无人机定向天线自跟踪系统研究

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1、2016年4月第42卷第4期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsApril2016V01．42No．4http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．onDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0268无人机定向天线自跟踪系统研究查长流1’2，丁希仑1’+，俞玉树1，王学强1(1．北京航空航天大学机器人研究所，北京100083；2．中国兵器工业计算机应用技术研究所，北京100089)摘要：为了满足无人机(UAV)远距离通信的需要，设计研制了以无人

2、机位置信息为引导的地面定向天线自跟踪系统。基于实时获取定向天线载车位置、速度、方位和俯仰角等信息，实现了定向天线在运动中对目标进行自动跟踪的能力，提高了系统的机动性和隐蔽性。针对目前利用2点位置来计算目标角的方法存在需要通过相对位置才能确定实际目标角的不足，提出了一种不需要考虑2点相对位置就能直接计算出目标角的计算方法，为工程应用带来了方便。针对定向天线地面载车在机动时GPS信号容易受干扰，从而造成跟踪目标丢失，以及因无人机位置信息更新频率较低而造成的跟踪系统运动抖动、跟踪误差较大等问题，提出了一种基于速度对位置进行预测平滑的控制策略，有效解决了以上问题，并显著提高了跟踪精度。设计研制了定

3、向天线自跟踪系统的软硬件，并进行了测试，结果表明：研制的定向天线具有机动跟踪能力和较高的跟踪精度，能满足无人机对定向天线自跟踪的需要。关键词：定向天线；自跟踪；目标角；预测平滑；无人机(UAV)中图分类号：V249．1文献标识码：A文章编号：1001．5965(2016)04-0737-08随着无人机(UAV)技术的快速发展，其应用越来越广泛，在气象观测、农业耕作、治安监控、军事侦察和人员营救等领域都有着广阔的应用前景¨。1。在许多应用中，无人机与地面控制系统间有大量的观测、控制数据需要实时传输，为了保证数据收发准确可靠，同时提高接收增益和抗干扰能力，这种远距离、高带宽的通信通常采用定向天

4、线H“。定向天线工作时，只有发射天线和接收天线主瓣对准时，才有较高的增益哺‘8]。如果不能保证定向天线实时对准，将使无人机与地面控制系统间信号中断，这不仅会丢失观测数据，影响任务的完成，还会造成无人机的失控，可能导致无人机丢失、坠毁等严重事故，因此，需要保证定向天线实时对准。实现定向天线对准跟踪主要有人工跟踪和自动跟踪。人工跟踪存在误差大、实时性差等不足。自动跟踪是定向天线根据目标的运动，自动实现对目标的跟踪，是目前主要的跟踪方式”’“。根据目标角确定方法的不同，定向天线自动跟踪(以下简称定向天线自跟踪)可分为2种主要方式：①最常用的是通过信号相位关系来进行目标角判断，这需要一套复杂的天线

5、伺服反馈系统，成本很高，此外，该方法抗干扰能力较差；②利用无人机实时发送给地面站的GPS位置信息，根据无人机和定向天线的相对位置来确定跟踪目标角。由于GPS位置信号具有比前者跟踪信号更加稳定、实现简单等特点，因此，两者相比，后者更有优势¨。。但在研制过程中，发现此方法存在以下不足：根据无人机和定向天线的相对位置来确定跟踪目标角，目前有多种方法，但或为了降低计算的复杂性，进行了简化处理"’7’9

6、，收稿日期：2015-04-29；录用日期：2015-05-08；网络出版时间：2015-06．2416：46网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20

7、150624．1646．002．html基金项目：国家自然科学基金(50975008)；国家杰出青年科学基金(51125020)}通讯作者：Tel．：010-82338005E—mail：xlding@buaa．edu．cn引用格式：查长流，丁希仑，俞玉树，等．无入机定向天线自跟踪系统研究ⅡJ．北京航空航天大学学报，2016，42一)：737—744．ZHAcL，DINGxL，YuYS，eta1．ResearchonautomatictrackingsystemfordirectionalantennaofUAVfJJ．JournalofBeijingUniversityofAeronau

8、ticsandAstronautics，2016，42f4)：737-744(inChinese)．738北京航空航天大学学报2016年或在计算中需要根据定向天线和无人机的相对位置来判断真实的方位角所在象限，在象限边界处容易引起歧义，增加了控制系统实现的复杂度¨’8’”。1“。由于通信链路传输能力以及低成本GPS接收机动态特性的限制，通常无人机发送给地面控制系统的位置更新频率较低，在近距离跟踪时，跟踪角度变化波动较大，容