基于單脈沖引航系統(tǒng)和偽衛(wèi)星場的無人機回收系統(tǒng)和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及無人機定位技術領域，特別是一種基于單脈沖引航系統(tǒng)和偽衛(wèi)星場的無人機回收系統(tǒng)和方法，用于引導無人機自主精確回航和著陸/艦。
【背景技術】
[0002]著陸/艦導引是指用無線電設備使無人機安全著陸/艦的導航技術，自主著陸/艦是指在無人機降落階段，將機載設備得到的所有有用信息通過一定的技術手段進行綜合處理，獲得精度足夠高、信息足夠充分的著陸/艦信息，使無人機可以在沒有人直接參與的情況下自動完成其著陸/艦過程。著陸/艦輔助系統(tǒng)是決定無人機在惡劣天氣/海況下能否順利著陸/艦的重大關鍵技術。當前，應用廣泛的輔助系統(tǒng)技術是將導航、防撞、通信、進艦和復飛等功能融為一體的衛(wèi)星導航(如全球定位系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng))和精密進近雷達組合著陸/艦導引系統(tǒng)。但是基于衛(wèi)星的導航體制易受攻擊，目前世界上多個國家都具備使用導彈摧毀天基衛(wèi)星的能力。
[0003]偽衛(wèi)星的功能類似于導航衛(wèi)星，可以發(fā)出與導航衛(wèi)星格式相似的信號。由于偽衛(wèi)星相比導航衛(wèi)星與用戶接收機的距離小數(shù)個量級，因此接收到的信號強度高，具有較強的抗干擾能力；偽衛(wèi)星不需要昂貴的高精度原子鐘，并且無需發(fā)射費用，因此成本較低；偽衛(wèi)星可根據(jù)需要機動設置，可以安裝在移動平臺上；利用偽衛(wèi)星進行定位的最大優(yōu)勢是偽衛(wèi)星使用和全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)相似的信號與導航方式，可以實現(xiàn)定位系統(tǒng)與GNSS導航定位的無縫連接。因此，使用偽衛(wèi)星技術能夠提升無人機輔助回收系統(tǒng)的可用性、穩(wěn)定性、可靠性以及測量精度。同時，單脈沖雷達技術獲取數(shù)據(jù)率的速度較快，有較高的測距精度和測角精度，并具有一定的抗干擾性能，可以與高精度測距定位偽衛(wèi)星系統(tǒng)組合使用。在無人機回收的不同階段，分別使用單脈沖引航系統(tǒng)和偽衛(wèi)星場為無人機的著陸/艦提供導引信號。

【發(fā)明內容】

[0004]為了給無人機的著陸/艦提供不依賴于天基導航衛(wèi)星的導引信號，而且導引信號具備抗干擾、高精度等特點，從而輔助無人機實現(xiàn)自主的著陸/艦，本發(fā)明提供一種基于單脈沖引航系統(tǒng)和偽衛(wèi)星場的無人機回收系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)和方法可以在著陸/艦階段實現(xiàn)無人機的精確定位，引導無人機精確回航。
[0005]本發(fā)明提出的基于單脈沖引航系統(tǒng)和偽衛(wèi)星場的無人機回收系統(tǒng)，由單脈沖引航系統(tǒng)、偽衛(wèi)星場、機載系統(tǒng)和系統(tǒng)交互控制單元組成。
[0006]單脈沖引航系統(tǒng)包括伺服控制系統(tǒng)和單脈沖天線。
[0007]偽衛(wèi)星場包括一個時鐘源和至少四個偽衛(wèi)星基站，時鐘源向各偽衛(wèi)星基站同步提供時間，偽衛(wèi)星基站向空間發(fā)射偽衛(wèi)星信號。
[0008]機載系統(tǒng)包括一個與單脈沖引航系統(tǒng)進行雙向通信的全向天線，一個僅用于接收偽衛(wèi)星基站信號的全向天線，一個與系統(tǒng)交互控制單元進行數(shù)據(jù)鏈通信的天線，以及信號處理機。
[0009]系統(tǒng)交互控制單元用于實現(xiàn)與單脈沖引航系統(tǒng)、偽衛(wèi)星場和機載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互及控制，系統(tǒng)交互控制單元向單脈沖引航系統(tǒng)發(fā)送控制指令，同時從單脈沖引航系統(tǒng)接收返回的測控數(shù)據(jù)；系統(tǒng)交互控制單元向偽衛(wèi)星場發(fā)送控制信號，控制偽衛(wèi)星場的開啟和關閉；系統(tǒng)交互控制單元與機載系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)鏈通信，能夠獲取無人機的位置信息。
[0010]其中，單脈沖引航系統(tǒng)具體為單通道單脈沖引航系統(tǒng)。單通道單脈沖技術是在傳統(tǒng)的兩通道單脈沖或三通道單脈沖的基礎上，經(jīng)過一個掃描變換器實現(xiàn)的。在饋源組合中，波束形成網(wǎng)絡輸出的方位誤差信號Λ A和俯仰誤差信號Λ Ε，經(jīng)過一低頻信號調制后，信號合并成一個單通道和信號，這個和信號可以是調相信號或調頻信號。因此，可用單通道信號的調角變化傳輸數(shù)據(jù)信息，幅度變化傳輸角跟蹤誤差信息，共同由下行信道傳輸?shù)綑C載系統(tǒng)的接收機，再分別解調出數(shù)據(jù)信息和角跟蹤誤差信息。
[0011]其中，單脈沖引航系統(tǒng)中伺服控制系統(tǒng)的方向調節(jié)范圍為0°至360°，俯仰調節(jié)范圍為90°，從而使得單脈沖天線可掃描整個天際的信號，單脈沖天線采用窄波束定向天線，實現(xiàn)高精度測角，引航范圍大，可實現(xiàn)遠距離引航。
[0012]其中，單脈沖引航系統(tǒng)中單脈沖天線是收發(fā)頻率為35GHz的窄帶單脈沖天線。
[0013]其中，偽衛(wèi)星場的時鐘源采用具備鎖相輸出的恒溫晶體振蕩器。因為偽衛(wèi)星場需要高精度的時鐘源來保障其定位精度，設計時需要使用高精度頻率源作為系統(tǒng)的基準時鐘。為了時鐘的高穩(wěn)定度，本發(fā)明的技術方案中采用恒溫晶體振蕩器(OCXO)鎖相輸出，OCXO的頻率穩(wěn)定度高，可采用倍頻和分頻實現(xiàn)不同的頻率，從而保障時鐘源的精度，進而提高偽衛(wèi)星場的定位精度。
[0014]其中，偽衛(wèi)星場的衛(wèi)星基站采用2GHz的偽衛(wèi)星信號發(fā)射天線。
[0015]使用前述基于單脈沖引航系統(tǒng)和偽衛(wèi)星場的無人機回收系統(tǒng)進行無人機回收的方法，具體包括以下五個步驟:
[0016]S1.確定距離 DjP D2;
[0017]S2.由系統(tǒng)交互控制單元與機載系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)鏈通信，獲取無人機的位置信息，然后計算出無人機距回收系統(tǒng)的距離；
[0018]S3.當無人機距回收系統(tǒng)的距離< D1時，由系統(tǒng)交互控制單元開啟單脈沖引航系統(tǒng)，由單脈沖引航系統(tǒng)跟蹤無人機并向無人機提供引航信號；
[0019]S4.當無人機距回收系統(tǒng)的距離< D2時，由系統(tǒng)交互控制單元切換為由偽衛(wèi)星場向無人機提供回收信號；
[0020]S5.機載系統(tǒng)的信號處理機根據(jù)偽衛(wèi)星場提供的信號，實時解算無人機的位置，控制無人機著陸或著艦。
[0021]其中，步驟SI中，距離D1的取值范圍為90Km至120Km，距離D2的取值范圍為8Km至 15Km。
[0022]其中，步驟S3中，單脈沖引航系統(tǒng)向無人機提供引航信號的具體方法為:
[0023]S31.在單脈沖引航過程中，將引航過程劃分為捕獲和跟蹤兩個階段；
[0024]S32.在捕獲階段，由單脈沖引航系統(tǒng)的伺服控制系統(tǒng)控制單脈沖天線在方位和俯仰兩個軸上掃描無人機發(fā)出的信標信號，捕獲到信號后，進入跟蹤階段；
[0025]S33.在跟蹤階段，采用單脈沖跟蹤方式測量無人機的位置信息，并將該信息傳送給無人機。
[0026]其中，在步驟S32中，在捕獲階段，從系統(tǒng)交互控制單元控制單脈沖引航系統(tǒng)開啟后，根據(jù)系統(tǒng)交互控制單元通過數(shù)據(jù)鏈通信從機載系統(tǒng)獲取的無人機位置信息，由伺服控制系統(tǒng)控制單脈沖天線掃描無人機所處位置。
[0027]本發(fā)明的有益效果在于:(I)無人機的著陸/艦提供不依賴于導航衛(wèi)星的導引信號，可在天基導航衛(wèi)星被摧毀或信號被干擾的情況下，實現(xiàn)無人機的自主著陸/艦；(2)在無人機回收導引階段，分階段分別采用單脈沖引航系統(tǒng)和偽衛(wèi)星場對無人機進行導引，信號精度高，抗干擾能力強；(3)基于偽衛(wèi)星場的導引系統(tǒng)不需發(fā)射，成本低，而且與現(xiàn)有衛(wèi)星導航系統(tǒng)的兼容性好；(4)可同時導引多架無人機先后著陸/艦，減少著陸/艦的等待時間。
【附圖說明】
[0028]圖1基于單脈沖引航系統(tǒng)和偽衛(wèi)星場的無人機回收系統(tǒng)組成和連接關系示意圖；
[0029]圖2基于單脈沖引航系統(tǒng)和偽衛(wèi)星場的無人機回收系統(tǒng)發(fā)射導引信號示意圖；
[0030]圖3基于單脈沖引航系統(tǒng)和偽衛(wèi)星場的無人機回收系統(tǒng)導引過程示意圖。
【具體實施方式】
[0031]為了更好地說明本發(fā)明涉及的無人機回收系統(tǒng)和回收方法，下面結合附圖1至附圖3具體介紹一下本發(fā)明的具體實施方案。
[0032]基于單脈沖引航系統(tǒng)和偽衛(wèi)星場的無人機回收系統(tǒng)，由單脈沖引航系統(tǒng)1、偽衛(wèi)星場2、機載系統(tǒng)3和系統(tǒng)交互控制單元4組成，如附圖1所示。
[0033]單脈沖引航系統(tǒng)I包括伺服控制系統(tǒng)和單脈沖天線；單脈沖引航系統(tǒng)I具體為單通道單脈沖引航系統(tǒng)；單脈沖引航系統(tǒng)中伺服控制系統(tǒng)的方向調節(jié)范圍為0°至360°，俯仰調節(jié)范圍為90°，而單脈沖天線采用窄波束定向天線，天線的收發(fā)頻率為35GHz。
[0034]偽衛(wèi)星場2包括一個時鐘源和四個偽衛(wèi)星基站(當偽衛(wèi)星基站的數(shù)量超過四個時，可提高系統(tǒng)的冗余度，并進一步提高偽衛(wèi)星信號的精度)，時鐘源向各偽衛(wèi)星基站同步提供時間，偽衛(wèi)星場的時鐘源具體采用具備鎖相輸出的恒溫晶體振蕩器，偽衛(wèi)星場的四個衛(wèi)星基站均采用2GHz的偽衛(wèi)星信號發(fā)射天線。四個偽衛(wèi)星基站，分別布置于陸基跑道周邊或者無人機的載艦甲板上，偽衛(wèi)星基站的布局應選取使幾何精度因子較小的偽衛(wèi)星空間布局。
[0035]機載系統(tǒng)3位于無人機上，具體包括一個與單脈沖引航系統(tǒng)I進行雙向通信的全向天線，一個僅用于接收偽衛(wèi)星基站信號的全向天線，一個與系統(tǒng)交互控制單元4進行數(shù)據(jù)鏈通信的天線，以及信號處理機；
[0036]系統(tǒng)交互控