某型船載無人直升機測控與信息傳輸系統設計

尚其龍 包令聰

摘要

測控與信息傳輸系統是無人直升機的關鍵技術之一，直接影響無人直升機性能等諸多方面，進而影響無人直升機的應用范圍。本文針對某型船載無人直升機設計了一套測控系統，主要實現對無人直升機及機載任務載荷的遙控、遙測數據的實時傳輸，其主要功能有：遙控遙測數據傳輸、任務載荷信息傳輸、無人機飛行線路跟蹤、鏈路狀態監控等。

【關鍵詞】無人直升機 測控與信息傳輸系統

1前言

無人直升機具備垂直起降能力，可以在地面、艦船上靈活垂直起飛或者降落，不需要專用跑道、彈射器、發射架等設備進行起飛或發射，且起飛和降落所占用的空間小;可以在目標上空長時間懸停，便于精確觀察和任務執行;能夠朝任意方向飛行，具有較強的機動靈活性。無人直升機的上述特點特別適合于船載使用。

測控與信息傳輸系統（下文簡稱測控系統）是無人直升機的關鍵系統之一，直接影響無人直升機的飛行距離、姿態控制、飛行穩定性、任務載荷信息傳輸性能等諸多方面，進而影響無人直升機的應用范圍。

本文針對某型船載無人直升機設計了一套測控系統，主要實現對無人直升機及機載任務載荷的遙控、遙測數據的實時傳輸，其主要功能有：遙控遙測數據傳輸、任務載荷信息傳輸、無人機飛行線路跟蹤、鏈路狀態監控等。

2系統組成

測控系統包括機載和地面部分，系統組成如圖1所示。系統主要由互為熱備份的主通道、副通道，以及鏈路監視控制與無人機跟蹤計算單元三個部分組成。

C波段高速收發信機組成主通道，主要負責傳送高清或標清圖像信號、測控信號、任務控制信號和差分GPS信號，同時還要定時插入來自無人機（機載）跟蹤信號發生器產生的無人機跟蹤信號。UHF數傳電臺組成副通道，主要負責與主通道同傳測控信號、任務控制信號和差分GPS信號，以防C波段信號丟失后無人直升機失控。

鏈路監視控制與無人機跟蹤計算單元主要負責監視當前在用測控信道的信號質量，當發現通信質量下降時實施主備信道切換，以保證無人直升機測控指令可靠傳輸;同時還要負責測量計算無人機距離，結合船向信號和船搖信號，計算天線跟蹤誤差信號，保證天線方位角始終對準無人直升機。

船載天線伺服跟蹤系統主要負責保持C波段定向天線始終對準無人直升機，利用裝在天線支架機械結構中的俯仰陀螺、方位陀螺和橫滾陀螺三個電陀螺的電信號，保證在未對天線指向作調整時，消除船向、船搖的影響，維持天線指向不變;同時根據天線方位誤差控制信號，對天線方位角進行調整，根據GPS信號，在C波段全向天線向C波段定向天線切換時，設置天線跟蹤的初始值。

天線切換控制器負責全向天線和定向天線之間的切換，切換方式可以設置自動或手動切換。

3系統總體方案設計

3.1機載

機載系統技術方案如圖2所示。機載數傳電臺和機載高速收發信機在測控數據收發上互為備份，以保證飛控指令和任務控制指令的可靠性。

為保證飛控、任務等指令和信號的可靠傳輸，飛控、任務等指令和信號實施UHF頻段與C波段同傳。地面系統分別用這兩個頻段同時發送測控、任務和差分GPS信號，機載系統同時在這兩個不同頻段接收這些信號，當2路接收信號都通過了差錯校驗（如奇偶校驗、CRC循環冗余校驗等），則Switch矩陣保持原來狀態，輸出其中任意一路信號;如果只有其中的一路接收信號通過了差錯校驗，則Switch矩陣輸出正確的那路信號，丟棄錯誤信號;如果2路信號都沒有通過差錯校驗，則全部丟棄，此時沒有信號輸出。

無人機（機載）跟蹤信號發生器則在收到地面測距指令后，立刻產生無人機跟蹤信號，插入到調制解調器中，通過C波段傳送至地面，以便地面計算無人直升機距離和船載天線指向誤差。

3.2地面

地面系統技術方案如圖3所示，測控信號傳輸采用C波段與UHF波段同傳，互為備份，工作方式與機載系統相同。下行圖像信號與其中一路下行測控應答信號同在C波段利用高速收發信機下行通道傳輸，由于2個頻段的衰落特性和受干擾情況相互獨立，2路測控信號同時受到深度衰落或干擾的概率非常低，可以保證測控信號可靠傳輸。

為配合機載測控系統，地面控制系統同時利用2套上行傳輸設備（分別工作于C波段和UHF頻段），向無人直升機發送測控、任務和差分GPS信號，確保飛控、任務指令和差分GPS信號的可靠傳達直升機。地面系統接收到來自C波段和UHF頻段的測控信號后，同樣先進行差錯校驗，只輸出其中的正確信號，丟棄差錯信號，保證無人直升機應答信號的正確接收。

鏈路監視控制與無人機跟蹤計算單元主要由計算機、方位誤差檢測設備、距離計算軟件等相關接口和硬件、軟件組成。一方面，實現測控信號傳輸質量監視;另一方面，根據接收到的無人直升機上的GPS位置信號和無人機跟蹤信號，訓練無人機跟蹤算法程序。

船載天線伺服跟蹤系統是保證C波段定向天線指向無人直升機的機電系統，利用陀螺輸出信號，克服船向變化和船體搖動等對天線指向的影響，同時根據鏈路監視控制與無人機跟蹤計算單元輸出的誤差信號實現天線的方位調整。

船載天線穩定跟蹤系統是一個集穩定和伺服功能于一體，并能實現自動對準、穩定跟蹤目標的雙向移動通信天線系統。天線穩定控制系統是一個兩軸伺服系統，整個天線安裝在一個固定的底座上，底座安裝在甲板上，與船面甲板平行。為減輕載體振動對系統的影響，在安裝時天線底座與載體之間以減震圈相隔。本伺服系統有二類外部信號來源，一是艦船駕駛系統送來的方位、俯仰、橫搖信號，另一個是GPS系統送來的位置信號。

4跟蹤定位算法

在本系統中，無人機GPS信號丟失前，無人機跟蹤信號與無人機上的GPS單位數據同時傳向地面，用于對無人機跟蹤定位算法訓練，糾正和排除算法產生的模糊結論，估計計算誤差。

4.1測距

本方案采用偽碼測距算法的基本原理對無人直升機實施距離測量，首先，地面測控向無人直升機發出測距指令，無人直升機收到該指令后，向機上無人機（機載）跟蹤信號發生器輸出一觸發信號，無人機（機載）跟蹤信號發生器產生無人機跟蹤信號，并在C波段中實施信號混合，經C波段機載天線發向地面;在地面，利用接收到的偽碼與本地偽碼進行對比，獲得碼相位，并由此獲得測距指令發出到接收到測距偽碼的時間差，換算成無人直升機的距離。當無人直升機上的GPS信號可用時，則利用由機上GPS信號和船上GPS信號獲得的機船精確距離，對測距算法的誤差校正程序實施校正訓練，不斷修正測距誤差。當機上GPS信號丟失時，測距算法程序則利用訓練獲得的誤差校正值，對計算結果進行修正，以此提高測量精度。

4.2測向

天線指向誤差提取電路如圖4所示，由兩路參數完全相同的接收電路組成。來自天線的二路信號經放大和下變頻至一合適的頻率，然后經ADC采樣后變成數字信號。

影響指向測量精度的因素主要有接收機噪聲、信號振幅起伏、伺服系統噪聲和多徑傳播等，其中接收機噪聲是影響測量精度的主要因素。

5結束語

本文設計了一套船載無人直升機測控與信息傳輸系統，根據船載和無人直升機的特點進行了雙鏈路互為熱備份的總體方案設計，無人直升機跟蹤定位算法設計和測向、測距的誤差分析，實際工程實踐中應用上述方案取得了良好效果。

參考文獻

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