一種小型無人機數(shù)字跟蹤軟件系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

趙會杰，陳　黎，溫　喆

(1.河北諾亞人力資源開發(fā)有限公司，河北 石家莊 050035；

2.總裝備部北京軍事代表局駐石家莊地區(qū)軍事代表室,河北 石家莊 050002；

3.石家莊學院 計算機學院,河北 石家莊 050035)

一種小型無人機數(shù)字跟蹤軟件系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

趙會杰1，陳黎2，溫喆3

(1.河北諾亞人力資源開發(fā)有限公司，河北 石家莊 050035；

2.總裝備部北京軍事代表局駐石家莊地區(qū)軍事代表室,河北 石家莊 050002；

3.石家莊學院 計算機學院,河北 石家莊 050035)

摘要地面跟蹤系統(tǒng)是無人機遙測遙控系統(tǒng)的重要組成部分，保證地面跟蹤系統(tǒng)的正確跟蹤指向是無人機遙測遙控系統(tǒng)可靠工作的關鍵技術問題。針對小型無人機地面跟蹤系統(tǒng)的功能要求和存在的問題，提出了以信號跟蹤為主、數(shù)字引導為輔的一種數(shù)字跟蹤技術，設計了一種小型無人機數(shù)字跟蹤軟件系統(tǒng)并給出了設計的原理與設計流程。通過多次飛行試驗，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，滿足小型無人機的跟蹤監(jiān)視需求。

關鍵詞數(shù)字引導；信號跟蹤；誤差電壓；天線定標

Design and Implementation of Small UAV Digital Tracking Software System

ZHAO Hui-jie1,CHEN Li2,WEN Zhe3

(1.HebeiNoahHumanResourcesDevelopmentCo.,Ltd,ShijiazhuangHeibei050035China;

2.PLAGeneralArmamentDepartmentoftheBeijingMilitaryRepresentativesBureau，

TheOfficeinShijiazhuangProvince,ShijiazhuangHeibei050002China;

3.CollegeofComputerScience,ShijiazhuangUniversity,ShijiazhuangHeibei050035China)

AbstractThe ground tracking system is an important part of UAV telemetry and telecontrol system,of which the key of reliable operation is to ensure proper tracking of ground tracking system.In view of functional requirements and existing problems of small UAV ground tracking system,this paper proposes a digital tracking technique focusing mainly on signal tracking and taking digital guide as aid.This paper designs a small UAV digital tracking software system and describes the design principle and design flow.The flight test results show that this system is stable and reliable,and can meet the requirements of small UAV tracking and monitoring.

Key wordsdigital guide;signal tracking;error voltage;antenna calibration

0引言

無人機是由航空模型飛機發(fā)展而來的，它是用無線電或自身程序控制無人駕駛的飛行器[1]，為保證對無人機的遠距離操縱以及偵察信息的實時監(jiān)視、記錄及分發(fā)，必須具備一個穩(wěn)定的地面跟蹤系統(tǒng)。目前地面跟蹤系統(tǒng)中大量使用的天線伺服設備不具備自跟蹤功能，所以需要配置GPS接收機，由上位機軟件特定的算法控制天線轉動的角度來跟蹤目標無人機，由于GPS接收機給出的位置信息存在誤差，尤其是兩點距離比較近時，跟蹤誤差會比較大；而且GPS接收機出現(xiàn)問題直接影響地面跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對低速、自然穩(wěn)定的小型無人機的飛行特點，引入跟蹤接收機，通過跟蹤接收機給出的誤差電壓信號來控制天線轉動的角速度，同時結合GPS接收機給出的位置信息來控制天線轉動的角度，來完成對無人機的實時跟蹤，形成了一種以信號跟蹤為主、數(shù)字引導為輔的一種數(shù)字跟蹤技術[2,3]。這樣不僅可以彌補地面跟蹤系統(tǒng)存在的誤差，還起到備份作用，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1數(shù)字跟蹤軟件系統(tǒng)原理

在無人機遙控遙測系統(tǒng)中，地面跟蹤系統(tǒng)就是操作地面天線實時準確地指向飛機，從而保證遙控遙測數(shù)據(jù)鏈路正常通信[4,5]。本文設計的數(shù)字跟蹤軟件系統(tǒng)是將信號跟蹤與數(shù)字引導相輔相成，通過操縱天線伺服設備[6,7]的角速度與角位置來驅動天線朝向目標無人機運動，完成對無人機的實時跟蹤，原理框圖如圖 1所示。

圖1　數(shù)字跟蹤軟件系統(tǒng)原理

信號跟蹤：根據(jù)定向天線接收到的電波信號，天線饋源內產生差路信號；跟蹤接收機將差路信號中所攜帶的目標偏離天線的指向信息進行數(shù)字轉換，然后輸出誤差電壓信號。數(shù)字跟蹤軟件系統(tǒng)根據(jù)誤差電壓的正負、強弱來控制天線轉動的角速度的正負、快慢，從而驅動天線朝減小誤差的方向移動[8]，來實現(xiàn)對無人機的實時跟蹤。

數(shù)字引導：數(shù)字跟蹤軟件系統(tǒng)通過遙測數(shù)據(jù)中實時的目標位置信息與地面站的位置信息計算出地面天線相對目標的真北角(相對于正北的角度，正北為0°)，然后減去天線定標后的“角度差”，計算得到天線需要轉動的實時角度值，從而控制天線轉動到相應角度，來實現(xiàn)對無人機的實時跟蹤。

天線定標：通過手動模式將地面天線對準目標，然后通過遙測數(shù)據(jù)中實時的目標位置信息與地面站的位置信息計算出地面天線相對目標的真北角(相對于正北的角度，正北為0°)，將這個真北角度與天線位置傳感器得到的實時角度相減，求出“角度差”，從而完成地面天線0°指向與大地坐標0°指向的校正。

2數(shù)字跟蹤軟件系統(tǒng)算法與流程

2.1　系統(tǒng)算法設計

該小型無人機數(shù)字跟蹤軟件系統(tǒng)關鍵技術在于信號跟蹤及數(shù)字引導算法[9-11]。信號跟蹤算法是根據(jù)誤差電壓信號計算出角速度值；數(shù)字引導算法是根據(jù)兩點的經緯度信息計算出角度值，通過控制天線的角速度以及要轉到的角度來實現(xiàn)對無人機的實時跟蹤。

算法基本參數(shù)如下：y表示角速度；x表示誤差電壓；L表示經度信息；B表示緯度信息；GDT表示地面站；UAV表示無人機；Az表示方位角。

如下：利用誤差電壓信號計算方位角速度y，誤差電壓為正數(shù)則角速度為正數(shù)，誤差電壓為負數(shù)則角速度為負數(shù)；

y=2x(0≤|x|≤0.5)

y=4x-1(0.5<|x|≤5)。

利用兩點的經緯度信息計算出距離D，然后根據(jù)距離求出方位角Az。

cos(BGDT)*cos(LGDT-LUAV))*

2.2　系統(tǒng)流程設計

首先需要天線定標，因為地面天線的布設位置每次都會發(fā)生變化，因此地面天線重新布設后需要標定天線0°指向與大地坐標0°指向的夾角。然后將地面天線伺服設備切換為數(shù)字引導模式，根據(jù)數(shù)字引導算法計算出的角度值，將地面定向天線引導到合適的位置；這時可以將地面天線伺服設備切換為信號跟蹤模式，根據(jù)信號跟蹤算法實時計算出的天線轉動的角速度值，驅動天線轉動，從而實現(xiàn)對目標的實時跟蹤。在跟蹤過程中，鏈路通信信號突然減弱，而且數(shù)字引導得出的天線轉動角度與天線實時回報的角度誤差比較大時，可以將地面天線伺服設備切換為數(shù)字引導模式，對跟蹤誤差進行補償，以保證再次切換到信號跟蹤模式時天線跟蹤保持在主波瓣范圍內，設計流程圖如圖 2所示[12]。

圖2　數(shù)字跟蹤軟件系統(tǒng)流程

3仿真結果分析

根據(jù)軟件仿真及現(xiàn)場實驗，地面跟蹤系統(tǒng)只采用數(shù)字引導算法，或者采用以信號跟蹤為主，數(shù)字引導為輔相結合的算法，在飛機起飛階段采用信號跟蹤模式，在飛行過程中通過數(shù)字引導模式補償，角度誤差與兩點距離的對應關系如圖3所示。

圖3　角度誤差與兩點距離的對應關系

從圖3中可以看出，僅通過數(shù)字引導算法來跟蹤目標，方位角度的誤差與兩點間距離有關，當距離比較近時角度誤差比較大；如果采用以信號跟蹤為主，數(shù)字引導為輔相結合的算法來跟蹤目標，兩點間距離比較近時角度誤差會縮小，并且天線轉動穩(wěn)定，沒有左右搖擺現(xiàn)象，通過現(xiàn)場實驗，在準確跟蹤目標的情況下，得到誤差電壓信號強弱與天線轉動角速度的對應關系，如圖 4所示。

圖4　誤差電壓與角速度的對應關系

從圖4中可以看出，天線轉動的快慢與誤差電壓信號的強弱有關，當誤差電壓為零時，天線保持不動；隨著信號的增強，天線轉動的速度會變快，從而驅動天線朝減小誤差的方向移動。該系統(tǒng)雖然還存在角度誤差，但使用寬波瓣的角反射天線后，該誤差對于通信鏈路的影響是比較小的。

4結束語

該小型無人機數(shù)字跟蹤軟件系統(tǒng)已經基本趨于成熟，完全適用于各種低速、穩(wěn)定的小型無人機系統(tǒng)，并且已經應用于無人機遙控遙測系統(tǒng)中，進行了多次飛行試驗，保障了遙測遙控鏈路的正常通信，跟蹤狀況良好，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，完全滿足各種小型無人機的跟蹤監(jiān)視需求。但是為了在更多的測控系統(tǒng)中應用該數(shù)字跟蹤軟件系統(tǒng)，還需要不斷地去探索，去研究。

參考文獻

[1]吳漢平，龔伯凱.無人機系統(tǒng)導論[M].袁化倫，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[2]趙業(yè)福，李進華，李曉東，等.無線電跟蹤測量系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2001.

[3]袁建平，方群，鄭諤.GPS在飛行器定位導航中的應用[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2000.

[4]陸國雷，張曉林，金石，等.無人駕駛直升機遙測系統(tǒng)設計及其實現(xiàn)[J].北京航空航天大學學報，2003，29(2)：112-115.

[5]金石，張曉林，馬文智.一種無人駕駛直升機天線跟蹤系統(tǒng)的研制[J].北京航空航天大學學報，2003，29(4)：366-369.

[6]任金泉，周洪波，蔡文莉.車載天線伺服系統(tǒng)技術分析[J].無線電通信技術，2012，38(2):44-47.

[7]銀秋華，周建寨.反射面天線增益的快速估算[J].無線電通信技術，2013，39(4):50-52.

[8]王迎節(jié)，楊社年，聶磊，等.天線跟蹤和控制測量方法分析[J].無線電通信技術，2011，37(4):10-13.

[9]孔祥元，郭際明，劉宗泉.大地測量學基礎[M].武漢：武漢大學出版社，2005.

[10]王佩賢，張國卿，王寶山，等.大地測量學基礎[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2007.

[11]張鳳舉，張華海，趙長勝，等.控制測量學[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1999.

趙會杰男，(1985—)，助理工程師。主要研究方向：航空測控技術。

陳黎男，(1984—)，工程師。主要研究方向：航空測控技術。

作者簡介

基金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃(“863”計劃)資助項目(2013AA122105)。

收稿日期：2015-05-06

中圖分類號TN820.4

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2015)08-0073-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.08.20

引用格式：趙會杰，陳黎，溫喆.一種小型無人機數(shù)字跟蹤軟件系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].無線電工程，2015，45(8)：73-75.