基于RSSI盲估計(jì)的MUAV雙天線跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

遲曉鵬，羅衛(wèi)兵，劉廣斌

(武警工程大學(xué) 信息工程系，陜西 西安 710086)

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基于RSSI盲估計(jì)的MUAV雙天線跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

遲曉鵬，羅衛(wèi)兵，劉廣斌

(武警工程大學(xué) 信息工程系，陜西 西安 710086)

天線實(shí)時(shí)精確地跟蹤無(wú)人機(jī)飛行方向，是有效保證無(wú)人機(jī)擴(kuò)展戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、提高通信帶寬和質(zhì)量的關(guān)鍵所在。設(shè)計(jì)了一款基于信號(hào)接收強(qiáng)度(RSSI)盲估計(jì)跟蹤的雙天線跟蹤系統(tǒng)，使天線主波束時(shí)刻對(duì)準(zhǔn)中繼無(wú)人機(jī)，提高了地面定向天線對(duì)中繼無(wú)人機(jī)的初始捕獲速度，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤，確保通信信號(hào)強(qiáng)度處于優(yōu)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比單天線系統(tǒng)，該系統(tǒng)捕獲靈敏度和跟蹤速度明顯提高。

微小型無(wú)人機(jī)；天線；跟蹤系統(tǒng)；信號(hào)接收強(qiáng)度

引用格式：遲曉鵬，羅衛(wèi)兵，劉廣斌. 基于RSSI盲估計(jì)的MUAV雙天線跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(11)：90-92，96.

0　引言

微小型無(wú)人機(jī)(Micro-Unmanned Aerial Vehicle，MUAV)搭載通信設(shè)備升空飛行作為通信中繼節(jié)點(diǎn)，快速建立戰(zhàn)術(shù)范圍內(nèi)的寬帶網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)指揮終端間的數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、圖像高速傳輸[1-2]。研究帶自動(dòng)跟蹤能力的地面終端定向天線，有利于進(jìn)一步擴(kuò)展戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，提高通信帶寬和質(zhì)量，降低無(wú)人機(jī)機(jī)載設(shè)備等技術(shù)要求。

當(dāng)前，關(guān)于天線實(shí)時(shí)高精度自動(dòng)跟蹤MUAV的研究還比較少。參考文獻(xiàn)[3]提出的設(shè)計(jì)方案，依靠提取飛行器上的GPS地理位置和姿態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤，當(dāng)GPS部分區(qū)域服務(wù)被關(guān)閉或失效時(shí)，將嚴(yán)重影響跟蹤質(zhì)量甚至失鎖。參考文獻(xiàn)[4]采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)對(duì)準(zhǔn)算法和信道增益反饋對(duì)準(zhǔn)算法進(jìn)行異步雙模式融合，增加了運(yùn)算復(fù)雜度、計(jì)算時(shí)間和載荷，不適用于戰(zhàn)術(shù)部署。參考文獻(xiàn)[5]提出采用單天線自動(dòng)跟蹤設(shè)計(jì)，存在跟蹤捕獲難度大、跟蹤速度慢等弊端，嚴(yán)重影響跟蹤平臺(tái)的整體跟蹤性能。本文在參考文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上，以某型MUAV中繼通信系統(tǒng)為背景，設(shè)計(jì)了基于信號(hào)接收強(qiáng)度(Received Signal Strength Indication，RSSI)盲估計(jì)的MUAV雙天線跟蹤系統(tǒng)，解決了上述問(wèn)題。

1　天線跟蹤模型與工作原理

1.1天線跟蹤模型

圖1　天線跟蹤平臺(tái)跟蹤示意圖

微小型中繼無(wú)人機(jī)升空飛行后，在空中主要以勻速圓周運(yùn)動(dòng)為主，即以半徑R在指定空域進(jìn)行盤旋。地面端定向天線的動(dòng)態(tài)跟蹤是指通過(guò)調(diào)整定向天線在方位面與俯仰面內(nèi)的指向，使定向天線的主波束時(shí)刻對(duì)準(zhǔn)中繼無(wú)人機(jī)。圖1所示為地面終端定向天線的跟蹤示意圖。其中H為中繼無(wú)人機(jī)升空高度，R為中繼無(wú)人機(jī)盤旋半徑，d為地面終端距離中繼無(wú)人機(jī)圓周運(yùn)動(dòng)圓心正下方地面處的距離。

1.1.1方位面跟蹤分析

分析中繼無(wú)人機(jī)在某一空域盤旋時(shí)，天線在方位面的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。如圖1所示，確定了參數(shù)d和R，便可以通過(guò)反正切函數(shù)計(jì)算出天線在方位面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍。假設(shè)d≥500 m，盤旋半徑R=100 m，通過(guò)反正切函數(shù)可得∠γ≈12°，此時(shí)，天線在方位面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度范圍為24°?？傻贸鼋Y(jié)論：如果中繼無(wú)人機(jī)的盤旋半徑變大，天線轉(zhuǎn)動(dòng)角度的范圍也會(huì)變大。但是，當(dāng)中繼無(wú)人機(jī)起飛后飛至指定空域的飛行過(guò)程中，或者因?yàn)榈孛娼K端組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，需要中繼無(wú)人機(jī)改變飛行空域時(shí)，天線自動(dòng)跟蹤平臺(tái)需要對(duì)中繼無(wú)人機(jī)進(jìn)行捕獲，地面端定向天線在方位面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度是不確定的，需要進(jìn)行超過(guò)180°的旋轉(zhuǎn)才能正確對(duì)中繼無(wú)人機(jī)進(jìn)行跟蹤。所以，本文在硬件設(shè)計(jì)中，將天線轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)成可在方位面進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺(tái)，保證跟蹤過(guò)程可以全時(shí)進(jìn)行。

1.1.2俯仰面跟蹤分析

俯仰面跟蹤是指天線在俯仰面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，由圖1可知，地面定向天線在俯仰面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度由參數(shù)H、d以及R共同決定。假定中繼無(wú)人機(jī)升空高度H=100 m，以半徑R=100 m做圓周運(yùn)動(dòng)，地面終端與中繼無(wú)人機(jī)圓周運(yùn)動(dòng)圓心正下方地面處的距離d=500 m。當(dāng)中繼無(wú)人機(jī)飛行到A點(diǎn)時(shí)，通過(guò)反正切函數(shù)可得∠α+∠β≈14°，當(dāng)中繼無(wú)人機(jī)飛行到B點(diǎn)時(shí)，通過(guò)反正切函數(shù)可得∠β≈9°，此時(shí)天線在俯仰面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍∠α≈5°。中繼無(wú)人機(jī)升空高度一定后，地面天線在俯仰面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度主要由d和R決定。當(dāng)距離d變大時(shí)，天線需要在俯仰面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度范圍越來(lái)越小，而且中繼無(wú)人機(jī)的盤旋半徑R對(duì)俯仰角度的決定作用越來(lái)越小。

1.2雙天線跟蹤原理

地面端不依賴無(wú)人機(jī)的定位信息，在視距前提下，直接提取地面端天線的信號(hào)接收強(qiáng)度作為參考，通過(guò)動(dòng)態(tài)掃描搜尋信號(hào)強(qiáng)度閾值完成初始捕獲。采用步進(jìn)跟蹤算法調(diào)整天線指向，實(shí)現(xiàn)地面端定向天線對(duì)微小型中繼無(wú)人機(jī)的動(dòng)態(tài)跟蹤。平臺(tái)工作原理如圖2所示。

圖2　平臺(tái)工作原理圖

中繼通信系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，地面端跟蹤平臺(tái)的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)與空中的網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)組成通信網(wǎng)絡(luò)，兩個(gè)天線同時(shí)接收中繼無(wú)人機(jī)的中繼信號(hào)。跟蹤平臺(tái)在每一時(shí)刻可以提取到兩個(gè)RSSI值，分別記左天線RSSI與右天線RSSI，對(duì)這兩個(gè)RSSI值進(jìn)行比較，控制轉(zhuǎn)臺(tái)向RSSI值較大一側(cè)天線方向轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)跟蹤。

雙天線跟蹤方向圖如圖3所示。在雙天線跟蹤中，天線對(duì)無(wú)人機(jī)的最佳指向是兩個(gè)天線的主波束范圍，天線主波束覆蓋范圍顯著增大，提高了失鎖容忍度。并且，當(dāng)無(wú)人機(jī)偏離這個(gè)寬波束范圍時(shí)，跟蹤平臺(tái)只需通過(guò)比較兩個(gè)天線RSSI的差值即可確定下一步天線轉(zhuǎn)動(dòng)方向，提高了跟蹤速度。

圖3　雙天線方向圖

2　雙天線跟蹤平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1平臺(tái)跟蹤方式

MUAV天線自動(dòng)跟蹤平臺(tái)的關(guān)鍵問(wèn)題是平臺(tái)采用何種跟蹤技術(shù)。目前，地面天線跟蹤技術(shù)按照跟蹤方式可以分為手動(dòng)跟蹤、程序跟蹤和自動(dòng)跟蹤三種[6-7]，根據(jù)參考信號(hào)源的來(lái)源不同可以將跟蹤技術(shù)分為有源跟蹤和無(wú)源跟蹤[8]。

本文研究的MUAV通信中繼是典型的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信方式，其地面天線跟蹤系統(tǒng)屬于典型的無(wú)源跟蹤系統(tǒng)，綜合分析各種跟蹤技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合MUAV中繼通信系統(tǒng)的使用實(shí)際，簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜度，本平臺(tái)選用基于RSSI盲估計(jì)的步進(jìn)跟蹤技術(shù)為跟蹤控制方案。

2.2硬件設(shè)計(jì)

圖4　雙天線跟蹤平臺(tái)組成示意圖

整個(gè)跟蹤平臺(tái)由7部分組成，分別是天線、信號(hào)強(qiáng)度采集單元、網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)、核心控制單元、執(zhí)行單元、功能性擴(kuò)展單元以及電源。天線是發(fā)送和接收通信信號(hào)的裝置，也是跟蹤平臺(tái)的控制對(duì)象[9]。本平臺(tái)選用2個(gè)增益為19 dBi的柵格天線，將兩個(gè)天線平行放置并安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，兩天線的主波束共同指向同一方向。信號(hào)強(qiáng)度提取單元完成天線RSSI的提取。核心控制單元對(duì)提取到的天線RSSI進(jìn)行處理，并向執(zhí)行單元發(fā)出控制指令。執(zhí)行單元主要作用是接收主控單元指令后驅(qū)動(dòng)天線到達(dá)指定位置。雙天線跟蹤平臺(tái)組成示意圖如圖4所示。

3　雙天線跟蹤流程設(shè)計(jì)

天線跟蹤平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)理念，將平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)分成以下幾個(gè)模塊：RSSI提取模塊、RSSI濾波模塊、初始捕獲模塊、動(dòng)態(tài)跟蹤模塊，如圖5所示。

圖5　平臺(tái)軟件組成框圖

雙天線跟蹤平臺(tái)工作時(shí)首先進(jìn)行平臺(tái)初始化，雙天線跟蹤初始捕獲采用閾值判定法[10]，掃描方式采取一維旋轉(zhuǎn)掃描即可。其掃描實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：令天線以一定的轉(zhuǎn)速和步長(zhǎng)在方位面內(nèi)向左(右)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，每次轉(zhuǎn)動(dòng)后采集兩天線的RSSI值。當(dāng)兩個(gè)天線的RSSI值達(dá)到設(shè)置的捕獲閾值時(shí)，即認(rèn)為捕獲成功，轉(zhuǎn)入動(dòng)態(tài)跟蹤。如果在掃描全程中，兩個(gè)天線的RSSI值始終低于設(shè)定的閾值，則認(rèn)為掃描沒(méi)有達(dá)到要求，初始捕獲失敗，應(yīng)重新設(shè)定捕獲閾值再次進(jìn)行掃描。

雙天線動(dòng)態(tài)跟蹤過(guò)程為：同時(shí)提取兩個(gè)天線的RSSI值，如果右側(cè)天線的RSSI值大，則控制轉(zhuǎn)臺(tái)向右轉(zhuǎn)動(dòng)，雙天線的整體指向便會(huì)向右；如果左側(cè)天線的RSSI值大，則控制轉(zhuǎn)臺(tái)向左轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)雙天線的整體指向向左。跟蹤流程圖如圖6所示。

圖6　雙天線跟蹤流程圖

雙天線動(dòng)態(tài)跟蹤時(shí)，兩個(gè)天線的RSSI是動(dòng)態(tài)變化的，其差值也將發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。當(dāng)目標(biāo)無(wú)人機(jī)處于最強(qiáng)覆蓋區(qū)域內(nèi)時(shí)，兩天線的RSSI差別不大，其差值較小，可保持天線不動(dòng)。當(dāng)目標(biāo)無(wú)人機(jī)偏離最強(qiáng)覆蓋區(qū)域時(shí)，兩天線的RSSI差別將會(huì)變大，需迅速調(diào)整天線指向，即提高轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度。本平臺(tái)依據(jù)兩天線的RSSI差值，采取動(dòng)態(tài)選擇的思想來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)調(diào)整控制。在平臺(tái)初始化階段，給舵機(jī)輸入一個(gè)固定脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)，令天線在方位面內(nèi)從左最大限位處轉(zhuǎn)至右最大限位處，記錄旋轉(zhuǎn)時(shí)間，可通過(guò)計(jì)算得到轉(zhuǎn)臺(tái)的一種旋轉(zhuǎn)速度。調(diào)整PWM，以同樣的方法得到多種旋轉(zhuǎn)速度。本文以三種轉(zhuǎn)速來(lái)說(shuō)明動(dòng)態(tài)調(diào)整方法，轉(zhuǎn)速由小到大依次記為s1、s2、s3，如表1所示。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)需要測(cè)量出多種轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。

表1　天線旋轉(zhuǎn)速度測(cè)量表

確定出不同的轉(zhuǎn)動(dòng)速度后，在動(dòng)態(tài)跟蹤時(shí)，根據(jù)RSSI差值的大小選擇不同的速度轉(zhuǎn)動(dòng)天線。其流程圖如圖7所示。

圖7　雙天線跟蹤轉(zhuǎn)速調(diào)整流程圖

4　雙天線跟蹤平臺(tái)試驗(yàn)

對(duì)跟蹤平臺(tái)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，在相同條件下，分別進(jìn)行手動(dòng)跟蹤、單天線自動(dòng)跟蹤、雙天線自動(dòng)跟蹤。圖8所示為三個(gè)過(guò)程中地面端天線RSSI的變化情況，三角標(biāo)志符折線的RSSI值為雙天線跟蹤過(guò)程中兩天線RSSI值的平均值。從測(cè)試結(jié)果可以看出，雙天線的跟蹤速度較單天線的跟蹤速度具有改進(jìn)效果。

圖8　跟蹤測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

為了反映無(wú)人機(jī)在轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)天線跟蹤平臺(tái)的跟蹤效果，保持采樣頻率不變，以單天線、雙天線兩種跟蹤模式分別進(jìn)行跟蹤，觀察RSSI的變化并記錄。當(dāng)RSSI值維持在理想范圍時(shí)，控制MUAV飛向跟蹤平臺(tái)另一側(cè)，同樣在距離地面端500 m、升空高度100 m處的空域以半徑R=50 m做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，觀察RSSI的變化并記錄，直到RSSI值維持在理想范圍時(shí)，結(jié)束單天線和雙天線跟蹤。測(cè)試結(jié)果如圖9所示。從測(cè)試結(jié)果可以看出，單天線跟蹤在無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)后需要較長(zhǎng)時(shí)間對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行重新捕獲，而雙天線跟蹤在短時(shí)間內(nèi)即可完成重新捕獲，驗(yàn)證了雙天線跟蹤在跟蹤速度方面的優(yōu)化效果。

圖9　無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)跟蹤測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

5　結(jié)論

通過(guò)雙天線跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)，增加了中繼通信系統(tǒng)的通信容量，提高了中繼通信的抗干擾性，使中繼通信系統(tǒng)更具穩(wěn)健性。雙天線跟蹤平臺(tái)上天線的整體波束寬度較單天線跟蹤有了很大提高，波束的覆蓋范圍變大，在初始捕獲過(guò)程中，捕獲到目標(biāo)無(wú)人機(jī)的概率也就增大。利用雙天線增加天線主波束寬度，提高捕獲靈敏度、跟蹤速度及失鎖容忍度，可有效提高平臺(tái)的跟蹤速度與跟蹤精度。

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Design of MUAV dual-antenna tracking system based on RSSI blind estimation

Chi Xiaopeng，Luo Weibing，Liu Guangbin

(Department of Information Engineering, Engineering University of PAP, Xi’an 710086, China)

The real-time and precise antenna tracking of UAV flight direction is the kernel problem of guaranteeing coverage expansion of the tactical network and improvement on the communication bandwidth and quality. This paper desiged a dual-antenna tracking system based on RSSI blind estimation, which makes the antenna’s main beam aligned with the relaying UAV, and the capture speed of the directional antenna in relaying UAV communication by the orientation antenna is improved, so that the dynamic tracking is realized, and the communication signal is maintained at its best. The experimental results show that capture sensitivity and tracking speed is obviously improved compared with single antenna system.

micro-unmanned aerial vehicle; antenna; tracking system; received signal strength indication

國(guó)家自然科學(xué)基金(61302051)

TN925

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.11.027

2016-01-15)

遲曉鵬(1982-)，男，博士研究生，主要研究方向：軍事通信。

羅衛(wèi)兵(1969-)，男，教授，博士，博導(dǎo)，主要研究方向：軍事通信。

劉廣斌(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：軍事通信。