一种无人机通信天线伺服系统的构建

一种无人机通信天线伺服系统的构建
一种无人机通信天线伺服系统的构建
摘要：介绍了一种定向数据通信天线伺服系统的实现。

该天线伺服系统可以用于作用半径为150km的近程无人机地面测控天线跟踪，其系统跟踪体制采用GPS引导方式，具有实现简单、工作稳定、便于维护等特点。

从系统设计原理出发，阐述了GPS引导跟踪算法，说明了系统组成和控制原理，提出了一些关键性设计要点和附加功能，并根据实际使用数据进行了归纳和分析，提出了简单可行的改进措施。

关键词：无人机; GPS;天线伺服;数据链系统
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随着无人机技术的不断发展，对高带宽微波数据链路作用距离要求也随之提高，通过提高地面或机载的发射机功率和增加接收机灵敏度的方式已经无法满足远距离通信要求，而提高地面测控天线接收发射增益是一种行之有效办法，且不会增加机载通信设备重量和尺寸。

定向通信天线因为在波束角范围内具有高增益而被广泛运用于中近程无人机的测控通信,天线通过定向辐射和接收信号的方式，将能量作用在有用范围，减少了能量耗散，提高了发射增益。

但正是由于定向发射接收信号的特点，决定了该种天线必须配备一种引导跟踪系统才能用于无人机这种动态跟踪通信应用上。

作为测控对象的近程无人机，因为有一定运动速度且距离较近，从而对地面测控天线伺服系统的跟踪角速度和加速度都有要求。

对于近程无人机系统，设计和制造成本都受约束，所以实现简单稳定的天线伺服系
统是无人机的数据通信系统中一个重要组成部分。

目前国内无人机测控定向天线多采用单通道单脉冲跟踪体制，通过信号相位关系来进行方位俯仰判断，需要一套复杂的天线伺服反馈系统，成本很高，维护检修技术要求较高。

此外，在实际使用中，很容易受到干扰而导致天线乱转。

本系统利用GPS引导方式和无刷伺服电机控制，实现了对螺旋定向天线（波束角小于24°，增益15dB）的方位角一维伺服控制。

由于GPS信号具有比自跟踪的信号更加稳定、数字化更强、实现简单的特点，可用于无人机测控应用。

经过实际长时间的应用验证，该系统跟踪效果可以满足要求，并具有一定预留扩展性。

1系统框架系统可以进行GPS引导跟踪和定角度转动两种作用模式，并具有日志记录和界面显示功能。

控制软件在遥控遥测计算机上运行。

在定角度转动模式下，伺服电机控制回路根据给定的角度进行转动；在跟踪模式下，系统以一定周期(80ms)从遥测数据得到无人机位置，并根据本地位置以及当前天线转角确定转动角度，伺服电机控制回路执行转动。

系统整体框架，本地GPS提供当前地面站位置和车头方向的数据，电动机控制器、位置编码器、伺服电机构成了伺服回路，带动减速器驱动转台旋转，光电开关是初始化时使天线对准车头的基准限位，并在运行过程中可以消除位置编码器累计误差。

为实现转台任意旋转，系统中选用高频导电滑环进行转台上下两端的信号传输。

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2系统方案2.1转动角解算[1]在无人机(UAV)当前经纬度、本地经纬度、车头方向都已知的条件下，就可以利用图2所示关系求得无人机与车头方向的夹角，通过位置编码器可知当前天线方向，即可知天线转动角度。

图2所示的跟踪指向角Az推导过程如下：(1)先将无人机经纬度转换到地心坐标系。

(2)再转换到以地面站为原点、东向为X轴方向、北向为Y轴、垂直地面为Z轴的坐标系上。

(4)通过式(3)即可得到方位角Az，其中r为无人机与地面站距离。

2.2?伺服电机控制[2-4]该天线转台伺服是一种位置伺服控制，系统结构。

为保证转动力矩平稳，无刷电机的线圈电流采用比例-积分PI反馈控制，PI控制就能保证很好的力矩控制特性。

而位置控制则采用比例-积分-微分(PID)反馈控制，加入积分可以消除位置误差。

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为保证位置伺服的平稳运行，避免急动急停给天线带来冲击，故伺服过程中加速度、转速、转角随时间变化。

此外，对于控制器PID参数可以参考表1规律，进行最终使位置伺服达到“稳、快、准”。

伺服电机的选用也是该伺服天线设计内容，电动机的额定功率可用下列公式进行估算。

当伺服系统选用较大的功率和力矩时，可以使伺服参数容易调整，但会使体积和成本增加。

所以一般余量不应该太大。

本伺服系统为满足多种螺旋天线的跟踪需要，采用Maxon公司的EC-max40系列的40W无刷电动机，并选用减速比约246:1的陶瓷行星减速器GP32C，外加了减速比约2.7:1的二级减速器，总减速比为668.71:1，采用EPOS24/5位置伺服控制器，位置伺服采用了光电编码器HDEL55。

虽然采用光电编码器，但伺服系统还是能在-10℃低温环境下进行长时间储存和工作。

2.3跟踪软件设计跟踪软件主要完成目标
方位角解算和控制界面显示、模式切换等功能，兼顾一定系统故障诊断功能，并具有日志记录功能，该系统记录时间为1s一次。

在软件中还增加了天线指向车头方向的操作指令，可以在系统长时间运行带来编码累计误差时，将天线重新校准至车头方向。

此外，还具有简单异常点剔除功能，当无人机GPS位置出现异常跳动时，系统不采取动作。

当丢失目标时，遥测遥控软件根据航迹将下一个航点传递给跟踪软件，预置天线转角等待无人机。

3系统分析3.1设计要点天线跟踪系统属于采样开环控制系统。

在系统控制构成中，输入是无人机位置信息，由无人机机载GPS采样，通过信道设备(延时环节)进行传输，地面系统(延时环节)解算出定向天线转角，驱动电机伺服系统转动。

因此，跟踪具有一定滞后时间，其滞后时间等于无人机GPS位置数据更新间隔、通信链路延迟、计算机解算延迟等之和。

本系统每200ms进行一次解算驱动，滞后时间经工程实践可认为是200ms。

根据图5所示跟踪速率关系即可以求出滞后角度，可进行跟踪角度的最坏情况分析。

为减少电动机及齿轮的动作次数，延长机构寿命，在伺服控制上进行限制，当待转角度小于0.5°时，伺服不动作，当积累到0.5°以上，伺服才动作。

在实际使用过程中，根据跟踪动态效果可以将使用分3种情况进行考虑：(1)起飞跟踪：该近程无人机为滑跑起降，所以需要进行长时间的滑跑试验。

对于天线伺服系统，无人机离地面站距离在100～2000m不等，最大速度能达到50m/s,而且由于地面遮蔽，通信属于半通视传输，其跟踪情况相对比较恶劣。

该系统已经进行了长达130h使用考核，跟踪从未丢失过目标。

(2)飞行跟踪：当飞机远离
地面站时，由于距离较远，其跟踪情况相对比较宽松。

该系统进行了12h 使用考核，跟踪效果主要依赖信道质量，但跟踪效果依然良好。

(3)过顶跟踪：由于该伺服系统不能控制天线俯仰角，定向天线只能通过上旁瓣进行通信，此时飞机通场高度在1000m左右，且过顶时飞机速度较快，这种跟踪情况最为恶劣，所以单独作为一种情况进行分析，经过了若干次过顶跟踪考核，跟踪也从未丢失目标，且无需人工干预。

3.2数据分析根据系统的日志记录，以上述3种不同情况的跟踪模式进行数据分析。

日志主要是记录无人机和地面站的经纬度、两者的相对距离和方位角、天线当前指向等信息。

通过分析方位角和天线指向的差值即滞后角度来评价该天线伺服系统的跟踪品质。

(1)起飞数据分析，选取一次滑跑数据进行分析，可得跟踪误差角或有超调或滞后，但总体上稳定在波束角范围内，完全满足要求。

图6为起飞跟踪情况，左坐标轴代表滞后角度的刻度，右坐标轴为机站距离刻度。

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(2)飞行跟踪分析。

对飞行数据进行分析，该飞行段为14800s(4h)，作用距离约2km以上。

统计滞后角分布，得到滞后角平均值0.255°，标准差0.157°，此结果非常理想。

滞后角度的分布，滞后角度为负数代表超前值。

可以发现0.5°的滞后角所占比例较大，这与设计要点一节所提到的0.5°积累角度有关。

(3)过顶跟踪。

选择70s左右的样本数据，研究通场过顶情况下的滞后角度，滞后角控制在15°范围以内，滞后角在5°以上小于10s，此时机站的通视距离很近(小于1.5km、且无遮蔽物)，实际情况下使用了定
向信号不会间断。

图8为过顶跟踪情况，左坐标轴代表滞后角度的刻度，右坐标轴为机站距离刻度。

3.3改进措施通过对起飞跟踪和过顶跟踪的数据分析，尽管该螺旋天线通信链路不会发生失锁现象，但是滞后角度依然较大，这主要是由于GPS数据更新间隔造成的，与电动机伺服系统动态特性无关。

但单纯提高GPS更新间隔会占用系统运行开销和硬件投入。

通过在原有解算方位角Az的基础上叠加前置角,可以大大减小滞后角度，这只需在软件算法上进行改进，在整个跟踪控制上，可以理解为引进了微分校正环节。

天线转动前置角计算，某一时刻通过无人机机载GPS可以知道无人机速度和速度方向的信息。

通过将速度在机站之间矢径的切线方向投影速度，估算跟踪方位角速率，通过滞后时间Δt，计算出前置角度ε，叠加到解算出的方位角上，减去天线当前指向得到转动角，驱动伺服系统；下一时刻，系统重新计算前置角和方位角，并根据天线指向进行伺服驱动，这并不会使误差累计传递到下一时刻。

通过该前置角可以在不提高GPS更新速度的条件下，提高整个天线跟踪系统的近距高速跟踪品质。

经过初步应用该方法可发现，虽会出现一定超前但基本能控制在1°以内。

该天线伺服系统目前具有很好的使用效果，已经可靠地运用在无人机地面站中，并在多个机场条件下得到实际验证，具有成本低廉、使用简洁、维护方便的特点。

虽然目前仅需要实现方位角伺服，但当与波束角更小的天线进行配合时，仅需另加入新的一套位置伺服系统，俯仰角El可在公式(4)中获得，即可以实现二维伺服。

此外，通过选择具有一定动态性能的GPS组合（含指北功能），还可以实
现将天线伺服放入移动地面站中，实现移动中通信，提高测控系统的适用范围。