專利名稱：一種角跟蹤系統(tǒng)的制作方法
一種角跟蹤系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于雷達(dá)領(lǐng)域，具體是一種無人機(jī)視距鏈路地面車角跟蹤系統(tǒng)。
技術(shù)背景
從1914年英國研制軍用無人機(jī)開始，至今快一個(gè)多世紀(jì)了。經(jīng)過不懈的努力，無人機(jī)已經(jīng)成為人們生活中必不可少的部分。目前，無人機(jī)應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，如地質(zhì)勘探、氣象監(jiān)測、軍事和海上稽查等。如何使無人機(jī)上的監(jiān)測信息有效的反饋回控制中心，成為研究的重要方向。目前國內(nèi)大多數(shù)使用電臺等平臺來實(shí)現(xiàn)信息傳輸，但這種方式使得無人機(jī)作用距離近、帶寬窄極易受到干擾；國外則是利用衛(wèi)星通信，這樣解決了無人機(jī)作用距離近、 帶寬窄極易受到干擾的問題，但占用了大量的衛(wèi)星資源。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決有效的傳輸無人機(jī)監(jiān)測信息。
一種角跟蹤系統(tǒng)，包括控制中心、天線分系統(tǒng)、饋線分系統(tǒng)、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、伺服分系統(tǒng)和通訊接口分系統(tǒng)；
所述天線分系統(tǒng)包括電線座，以及安裝在天線座上的定向天線、全向天線和定向喇叭；
所述發(fā)射分系統(tǒng)，包括上變頻器、頻控處理器、功放和選擇開關(guān)；由控制中心送來的基帶激勵(lì)信號送給發(fā)射分系統(tǒng)，在發(fā)射分系統(tǒng)內(nèi)，基帶激勵(lì)信號經(jīng)上變頻器后送至功放； 功放的輸出端連接選擇開關(guān)的輸入端；所述選擇開關(guān)的輸出端分別連接定向天線、全向天線和定向喇叭的發(fā)射信號輸入端；所述定向天線通過饋線分系統(tǒng)連接該選擇開關(guān)的輸出端；本頻控處理器接收來自控制中心的控制信號，并依此輸出選擇開關(guān)、上變頻器頻率選擇和功放的控制信號；
所述饋線分系統(tǒng)，本分系統(tǒng)傳輸發(fā)射信號給定向天線，接收相應(yīng)頻率回波信號，在發(fā)射信號的同時(shí)接收和Σ、方位差ΔΑ 二路接收信號，再經(jīng)接收分系統(tǒng)送接收機(jī)；本分系統(tǒng)包括雙工器、加減器、左饋源和右饋源；對于定向天線的發(fā)射信號，該發(fā)射信號依次經(jīng)雙工器、加減器和左饋源輸出；接收和Σ信號依次經(jīng)左饋源、加減器和端口輸出至雙工器，接收方位差ΔΑ信號由左右饋源經(jīng)加減器差輸出；
所述接收分系統(tǒng)，包括選擇開關(guān)、LNA、下變頻器、頻控處理器和中頻接收機(jī)；本選擇開關(guān)的一個(gè)輸出端依次連接LNA和下變頻器，下變頻器的輸出端連接中頻接收機(jī)的輸入端；該選擇開關(guān)有三個(gè)輸入端，全向天線和定向喇叭分別連接該選擇開關(guān)的兩個(gè)輸入端； 本選擇開關(guān)的另一個(gè)輸入端接收所述Σ信號和ΔΑ信號；本頻控處理器接收來自控制中心的控制信號，并依此輸出選擇開關(guān)、下變頻器的控制信號；
所述伺服分系統(tǒng)，包括伺服控制器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所述伺服控制器的控制信號輸出給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電線座作轉(zhuǎn)動(dòng)和俯仰動(dòng)作；
所述通訊接口分系統(tǒng)，連接在控制中心與發(fā)射分系統(tǒng)的頻控處理器、接收分系統(tǒng)的頻控處理器以及伺服分系統(tǒng)的伺服控制器之間。
所述下變頻器由依次連接的第一混頻器和第二混頻器構(gòu)成；對于所述Σ信號和 ΔΑ信號，這兩路信號分別經(jīng)第一混頻器和第二混頻器兩次變頻道中頻信號。
還包括運(yùn)載車輛，該運(yùn)載車輛上設(shè)有方艙，所述角跟蹤系統(tǒng)安放在方艙內(nèi)；所述角跟蹤系統(tǒng)的天線座通過升降機(jī)構(gòu)與方艙連接。
所述接收分系統(tǒng)中，接收鏈路電平估算的方法是，
接收鏈路的最低接收電平PKmin :PEfflin = [Eb/Nc] + [B] + [K] + [T] + [NF]-[PG]；
式中屯/N。是歸一化信噪比，取為6. 6dB,即對應(yīng)于誤碼率10_5，解調(diào)門限為 9. 6dB,再減去譯碼增益3dB ；B為通帶帶寬；K為波爾茲曼常數(shù)-228. 6dB ；T為系統(tǒng)噪聲溫度，取為^SK對應(yīng)24. 74dB ;NF為接收機(jī)噪聲系數(shù)，取為2dB ;PG為擴(kuò)頻處理增益 IOlgO(OdB)；
將各數(shù)值代入上式后，計(jì)算出系統(tǒng)接收鏈路的最低接收電平Psmin ；
對于發(fā)射分系統(tǒng)，同理可計(jì)算出系統(tǒng)發(fā)射鏈路的最低接收電平Psmin ；
通過信道參數(shù)計(jì)算，得到的系統(tǒng)發(fā)射/接收鏈路的最低接收電平Psmin，帶入鏈路功率估算式中:PT = [PE]-[GT]-[GJ+ [LfJ+ [SM],
Pe為最小接收電平，對應(yīng)于誤差率10_5 ;GT為發(fā)射天線的增益；GK為接收天線的增益為自由空間傳播損耗32. 4+20IgD (km)+20Igf (MHz) ；SM為系統(tǒng)余量15dB，其中，防跌落電平儲備6dB，多徑衰落余量5. 4dB，極化損失ldB，解調(diào)抖動(dòng)0. 6dB，饋線損耗2dB ；將各數(shù)值代入上式后，計(jì)算出發(fā)射機(jī)功率。
本系統(tǒng)基本不占用衛(wèi)星通信，且高效率、低成本、操控靈活，是解決無人機(jī)信息傳輸?shù)挠行Х椒ā?br> 本無人機(jī)視距鏈路地面車角跟蹤系統(tǒng)的特點(diǎn)是天線方位采用振幅和-差單脈沖跟蹤體制，俯仰采用最大值跟蹤體制，有較高的測角精度和良好的搜索、捕獲能力；在全向天線增益不夠的情況下，增加的定向喇叭(超聲波的發(fā)聲器)。增加在近距離時(shí)的信號增益，有利于目標(biāo)的跟蹤；方位角伺服系統(tǒng)為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的二階系統(tǒng)，能獲得高動(dòng)態(tài)性能， 伺服回路采用嵌入式計(jì)算機(jī)控制，使操作控制靈活方便；操控臺具有完好的人機(jī)界面，可通過各種指令控制，監(jiān)視工作情況、顯示工作狀態(tài)、參數(shù)與測量數(shù)據(jù)；具有故障自動(dòng)監(jiān)測功能； 工作行信道各具有多個(gè)頻點(diǎn)，且工作頻段寬，抗干擾能力強(qiáng)。


圖1是本角跟蹤系統(tǒng)原理簡圖2是天線結(jié)構(gòu)示意；
圖3是饋線分系統(tǒng)原理框圖4是發(fā)射分系統(tǒng)原理框圖5是第一混頻器原理框圖6是第二混頻器原理框圖7是伺服分系統(tǒng)原理框圖8是伺服分系統(tǒng)直流脈寬調(diào)制功放原理框圖
圖9是接口分系統(tǒng)控制界面軟件原理框圖10是角跟蹤系統(tǒng)工作狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖11是角跟蹤系統(tǒng)運(yùn)輸狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施對本發(fā)明的無人機(jī)視距鏈路地面車角跟蹤系統(tǒng)做詳細(xì)的說明。
·信道參數(shù)計(jì)算，接收鏈路電平估算，接收鏈路的最低接收電平Pftllin按下式計(jì)算
Psmin = [Eb/Nc] + [B] + [K] + [Τ] + [NF] - [PG]；
式中Eb/N。歸一化信噪比，取為6. 6dB(即對應(yīng)于誤碼率10_5，解調(diào)門限為9. 6dB， 再減去譯碼增益3dB) ；B為通帶帶寬；K波爾茲曼常數(shù)-228. 6dB ；T為系統(tǒng)噪聲溫度，取為 298K(24. 74dB) ;NF接收機(jī)噪聲系數(shù)，取為2dB ;Pe擴(kuò)頻處理增益IOlgO (OdB)。將各數(shù)值代入上式后，可計(jì)算出系統(tǒng)接收鏈路的最低接收電平PKmin。同理可計(jì)算出系統(tǒng)發(fā)射鏈路的最低接收電平PKmin。
通過上面的信道參數(shù)計(jì)算，得到的系統(tǒng)發(fā)射/接收鏈路的最低接收電平Psmin，帶入鏈路功率估算式中
Pt = [PE] - [GT] - [Ge] + [Lfs] + [SM]
Pe最小接收電平(對應(yīng)于誤差率10_5)，;GT發(fā)射天線的增益；GK接收天線的增益； Lfs自由空間傳播損耗32. 4+201gD(km)+201gf(MHz) ；SM 系統(tǒng)余量15dB(防跌落電平儲備6dB，多徑衰落余量5. 4dB,極化損失ldB，解調(diào)抖動(dòng)0. 6dB,饋線損耗2dB)；將各數(shù)值代入上式后，計(jì)算出由此確定機(jī)載發(fā)射機(jī)功率。同理也可確定地面發(fā)射機(jī)功率。
參考圖1，本技術(shù)方案的信號走向說明如下
由控制中心送來的基帶激勵(lì)信號，經(jīng)發(fā)射機(jī)上變頻后送功放，根據(jù)需要可選擇由定向天線或全向天線以垂直線極化形式輻射到空中，或者選擇由定向喇叭輻射到空中。
遙測信號在高仰角近區(qū)被全向天線或定向喇叭接收，該信號經(jīng)過低噪聲放大、下變頻，形成基帶信號送中頻接收機(jī)；
遙測信號在遠(yuǎn)區(qū)落入定向天線仰角覆蓋范圍內(nèi)，定向天線則通過搜索、捕獲、跟蹤到遙測信號后，由高頻加減器把遙測形成Σ、Δ A兩路信號，并分別經(jīng)LNA(低噪聲放大器) 放大、下變頻后形成基帶信號，送中頻接收機(jī)。
中頻接收機(jī)采用單脈沖接收體制，它將得到的方位角誤差信號送方位伺服分系統(tǒng)進(jìn)行方位自動(dòng)跟蹤。中頻接收機(jī)得到的AGC電平送俯仰伺服分系統(tǒng)進(jìn)行俯仰最大值跟蹤。
·天線分系統(tǒng)，通過對天線系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行論證，天線采用拋物面型式， 天線結(jié)構(gòu)示意圖見圖2所示。天線副瓣電平理論計(jì)算值在_16dB左右，考慮饋源和支桿遮擋的影響，天線俯仰面的副瓣電平小于-13dB。為了實(shí)現(xiàn)天線方位面的單脈沖形式，饋源在方位面采用了兩路饋電的單脈沖形式，通過模T實(shí)現(xiàn)和/差通道信號的分離。經(jīng)過仿真計(jì)算，天線和差增益均可滿足技術(shù)要求。
·饋線分系統(tǒng)，饋線系統(tǒng)具有傳輸發(fā)射頻率功率小于40W的微波信號，接收頻率回波信號。根據(jù)收發(fā)均為垂直線極化信號，設(shè)備具有方位自跟蹤功能饋線采用典型的一發(fā)二收方案。在發(fā)射信號的同時(shí)接收和、方位差二路接收信號送接收機(jī)。饋線系統(tǒng)收發(fā)的工作原理框圖如圖3。發(fā)射信號由電纜、波導(dǎo)同軸變換、連接波導(dǎo)雙工器、加減器經(jīng)饋源輸出。由6饋源輸入的接收和信號經(jīng)饋源、加減器和端口輸出至雙工器，在低損耗傳輸接收信號同時(shí)阻斷發(fā)射功率漏如接收通道。接收方位差信號由左右饋源經(jīng)加件器差端口提取。
·發(fā)射分系統(tǒng)，發(fā)射分系統(tǒng)由上變頻器、功放、頻控處理器和電源等組成，系統(tǒng)原理框圖見圖4，輸入的基帶信號由控制中心提供，輸出的射頻信號送饋線系統(tǒng)，供全向天線、定向天線或定向喇叭天線發(fā)射。為了消除發(fā)射機(jī)雜散諧波及熱噪聲對接收信道的泄露，放大鏈中采取必要的抑制、濾波措施。
·接收分系統(tǒng)，如圖5、6，Σ、ΔΑ信號經(jīng)低噪聲放大器后兩次變頻到中頻信號，進(jìn)行兩次變頻有利于鏡像和帶外干擾抑制。高頻接收機(jī)的和、差通道從LNA到AGC控制前，通道的傳輸特性一致。和中頻信號除了供圖像、通訊用外，還供跟蹤接收機(jī)作角誤差提取、向差信號提供AGC控制，實(shí)現(xiàn)對差信號進(jìn)行歸一化處理。中頻放大器的增益可根據(jù)通訊和角誤差解調(diào)的需要來設(shè)計(jì)。
·伺服分系統(tǒng)，本分系統(tǒng)方位須自動(dòng)跟蹤，俯仰采用最大值跟蹤或引導(dǎo)方式，因此， 模式基本相同，主要包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、環(huán)路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)校正、對結(jié)構(gòu)的考慮如間隙、諧振等。功放、傳感器件等的選擇，系統(tǒng)框圖見圖7。為提高性能，在方位仰角軸還采用消隙電路、差速反饋電路等。對于方位采用誤差跟蹤方式，驅(qū)動(dòng)功放是重要環(huán)節(jié)，其性能的好壞直接影響到伺服分系統(tǒng)的性能指標(biāo)。目前功放的類型主要有可控硅功放、直流脈寬調(diào)制功放、交流伺服功放。本系統(tǒng)選用抗震動(dòng)、直流脈寬調(diào)制功放，該功放性能優(yōu)良、可靠性高，特別是電流、速度環(huán)性能很好，從而提高了伺服分系統(tǒng)的性能和可靠性，原理框圖見圖8所示。在系統(tǒng)工作時(shí)，為避免天線失控，保護(hù)設(shè)備，提供如下保護(hù)。對方位仰角失速保護(hù)，連鎖保護(hù)，仰角限位保護(hù)，故障保護(hù)。軸角編碼用單極旋轉(zhuǎn)變壓器做測量元件，輸出14位方位角、俯仰角編碼， 量化 0. 38mrad0
·通訊接口分系統(tǒng)，完成伺服、接收機(jī)、功放和跟蹤系統(tǒng)的控制工控機(jī)與控制中心的數(shù)據(jù)編碼和交換；完成將外部的中斷信號，分送到伺服、接收機(jī)和跟蹤系統(tǒng)的控制工控機(jī)，確保跟蹤系統(tǒng)的各個(gè)分系統(tǒng)實(shí)時(shí)同步的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；控制界面用于通訊接口分系統(tǒng)， 為跟蹤系統(tǒng)內(nèi)外設(shè)備間提供信息交流(傳輸)通道.達(dá)到建立天線跟蹤分系統(tǒng)操控顯示界面，實(shí)現(xiàn)搜索、數(shù)引、目標(biāo)截獲、自動(dòng)跟蹤的控制和顯示；建立與接口分機(jī)間的數(shù)據(jù)通訊、顯示目標(biāo)航跡、錄取目標(biāo)方位、仰角、誤差電壓數(shù)據(jù)。原理框圖見圖9。
該系統(tǒng)是在野外條件下使用，面臨著復(fù)雜的自然環(huán)境和困難的工作條件。因此要求系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性能好，具有高可靠性和良好的維修性。盡量減少設(shè)備數(shù)量、重量和體積，縮短架設(shè)時(shí)間。系統(tǒng)工作狀態(tài)見圖10，系統(tǒng)運(yùn)輸狀態(tài)見圖11。
權(quán)利要求
1.一種角跟蹤系統(tǒng)，其特征是包括控制中心、天線分系統(tǒng)、饋線分系統(tǒng)、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、伺服分系統(tǒng)和通訊接口分系統(tǒng)；所述天線分系統(tǒng)包括電線座，以及安裝在天線座上的定向天線、全向天線和定向喇叭；所述發(fā)射分系統(tǒng)，包括上變頻器、頻控處理器、功放和選擇開關(guān)；由控制中心送來的基帶激勵(lì)信號送給發(fā)射分系統(tǒng)，在發(fā)射分系統(tǒng)內(nèi)，基帶激勵(lì)信號經(jīng)上變頻器后送至功放；功放的輸出端連接選擇開關(guān)的輸入端；所述選擇開關(guān)的輸出端分別連接定向天線、全向天線和定向喇叭的發(fā)射信號輸入端；所述定向天線通過饋線分系統(tǒng)連接該選擇開關(guān)的輸出端；頻控處理器接收來自控制中心的控制信號，并依此輸出選擇開關(guān)、上變頻器頻率選擇和功放的控制信號；所述饋線分系統(tǒng)，本分系統(tǒng)傳輸發(fā)射信號給定向天線，接收相應(yīng)頻率回波信號，在發(fā)射信號的同時(shí)接收和Σ、方位差Δ A 二路接收信號，再經(jīng)接收分系統(tǒng)送接收機(jī)；本分系統(tǒng)包括雙工器、加減器、左饋源和右饋源；對于定向天線的發(fā)射信號，該發(fā)射信號依次經(jīng)雙工器、加減器和左饋源輸出；接收和Σ信號依次經(jīng)左饋源、加減器和端口輸出至雙工器，接收方位差 ΔA信號由左右饋源經(jīng)加減器差輸出；所述接收分系統(tǒng)，包括選擇開關(guān)、LNA、下變頻器、頻控處理器和中頻接收機(jī)；本選擇開關(guān)的一個(gè)輸出端依次連接LNA和下變頻器，下變頻器的輸出端連接中頻接收機(jī)的輸入端； 該選擇開關(guān)有三個(gè)輸入端，全向天線和定向喇叭分別連接該選擇開關(guān)的兩個(gè)輸入端；本選擇開關(guān)的另一個(gè)輸入端接收所述Σ信號和ΔΑ信號；本頻控處理器接收來自控制中心的控制信號，并依此輸出選擇開關(guān)、下變頻器的控制信號；所述伺服分系統(tǒng)，包括伺服控制器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所述伺服控制器的控制信號輸出給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電線座作轉(zhuǎn)動(dòng)和俯仰動(dòng)作；所述通訊接口分系統(tǒng)，連接在控制中心與發(fā)射分系統(tǒng)的頻控處理器、接收分系統(tǒng)的頻控處理器以及伺服分系統(tǒng)的伺服控制器之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角跟蹤系統(tǒng)，其特征是所述下變頻器由依次連接的第一混頻器和第二混頻器構(gòu)成；對于所述Σ信號和ΔΑ信號，這兩路信號分別經(jīng)第一混頻器和第二混頻器兩次變頻道中頻信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角跟蹤系統(tǒng)，其特征是還包括運(yùn)載車輛，該運(yùn)載車輛上設(shè)有方艙，所述角跟蹤系統(tǒng)安放在方艙內(nèi)；所述角跟蹤系統(tǒng)的天線座通過升降機(jī)構(gòu)與方艙連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角跟蹤系統(tǒng)，其特征是所述接收分系統(tǒng)中，接收鏈路電平估算的方法是，接收鏈路的最低接收電平 Psmin=Pftllin= [Eb/Nc] + [B] + [K] + [T] + [NF]-[PJ ； 式中:Eb/Nc是歸一化信噪比，取為6. 6dB,即對應(yīng)于誤碼率10_5，解調(diào)門限為9. 6dB，再減去譯碼增益3dB ；B為通帶帶寬；K為波爾茲曼常數(shù)-228. 6dB ；T為系統(tǒng)噪聲溫度，取為對應(yīng)24. 74dB ；Nf為接收機(jī)噪聲系數(shù)，取為2dB ;PG為擴(kuò)頻處理增益101g0(0dB)； 將各數(shù)值代入上式后，計(jì)算出系統(tǒng)接收鏈路的最低接收電平Pftllin ； 對于發(fā)射分系統(tǒng)，同理可計(jì)算出系統(tǒng)發(fā)射鏈路的最低接收電平Pftllin ； 通過信道參數(shù)計(jì)算，得到的系統(tǒng)發(fā)射/接收鏈路的最低接收電平Psmin，帶入鏈路功率估算式中:PT = [PE]-[GJ-[GJ+ [LfJ+ [SM],Pr為最小接收電平，對應(yīng)于誤差率10_5 ;GT為發(fā)射天線的增益而為接收天線的增益； Lfs為自由空間傳播損耗32. 4+20IgD(km)+20Igf (MHz) ；SM為系統(tǒng)余量15dB，其中，防跌落電平儲備6dB，多徑衰落余量5. 4dB,極化損失ldB，解調(diào)抖動(dòng)0. 6dB,饋線損耗2dB ；將各數(shù)值代入上式后，計(jì)算出發(fā)射機(jī)功率。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種角跟蹤系統(tǒng)，其特征是包括控制中心、天線分系統(tǒng)、饋線分系統(tǒng)、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、伺服分系統(tǒng)和通訊接口分系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對無人機(jī)進(jìn)行搜索、捕獲與跟蹤；利用角跟蹤分系統(tǒng)取得的方位、仰角測量信息和信息幀測距信息，可對無人機(jī)進(jìn)行精確定位；發(fā)射對無人機(jī)飛行狀態(tài)及機(jī)載設(shè)備工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)遙控信號；接收無人機(jī)飛行參數(shù)、偵察信息及機(jī)載設(shè)備工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)遙測信號；工作行信道各具有多個(gè)頻點(diǎn)，且工作頻段寬，抗干擾能力強(qiáng)。
文檔編號G01S13/68GK102508237SQ20111034283
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月3日
發(fā)明者張向東, 徐忠明, 房福松, 沈春樂, 谷義龍 申請人:南京鑫軒電子系統(tǒng)工程有限公司