無人機視距測控鏈路定向天線零位偏離故障研究

■ 鄧永紅 侯龍博 康熙華/中國飛行試驗研究院

0 引言

視距測控鏈路系統是無人機系統的重要組成部分，其作為無人機平臺和地面控制站之間無線通信的數據通道，主要完成在視距范圍內對上行遙控指令、下行遙測及任務數據的實時傳輸[1]。為了提高信號的傳輸效率以及傳輸距離，視距測控鏈路系統主要采用了定向天線對信號進行定向發射接收，并采用了以數字引導方式為主的自跟蹤模式使無人機定向天線對準地面控制站數據天線，從而增強信號強度，增加信號抗干擾能力。

視距測控鏈路定向天線物理零位偏離，指在使用過程中出現定向天線方位角零位或者俯仰角零位產生偏差，導致當無人機與地面控制站之間距離增加時，信號產生明顯的衰減進而不滿足信號強度要求。無人機在飛行過程中，距離地面控制站50km 內時，定向天線信號強度AGC 電壓大于4.0V，距離地面控制站大于100km 時，定向天線信號強度AGC 電壓迅速衰減小于2.5V。對其進行故障分析定位發現，隨著無人機與地面控制站之間距離的增加，信號產生了偏離從而迅速衰減，最終確立為定向天線方位角零位偏離，經對定向天線進行零位校準后，系統工作狀態恢復正常。

該視距測控鏈路定向天線的故障，具有地面難以發現且存在飛行安全隱患的特點。本文根據其工作原理對物理零位偏離產生的因素及影響進行分析，優化了無人機視距測控鏈路定向天線控制邏輯，提高了無人機自動控制系統的可靠性，保障無人機的安全飛行。

1 視距測控鏈路定向天線工作原理

1.1 工作原理

天線控制單元接收視距測控鏈路系統發送機載導航信息、姿態信息以及地面控制站的位置信息進行運算，根據當前定向天線的方位角和俯仰角，計算定向天線所要進行的方位角和俯仰角的變化值，再將其轉換為相應比例的電壓值，經D/A 轉換后送至天線伺服單元，控制定向天線進行運動對準地面控制站數據天線[2]，其中方位角實現360°任意旋轉，俯仰角實現-90°～0°旋轉，工作原理如圖1 所示。

圖1 定向天線工作原理

1.2 數引對準模式的角度運算

假設無人機在空中相對于地面控制站靜止時，數字引導下的定向天線方位角和俯仰角分別為αi和βi，如圖2 所示。

圖2 靜止狀態下的數字引導天線對準模式

定向天線由ti-1到t1時刻時，此時定向天線的方位角和俯仰角變化量分別為：

其中αti為ti時刻定向天線的方位角，φti為ti時刻飛機的方位角轉換值。

其中βti為ti時刻定向天線的俯仰角，φti為ti時刻飛機的俯仰角轉換值。

設定向天線初始的方位角零位值α0和俯仰角零位值β0，t 時刻定向天線的方位角和俯仰角分別為：

由此可知，t時刻定向天線的方位角和俯仰角由初始零位角與角度變量共同決定，初始零位角偏離時會導致定向天線姿態錯誤指向。

2 初始零位偏離產生因素

定向天線主要采用了矩形微帶天線對信號進行定向傳輸，其最大輻射波束通常稱為天線方向圖的主瓣，方向圖的寬度一般是指主瓣寬度從最大值下降一半時兩點所張的夾角，方向圖越寬，增益越低，方向圖越窄，增益越高。[3]矩形微帶天線在極坐標下和直角坐標下的方向性圖和波束角如圖3 所示。

圖3 定向天線方向性圖和波束角

天線在數引狀態下，初始零位偏離會導致伺服機構控制天線的指向與地面控制站所在的位置存在誤差，當距離增加時，地面控制站處于定向天線方向圖寬度外時，信號強度迅速下降出現鏈路中斷的現象，造成初始零位偏離的因素都會對視距測控鏈路通信產生影響，產生零位偏離主要分為以下三種因素。

1） 伺服零位偏離

定向天線安裝在無人機上時，需將初始安裝方位角和俯仰角的零位置存儲于天線控制單元用于建立零位坐標系，由于伺服機構固有的誤差因素k，長時間的伺服變加速運動使天線的初始零位指向漸漸偏離原來的位置，從而使得定向天線實際的零位角與存儲的零位角發生偏差，定向天線的實際指向與計算值存在誤差，隨著誤差值的疊加，當無人機距離地面控制站大于臨界距離d時，出現視距測控鏈路通信信號中斷的現象。

2） 裝配零位偏離

定向天線安裝于轉動機構上，帶動天線進行方位和俯仰變化，伺服電機驅動轉動機構，整套機構在出廠時進行校零工作，使其與天線控制單元內存儲的零位角匹配。無人機平臺上安裝定向天線整套機構時，通過固定螺栓將其固定于底板上，采用了橢圓孔鑲嵌轉動機構，由于出廠零位與安裝在無人機上時的零位值存在固有誤差，使得安裝的初始零位角與設計零位角出現偏差。

3）齒輪傳動偏離

視距測控鏈路定向天線通過轉動機構上的齒輪帶動進行方位角和俯仰角變化，在齒輪傳動過程中，由于齒輪本身的幾何結構或制造安裝，從動輪的實際轉角與理論轉角不相等而產生偏差，這種偏差稱為傳動誤差。傳動誤差隨著主動輪轉角的變化而不同，傳動誤差隨時間的疊加使定向天線的初始零位誤差增加，從而產生零位偏離。

3 優化視距測控鏈路定向天線控制邏輯

視距測控鏈路定向天線零位偏離因素具有時間疊加以及遠距離出現的特性，在原有的自動控制系統上增加空中零位校準功能實現故障短時間恢復確保飛行安全，建立定向天線空中零位校準控制邏輯，優化視距測控鏈路定向天線的自動控制系統，如圖4 所示。

圖4 定向天線空中零位校準控制邏輯

首先，視距測控鏈路系統采集故障前后定向天線與全向天線信號強度，進行對比判別故障是否為定向天線零位偏離所導致。當判別故障因素為定向天線零位偏離時，自動啟動空中零位校準指令，建立新零位坐標系，當系統內無新零位數據時，控制定向天線空中方位角轉動360°，采集轉動過程中信號最強點的方位角設置為方位角新零位α00，再控制定向天線俯仰角由-90°轉至0°，采集轉動過程中信號最強點的俯仰角設置為俯仰角新零位β00。當新零位數據有效時，建立以新零位為基點的坐標系運算，使視距測控鏈路定向天線對準地面控制站數據天線進行通信，確保飛行任務的安全執行。

4 結束語

視距測控鏈路系統作為無人機與地面控制站通信的主要方式，其工作性能良好性直接影響著飛行安全，定向天線更是確保了無人機遠距離飛行時遙控遙測數據信號的通暢，展開對定向天線零位偏離的研究，對故障的預防以及自動控制技術的發展具有深刻的影響，同時建立一套完善的定向天線自動控制系統對保障飛行任務的安全執行具有重大的意義。