樊瓊劍，高 翔，丁 吉，王鳳仙

(空軍航空大學(xué)，長(zhǎng)春 130022)

隨著信息、電子、材料等技術(shù)的快速發(fā)展，中小型無(wú)人機(jī)各項(xiàng)性能也得到了極大提升，應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)展為城市交通監(jiān)測(cè)、氣象水文、地形測(cè)繪、地雷/水雷探測(cè)和核生化探測(cè)等任務(wù)，無(wú)人機(jī)的活動(dòng)空間隨之變大，這對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)載設(shè)備的圖像、數(shù)據(jù)收發(fā)監(jiān)測(cè)以及無(wú)人機(jī)飛行的安全操縱控制都提出了越來(lái)越高的要求。由于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)收發(fā)都是通過(guò)無(wú)線通訊系統(tǒng)完成，而在該系統(tǒng)中天線是重要組成部分。考慮到全向天線存在增益低、干擾大、多徑效應(yīng)等問(wèn)題，因此飛行滯空時(shí)間超過(guò)1 h的中小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)都會(huì)采用具有方向性增益的定向天線。

目前，中小型長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)所使用的定向天線多采用固定安置方式，每次天線打開時(shí)，需要通過(guò)人工方式尋找基準(zhǔn)位置，而定向天線的工作中心頻率大多在微波波段，頻率較高，天線主瓣較窄，，只有發(fā)射天線和接收天線主瓣對(duì)準(zhǔn)程度高時(shí)才會(huì)產(chǎn)生較高增益，一旦定向天線對(duì)準(zhǔn)角度稍有偏差，將使地面控制站的接收信號(hào)中斷，造成監(jiān)測(cè)用圖像數(shù)據(jù)信息無(wú)法回傳，同時(shí)也使得地面控制站人員無(wú)法操縱無(wú)人機(jī)安全返回，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)墜機(jī)事故。

1 自動(dòng)穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

自動(dòng)穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制器、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、信標(biāo)接收機(jī)、GPS接收機(jī)、人機(jī)交互儀、各類傳感器和機(jī)械設(shè)備組成，如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)核心部分是單片機(jī)控制器，利用速度和角度傳感器信號(hào)，能夠自動(dòng)完成傳輸設(shè)備的對(duì)準(zhǔn)，提高數(shù)據(jù)鏈路的傳輸質(zhì)量。

1.2 系統(tǒng)工作原理

天線自動(dòng)穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)是通過(guò)將GPS接收機(jī)獲取飛行器的地理位置和姿態(tài)信息，信標(biāo)接收機(jī)產(chǎn)生的俯仰角和方位角誤差信號(hào)，以及傳感器反饋的天線位置信息引入到單片機(jī)控制器，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合糾偏計(jì)算，從而產(chǎn)生精確的角度控制信號(hào)，并將此信號(hào)按照一定的頻率實(shí)時(shí)傳送給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，最后通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)天線到達(dá)相應(yīng)的指令角位置，實(shí)現(xiàn)天線對(duì)飛行器的自動(dòng)跟蹤。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)控制單元采用數(shù)字式二階閉環(huán)鎖相的反饋式控制。在搜索階段，根據(jù)解算的方位控制量，進(jìn)行位置閉環(huán)控制，調(diào)整天線指向。如果由于通信鏈路等因素的影響，一旦出現(xiàn)回傳數(shù)據(jù)丟失，該系統(tǒng)將自動(dòng)切換到航程推算模式，預(yù)測(cè)此時(shí)刻的目標(biāo)位置，保持跟蹤的連續(xù)性，即通過(guò)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)，避免因?yàn)閿?shù)據(jù)丟失導(dǎo)致的跟蹤精度下降。

1.3 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

天線轉(zhuǎn)動(dòng)范圍:水平角:0°～ 360°，俯仰角:0°～ +50°;

系統(tǒng)精度:≤1.5°;跟蹤速度:30 °/s;跟蹤加速度:30°/s2;工作溫度:－40°～ +50°;單電源供電:+28 V。

1.4 主要硬件設(shè)備選擇

1)單片機(jī)的選擇。單片機(jī)是天線跟蹤系統(tǒng)控制器的核心部件，采用Cygnal C8051芯片。該芯片具有PWM口、A/D轉(zhuǎn)換器、同步串行接口、較大的內(nèi)部ROM和RAM等，能夠自動(dòng)產(chǎn)生PWM波，對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速、電壓和電流的模擬量可進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換等功能，滿足快速產(chǎn)生精確天線角度跟蹤信號(hào)的需求。

2)電機(jī)的選擇。電機(jī)的主要功能就是根據(jù)所接收的信號(hào)驅(qū)動(dòng)天線進(jìn)行垂直和水平兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，以保持飛行器始終處于天線探測(cè)范圍內(nèi)。本系統(tǒng)選擇使用反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以完成將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移和直線位移工作。該電機(jī)的輸出角位移與脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖的頻率成正比，轉(zhuǎn)向取決于控制繞組中的通電順序，同時(shí)具有正常工作時(shí)不失步，步距精度高等特點(diǎn)，能夠滿足本系統(tǒng)在天線高精度偏轉(zhuǎn)需求。

2 根據(jù)GPS位置計(jì)算天線方向

GPS全球定位系統(tǒng)是衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，它通過(guò)接收、計(jì)算來(lái)自導(dǎo)航衛(wèi)星的導(dǎo)航電文與時(shí)間差來(lái)提取移動(dòng)目標(biāo)的精確經(jīng)度、維度、速度、高度和時(shí)間等信息，它不僅具有全球性、全天候、連續(xù)的精密導(dǎo)航與定位能力，而且具有良好的抗干擾和保密性，它從根本上解決了人類在地球上的導(dǎo)航與定位問(wèn)題，可以滿足不同的需要。

鑒于GPS系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確的定位能力，將其應(yīng)用在本系統(tǒng)中。其基本工作思路是:將GPS接收板作為一個(gè)位置傳感器，通過(guò)它解算出衛(wèi)星地球站的位置坐標(biāo)，求出天線的目標(biāo)方位角和仰角，然后對(duì)無(wú)人機(jī)發(fā)出的信標(biāo)信號(hào)進(jìn)行搜索，一旦信標(biāo)信號(hào)被鎖定，二階閉環(huán)鎖相細(xì)調(diào)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)天線方向。

圖2 天線方位計(jì)算示意圖

圖2可以做一簡(jiǎn)單的示意，用于解釋如何從GPS得到的位置和高度信息得到天線的指向，即仰角和方位角。(x0，y0，z0)、(x1，y1，z1)分別為天線指向和無(wú)人機(jī)飛行位置的經(jīng)度、緯度和高度。計(jì)算所得到的角度即可確定為天線方位角和俯仰角的調(diào)整數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)的控制方法和控制精度考慮

跟蹤系統(tǒng)準(zhǔn)確定位的關(guān)鍵取決于單片機(jī)控制器如何融合處理所接收到的各種數(shù)據(jù)以及處理效果情況，這些數(shù)據(jù)分別來(lái)自傳感器、GPS接收機(jī)和信標(biāo)接收機(jī)。因此設(shè)計(jì)能夠獲取高精度偏轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)的控制算法尤為重要。為保證跟蹤系統(tǒng)全天候使用，跟蹤電路的信標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度判斷采用差分工作方式，并進(jìn)行歸一化處理，以適應(yīng)輸入信號(hào)幅度的變化。

由于跟蹤系統(tǒng)采用數(shù)字引導(dǎo)和航程推算集成方式，因此可能出現(xiàn)的誤差形式多為實(shí)時(shí)目標(biāo)的位置誤差和系統(tǒng)機(jī)械誤差。實(shí)時(shí)目標(biāo)的位置誤差主要針對(duì)方位角度誤差，該角度誤差不僅與目標(biāo)的定位誤差有關(guān)，還與飛機(jī)的距離相關(guān)，當(dāng)飛機(jī)距離較近的時(shí)候，GPS接收數(shù)據(jù)將存在著較大的固有誤差，如飛機(jī)距離為300 m時(shí)，存在方位角度的固有跟蹤誤差為4°，距離增加的同時(shí)誤差減小，俯仰角度的誤差相對(duì)方位角度誤差來(lái)說(shuō)要小得多，一般不特別加以考慮。這種誤差我們一般利用信標(biāo)信號(hào)的強(qiáng)度信息來(lái)微調(diào)天線的指向，同時(shí)設(shè)置了不同飛行距離對(duì)應(yīng)的天線位置的誤差門限，使天線可以精確穩(wěn)定地指向無(wú)人機(jī)飛行方向。

相對(duì)于實(shí)時(shí)目標(biāo)的位置誤差來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)機(jī)械誤差對(duì)于天線跟蹤系統(tǒng)的影響是在無(wú)人機(jī)處于較遠(yuǎn)距離的時(shí)候。這種誤差主要來(lái)源于機(jī)械結(jié)構(gòu)自身存在一定的耦合精度。鑒于此，我們采用了二階閉環(huán)鎖相的反饋式控制，利用電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸角編碼器完成閉環(huán)控制，從而使機(jī)械方面誤差精度小于0.8°。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于天線自動(dòng)穩(wěn)定實(shí)時(shí)跟蹤無(wú)人機(jī)飛行方向?qū)ΡＵ巷w行安全起至關(guān)重要作用，因此隨計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度飛速提升，北斗衛(wèi)星、電機(jī)等設(shè)備發(fā)展，將會(huì)有更多不同類型天線系統(tǒng)得到研制和廣泛應(yīng)用，同時(shí)也推動(dòng)我國(guó)中小型無(wú)人機(jī)在民用領(lǐng)域的更廣領(lǐng)域使用，提高無(wú)人機(jī)執(zhí)行森林火警預(yù)報(bào)、地質(zhì)勘探、災(zāi)區(qū)救援等任務(wù)時(shí)具備更強(qiáng)工作效率。

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(責(zé)任編輯周江川)