遲曉鵬，羅衛(wèi)兵，劉廣斌

　?。ㄎ渚こ檀髮W(xué) 信息工程系，陜西 西安 710086）

      摘要：天線實(shí)時(shí)精確地跟蹤無人機(jī)飛行方向，是有效保證無人機(jī)擴(kuò)展戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、提高通信帶寬和質(zhì)量的關(guān)鍵所在。設(shè)計(jì)了一款基于信號接收強(qiáng)度（RSSI）盲估計(jì)跟蹤的雙天線跟蹤系統(tǒng)，使天線主波束時(shí)刻對準(zhǔn)中繼無人機(jī)，提高了地面定向天線對中繼無人機(jī)的初始捕獲速度，實(shí)現(xiàn)動態(tài)跟蹤，確保通信信號強(qiáng)度處于優(yōu)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比單天線系統(tǒng)，該系統(tǒng)捕獲靈敏度和跟蹤速度明顯提高。

　　關(guān)鍵詞：微小型無人機(jī)；天線；跟蹤系統(tǒng)；信號接收強(qiáng)度

0引言

　　微小型無人機(jī)（MicroUnmanned Aerial Vehicle，MUAV）搭載通信設(shè)備升空飛行作為通信中繼節(jié)點(diǎn)，快速建立戰(zhàn)術(shù)范圍內(nèi)的寬帶網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)指揮終端間的數(shù)據(jù)、語音、圖像高速傳輸［12］。研究帶自動跟蹤能力的地面終端定向天線，有利于進(jìn)一步擴(kuò)展戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，提高通信帶寬和質(zhì)量，降低無人機(jī)機(jī)載設(shè)備等技術(shù)要求。

　　當(dāng)前，關(guān)于天線實(shí)時(shí)高精度自動跟蹤MUAV的研究還比較少。參考文獻(xiàn)［3］提出的設(shè)計(jì)方案，依靠提取飛行器上的GPS地理位置和姿態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)自動跟蹤，當(dāng)GPS部分區(qū)域服務(wù)被關(guān)閉或失效時(shí)，將嚴(yán)重影響跟蹤質(zhì)量甚至失鎖。參考文獻(xiàn)［4］采用運(yùn)動補(bǔ)償預(yù)測對準(zhǔn)算法和信道增益反饋對準(zhǔn)算法進(jìn)行異步雙模式融合，增加了運(yùn)算復(fù)雜度、計(jì)算時(shí)間和載荷，不適用于戰(zhàn)術(shù)部署。參考文獻(xiàn)［5］提出采用單天線自動跟蹤設(shè)計(jì)，存在跟蹤捕獲難度大、跟蹤速度慢等弊端，嚴(yán)重影響跟蹤平臺的整體跟蹤性能。本文在參考文獻(xiàn)［5］的基礎(chǔ)上，以某型MUAV中繼通信系統(tǒng)為背景，設(shè)計(jì)了基于信號接收強(qiáng)度（Received Signal Strength Indication，RSSI）盲估計(jì)的MUAV雙天線跟蹤系統(tǒng)，解決了上述問題。

1天線跟蹤模型與工作原理

　　1.1天線跟蹤模型

　　圖1天線跟蹤平臺跟蹤示意圖微小型中繼無人機(jī)升空飛行后，在空中主要以勻速圓周運(yùn)動為主，即以半徑R在指定空域進(jìn)行盤旋。地面端定向天線的動態(tài)跟蹤是指通過調(diào)整定向天線在方位面與俯仰面內(nèi)的指向，使定向天線的主波束時(shí)刻對準(zhǔn)中繼無人機(jī)。圖1所示為地面終端定向天線的跟蹤示意圖。其中H為中繼無人機(jī)升空高度，R為中繼無人機(jī)盤旋半徑，d為地面終端距離中繼無人機(jī)圓周運(yùn)動圓心正下方地面處的距離。

　　1.1.1方位面跟蹤分析

　　分析中繼無人機(jī)在某一空域盤旋時(shí)，天線在方位面的轉(zhuǎn)動角度。如圖1所示，確定了參數(shù)d和R，便可以通過反正切函數(shù)計(jì)算出天線在方位面內(nèi)的轉(zhuǎn)動范圍。假設(shè)d≥500 m，盤旋半徑R=100 m，通過反正切函數(shù)可得∠γ≈12°，此時(shí)，天線在方位面內(nèi)轉(zhuǎn)動的角度范圍為24°?？傻贸鼋Y(jié)論：如果中繼無人機(jī)的盤旋半徑變大，天線轉(zhuǎn)動角度的范圍也會變大。但是，當(dāng)中繼無人機(jī)起飛后飛至指定空域的飛行過程中，或者因?yàn)榈孛娼K端組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，需要中繼無人機(jī)改變飛行空域時(shí)，天線自動跟蹤平臺需要對中繼無人機(jī)進(jìn)行捕獲，地面端定向天線在方位面內(nèi)的轉(zhuǎn)動角度是不確定的，需要進(jìn)行超過180°的旋轉(zhuǎn)才能正確對中繼無人機(jī)進(jìn)行跟蹤。所以，本文在硬件設(shè)計(jì)中，將天線轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)成可在方位面進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺，保證跟蹤過程可以全時(shí)進(jìn)行。

　　1.1.2俯仰面跟蹤分析

　　俯仰面跟蹤是指天線在俯仰面內(nèi)轉(zhuǎn)動，由圖1可知，地面定向天線在俯仰面內(nèi)的轉(zhuǎn)動角度由參數(shù)H、d以及R共同決定。假定中繼無人機(jī)升空高度H=100 m，以半徑R=100 m做圓周運(yùn)動，地面終端與中繼無人機(jī)圓周運(yùn)動圓心正下方地面處的距離d=500 m。當(dāng)中繼無人機(jī)飛行到A點(diǎn)時(shí)，通過反正切函數(shù)可得∠α+∠β≈14°，當(dāng)中繼無人機(jī)飛行到B點(diǎn)時(shí)，通過反正切函數(shù)可得∠β≈9°，此時(shí)天線在俯仰面內(nèi)轉(zhuǎn)動范圍∠α≈5°。中繼無人機(jī)升空高度一定后，地面天線在俯仰面內(nèi)的轉(zhuǎn)動角度主要由d和R決定。當(dāng)距離d變大時(shí)，天線需要在俯仰面內(nèi)轉(zhuǎn)動的角度范圍越來越小，而且中繼無人機(jī)的盤旋半徑R對俯仰角度的決定作用越來越小。

　　1.2雙天線跟蹤原理

　　地面端不依賴無人機(jī)的定位信息，在視距前提下，直接提取地面端天線的信號接收強(qiáng)度作為參考，通過動態(tài)掃描搜尋信號強(qiáng)度閾值完成初始捕獲。采用步進(jìn)跟蹤算法調(diào)整天線指向，實(shí)現(xiàn)地面端定向天線對微小型中繼無人機(jī)的動態(tài)跟蹤。平臺工作原理如圖2所示?！?/p>

　　中繼通信系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，地面端跟蹤平臺的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)電臺與空中的網(wǎng)絡(luò)電臺組成通信網(wǎng)絡(luò)，兩個(gè)天線同時(shí)接收中繼無人機(jī)的中繼信號。跟蹤平臺在每一時(shí)刻可以提取到兩個(gè)RSSI值，分別記左天線RSSI與右天線RSSI，對這兩個(gè)RSSI值進(jìn)行比較，控制轉(zhuǎn)臺向RSSI值較大一側(cè)天線方向轉(zhuǎn)動以實(shí)現(xiàn)跟蹤。

　　雙天線跟蹤方向圖如圖3所示。在雙天線跟蹤中，天線對無人機(jī)的最佳指向是兩個(gè)天線的主波束范圍，天線主波束覆蓋范圍顯著增大，提高了失鎖容忍度。并且，當(dāng)無人機(jī)偏離這個(gè)寬波束范圍時(shí)，跟蹤平臺只需通過比較兩個(gè)天線RSSI的差值即可確定下一步天線轉(zhuǎn)動方向，提高了跟蹤速度。

2雙天線跟蹤平臺設(shè)計(jì)

　　2.1平臺跟蹤方式

　　MUAV天線自動跟蹤平臺的關(guān)鍵問題是平臺采用何種跟蹤技術(shù)。目前，地面天線跟蹤技術(shù)按照跟蹤方式可以分為手動跟蹤、程序跟蹤和自動跟蹤三種［67］，根據(jù)參考信號源的來源不同可以將跟蹤技術(shù)分為有源跟蹤和無源跟蹤［8］。

　　本文研究的MUAV通信中繼是典型的點(diǎn)對多點(diǎn)通信方式，其地面天線跟蹤系統(tǒng)屬于典型的無源跟蹤系統(tǒng)，綜合分析各種跟蹤技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合MUAV中繼通信系統(tǒng)的使用實(shí)際，簡化系統(tǒng)復(fù)雜度，本平臺選用基于RSSI盲估計(jì)的步進(jìn)跟蹤技術(shù)為跟蹤控制方案。

　　2.2硬件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)跟蹤平臺由7部分組成，分別是天線、信號強(qiáng)度采集單元、網(wǎng)絡(luò)電臺、核心控制單元、執(zhí)行單元、功能圖4雙天線跟蹤平臺組成示意圖性擴(kuò)展單元以及電源。天線是發(fā)送和接收通信信號的裝置，也是跟蹤平臺的控制對象［9］。本平臺選用2個(gè)增益為19 dBi的柵格天線，將兩個(gè)天線平行放置并安裝在轉(zhuǎn)臺上，兩天線的主波束共同指向同一方向。信號強(qiáng)度提取單元完成天線RSSI的提取。核心控制單元對提取到的天線RSSI進(jìn)行處理，并向執(zhí)行單元發(fā)出控制指令。執(zhí)行單元主要作用是接收主控單元指令后驅(qū)動天線到達(dá)指定位置。雙天線跟蹤平臺組成示意圖如圖4所示。

3雙天線跟蹤流程設(shè)計(jì)

　　天線跟蹤平臺的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)理念，將平臺的軟件設(shè)計(jì)分成以下幾個(gè)模塊：RSSI提取模塊、RSSI濾波模塊、初始捕獲模塊、動態(tài)跟蹤模塊，如圖5所示。

　　雙天線跟蹤平臺工作時(shí)首先進(jìn)行平臺初始化，雙天線跟蹤初始捕獲采用閾值判定法［10］，掃描方式采取一維旋轉(zhuǎn)掃描即可。其掃描實(shí)現(xiàn)過程為：令天線以一定的轉(zhuǎn)速和步長在方位面內(nèi)向左（右）連續(xù)轉(zhuǎn)動，每次轉(zhuǎn)動后采集兩天線的RSSI值。當(dāng)兩個(gè)天線的RSSI值達(dá)到設(shè)置的捕獲閾值時(shí)，即認(rèn)為捕獲成功，轉(zhuǎn)入動態(tài)跟蹤。如果在掃描全程中，兩個(gè)天線的RSSI值始終低于設(shè)定的閾值，則認(rèn)為掃描沒有達(dá)到要求，初始捕獲失敗，應(yīng)重新設(shè)定捕獲閾值再次進(jìn)行掃描。

　　雙天線動態(tài)跟蹤過程為：同時(shí)提取兩個(gè)天線的RSSI值，如果右側(cè)天線的RSSI值大，則控制轉(zhuǎn)臺向右轉(zhuǎn)動，雙天線的整體指向便會向右；如果左側(cè)天線的RSSI值大，則控制轉(zhuǎn)臺向左轉(zhuǎn)動，帶動雙天線的整體指向向左。跟蹤流程圖如圖6所示。

　　雙天線動態(tài)跟蹤時(shí)，兩個(gè)天線的RSSI是動態(tài)變化的，其差值也將發(fā)生動態(tài)變化。當(dāng)目標(biāo)無人機(jī)處于最強(qiáng)覆蓋區(qū)域內(nèi)時(shí)，兩天線的RSSI差別不大，其差值較小，可保持天線不動。當(dāng)目標(biāo)無人機(jī)偏離最強(qiáng)覆蓋區(qū)域時(shí)，兩天線的RSSI差別將會變大，需迅速調(diào)整天線指向，即提高轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)速度。本平臺依據(jù)兩天線的RSSI差值，采取動態(tài)選擇的思想來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的動態(tài)調(diào)整控制。在平臺初始化階段，給舵機(jī)輸入一個(gè)固定脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM），令天線在方位面內(nèi)從左最大限位處轉(zhuǎn)至右最大限位處，記錄旋轉(zhuǎn)時(shí)間，可通過計(jì)算得到轉(zhuǎn)臺的一種旋轉(zhuǎn)速度。調(diào)整PWM，以同樣的方法得到多種旋轉(zhuǎn)速度。本文以三種轉(zhuǎn)速來說明動態(tài)調(diào)整方法，轉(zhuǎn)速由小到大依次記為s1、s2、s3，如表1所示。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)需要測量出多種轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。

　　確定出不同的轉(zhuǎn)動速度后，在動態(tài)跟蹤時(shí)，根據(jù)RSSI差值的大小選擇不同的速度轉(zhuǎn)動天線。其流程圖如圖7所示。

4雙天線跟蹤平臺試驗(yàn)

　　對跟蹤平臺進(jìn)行實(shí)際測試，在相同條件下，分別進(jìn)行手動跟蹤、單天線自動跟蹤、雙天線自動跟蹤。圖8所示為三個(gè)過程中地面端天線RSSI的變化情況，三角標(biāo)志符折線的RSSI值為雙天線跟蹤過程中兩天線RSSI值的平均值。從測試結(jié)果可以看出，雙天線的跟蹤速度較單天線的跟蹤速度具有改進(jìn)效果。

　　為了反映無人機(jī)在轉(zhuǎn)場時(shí)天線跟蹤平臺的跟蹤效果，保持采樣頻率不變，以單天線、雙天線兩種跟蹤模式分別進(jìn)行跟蹤，觀察RSSI的變化并記錄。當(dāng)RSSI值維持在理想范圍時(shí)，控制MUAV飛向跟蹤平臺另一側(cè)，同樣在距離地面端500 m、升空高度100 m處的空域以半徑R=50 m做勻速圓周運(yùn)動，觀察RSSI的變化并記錄，直到RSSI值維持在理想范圍時(shí)，結(jié)束單天線和雙天線跟蹤。測試結(jié)果如圖9所示。從測試結(jié)果可以看出，單天線跟蹤在無人機(jī)轉(zhuǎn)場后需要較長時(shí)間對無人機(jī)進(jìn)行重新捕獲，而雙天線跟蹤在短時(shí)間內(nèi)即可完成重新捕獲，驗(yàn)證了雙天線跟蹤在跟蹤速度方面的優(yōu)化效果。

5結(jié)論

　　通過雙天線跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)，增加了中繼通信系統(tǒng)的通信容量，提高了中繼通信的抗干擾性，使中繼通信系統(tǒng)更具穩(wěn)健性。雙天線跟蹤平臺上天線的整體波束寬度較單天線跟蹤有了很大提高，波束的覆蓋范圍變大，在初始捕獲過程中，捕獲到目標(biāo)無人機(jī)的概率也就增大。利用雙天線增加天線主波束寬度，提高捕獲靈敏度、跟蹤速度及失鎖容忍度，可有效提高平臺的跟蹤速度與跟蹤精度。

　　參考文獻(xiàn)

　?。?］ 楊尚東，羅衛(wèi)兵. 微小型無人機(jī)平臺中繼在應(yīng)急通信中的應(yīng)用［J］. 飛航導(dǎo)彈，2015(5)：6871.

　?。?］ WADA A, YAMASHITA T, MARUYAMA M. A surveillance system using small unmanned aerial vehicle (UAV) related technologies［J］. NEC Technical Journal, 2015, 8(1): 6872.

　　［3］ 樊瓊劍，高翔，丁吉，等. 一種無人機(jī)定向天線穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)［J］. 四川兵工學(xué)報(bào)，2013，34(4)：8485.

　?。?］ 胡京林，謝文俊，李俊濤，等. 基于模式融合的中繼通信無人機(jī)定向天線對準(zhǔn)［J］. 計(jì)算機(jī)仿真，2015，32(8)：225229.

　?。?］ 袁征，羅衛(wèi)兵，武毅. 基于RSSI的微小型無人機(jī)天線自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 飛航導(dǎo)彈，2015(8)：2528.

　　［6］ 沈民誼，蔡鎮(zhèn)遠(yuǎn). 衛(wèi)星通信天線、潰源、跟蹤系統(tǒng)［M］. 北京：人民郵電出版社，2004.

　?。?］ 孫興邦. 衛(wèi)星天線自動跟蹤算法的研究［D］. 大連：大連海事大學(xué)，2008.

　?。?］ 賈飛飛. 有源相控陣?yán)走_(dá)中若干天線技術(shù)的研究與仿真［D］. 成都：電子科技大學(xué)，2010.

　?。?］ Guo Yangzi, PRIOR S D. Development of active directional antennae for use in small UAVs［C］. Innovation, Communication and Engineering, 2013：169172.

　?。?0］ MIN B C, MATSON E T, JUNG J W. Active antenna tracking system with directional antennas for enhancing wireless communication capabilities of a networked robotic system［J/OL］. (20150506)［20160105］. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/rob.21602/abstract.