无人机视距测控链路定向天线零位偏离故障研究

■ 邓永红 侯龙博 康熙华/中国飞行试验研究院

0 引言

视距测控链路系统是无人机系统的重要组成部分，其作为无人机平台和地面控制站之间无线通信的数据通道，主要完成在视距范围内对上行遥控指令、下行遥测及任务数据的实时传输[1]。为了提高信号的传输效率以及传输距离，视距测控链路系统主要采用了定向天线对信号进行定向发射接收，并采用了以数字引导方式为主的自跟踪模式使无人机定向天线对准地面控制站数据天线，从而增强信号强度，增加信号抗干扰能力。

视距测控链路定向天线物理零位偏离，指在使用过程中出现定向天线方位角零位或者俯仰角零位产生偏差，导致当无人机与地面控制站之间距离增加时，信号产生明显的衰减进而不满足信号强度要求。无人机在飞行过程中，距离地面控制站50km 内时，定向天线信号强度AGC 电压大于4.0V，距离地面控制站大于100km 时，定向天线信号强度AGC 电压迅速衰减小于2.5V。对其进行故障分析定位发现，随着无人机与地面控制站之间距离的增加，信号产生了偏离从而迅速衰减，最终确立为定向天线方位角零位偏离，经对定向天线进行零位校准后，系统工作状态恢复正常。

该视距测控链路定向天线的故障，具有地面难以发现且存在飞行安全隐患的特点。本文根据其工作原理对物理零位偏离产生的因素及影响进行分析，优化了无人机视距测控链路定向天线控制逻辑，提高了无人机自动控制系统的可靠性，保障无人机的安全飞行。

1 视距测控链路定向天线工作原理

1.1 工作原理

天线控制单元接收视距测控链路系统发送机载导航信息、姿态信息以及地面控制站的位置信息进行运算，根据当前定向天线的方位角和俯仰角，计算定向天线所要进行的方位角和俯仰角的变化值，再将其转换为相应比例的电压值，经D/A 转换后送至天线伺服单元，控制定向天线进行运动对准地面控制站数据天线[2]，其中方位角实现360°任意旋转，俯仰角实现-90°～0°旋转，工作原理如图1 所示。

图1 定向天线工作原理

1.2 数引对准模式的角度运算

假设无人机在空中相对于地面控制站静止时，数字引导下的定向天线方位角和俯仰角分别为αi和βi，如图2 所示。

图2 静止状态下的数字引导天线对准模式

定向天线由ti-1到t1时刻时，此时定向天线的方位角和俯仰角变化量分别为：

其中αti为ti时刻定向天线的方位角，φti为ti时刻飞机的方位角转换值。

其中βti为ti时刻定向天线的俯仰角，φti为ti时刻飞机的俯仰角转换值。

设定向天线初始的方位角零位值α0和俯仰角零位值β0，t 时刻定向天线的方位角和俯仰角分别为：

由此可知，t时刻定向天线的方位角和俯仰角由初始零位角与角度变量共同决定，初始零位角偏离时会导致定向天线姿态错误指向。

2 初始零位偏离产生因素

定向天线主要采用了矩形微带天线对信号进行定向传输，其最大辐射波束通常称为天线方向图的主瓣，方向图的宽度一般是指主瓣宽度从最大值下降一半时两点所张的夹角，方向图越宽，增益越低，方向图越窄，增益越高。[3]矩形微带天线在极坐标下和直角坐标下的方向性图和波束角如图3 所示。

图3 定向天线方向性图和波束角

天线在数引状态下，初始零位偏离会导致伺服机构控制天线的指向与地面控制站所在的位置存在误差，当距离增加时，地面控制站处于定向天线方向图宽度外时，信号强度迅速下降出现链路中断的现象，造成初始零位偏离的因素都会对视距测控链路通信产生影响，产生零位偏离主要分为以下三种因素。

1） 伺服零位偏离

定向天线安装在无人机上时，需将初始安装方位角和俯仰角的零位置存储于天线控制单元用于建立零位坐标系，由于伺服机构固有的误差因素k，长时间的伺服变加速运动使天线的初始零位指向渐渐偏离原来的位置，从而使得定向天线实际的零位角与存储的零位角发生偏差，定向天线的实际指向与计算值存在误差，随着误差值的叠加，当无人机距离地面控制站大于临界距离d时，出现视距测控链路通信信号中断的现象。

2） 装配零位偏离

定向天线安装于转动机构上，带动天线进行方位和俯仰变化，伺服电机驱动转动机构，整套机构在出厂时进行校零工作，使其与天线控制单元内存储的零位角匹配。无人机平台上安装定向天线整套机构时，通过固定螺栓将其固定于底板上，采用了椭圆孔镶嵌转动机构，由于出厂零位与安装在无人机上时的零位值存在固有误差，使得安装的初始零位角与设计零位角出现偏差。

3）齿轮传动偏离

视距测控链路定向天线通过转动机构上的齿轮带动进行方位角和俯仰角变化，在齿轮传动过程中，由于齿轮本身的几何结构或制造安装，从动轮的实际转角与理论转角不相等而产生偏差，这种偏差称为传动误差。传动误差随着主动轮转角的变化而不同，传动误差随时间的叠加使定向天线的初始零位误差增加，从而产生零位偏离。

3 优化视距测控链路定向天线控制逻辑

视距测控链路定向天线零位偏离因素具有时间叠加以及远距离出现的特性，在原有的自动控制系统上增加空中零位校准功能实现故障短时间恢复确保飞行安全，建立定向天线空中零位校准控制逻辑，优化视距测控链路定向天线的自动控制系统，如图4 所示。

图4 定向天线空中零位校准控制逻辑

首先，视距测控链路系统采集故障前后定向天线与全向天线信号强度，进行对比判别故障是否为定向天线零位偏离所导致。当判别故障因素为定向天线零位偏离时，自动启动空中零位校准指令，建立新零位坐标系，当系统内无新零位数据时，控制定向天线空中方位角转动360°，采集转动过程中信号最强点的方位角设置为方位角新零位α00，再控制定向天线俯仰角由-90°转至0°，采集转动过程中信号最强点的俯仰角设置为俯仰角新零位β00。当新零位数据有效时，建立以新零位为基点的坐标系运算，使视距测控链路定向天线对准地面控制站数据天线进行通信，确保飞行任务的安全执行。

4 结束语

视距测控链路系统作为无人机与地面控制站通信的主要方式，其工作性能良好性直接影响着飞行安全，定向天线更是确保了无人机远距离飞行时遥控遥测数据信号的通畅，展开对定向天线零位偏离的研究，对故障的预防以及自动控制技术的发展具有深刻的影响，同时建立一套完善的定向天线自动控制系统对保障飞行任务的安全执行具有重大的意义。