無(wú)人機(jī)視距測(cè)控鏈路定向天線零位偏離故障研究

■ 鄧永紅 侯龍博 康熙華/中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院

0 引言

視距測(cè)控鏈路系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，其作為無(wú)人機(jī)平臺(tái)和地面控制站之間無(wú)線通信的數(shù)據(jù)通道，主要完成在視距范圍內(nèi)對(duì)上行遙控指令、下行遙測(cè)及任務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸[1]。為了提高信號(hào)的傳輸效率以及傳輸距離，視距測(cè)控鏈路系統(tǒng)主要采用了定向天線對(duì)信號(hào)進(jìn)行定向發(fā)射接收，并采用了以數(shù)字引導(dǎo)方式為主的自跟蹤模式使無(wú)人機(jī)定向天線對(duì)準(zhǔn)地面控制站數(shù)據(jù)天線，從而增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，增加信號(hào)抗干擾能力。

視距測(cè)控鏈路定向天線物理零位偏離，指在使用過(guò)程中出現(xiàn)定向天線方位角零位或者俯仰角零位產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致當(dāng)無(wú)人機(jī)與地面控制站之間距離增加時(shí)，信號(hào)產(chǎn)生明顯的衰減進(jìn)而不滿足信號(hào)強(qiáng)度要求。無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中，距離地面控制站50km 內(nèi)時(shí)，定向天線信號(hào)強(qiáng)度AGC 電壓大于4.0V，距離地面控制站大于100km 時(shí)，定向天線信號(hào)強(qiáng)度AGC 電壓迅速衰減小于2.5V。對(duì)其進(jìn)行故障分析定位發(fā)現(xiàn)，隨著無(wú)人機(jī)與地面控制站之間距離的增加，信號(hào)產(chǎn)生了偏離從而迅速衰減，最終確立為定向天線方位角零位偏離，經(jīng)對(duì)定向天線進(jìn)行零位校準(zhǔn)后，系統(tǒng)工作狀態(tài)恢復(fù)正常。

該視距測(cè)控鏈路定向天線的故障，具有地面難以發(fā)現(xiàn)且存在飛行安全隱患的特點(diǎn)。本文根據(jù)其工作原理對(duì)物理零位偏離產(chǎn)生的因素及影響進(jìn)行分析，優(yōu)化了無(wú)人機(jī)視距測(cè)控鏈路定向天線控制邏輯，提高了無(wú)人機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性，保障無(wú)人機(jī)的安全飛行。

1 視距測(cè)控鏈路定向天線工作原理

1.1 工作原理

天線控制單元接收視距測(cè)控鏈路系統(tǒng)發(fā)送機(jī)載導(dǎo)航信息、姿態(tài)信息以及地面控制站的位置信息進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)當(dāng)前定向天線的方位角和俯仰角，計(jì)算定向天線所要進(jìn)行的方位角和俯仰角的變化值，再將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)比例的電壓值，經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換后送至天線伺服單元，控制定向天線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)對(duì)準(zhǔn)地面控制站數(shù)據(jù)天線[2]，其中方位角實(shí)現(xiàn)360°任意旋轉(zhuǎn)，俯仰角實(shí)現(xiàn)-90°～0°旋轉(zhuǎn)，工作原理如圖1 所示。

圖1 定向天線工作原理

1.2 數(shù)引對(duì)準(zhǔn)模式的角度運(yùn)算

假設(shè)無(wú)人機(jī)在空中相對(duì)于地面控制站靜止時(shí)，數(shù)字引導(dǎo)下的定向天線方位角和俯仰角分別為αi和βi，如圖2 所示。

圖2 靜止?fàn)顟B(tài)下的數(shù)字引導(dǎo)天線對(duì)準(zhǔn)模式

定向天線由ti-1到t1時(shí)刻時(shí)，此時(shí)定向天線的方位角和俯仰角變化量分別為：

其中αti為ti時(shí)刻定向天線的方位角，φti為ti時(shí)刻飛機(jī)的方位角轉(zhuǎn)換值。

其中βti為ti時(shí)刻定向天線的俯仰角，φti為ti時(shí)刻飛機(jī)的俯仰角轉(zhuǎn)換值。

設(shè)定向天線初始的方位角零位值α0和俯仰角零位值β0，t 時(shí)刻定向天線的方位角和俯仰角分別為：

由此可知，t時(shí)刻定向天線的方位角和俯仰角由初始零位角與角度變量共同決定，初始零位角偏離時(shí)會(huì)導(dǎo)致定向天線姿態(tài)錯(cuò)誤指向。

2 初始零位偏離產(chǎn)生因素

定向天線主要采用了矩形微帶天線對(duì)信號(hào)進(jìn)行定向傳輸，其最大輻射波束通常稱為天線方向圖的主瓣，方向圖的寬度一般是指主瓣寬度從最大值下降一半時(shí)兩點(diǎn)所張的夾角，方向圖越寬，增益越低，方向圖越窄，增益越高。[3]矩形微帶天線在極坐標(biāo)下和直角坐標(biāo)下的方向性圖和波束角如圖3 所示。

圖3 定向天線方向性圖和波束角

天線在數(shù)引狀態(tài)下，初始零位偏離會(huì)導(dǎo)致伺服機(jī)構(gòu)控制天線的指向與地面控制站所在的位置存在誤差，當(dāng)距離增加時(shí)，地面控制站處于定向天線方向圖寬度外時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度迅速下降出現(xiàn)鏈路中斷的現(xiàn)象，造成初始零位偏離的因素都會(huì)對(duì)視距測(cè)控鏈路通信產(chǎn)生影響，產(chǎn)生零位偏離主要分為以下三種因素。

1） 伺服零位偏離

定向天線安裝在無(wú)人機(jī)上時(shí)，需將初始安裝方位角和俯仰角的零位置存儲(chǔ)于天線控制單元用于建立零位坐標(biāo)系，由于伺服機(jī)構(gòu)固有的誤差因素k，長(zhǎng)時(shí)間的伺服變加速運(yùn)動(dòng)使天線的初始零位指向漸漸偏離原來(lái)的位置，從而使得定向天線實(shí)際的零位角與存儲(chǔ)的零位角發(fā)生偏差，定向天線的實(shí)際指向與計(jì)算值存在誤差，隨著誤差值的疊加，當(dāng)無(wú)人機(jī)距離地面控制站大于臨界距離d時(shí)，出現(xiàn)視距測(cè)控鏈路通信信號(hào)中斷的現(xiàn)象。

2） 裝配零位偏離

定向天線安裝于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，帶動(dòng)天線進(jìn)行方位和俯仰變化，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，整套機(jī)構(gòu)在出廠時(shí)進(jìn)行校零工作，使其與天線控制單元內(nèi)存儲(chǔ)的零位角匹配。無(wú)人機(jī)平臺(tái)上安裝定向天線整套機(jī)構(gòu)時(shí)，通過(guò)固定螺栓將其固定于底板上，采用了橢圓孔鑲嵌轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由于出廠零位與安裝在無(wú)人機(jī)上時(shí)的零位值存在固有誤差，使得安裝的初始零位角與設(shè)計(jì)零位角出現(xiàn)偏差。

3）齒輪傳動(dòng)偏離

視距測(cè)控鏈路定向天線通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的齒輪帶動(dòng)進(jìn)行方位角和俯仰角變化，在齒輪傳動(dòng)過(guò)程中，由于齒輪本身的幾何結(jié)構(gòu)或制造安裝，從動(dòng)輪的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角不相等而產(chǎn)生偏差，這種偏差稱為傳動(dòng)誤差。傳動(dòng)誤差隨著主動(dòng)輪轉(zhuǎn)角的變化而不同，傳動(dòng)誤差隨時(shí)間的疊加使定向天線的初始零位誤差增加，從而產(chǎn)生零位偏離。

3 優(yōu)化視距測(cè)控鏈路定向天線控制邏輯

視距測(cè)控鏈路定向天線零位偏離因素具有時(shí)間疊加以及遠(yuǎn)距離出現(xiàn)的特性，在原有的自動(dòng)控制系統(tǒng)上增加空中零位校準(zhǔn)功能實(shí)現(xiàn)故障短時(shí)間恢復(fù)確保飛行安全，建立定向天線空中零位校準(zhǔn)控制邏輯，優(yōu)化視距測(cè)控鏈路定向天線的自動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖4 所示。

圖4 定向天線空中零位校準(zhǔn)控制邏輯

首先，視距測(cè)控鏈路系統(tǒng)采集故障前后定向天線與全向天線信號(hào)強(qiáng)度，進(jìn)行對(duì)比判別故障是否為定向天線零位偏離所導(dǎo)致。當(dāng)判別故障因素為定向天線零位偏離時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)空中零位校準(zhǔn)指令，建立新零位坐標(biāo)系，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)無(wú)新零位數(shù)據(jù)時(shí)，控制定向天線空中方位角轉(zhuǎn)動(dòng)360°，采集轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中信號(hào)最強(qiáng)點(diǎn)的方位角設(shè)置為方位角新零位α00，再控制定向天線俯仰角由-90°轉(zhuǎn)至0°，采集轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中信號(hào)最強(qiáng)點(diǎn)的俯仰角設(shè)置為俯仰角新零位β00。當(dāng)新零位數(shù)據(jù)有效時(shí)，建立以新零位為基點(diǎn)的坐標(biāo)系運(yùn)算，使視距測(cè)控鏈路定向天線對(duì)準(zhǔn)地面控制站數(shù)據(jù)天線進(jìn)行通信，確保飛行任務(wù)的安全執(zhí)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

視距測(cè)控鏈路系統(tǒng)作為無(wú)人機(jī)與地面控制站通信的主要方式，其工作性能良好性直接影響著飛行安全，定向天線更是確保了無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)距離飛行時(shí)遙控遙測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)的通暢，展開對(duì)定向天線零位偏離的研究，對(duì)故障的預(yù)防以及自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展具有深刻的影響，同時(shí)建立一套完善的定向天線自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)保障飛行任務(wù)的安全執(zhí)行具有重大的意義。