敏度系数
C0—为信道初始增益因子
k—为天线额定定向灵敏度。
优选的，本发明还提供一种无人机校相的装置，包括微光电视跟踪显示系统、测控设备天伺馈分系统和无人机、数字基带，无人机携带有小型化信标机，微光电视跟踪系统主要有微光电视与相关控制软件组成,安装于天线俯仰轴上，完成对可见目标的跟踪测量和脱靶量提取等工作,测控设备天伺馈分系统主要完成无人机信标发出的无线电信号的接收解调。
本发明还提供一种无人机校相的测控设备，包括至少一个处理器和至少一个存储器，至少一个所述存储器中存储有程序指令，至少一个所述处理器读取所述程序指令后执行以上任一项所述的无人机快速校相方法。
本发明还提供一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述中任一项所述的方法的步骤。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
使用该方法进行无人机校相可大幅提高复杂环境下无人机校相的适应能力，在测控设备保精度跟踪性能、无人机抗风性能要求的范围内，可完成测控设备的无人机校相工作。该方法对于绝大多数测控设备，在具备电视跟踪的条件下，可不进行系统硬件改造，通过优化伺服控制软件、校相算法等工作则可完成无人机校相工作，在工程实践中，对于标校条件要求苛刻的大口径、高频段测控设备尤其是机动、船载测控设备，推广意义较大。
附图说明
图1为本发明无人机校相系统组成框图；
图2为t0时刻微光电视跟踪实况图；
图3为t1时刻微光电视采集脱靶量画面图；
图4为无人机校相自动化流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。以下将结合本发明实施例，对本发明的技术方案做进一步描述，本发明不仅限于以下具体实施方式。
在本发明的一个具体实施方式中，一种基于脱靶量融合计算的无人机校相方法，包括微光电视将无人机的脱靶量信息提供给伺服系统，伺服系统分别采集脱靶量为零时刻和方位或俯仰拉偏时刻天线编码器角度信息,同时采集所述脱靶量为零时刻和所述方位或俯仰拉偏时刻无人机在微光电视中的脱靶量值与基带接收解调的误差电压值，计算出移相值和定向灵敏度系数并添加到数字基带中，校相完成。
无线电测控设备配备可用于跟踪的微光电视，微光电视主要用于设备日常的对标、对星、遮挡检查、近距离目标跟踪等任务，本方法以微光电视脱靶量提取与快速校相算法相结合,在进行无人机校相时可解决由于无人机悬停不稳定带来的校相误差。
该方法具体包括如下步骤：
S01校相开始，无人机悬停于预定空域，调整天线使无人机处于电视视场中，伺服系统采用电视跟踪工作方式，微光电视捕获并跟踪目标，确认测控设备接收解调信标信号正常，伺服系统解调角误差信号正常；
S02定义任意时刻微光电视持续向伺服系统输出脱靶量信息(Agi，Egi)，定义任意时刻数字基带向伺服系统解调输出误差电压信息为(Uai，Uei)，采用微光电视跟踪并积累20s跟踪数据；
S03选取积累数据中两个不同脱靶量与误差电压对应值，提取O1点处方位脱靶量及误差电压为(Ag1、Ua1)、俯仰脱靶量及误差电压为(Eg1、Ue1)，提取O2点处方位脱靶量及误差电压为(Ag2、Ua2)、俯仰脱靶量及误差电压为(Eg2、Ue2)，根据01、02点处数据分别拟合出方位脱靶量与方位误差电压函数曲线、俯仰脱靶量与俯仰误差电压函数曲线；
S04t0时刻，伺服系统保持电视跟踪工作方式，提取脱靶量为零时刻的天线编码器角度为(A0，E0)，误差电压值为(Ua0，Ue0)，定义该天线编码器位置为P0点；
S05t1时刻，伺服系统由电视跟踪工作方式切换至指向工作方式，将天线在方位或俯仰方向拉偏xmil至p1点，天线编码器的角度为(A1，E1)，伺服系统读取脱靶量值为(Ag1，Eg1)、误差电压值为(Ua1，Ue1)；
S06根据天线拉偏角度与脱靶量角度做差，得到角度补偿值为(ΔAg，ΔEg)，求得该脱靶量下的误差电压值为(ΔUa，ΔUe)；
S07根据公式计算移相值及定向灵敏度系数；
S08将所述步骤校相得到的移相值定向灵敏度系数C添加至数字基带中，交叉耦合检查，校相结束。
在其中一种具体实施例中，步骤S01中，基于脱靶量融合计算的无人机校相方法校相方法包括以下步骤：
微光电视由于口径较小，一般安装于天线俯仰轴上，按照测控天线三轴一致性原则，如图2所示，当微光电视光轴对准无人机时，无人机处于天线主波束内。
在其中一种具体实施例中，步骤S02中，基于脱靶量融合计算的无人机校相方法包括以下步骤：
由于无人机悬停不稳，造成的悬停偏差量可反应至微光电视脱靶量信息中，微光电视将脱靶量信息提供给伺服系统，伺服系统采集当前天线编码器角度信息与脱靶量信息。
在其中一种具体实施例中，步骤S04中，基于脱靶量融合计算的无人机校相方法包括以下步骤：
保持脱靶量信息持续向伺服系统输出，在此过程中伺服系统记录脱靶量为零时刻天线编码器的角度为(A0，E0)，记录该脱靶量下的误差电压值为(Ua0，Ue0)，定义该时刻为t0时刻，定义该点为P0点。
在其中一种具体实施例中，步骤S05中，基于脱靶量融合计算的无人机校相方法包括以下步骤：
t1时刻，伺服系统由电视跟踪工作方式切换至指向工作方式，将天线在方位或俯仰方向拉偏xmil至p1点，待天线稳定后此时天线编码器的角度为(A1，E1)，伺服系统读取脱靶量值为(Ag1，Eg1)、误差电压值为(Ua1，Ue1)，将上述两组值记为p1点处相位计算量相关参量，图3为t2时刻，微光电视提取脱靶量情况。
在其中一种具体实施例中，步骤S06中，基于脱靶量融合计算的无人机校相方法包括以下步骤：
计算p1点处角度及误差电压补偿值。将t1时刻采集的编码器角度(A1，E1)与脱靶量值为(Ag1，Eg1)作差，得到得到角度补偿值为(ΔAg，ΔEg)，求得该脱靶量下的误差电压值(ΔUa，ΔUe)。
在其中一种具体实施例中，步骤S07中，基于脱靶量融合计算的无人机校相方法包括以下步骤：
采用步骤4、5中相关参量计算相位及定向灵敏度系数：
对左旋圆极化波，校相后移相值:
对右旋圆极化波，校相后移相值:
所述定向灵敏度系数为：
方位方向拉偏时：
俯仰方向拉偏时：
公式中：Δψ—为移相值
C—为定向灵敏度系数
C0—为信道初始增益因子
k—为天线额定定向灵敏度。
将步骤校相得到的移相值Δψ、定向灵敏度系数C添加至数字基带中，校相耦合检查，校相完成。
此外，在上述步骤七中，所述角度补偿值的原理及计算过程如下：
S01积累补偿数据；
无人机搭载信标机飞行至满足测控设备远场条件的预定空域悬停，伺服系统采用电视跟踪工作方式，使微光电视捕获并跟踪目标，确认测控设备接收解调信标信号正常，伺服系统解调角误差信号正常；定义任意时刻微光电视持续向伺服系统输出脱靶量信息为(Agi，Egi)，定义任意时刻数字基带向伺服系统解调输出误差电压信息为(Uai，Uei)，满足上述条件后，伺服工作方式切换至指向，记录在电视跟踪、指向工作方式下脱靶量及误差电压数据，其中在电视跟踪工作方式下积累数据大于5s，在指向工作方式下积累数据15s；
S02脱靶量与误差电压曲线拟合；
①选取积累数据中两个不同脱靶量与误差电压对应值，O1点处方位脱靶量及误差电压(Ag1、Ua1)、俯仰脱靶量及误差电压(Eg1、Ue1)，O2点处方位脱靶量及误差电压(Ag2，Ua2)、俯仰脱靶量及误差电压(Eg2，Ue2)，且Ag1≠Ag2、Ua1≠Ua2、Eg1≠Eg2、Ue1≠Ue2，建立关于脱靶量ΔAg和对应误差电压ΔUa方位拟合方程如下：
建立关于脱靶量ΔEg和对应误差电压ΔUe方位拟合方程如下：
②由式(1)(2)最终得到误差电压关于脱靶量的拟合函数，方位、俯仰分别为：
f(ΔUa)＝αΔAg+β (3)
f(ΔUe)＝μΔEg+ν (4)
其中，α、β为方位函数拟合系数，μ、ν为俯仰函数拟合系数，其中f(ΔUa)、f(ΔUe)∈[-5V，5V]。
S03角度补偿量判断；
天线沿着方位方向由P0点拉偏xmil至p1点，P0点处脱靶量应为0，p1点处脱靶量为(Ag1，Eg1)那么：
x-Ag1＝ΔAg
上式中ΔAg为方位角度补偿量，该值为零时无需补偿；
同理，在俯仰方向，俯仰脱靶量Eg1则等于角度补偿量ΔEg，该值为零时无需补偿；
Eg1＝ΔEg
S04误差电压补偿；
计算出角度补偿量计算出角度补偿量ΔAg、ΔEg，而后代入式(3)(4)中，通过方位、俯仰拟合函数，求得该脱靶量下的误差电压补偿量ΔUa、ΔUe，在进行移相器值、定向灵敏度计算时，将补偿量ΔUa、ΔUe添加至计算公式中进行相应的计算。
为解决上述技术问题，本发明还涉及一种无人机校相的装置，包括微光电视跟踪显示系统、测控设备伺服系统和无人机、数字基带，无人机携带有小型化信标机，微光电视跟踪系统主要有微光电视与相关控制软件组成,安装于天线俯仰轴上，完成对可见目标的跟踪测量和脱靶量提取等工作；测控设备伺服系统主要完成无人机信标发出的无线电信号的接收解调。
该方法基于测控设备端已有的成熟系统完成无人机校相工作。在测控设备端主要有微光电视跟踪显示系统、测控设备伺服系统、数字基带，在无人机端主要有通用型无人机平台、小型化信标机，其中无人机平台可采用市场上通用成熟的产品，主要根据测控设备校相所需的远场距离、信标机载荷、无人机控制距离等参数确定选型；小型化信标机在当前测控设备上已经大量使用，可供选用的各频段信标机成熟可靠。微光电视跟踪系统在当前测控设备中已大量使用，其主要有微光电视与相关控制软件组成，可完成对可见目标的跟踪测量和脱靶量提取等工作；测控设备伺服系统主要完成无人机信标发出的无线电信号的接收解调，用于无人机校相的系统组成如图1所示。使用该系统与快速校相算法相结合，在进行无人机校相时可解决由于无人机悬停不稳定带来的校相误差。
为解决上述技术问题，优选的，本发明还涉及一种无人机校相的测控设备，包括至少一个处理器和至少一个存储器，至少一个所述存储器中存储有程序指令，至少一个所述处理器读取所述程序指令后执行以上任一项所述的无人机快速校相方法。
为解决上述技术问题，优选的，本发明还涉及一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时上述所述的方法的步骤。
自动化校相流程在测控设备中已经广泛应用，在本方法中，由于需要提取实时脱靶量信息与误差电压信息，人工操作过程复杂，实现自动化是必要的，自动化流程既可以保证校相准确性，又能提高无人机校相的速度，减低人工操作过程中出错的概率。按照校相过程时序，自动校相流程如图4所示。
使用该方法进行无人机校相可大幅提高复杂环境下无人机校相的适应能力，在测控设备保精度跟踪性能、无人机抗风性能要求的范围内，可完测控设备的无人机校相工作。该方法对于绝大多数测控设备，在具备电视跟踪的条件下，可不进行系统硬件改造，通过优化伺服控制软件、校相算法等工作则可完成无人机校相工作，在工程实践中，对于标校条件要求苛刻的大口径、高频段测控设备尤其是机动、船载测控设备，推广意义较大。

Claims (7)

1.一种基于脱靶量融合计算的无人机校相方法，其特征在于，微光电视将无人机的脱靶量信息提供给伺服系统，伺服系统分别采集脱靶量为零时刻和方位或俯仰拉偏时刻天线编码器角度信息,同时采集所述脱靶量为零时刻和所述方位或俯仰拉偏时刻无人机在微光电视中的脱靶量值与基带接收解调的误差电压值，计算出移相值和定向灵敏度系数并添加到数字基带中，校相完成。
2.根据权利要求1所述的基于脱靶量融合计算的无人机校相方法，其特征在于，微光电视脱靶量提取与快速校相算法相结合，具体包括以下步骤：
步骤一：校相开始，无人机悬停于预定空域，调整天线使无人机处于电视视场中，伺服系统采用电视跟踪工作方式，微光电视捕获并跟踪目标，确认测控设备接收解调信标信号正常，伺服系统解调角误差信号正常；
步骤二：定义任意时刻微光电视持续向伺服系统输出脱靶量信息(Agi，Egi)，定义任意时刻数字基带向伺服系统解调输出误差电压信息为(Uai，Uei)，采用微光电视跟踪并积累20s跟踪数据；
步骤三：选取积累数据中两个不同脱靶量与误差电压对应值，提取O1点处方位脱靶量及误差电压为(Ag1、Ua1)、俯仰脱靶量及误差电压为(Eg1、Ue1)，提取O2点处方位脱靶量及误差电压为(Ag2、Ua2)、俯仰脱靶量及误差电压为(Eg2、Ue2)，根据01、02点处数据分别拟合出方位脱靶量与方位误差电压函数曲线、俯仰脱靶量与俯仰误差电压函数曲线；
步骤四：t0时刻，伺服系统保持电视跟踪工作方式，提取脱靶量为零时刻的天线编码器角度为(A0，E0)，误差电压值为(Ua0，Ue0)，定义该天线编码器位置为P0点；
步骤五：t1时刻，伺服系统由电视跟踪工作方式切换至指向工作方式，将天线在方位或俯仰方向拉偏xmil至p1点，天线编码器的角度为(A1，E1)，伺服系统读取脱靶量值为(Ag1，Eg1)、误差电压值为(Ua1，Ue1)
步骤六：根据天线拉偏角度与脱靶量角度做差，得到角度补偿值为(ΔAg，ΔEg)，求得该脱靶量下的误差电压值为(ΔUa，ΔUe)；
步骤七：根据公式计算移相值及定向灵敏度系数；
步骤八：将所述步骤校相得到的移相值定向灵敏度系数C添加至数字基带中，交叉耦合检查，校相结束。
3.根据权利要求2所述的基于脱靶量融合计算的无人机校相方法，其特征在于，左旋圆极化波，校相后移相值右旋圆极化波，校相后移相值/>
公式中：Δψ0—为移相初始相移量。
4.根据权利要求2所述的基于脱靶量融合计算的无人机校相方法，其特征在于，所述方位方向拉偏时定向灵敏度系数为：
所述俯仰方向拉偏时定向灵敏度系数为：
公式中：c0—为信道初始增益因子，k—为天线额定定向灵敏度。
5.一种无人机校相的装置，其特征在于，包括微光电视跟踪显示系统、测控设备天伺馈分系统和无人机、数字基带，无人机携带有小型化信标机，微光电视跟踪系统主要有微光电视与相关控制软件组成,安装于天线俯仰轴上，完成对可见目标的跟踪测量和脱靶量提取等工作；测控设备天伺馈分系统主要完成无人机信标发出的无线电信号的接收解调。
6.一种无人机校相的测控设备，其特征在于，包括至少一个处理器和至少一个存储器，至少一个所述存储器中存储有程序指令，至少一个所述处理器读取所述程序指令后执行以上任一项所述的无人机快速校相方法。
7.一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的方法的步骤。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117713957A (zh) * 2024-02-06 2024-03-15 天津航天中为数据系统科技有限公司 一种单脉冲无人机跟踪与自适应校相的方法

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