一种基于无人机数据链的应急导航方法
阅读说明：本技术 一种基于无人机数据链的应急导航方法 (Emergency navigation method based on unmanned aerial vehicle data link ) 是由 耿炎 许瑞生 崔项飞 张俊凯 于 2020-11-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于无人机数据链的应急导航方法,属于无人机测控技术领域。本发明利用上、下行双向链路测量无人机到地面测控站的距离；地面测控站采用定向天线接收无人机下行信号,通过单脉冲自跟踪功能可测量无人机的方位角；通过对无人机实时测距、测角,推算出无人机的实时位置坐标,实现应急导航。本发明可在卫星导航信号受到干扰时为无人机提供应急导航信息。(The invention discloses an emergency navigation method based on an unmanned aerial vehicle data chain, and belongs to the technical field of unmanned aerial vehicle measurement and control. The invention uses the uplink and downlink bidirectional links to measure the distance from the unmanned aerial vehicle to the ground measurement and control station; the ground measurement and control station adopts a directional antenna to receive downlink signals of the unmanned aerial vehicle, and can measure the azimuth angle of the unmanned aerial vehicle through a monopulse self-tracking function; through to unmanned aerial vehicle real-time ranging, angle measurement, calculate unmanned aerial vehicle's real-time position coordinate, realize emergent navigation. The invention can provide emergency navigation information for the unmanned aerial vehicle when the satellite navigation signal is interfered.)
技术领域
本发明涉及无人机测控技术领域，尤其是指一种基于无人机数据链的应急导航方法。
背景技术
在现代信息化战争中，无人机可满足零伤亡以及重复利用率高的要求，能够执行高风险的任务，并为军方提供侦查信息，协助获取电磁权，在现代战场上有着举足轻重的地位。导航系统的基本任务是控制无人机按预定的任务航路飞行。
导航系统一般采用以卫星导航为主的多种导航方式。卫星导航具有全方位、全天候、全时段和精度高的特点，但是易受干扰。由于导航卫星的信号发射功率有一定限制，卫星到地球表面的距离约两万多千米，导航信号到达地球时信号的强度变得很小，因此导航接收机极易受到外界干扰，导致无人机迷航。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于无人机数据链的应急导航方法，其目的是在卫星导航信号被干扰的情况下，为无人机提供导航信息。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种基于无人机数据链的应急导航方法，包括以下步骤：
(1)利用无人机数据链的上、下行双向链路对无人机进行测距；
(2)利用无人机地面测控站定向天线的单脉冲自跟踪功能，对无人机进行测角；
(3)根据地面测控站的已知坐标以及对无人机观测得到的距离和方位角信息，推算无人机的经纬度坐标，实现对无人机的导航。
进一步的，步骤(1)的具体方式为：
(101)以无人机数据链中遥控遥测数据帧头作为测距脉冲，在地面测控站发送上行遥控数据帧头时，启动第一计时器；
(102)机载测控终端收到上行遥控数据帧头时，启动第二计时器；
(103)机载测控终端发送下行遥测数据帧头时，停止第二计时器，同时将第二计时器的计时时间T2通过下行遥测发送给地面测控站；
(104)地面测控站接收到下行遥测数据帧头时，停止第一计时器，同时输出第一计时器的计时时间T1；
(105)以T1-T2的值作为遥控遥测无线电信号双向传输时间及设备处理时延τ的总和；对测距值进行校零，去除设备处理时延τ，得到无人机到地面测控站的距离r：
r＝(T1-T2-τ)*C/2
式中，C为光速；
(106)获取多个测距值，根据遥控遥测数据帧的帧周期和链路的作用距离进行分析计算，剔除模糊值，并对剩余测距值进行平滑处理，得到测距结果。
进一步的，步骤(2)的具体方式为：
(201)对地面测控站进行初始标校，确定地面站的纬度B0、经度L0和高度H0；获取天线零位的初始方位角A0，进行距离校零，并从遥测中读取目标飞机高度H；
(202)地面测控站的定向天线接收无人机下行射频信号，其中，比幅单脉冲天线通过两个偏置馈电喇叭接收信号，比相单脉冲天线通过按间距排布的两个子阵接收信号；两路信号经高频和差器产生和路信号与差路信号；
(203)用1～10kHz的低频方波对差路信号进行0-π调制；
(204)将调制后的差路信号与和路信号经耦合器合成，耦合度选择在-6～-14dB之间，形成单通道载波信号；
(205)合成后的单通道信号经过低噪声放大和频率变换，变成幅度更强的中频信号，再送往跟踪接收机；
(206)跟踪接收机对信号进行相干幅度检波，取出低频调制信号；然后用基准方波信号进行同步检波，把方位角误差电压信号分离出来；
(207)将方位角误差信号送天线伺服进行闭环控制，驱动定向天线跟踪对准目标；定向天线跟踪对准目标时伺服系统上报方位角A1；
(208)将天线零位的初始方位角叠加伺服系统上报方位角作为飞机的地理方位角A：
A＝A0+A1。
进一步的，步骤(3)的具体方式为：
(301)计算目标无人机在地面测控站站心坐标系下的坐标(x、y、z)：
式中：q是目标无人机的仰角，初始值为0，r为目标无人机到地面测控站的距离、A为目标无人机的方位角；
(302)计算目标无人机在空间直角坐标系下的坐标(X、Y、Z)：
式中：是卯酉曲率半径；为第一偏心率平方，a为椭球长半轴，b为椭球短半轴；B、L、H的初始值分别为地面测控站的纬度B0、经度L0和高度H0；
(303)计算目标无人机的大地坐标(BT、LT、HT)：
(304)判断H－HT是否小于阈值，若是则转到步骤(306)，否则转到步骤(305)；
(305)计算仰角的修正数dq＝(H-HT)/r，并令q＝q+dq，B＝BT，L＝LT，H＝HT，重复步骤(301)～(304)进行迭代计算；
(306)输出目标无人机在WGS84下的大地坐标(BT、LT)，为无人机提供应急导航数据。
本发明的有益效果在于：
1、本发明方法简单，便于程序化执行，易于实现。
2、本发明可在卫星导航信号受到干扰时为无人机提供应急导航信息。
附图说明
图1是本发明实施例中应急导航方法的流程图。
图2是本发明实施例中地面测控站单脉冲跟踪测角信号的处理流程图。
图3是本发明实施例中解析目标经纬度的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明技术方案做进一步的说明。
如图1所示，一种基于无人机数据链的应急导航方法，包括以下步骤：
(1)利用无人机数据链的上、下行双向链路实现对无人机测距。具体方式为：
(1.1)在无人机数据链中，通常采用遥控遥测数据帧头作为测距脉冲。在地面测控站发送上行遥控数据帧头时，启动计时器1。
(1.2)机载测控终端收到上行遥控数据帧头时，启动计时器2。
(1.3)机载测控终端发送下行遥测数据帧头时，停止计时器2，同时将计时器2的计时时间T2通过下行遥测发送给地面测控站。
(1.4)地面测控站接收到下行遥测数据帧头时，停止计时器1，同时输出计时器1的计时时间T1。
(1.5)(T1-T2)为遥控遥测无线电信号双向传输时间及设备处理时延τ，对测距值进行校零，去除设备处理时延。已知电波在自由空间传输速度C，可以得到无人机到地面测控站的距离：
r＝(T1-T2-τ)*C/2。
(1.6)根据遥控遥测数据帧的帧周期和链路的作用距离进行分析计算，剔除模糊值，并对测距值进行平滑处理。
(2)利用无人机地面测控站定向天线单脉冲自跟踪功能实现对无人机测角。具体方式为：
(2.1)对地面测控站进行初始标校，确定地面站的纬度、经度、高度坐标(B0、L0、H0)，天线零位的初始方位角A0，距离校零，从遥测中读取目标飞机高度H。
(2.2)地面测控站定向天线接收无人机下行射频信号。比幅单脉冲天线通过两个偏置馈电喇叭接收信号，比相单脉冲天线通过按一定间距排布的两个子阵接收信号；两路信号经高频和差器产生和路信号与差路信号。
(2.3)用低频(1～10)kHz方波对差路信号进行0-π调制。
(2.4)调制后的差路信号与和路信号经耦合器合成，耦合度选择在(-6～-14)dB之间，形成单通道载波信号。
(2.5)合成后的单通道信号经过低噪声放大和频率变换，变成幅度足够强的中频信号，再送往跟踪接收机。
(2.6)跟踪接收机对信号进行相干幅度检波，取出低频调制信号；再用基准方波信号进行同步检波，把方位角误差电压信号分离出来。
(2.7)方位角误差信号送天线伺服进行闭环控制，驱动定向天线跟踪对准目标。定向天线跟踪对准目标时伺服系统上报方位角A1；
(2.8)飞机的地理方位角A为天线零位的初始方位角叠加伺服系统上报方位角A0+A1。
(3)利用地面测控站的已知坐标及对无人机观测的距离、方位角推算无人机的经纬度坐标。具体方式为：
(3.1)求目标飞机的经纬度，如图2。假设目标点的仰角q＝0，已知数据：测控站在WGS84坐标系下的大地坐标B0、L0、H0，目标点的距离r、方位角A、大地高H。
(3.2)根据式(1)可求出目标点在测控站站心坐标系中坐标(x、y、z)。
式中：q是目标的仰角，r为距离、A为方位角。
(3.3)根据式(2)可求出目标点在空间直角坐标系下坐标(XT、YT、ZT)。
式中：B0、L0、H0为地面测控站的纬度、经度和高度。
是卯酉曲率半径；为第一偏心率平方，a为椭球长半轴，b为椭球短半轴。
(3.4)根据式(3)可得出目标点的大地坐标BT、LT、HT
(3.5)判断(H－HT)是否小于迭代精度eps(可取0.000001)，若是则输出坐标，即为最后所得大地坐标，否则转向下一步。
(3.6)计算仰角的修正数dq＝(H-HT)/r，则q＝q+dq，转向式(2)继续迭代计算。
最终，输出目标飞机在WGS84下大地坐标(BT、LT)，为飞机提供应急导航数据。
无人机数据链是无人机的风筝线，为无人机提供了上行遥控、下行遥测和侦察信息传输功能。本发明利用上、下行双向链路测量无人机到地面测控站的距离；地面测控站采用定向天线接收无人机下行信号，通过单脉冲自跟踪功能可测量无人机的方位角；通过对无人机实时测距、测角，推算出无人机的实时经纬度坐标，可在卫星导航信号受到干扰时为无人机提供应急导航信息。
需要说明的是，上述实施例旨在使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明，对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种机动测控站导航规划方法