一种用于无人驾驶直升机的天线跟踪装置及其操作方法 本发明涉及一种无线信号跟踪，特别是涉及一种用于无人驾驶直升机的天线跟踪装置及操作方法。
在遥控遥测系统中，考虑到由于全向天线存在增益低、干扰大、多径效应等问题，因此设计中使用具有方向性增益的天线。天线跟踪系统就是为使天线实时准确地指向飞机，以获得最大的天线增益。在无人机的天线跟踪系统中，最常用的是圆锥扫描体制的跟踪天线，它是从机载射频信号检测出现在指向的误差来纠正天线指向，其精度是很高的，使用的距离也可以达到200km，但造价很高、设备较复杂，同时隐蔽性不好。
考虑到本系统使用的一些特殊性，提出了使用以数字引导的跟踪方式为主的天线跟踪系统，同时辅助以航程推算或幅度跟踪模式和手动跟踪模式，在系统中根据直升机飞行的特点进行针对性的处理，并可以根据不同的状态对模式进行自动切换，保证其跟踪精度，这一方案不需要机载信标，从而降低了机载设备的重量和提高了飞机的隐蔽性。
天线跟踪系统是无人驾驶直升机遥控遥测系统的重要组成部分，保证天线跟踪系统的正确跟踪指向是遥控遥测系统可靠工作的关键技术问题，相对于圆锥扫描跟踪体制的系统，本系统设备简洁、高效、可靠、成本低，同时又能够满足系统的性能要求，适应车载移动地面站安装使用。
本发明的目的是提供一种用于无人驾驶直升机的天线跟踪装置。
本发明的另一个目的是提供一种用于无人驾驶直升机的天线跟踪的操作方法。
本发明地技术方案是这样实现的：一种用于无人驾驶直升机的天线跟踪装置，它包括测控天线、天线转台、遥控遥测收发设备、控制计算机系统、伺服设备等，其中，测控天线同遥控遥测收发设备连接，测控天线安装在天线转台上，天线转台同控制计算机系统连接，伺服设备连接在控制计算机系统的控制接口上；天线转台由底座、方位轴、天线安装杆、俯仰轴、俯仰轴蜗杆支架、左支撑架、右支撑架、步进电机、摄像头安装架、固定板、摄像头组成，方位轴安装在底座上，天线安装杆一端安装在方位轴上，另一端安装有测控天线，俯仰轴的左端连接俯仰轴蜗轮蜗杆、左支撑架、摄像头安装架，俯仰轴的右端连接右支撑架、俯仰轴编码器，左右支撑架固定在固定板上，固定板同方位轴连接；天线转台中的方位轴运转方位角度为±720°，运转速度为20°/s，角加速度为10°/s2，俯仰轴的俯仰角度为-5°～185°；摄像头安装在摄像头安装架上，摄像头的方向同测控天线的方向保持一致；天线转台中的反馈传感器用于读取方位轴和俯仰轴的位置数据，形成闭环控制，反馈传感器是保证跟踪精度的必要条件，主要是使用具有一定精度的轴角编码器来完成。
本发明的遥控遥测收发设备内安装有遥控发射机、遥测接收机。遥控遥测设备中的高频组合由低噪声放大器和功率放大器组成，低噪声放大器对从测控天线接收到的弱信号进行低噪声放大，然后传送给遥测接收机，功率放大器对遥控发射机输出的信号进行功率放大，通过测控天线传送至无人驾驶直升机上的接收系统。
本发明的控制计算机系统由工业控制计算机、控制接口组成，控制接口连接伺服设备驱动器和天线转台中的反馈传感器调理设备；控制计算机系统为实时处理遥测和地面站位置的数据，计算数字跟踪引导数据，对工作的状态进行判断，完成工作状态的切换、跟踪系统的监视、显示，并实现人机之间的交互控制；控制接口用来完成测控天线对控制计算机与反馈传感器、伺服设备的数据交换。
本发明的测控天线为S波段的角反射天线，接收增益为11～23dBi，发射增益为11～23dBi，波瓣角度为40°～13°。
本发明的伺服设备完成对测控天线两个轴向的控制。
本发明的一种用于无人驾驶直升机的天线跟踪的操作方法，其中：系统加电后，程序将自动运行，此时，是用键盘的上、下、左、右键控制天线转台指向正北方向和水平方向，此时系统完成基准点的读取工作，然后根据飞机的实际情况可以选择工作的模式；
(1)数字引导跟踪模式，系统从地面站中读取方位角和俯仰角。天线现在所指向的的位置可以由两个轴向的反馈传感器，通过控制接口给控制计算机，程序将现在的位置与要指向的位置进行比较，得到一个误差值。控制计算机将这个误差值转换成为步进脉冲的个数，通过控制接口给伺服设备，从而使天线正确的指向飞机。只要实时遥测处于正常状态，系统将处于此模式状态；
(2)航程推算或幅度跟踪模式，一旦系统中的实时遥测信号失效，即实时遥测处于无效状态时，系统将根据上次飞机的航向、速度信息估算现飞机的位置。当处于此状态时，系统仍可以在短时间内跟踪飞机，直至实时遥测信号恢复正常。这种模式的存在提高了系统跟踪的连续性；
(3)手动控制跟踪模式，当有手动控制信号时，系统将判断上、下、左、右的控制，使伺服设备按人工的控制方向旋转。这种状态用于人工对系统进行调整和基准点的输入；
当飞机距离地面站的距离大于200米时，按键盘上的F1启动自动数字引导跟踪模式，此时天线系统将自动对准飞机，如果实时遥测数据出现异常状态，系统将自动切换到航程推算或幅度跟踪模式，仍然保证天线能够正确的指向飞机；当飞机距离离地面站小于200米时，如果天线跟踪系统摆动，或者实时遥测数据出现严重故障，使得航程推算或幅度跟踪模式以及数字引导跟踪模式失效时，按键盘上的F2启动手动跟踪模式，此时，利用摄像头跟踪飞机，保证天线正确的指向飞机；在切换到手动跟踪模式时，按下键盘上的F3使测控天线指向正北方向位置，按下键盘上的F4使测控天线指向水平位置，按下键盘上的F5使测控天线同时指向正北方向和水平位置；在系统操作的任意时刻，都可以使用键盘上的数字键1、2、3进行选择，选择合适的滤波系统以处理飞机的实时遥测数据，选择数字键1表示飞机尚未起飞或者处于悬停状态，选择数字键2表示飞机处于直线飞行状态，选择数字键3表示飞机处于盘旋状态，选择正确的滤波模式，将更加有利于提高天线跟踪系统的性能。
天线跟踪系统的主要作用是在无人驾驶直升机飞行过程中，以一定的精度连续跟踪目标，使目标始终处于主波束的中心线附近，从而以最大的接收增益和发射增益可靠地连续接收遥测信号、发送遥控信号。
在本发明中，天线跟踪系统使地面天线伺服系统结构简化，大大降低了遥测地面站的复杂程度，同时成功地解决了无人驾驶直升机的过顶跟踪以及近距离跟踪的问题，从而能够实现集无人驾驶直升机操纵控制平台、天线伺服系统、遥测数据监测平台为一体的多功能车载移动地面站。
下面将通过附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。
图1是本发明的基本结构组成框图。
图2是本发明的天线跟踪模式切换示意图。
图3是方位角度误差与飞机的距离关系曲线图。
图4是俯仰角度误差与飞机距离的关系曲线图。
图5是显示在控制计算机显示器上的切换示意图。
图6是本发明的天线转台的结构剖视图。
图中：1.底座 2.方位轴编码器 3.方位轴 4.固定板 5.轴承 6.支撑块 7.左支撑架 8.步进电机 9.俯仰轴蜗杆支架 10.摄像头安装架 11.轴承 12.轴承 13.俯仰轴蜗轮蜗杆 14.天线安装板 15.天线安装杆 16.天线安装轴底座 17.俯仰轴 18.轴承 19.编码器安装块 20.俯仰轴编码器 21.右支撑架 22.支撑角块 23.轴承套 24.蜗轮支撑筒 25.衬套 26.轴承 27.编码器安装块 28.天线转台
在本发明一种用于无人驾驶直升机的天线跟踪装置，它包括测控天线、天线转台28、遥控遥测收发设备、控制计算机系统、伺服设备等，其中，测控天线同遥控遥测收发设备连接，测控天线安装在天线转台28上，天线转台28同控制计算机系统连接，伺服设备连接在控制计算机系统的控制接口上；天线转台28由底座1、方位轴3、天线安装杆15、俯仰轴17、俯仰轴蜗杆支架9、左支撑架7、右支撑架21、步进电机8、摄像头安装架10、固定板4、摄像头等组成，方位轴3安装在底座1上，天线安装杆15一端安装在方位轴3上，另一端安装有测控天线，俯仰轴17的左端连接俯仰轴蜗轮蜗杆13、左支撑架7、摄像头安装架10，俯仰轴17的右端连接右支撑架21、俯仰轴编码器20，左、右支撑架固定在固定板4上，固定板4同天线转台28的方位轴3连接；天线转台中的方位轴3运转方位角度为±720°，运转速度为20°/s，角加速度为10°/s2，俯仰轴17的俯仰角度为-5°～185°；摄像头安装在摄像头安装架10上，摄像头的方向同测控天线的方向保持一致；天线转台中的反馈传感器用于读取方位轴和俯仰轴的位置数据，形成闭环控制，反馈传感器是保证跟踪精度的必要条件，主要是使用具有一定精度的轴角编码器来完成。
在本发明的遥控遥测收发设备内安装有遥控发射机、遥测接收机。遥控遥测设备中的高频组合由低噪声放大器和功率放大器组成，低噪声放大器对从测控天线接收到的弱信号进行低噪声放大，然后传送给遥测接收机，功率放大器对遥控发射机输出的信号进行功率放大，通过测控天线传送至无人驾驶直升机上的接收系统。
在本发明的控制计算机系统由工业控制计算机、控制接口组成，控制接口连接伺服设备驱动器和天线转台中的反馈传感器调理设备；控制计算机系统为实时处理遥测和地面站位置的数据，计算数字跟踪引导数据，对工作的状态进行判断，完成工作状态的切换、跟踪系统的监视、显示，并实现人机之间的交互控制；控制接口用来完成测控天线对控制计算机与反馈传感器、伺服设备的数据交换。
在本发明的测控天线为S波段的角反射天线，接收增益为11～23dBi，发射增益为11～23dBi，波瓣角度为40°～13°。
在本发明中的伺服设备是用来完成对测控天线两个轴向的控制的。
本发明的操作方法为，系统加电后，程序将自动运行，此时，是用键盘的上、下、左、右键控制天线转台指向正北方向和水平方向，此时系统完成基准点的读取工作，然后根据飞机的实际情况可以选择工作的模式，有三种模式可供选择：
(1)数字引导跟踪模式，系统从地面站中读取方位角和俯仰角。天线现在所指向的的位置可以由两个轴向的反馈传感器，通过控制接口给控制计算机，程序将现在的位置与要指向的位置进行比较，得到一个误差值。控制计算机将这个误差值转换成为步进脉冲的个数，通过控制接口给伺服设备，从而使天线正确的指向飞机。只要实时遥测处于正常状态，系统将处于此模式状态；
(2)航程推算或幅度跟踪模式，一旦系统中的实时遥测信号失效，即实时遥测处于无效状态时，系统将根据上次飞机的航向、速度信息估算现飞机的位置。当处于此状态时，系统仍可以在短时间内跟踪飞机，直至实时遥测信号恢复正常。这种模式的存在提高了系统跟踪的连续性；
(3)手动控制跟踪模式，当有手动控制信号时，系统将判断上、下、左、右的控制，使伺服设备按人工的控制方向旋转。这种状态用于人工对系统进行调整和基准点的输入；
当飞机距离地面站的距离大于200米时，按键盘上的F1启动自动数字引导跟踪模式，此时天线系统将自动对准飞机，如果实时遥测数据出现异常状态，系统将自动切换到航程推算或幅度跟踪模式，仍然保证天线能够正确的指向飞机；当飞机距离离地面站小于200米时，如果天线跟踪系统摆动，或者实时遥测数据出现严重故障，使得航程推算或幅度模式以及数字引导跟踪模式失效时，按键盘上的F2启动手动跟踪模式，此时，利用摄像头跟踪飞机，保证天线正确的指向飞机；在切换到手动跟踪模式时，按下键盘上的F3使测控天线指向正北方向位置，按下键盘上的F4使测控天线指向水平位置，按下键盘上的F5使测控天线同时指向正北方向和水平位置；在系统操作的任意时刻，都可以使用键盘上的数字键1、2、3进行选择，选择合适的滤波系统以处理飞机的实时遥测数据，选择数字键1表示飞机尚未起飞或者处于悬停状态，选择数字键2表示飞机处于直线飞行状态，选择数字键3表示飞机处于盘旋状态，选择正确的滤波模式，将更加有利于提高天线跟踪系统的性能。
在实施中，以数字引导为主要跟踪方式的天线跟踪系统，主要的误差来源有实时目标的位置误差、机械系统误差。
首先讨论实时目标的位置误差对方位角度造成的误差。方位角度误差不仅与目标的定位误差有关，还与飞机的距离相关，我们以GPS数据作为实时目标的测量数据为例，得到方位角度误差与飞机的距离关系如图3所示(假设GPS定位均方误差20米)。
由图3可以看出，当飞机距离较近的时候，方位角度存在着较大的固有误差，例如飞机距离为200米时，存在方位角度的固有跟踪误差为5°，随着飞机的距离增加，方位角度的固有误差将渐渐减小，当飞机的距离达到1000米时，方位角度的固有跟踪误差为1°。
俯仰角度的误差来自于飞机高度定位数据的误差，它的误差分析与方位角度的误差分析类似，不同的地方在于飞机在低高度传感器的精度要远远高于位置的传感器，对于较高的高度，传感器精度对于俯仰角度的误差影响有比较小。在无人直升机的高度测量系统中，我们使用了如下设备：
(1)无线电高度表，测量范围0到300米，精度1米；
(2)气压高度表，精度20米；
(3)GPS高度数据，精度20米。
因此，由于低高度传感器精度较高，使得俯仰角度定位误差较方位角度误差小的多，俯仰角度误差与飞机的距离关系如图4所示。
从图4中可以看出，俯仰角度的固有误差一直在2°之内，使用的宽波瓣的角反射天线后，该误差对于通信链路的影响是比较小的。因此，解决精度问题的重点放在减小方位角度的固有误差上，我们采用了对实时目标的位置数据进行滤波，减小数据的误差。
在二维平面中，根据无人直升机飞行的特点，我们将它的飞行轨迹分为三种主要类型，分别对它们应用不同的滤波模型进行处理：
(1)、悬停，飞机在未起飞、离地初期以及着陆的时候的时候处于这个状态，此时采用固定点位置的卡尔曼滤波模型，可以将定位精度提高接近一个数量级。
(2)、直线飞行，飞机从起飞点飞行至任务区域时采用的飞行方法，此时可以采用CA(等加速度)或者CV(等速)的卡尔曼滤波模型。
(3)、盘旋飞行，飞机在任务区域采用的飞行方法，此时可以采用盘旋飞行的卡尔曼滤波模型进行数据处理。
使用上述方法进行数据处理不仅可以减小实时的位置数据，同时还提供了一个航程推算的预测方法，提高了航程推算中的精度。
虽然，天线系统在近距离跟踪时存在一定的误差，但此时由于飞机离地面站很近，因此，通信系统在功率上有较大的裕量。根据天线的波瓣图以及通信系统的信道理论计算和实际的实验结果，得到飞机近距离时天线跟踪系统的允许存在的误差角度如下： 距离(米) 允许误差角度(度) 50 约150 100 约90 200 约50由此可见，天线跟踪系统的精度要高于所要求的精度。相对于实时目标的位置误差来说，机械系统误差对于天线跟踪系统的影响在远距离的时候才体现出来，机械系统误差对方位角度和俯仰角度的影响是由于机械系统存在一定的耦合精度。由于使用轴角编码器完成闭环控制，因此，机械系统对天线跟踪系统造成的误差为轴角编码器的精度，小于1°。
天线跟踪系统主要有以下几种跟踪模式：
1、数字引导模式
将遥测数据中的实时目标位置提取出来，和地面站的位置信息做相关的运算，得到实时目标相对于地面站的角度。然后，将这个角度与天线位置传感器得到的实时角度相减，求出角度误差，从而通过接口控制电路和伺服设备控制天线使角度误差为零。
2、航程推算或幅度模式
航程推算或幅度模式将根据目标以前时刻的位置数据(有时也包括速度数据)预测现在时刻的目标位置，对于具有一定运动模型的飞行，可以使用卡尔曼预测公式，而对于不具备模型的机动飞行，可以使用两点外推法或者其它机动目标跟踪的方法。
3、手动控制模式
由操纵人员通过控制计算机的交互式控制，下达天线运动的指令，将天线调至某一个指向位置，来完成跟踪。
上述三种模式中，数字引导模式是系统的基本工作状态，但针对各种不同的情况下，需要使用不同的跟踪模式。模式的切换可以由操纵人员进行，也可以由计算机按照一定的优先级自动进行。天线系统跟踪模式切换的过程如图2所示。
当实时目标位置连续地通过遥测数据传送到控制计算机时，天线跟踪系统处于数字引导跟踪模式，控制计算机将通过数据得到角度误差，来控制天线跟踪系统完成跟踪指向。
由于通信链路等因素的影响，一旦出现遥测数据的丢失，将导致实时目标位置的丢失，因此，系统将切换到航程推算或幅度模式，预测此时刻的目标位置，保持跟踪的连续性，即通过数据的预测，避免因为数据丢失导致的跟踪精度下降。
航程推算或幅度模式的误差大小与飞机飞行的状态有关，当飞机飞行满足一定的飞行模型，航程推算或幅度的误差较小，但当飞机处于机动飞行时，航程推算或幅度的误差随着时间的推移迅速增大。因此，当航程推算或幅度超过一定的时间，其造成的误差已经不能够满足要求的时候，系统将切换到手动控制模式，避免跟踪丢失目标，同时给出报警指示。通过实验数据和理论的推算，我们给出各种状态下，航程推算或幅度的时间为： 状态航程推算或幅度时间(秒)悬停或未起飞 130 机动飞行 30 盘旋飞行 60
天线跟踪系统是无人直升机遥控遥测系统的重要组成部分，同时天线跟踪系统正常工作与否也直接影响到遥控遥测系统的工作。一旦天线跟踪系统丢失跟踪，将直接导致遥控遥测系统通信链路中断，其结果除了地面站不能够得到飞机实时的状态和操纵飞机以外，天线跟踪系统也将不能够通过遥测数据得到飞机实时的位置数据，导致一个恶性循环。因此，必须采取相应的方法避免进入这样的循环，保证天线跟踪系统的可靠性也就显得非常的重要。
为解决上述问题，天线跟踪系统采用异常数据处理方法，确保天线跟踪系统的可靠性。异常数据的处理以剔除野值为主，不仅仅从数据的统计信息进行处理，同时还考虑到直升机的飞行特点。对于无人直升机方位的数据处理可以针对上述的三种飞行模型采用不同的滤波模型，针对不同的飞行状态采用不同的模型能够更好的提高野值剔除的能力，关于采用滤波模型的异常数据处理的门限选择以及虚警概率的计算。对于无人直升机高度的数据处理，也应该分成两个部分，即稳定高度飞行和机动爬高(降落)飞行。稳定高度飞行可以使用固定数值的卡尔曼滤波的处理方法和相应的野值剔除方法，对于机动爬高(降落)飞行可以使用CA或者CV的卡尔曼滤波模型。
以上这些措施的采用，保证了天线跟踪系统的可靠性。
针对无人直升机的飞行特点，天线跟踪系统还有两个问题需要处理：
(1)过顶跟踪问题。过顶飞行是无人直升飞机一个相对特殊的飞行状态，为了保证飞机在过顶飞行中，天线跟踪系统仍然能够正确的指向，并且能够保证跟踪速度，采用了天线座的设计方法使得俯仰角完成从-5°到185°的控制。另外，从控制跟踪的算法上保证天线系统在过顶跟踪时会采用控制俯仰轴的旋转，从而避免通过控制方位轴180度旋转而造成跟踪的延迟。
(2)近距离跟踪天线摆动问题。在前面的讨论中，由于方位角在近距离的时候存在相对较大的误差，同时误差是随机分布的，如果不进行处理将导致飞机近距离时天线将产生摆动。为避免这种状态，我们放宽在近距离时的跟踪误差，即随着飞机距离的不同，采用不同的误差门限，一旦天线跟踪系统的误差超过了误差门限，再进行纠正。误差门限的选择取决于天线的波瓣图、通信系统的功率裕量、未处理时的摆动量等因素。在本系统中误差门限选择如下： 距离(米) 误差门限(度) ＜100 10 100～500 5 500～1000 2 ＞1000 1
在地面系留实验和飞行试验中，采用该方法，近距离跟踪的性能完全正常，天线的摆动大大减小。