无人机遥测地面站系统设计要点分析

2013-08-15

电子世界 2013年13期

无人机（Unmanned Aerial Vehicle，缩写为UAV），是一种靠遥控系统操纵和自备程序控制的非载人飞行器。遥测系统是把被测量对象的参数传给远端测量站的一种系统。无人机测控系统是无人机的信息网络和控制系统，除实现对无人机的遥控遥测、跟踪定位和数据信息传输功能外，同时对飞行状态与任务信息进行实时监视和记录，其性能和规模在很大程度上决定了整个无人机系统的性能和规模。

1.无人机地面遥测站系统

1.1 地面遥控系统的工作原理

地面遥控系统包括监控台、指令编码器、副载波调制器、载波调制器、发射天线、地面检测接收机等基本设备和辅助设备。地面遥控系统在监控台、PC机、引导设备和外部接口设备等的支持下，完成对无人机的目标跟踪和遥控指令的产生与控制。遥控指令和数据的形成在实施控制前一般要制定好，遥控计划在无人机经过地面站上空前送往相应的监控站，当无人机进入地面站的覆盖区时，必须由地面人员发出遥控指令加以控制，使之做出各种动作，完成既定任务，实现预期目的。

1.2 遥控系统差错控制技术

由于外部干扰和系统内部的不稳定，任何传输手段都存在一定的错误概率。遥控传输信道本身能达到的码元误码率一般为10-4～10-6，而无人机遥控指令的误码率要求在10-8以下，这样除了采用较好的调制解调方法外，也要降低相应的错误概率。差错控制是根据待传数据序列，以一定规律产生一些多余码元，使原来不相关的数据序列变为相关编码，并把多余码和信息一起传送，接收端根据信息元和多余码之间的规则进行检验，从而发现错误进行更正。

1.3 遥控数据保护

遥控信息的安全是无人机遥控系统设计和任务实施过程中最重要的问题，在日益发展的电子侦察和电子对抗技术中，遥控信息的传输经过空间链路具有开放性，使遥控信息面临更为复杂的环境，面对更多的威胁，更应利用数据技术提高安全性。

2.无人机遥测地面站系统设计要点

无人机遥测地面站系统中各个遥测终端都对无人机进行监测，各个终端可以相互通信，以及各个终端可以和测控中心进行通信，从而保证遥测任务的顺利完成。

2.1 抗干扰设计

随着电子战技术的不断发展，无人机面临的电子对抗形势日趋严峻，要求一步提高无人机测控链路的抗截获和抗干扰能力。无人机测控地面站与机载设备工作距离比较远，地面站天线波束辐射仰角很低，地面的干扰信号容易进入地面站天线，这就要求无人机测控系统应具备一定的抗干扰能力。扩频测控体制是抗干扰、抗截获的主要技术体制。在抗干扰性能的设计上，无人机测控系统主要采用伪码直扩技术和跳频技术对抗宽带白噪声的压制性干扰，同时采用频域自适应滤波技术对抗单载波等窄带型干扰信号。当系统输入干扰为单频或窄带干扰时，可以采用频域自适应滤波算法抑制单频和窄带干扰，具体方法为：首先利用快速傅立叶变换(FFT)将输入信号变换到频域，然后用一个干扰抑制模块对频谱进行处理以消除窄带干扰，最后用快速傅立叶反变换(IFFT)将处理过的信号从频域变换到时域。频域自适应滤波算法的特点是干扰信号越强，抗干扰的效果越好。

2.2 以太网技术应用

无人机测控系统的地面站的数据接口复杂，各个功能单元的数据呈现星形连接方式，本着对信息接口设计简单可靠的设计原则，并充分考虑扩展性，最好的选择就是应用以太网接口技术。以太网技术在计算机上应用很成熟，但在非计算机系统的基带单元上却不容易实现。以太网络协议采用基于IP地址的UDP通讯协议，对广播类型的数据使用UDP组播协议，同个设备送出的不同类型的数据，则可用不同的网络端口来实现。采用以太网协议构建地面站的网络系统使地面站具备很强的扩展性，可以方便实现多个地面测控站的联网和数据共享。

2.3 定位设计

测控地面站定向天线在无人机飞远时使用，工作时天线波束仰角比较低，故对天线方向图设计都采用俯仰面上波束很宽，方位面上波束窄的平方余割天线形式。采用这种天线形式简化了设计，无需对目标进行俯仰面上的跟踪，也无法得出目标俯仰角。故目标定位方式采用地面站测量无人机的方位和距离，同时利用无人机平台配备的高度计或GPS导航接收机定位数据等多种方式实现对无人机的组合定位。地面站测量无人机的方位和距离，再结合无人机的高度信息（通过遥测下传），通过地面数据处理计算机解算可得到无人机的定位数据，实现地面站对无人机的主动定位。地面站主动定位数据可通过遥控方式注入到无人机载飞控计算机，为无人机提供辅助定位数据。

2.4 信号快速捕获技术

无人机测控系统的跟踪对象飞行速度有快有慢，最快的如美国的X系列的无人飞行器，其速度可以达到几个马赫，慢的如长航时的无人机，可连续几十个小时徘徊在目标区域连续观察。故信号的动态高，电平弱，捕获跟踪困难。系统为加快接收机对信号的捕获速度，满足系统对信号捕获时间的指标要求，使用了信号快速捕获技术。动态信号的捕获是一个在时间轴和频率轴上同时进行的二维搜索过程。其捕获原理一方面是码相位搜索，另一方面是载波多普勒频移引起的频率搜索。在搜索过程中，码相位步进量为1/2个码片相位，载频频差步进量为一个多普勒频移分槽，它们共同构成了二维搜索空间的一个搜索单元。捕获过程从载波中心频率往两边发散搜索下一个频率槽，直至搜索完整个频率不确定范围内。捕获判断条件则是接收信号扩频码和本地伪码相关峰值是否大于门限，当相关峰值高于预设信号检测门限时，找出其对应的码相位，再采用FFT测频，求得载波多频率频移，至此信号捕获完成。

2.5 低仰角高速数据接收设计

在无人机的视距链路设计中，由于地面站与机载设备工作距离一般要求尽量远，经常工作状态是地面设备天线波束辐射仰角接近0度，系统接收机接收到的信号是直射信号和反射信号的多径之和，存在着严重的多径和衰落现象。普通相关接收机的性能恶化很厉害，对高速数据的传输影响尤其严重，所以必须采取抗多径效应的措施。消除多径现象有两个途径，一是合理的天馈和链路设计，二是设备本身采取的措施。合理天馈和链路设计要改善地面天线性能，采用窄波束、低副瓣天线对抗多径影响，利用圆极化天线左右旋隔离度减小地面反射影响，圆极化天线其反射波极化方向将变为相反方向，由于圆极化天线左右旋隔离度，可减小电平衰落深度。