一种无人机伺服跟踪系统及其跟踪方法

1.本发明涉及伺服跟踪系统，具体涉及一种无人机伺服跟踪系统及其跟踪方法。


背景技术：

2.无人机是近代发展较快的一种无人驾驶的飞行机构，可用于侦查、拍摄。第一架遥控航模飞机于1909年在美国试飞成功，1917-1918年英国与德国先后研制成第一架无人驾驶遥控飞机；我国无人机的发展也已有50年的历史，无人机技术储备有一定的规模。
3.无人机系统主要包括机体系统、测控系统、机载系统、发射回收系统、飞控系统、数据链路系统、电源系统、地面控制站等。随着科技应用的发展，无人机的市场应用越来越广阔，无人机的伺服跟踪系统的跟踪精度、响应时间、再捕获时间也有越来越高的要求。
4.传统的无人机跟踪系统主要是gps定位，对于gps信号的稳定性十分依赖，且对跟踪过程中无人机位置与姿态数据的实时共享要求较高。当gps导航通信出现故障的情况下，便无法实现伺服跟踪。


技术实现要素：

5.本发明目的在于解决目前无人机跟踪系统进行定位时对gps通信系统依赖性较高，在gps导航通信出现故障的情况下，便无法实现伺服跟踪，导致跟踪不稳定的技术问题，提出一种无人机伺服跟踪系统及其跟踪方法。
6.本发明的技术方案为：
7.一种无人机伺服跟踪系统，设置在控制站台上，其特殊之处在于：包括天线单元、自动跟踪单元、数字引导指向跟踪单元、天线控制单元、天线调节单元及信号反馈单元；
8.所述天线单元包括天线基台及设置在天线基台上的天线；
9.所述自动跟踪单元包括设置在天线基台上并依次连接的天线馈源、低噪声放大器组件、单通道调制器及跟踪接收机；
10.所述天线馈源的输入信号为无人机的输出信号，天线馈源的输出信号为和信号fr(σ)及差信号fr(δ)；低噪声放大器组件包括用于和信号fr(σ)及差信号fr(δ)放大的和信号低噪声放大器和差信号低噪声放大器；低噪声放大器组件的输出信号输出给单通道调制器，单通道调制器的输出信号输出给跟踪接收机，跟踪接收机的输出信号输出给天线控制单元；所述跟踪接收机的输出信号为方位误差信号δar、俯仰误差信号δer及和信号σ；
11.所述数字引导指向跟踪单元用于获取无人机和控制站台的位置参数，并将位置参数信息输出给天线控制单元；
12.所述信号反馈单元包括旋转变压器组件和旋变数字转换器组件，旋转变压器组件与天线相接，用于获取天线的方位转轴信息和俯仰转轴信息并传输给旋变数字转换器组件，经过旋变数字转换器组件转换成方位角数字信息和俯仰角数字信息传输给天线控制单元；
13.所述天线控制单元包括acu及与acu连接的跟踪转换器，acu用于将数字引导指向
跟踪单元输出的位置参数，跟踪接收机输出的方位误差信号δar、俯仰误差信号δer及和信号σ，以及信号反馈单元输出的方位角数字信息和俯仰角数字信息进行处理，并传输给跟踪转换器；
14.所述天线调节单元与跟踪转换器相接，用于根据跟踪转换器的输出信号对天线进行调节。
15.进一步地，所述天线调节单元包括方位角调节组件和俯仰角调节组件；方位角调节组件包括用于方位角调节的驱动放大器a、电机a及减速器a；俯仰角调节组件包括用于俯仰角调节的驱动放大器e、电机e及减速器e；所述驱动放大器a和驱动放大器e均与跟踪转换器相接，减速器a和减速器e均与天线相接；
16.所述天线上设置有方位角调节限位装置和俯仰角调节限位装置，用于与方位角调节组件、俯仰角调节组件配合实现天线的调节。
17.进一步地，所述天线的方位角调节范围为0
°
～350
°
，俯仰角调节范围为0
°
～88
°
；
18.天线的方位角调节角速度最大为71.4
°
/s，天线的俯仰角调节角速度最大为112.5
°
/s。
19.进一步地，所述数字引导指向跟踪单元包括电子罗盘、陀螺、gps接收机及数传电台；
20.所述电子罗盘用于获取控制站台的航向，陀螺用于获取控制站台的俯仰角和横滚角；gps接收机用于获取控制站台的经纬度数据和高度数据；数传电台用于获取无人机的经纬度数据和高度数据。
21.进一步地，还包括手动控制系统和显示监控界面；
22.手动控制系统与acu相接，用于手动控制天线的转动方向和角速度；
23.显示监控界面用于实时显示天线的方位角、俯仰角及跟踪模式。
24.同时，本发明还提供一种无人机伺服跟踪方法，其特殊之处在于，基于上述无人机伺服跟踪系统，包括以下步骤：
25.s1、天线馈源获取当前无人机对应的差信号fr(δ)及和信号fr(σ)，分别经过差信号低噪声放大器及和信号低噪声放大器处理后输出给单通道调制器，单通道调制器将接收的差信号及和信号合成一路，传输给跟踪接收机，跟踪接收机放大变频后再分离出和信号σ、方位误差信号δar及俯仰误差信号δer，并输出给acu；
26.数字引导指向跟踪单元获取当前无人机和控制站台的位置参数，并将位置参数信息输出给acu；
27.s2、acu根据获取的和信号σ与预设门电平比较，若和信号σ小于等于预设门电平，采用数字引导指向跟踪方式，进入步骤s3；
28.若和信号σ大于预设门电平，采用自动跟踪方式，进入步骤s5；
29.s3、acu通过信号反馈单元获取天线的方位角数字信息a0和俯仰角数字信息e0；
30.acu对步骤s1中数字引导指向跟踪单元输出的位置参数进行计算，求解出天线指向无人机的目标方位角a1和目标俯仰角e1，通过计算获取方位误差信号δap和俯仰误差信号δep，δap＝a
1-a0，δe
p
＝e
1-e0；
31.s4、将方位误差信号δap和俯仰误差信号δep输出给跟踪转换器，由跟踪转换器将δap和δep输出给天线调节单元，天线调节单元驱动天线转动，直至δap和δep均为零，
或和信号σ大于预设门电平，获取当前跟踪接收机输出的方位误差信号δar及俯仰误差信号δer，采用自动跟踪方式，进入步骤s5；
32.s5、将当前方位误差信号δar及俯仰误差信号δer通过跟踪转换器输出给天线调节单元，天线调节单元驱动天线转动，直至跟踪接收机输出的方位误差信号δar及俯仰误差信号δer均为零；
33.s6、重复步骤s1-s5，实时对无人机进行伺服跟踪，直至跟踪任务结束。
34.进一步地，步骤s4和步骤s5中，天线调节单元驱动天线转动具体为：
35.方位误差信号δap或方位误差信号δar传输给驱动放大器a，驱动放大器a根据方位误差信号δap或方位误差信号δar控制电机a和减速器a，实现天线方位角调节；
36.俯仰误差信号δep或俯仰误差信号δer传输给驱动放大器e，驱动放大器e根据俯仰误差信号δep或俯仰误差信号δer控制电机e和减速器e，实现天线仰角调节；
37.天线转动时，方位角调节范围为0
°
～350
°
，俯仰角调节范围为0
°
～88
°
；
38.天线的方位角调节角速度最大为71.4
°
/s，天线的俯仰角调节角速度最大为112.5
°
/s。
39.进一步地，步骤s2、步骤s4中，采用自动跟踪方式对天线进行调节的方位角指向精度为
±
0.1
°
，俯仰角指向精度为
±
0.1
°
；
40.方位角位置显示精度和俯仰角位置显示精度均为
±
0.03
°
。
41.进一步地，步骤s3中，天线指向无人机的目标方位角a1和目标俯仰角e1的计算公式如下：
[0042][0043][0044]
其中，(x',y',z')为控制站台的坐标系。
[0045]
进一步地，步骤s3中，(x',y',z')计算公式为：
[0046][0047]
其中，ψ为控制站台的偏航角，ω为控制站台的俯仰角，δ为控制站台的滚动角，(x，y，z)为大地直角坐标系。
[0048]
本发明的有益效果：
[0049]
1、本发明提供的无人机伺服跟踪系统通过自动跟踪单元和数字引导指向跟踪单元的设置，可以实现两种模式的跟踪，避免了单纯依靠gps，提高了伺服跟踪系统的稳定性。
[0050]
2、本发明自动跟踪系统采用天线馈源、低噪声放大器组件、单通道调制器及跟踪接收机将方位误差信号δar、俯仰误差信号δer及和信号σ输出给cpu，跟踪精度高，天线跟踪精度方位角
±
0.1
°
，俯仰角
±
0.1
°
的精度要求。
[0051]
3、本发明提供的无人机伺服跟踪发方法可以通过数字引导指向跟踪方式和自动跟踪方式两种方式对无人机进行实时跟踪，自动跟踪方式为高精度跟踪，可以提高跟踪的精度，当天线距离目标无人机较远时，超出高精度跟踪范围，系统切换至低精度跟踪的数字引导指向跟踪方式，两种方式配合使用，既避免了单一方式故障影响跟踪，又提高了跟踪的精准性。
附图说明
[0052]
图1为本发明无人机伺服跟踪系统实施例结构示意图；
[0053]
图2为本发明无人机伺服跟踪方法流程图。
具体实施方式
[0054]
参见图1，本实施例提供一种无人机伺服跟踪系统，该无人机伺服跟踪系统设置在控制站台上，包括天线单元、自动跟踪单元、数字引导指向跟踪单元、天线控制单元、天线调节单元、信号反馈单元、手动控制系统和显示监控界面。
[0055]
天线单元包括天线基台及设置在天线基台上的天线；天线上设置有方位角调节限位装置和俯仰角调节限位装置，其中，天线的方位角调节范围为0
°
～350
°
，俯仰角调节范围为0
°
～88
°
；天线的方位角调节角速度最大为71.4
°
/s，天线的俯仰角调节角速度最大为112.5
°
/s。
[0056]
自动跟踪单元包括设置在天线基台上并依次连接的天线馈源、低噪声放大器组件、单通道调制器及跟踪接收机；
[0057]
天线馈源的输入信号为无人机的输出信号，天线馈源的输出信号为和信号fr(σ)及差信号fr(δ)；低噪声放大器组件包括和信号低噪声放大器(lna(σ))和差信号低噪声放大器(lna(δ))；低噪声放大器组件的输出信号输出给单通道调制器，单通道调制器的输出信号输出给跟踪接收机，跟踪接收机的输出信号输出给天线控制单元；跟踪接收机的输出信号为方位误差信号δar、俯仰误差信号δer及和信号σ；
[0058]
数字引导指向跟踪单元用于获取无人机和控制站台的位置参数，并将位置参数信息输出给天线控制单元；数字引导指向跟踪单元包括电子罗盘、陀螺、gps接收机及数传电台；电子罗盘用于获取控制站台的航向，陀螺用于获取控制站台的俯仰角和横滚角；gps接收机用于获取控制站台的经纬度数据和高度数据；数传电台用于获取无人机的经纬度数据和高度数据。
[0059]
天线控制单元包括acu及与acu连接的跟踪转换器，acu用于将数字引导指向跟踪单元输出的位置参数进行处理获取的位置信息，并用于将跟踪接收机的输出信号与预设门电平进行对比后，根据对比结果通过跟踪转换器将信号传输给天线调节单元；
[0060]
天线调节单元与跟踪转换器相接，用于根据跟踪转换器的输出信号对天线进行调节；方位角调节组件包括用于方位角调节的驱动放大器a、电机a及减速器a；俯仰角调节组件包括用于俯仰角调节的驱动放大器e、电机e及减速器e；驱动放大器a和驱动放大器e均与跟踪转换器相接，减速器a和减速器e均与天线相接；天线上的方位角调节限位装置和俯仰角调节限位装置，用于与方位角调节组件、俯仰角调节组件配合实现天线的调节。
[0061]
信号反馈单元包括旋转变压器组件和旋变数字转换器组件，旋转变压器组件与天
线相接，用于获取天线的方位转轴和俯仰转轴信息并传输给旋变数字转换器组件，经过旋变数字转换器组件转换成方位角数字信息和俯仰角数字信息传输给acu；旋转变压器组件包括用于获取天线方位转轴信息的旋转变压器a和用于获取俯仰转轴信息的旋转变压器e，旋变数字转换器组件包括分别与旋转变压器a和旋转变压器e对应连接的两个旋变数字转换器。
[0062]
手动控制系统与acu相接，用于手动控制天线的转动方向和角速度；显示监控界面用于实时显示天线的方位角、俯仰角及跟踪模式。
[0063]
参见图2，本实施例还提供一种无人机伺服跟踪方法，该方法包括以下步骤：
[0064]
s1、天线馈源获取当前无人机对应的差信号fr(δ)及和信号fr(σ)，分别经过差信号低噪声放大器及和信号低噪声放大器处理后输出给单通道调制器，单通道调制器将接收的差信号及和信号合成一路，传输给跟踪接收机，跟踪接收机将信号放大、解调再分离出和信号σ、方位误差信号δar及俯仰误差信号δer，并将和信号σ、方位误差信号δar及俯仰误差信号δer输出给acu；
[0065]
数字引导指向跟踪单元获取当前无人机和控制站台的位置参数，并将位置参数信息输出给acu。
[0066]
s2、acu根据获取的和信号σ与预设门电平比较，若和信号σ小于等于预设门电平，采用数字引导指向跟踪方式，进入步骤s3；
[0067]
若和信号σ大于预设门电平，采用自动跟踪方式，进入步骤s5。
[0068]
s3、acu通过信号反馈单元获取天线的方位角数字信息a0和俯仰角数字信息e0；
[0069]
acu对步骤s1中数字引导指向跟踪单元输出的位置参数进行计算，求解出天线指向无人机的目标方位角a1和目标俯仰角e1；
[0070]
根据位置参数获取控制站台的位置为经度lg，纬度φg，高度hg，地球半径r，无人机的位置为经度ls，纬度φs，高度hs；当天线对准无人机时天线的方位角a、俯仰角e的表达式为：
[0071][0072]
其中当φg＜φs时，a＝a
*
，当φg＞φs时，a＝180
°‑a*
；
[0073][0074]
l
′
＝cos-1
[sinφg
·
sinφs cosφg
·
cosφs
·
cos(ls-lg)]；
[0075]
将极坐标(ρ，a，e)转换为大地直角坐标(x，y，z)，公式如下
[0076][0077]
当控制站台的姿态有变化时，偏航角ψ，俯仰角ω，滚动角δ，则天线的坐标系x',
y',z'计算公式为：
[0078][0079]
其中，ψ为控制站台的偏航角，ε为控制站台的俯仰角，δ为控制站台的滚动角；由此可以获得无人机在控制站台坐标系下的方位角a1，俯仰角e1，计算公式如下：
[0080][0081][0082]
通过计算获取方位误差信号δap和俯仰误差信号δep，计算公式为：
[0083]
δap＝a
1-a0，δe
p
＝e
1-e0。
[0084]
s4、将方位误差信号δap和俯仰误差信号δep输出给跟踪转换器，由跟踪转换器将δap和δep输出给天线调节单元，天线调节单元驱动天线转动，具体的，方位误差信号δap传输给驱动放大器a，驱动放大器a根据方位误差信号δap控制电机a和减速器a，实现天线方位角调节；俯仰误差信号δep传输给驱动放大器e，驱动放大器e根据俯仰误差信号δep控制电机e和减速器e，实现天线仰角调节；天线转动时，方位角调节范围为0
°
～350
°
，俯仰角调节范围为0
°
～88
°
；天线的方位角调节角速度最大为71.4
°
/s，天线的俯仰角调节角速度最大为112.5
°
/s；直至δap和δep均为零，或和信号σ大于预设门电平，获取当前跟踪接收机输出的方位误差信号δar及俯仰误差信号δer，采用自动跟踪方式，进入步骤s5。
[0085]
s5、将当前方位误差信号δar及俯仰误差信号δer通过跟踪转换器输出给天线调节单元，天线调节单元驱动天线转动，具体的，方位误差信号δar传输给驱动放大器a，驱动放大器a方位误差信号δar控制电机a和减速器a，实现天线方位角调节；俯仰误差信号δep或俯仰误差信号δer传输给驱动放大器e，驱动放大器e根据俯仰误差信号δer控制电机e和减速器e，实现天线仰角调节；天线转动时，方位角调节范围为0
°
～350
°
，俯仰角调节范围为0
°
～88
°
；天线的方位角调节角速度最大为71.4
°
/s，天线的俯仰角调节角速度最大为112.5
°
/s；直至跟踪接收机输出的方位误差信号δar及俯仰误差信号δer均为零。本实施例中，采用自动跟踪方式对天线进行调节的方位角指向精度为
±
0.1
°
，俯仰角指向精度为
±
0.1
°
；方位角位置显示精度和俯仰角位置显示精度均为
±
0.03
°
。
[0086]
s6、重复步骤s1-s5，实时对无人机进行伺服跟踪，直至跟踪任务结束。