一種無人機(jī)微弱擴(kuò)頻信號(hào)角跟蹤方法

王春龍，馬傳焱 ，時(shí)荔蕙 ，郝博雅 ，周　洲

(1.西北工業(yè)大學(xué) 無人機(jī)特種技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；

2.中國人民解放軍63961部隊(duì)，北京 100012)

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一種無人機(jī)微弱擴(kuò)頻信號(hào)角跟蹤方法

王春龍1,2，馬傳焱2，時(shí)荔蕙2，郝博雅2，周洲1

(1.西北工業(yè)大學(xué) 無人機(jī)特種技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；

2.中國人民解放軍63961部隊(duì)，北京 100012)

摘要：傳統(tǒng)的無人機(jī)測(cè)控信號(hào)容易被干擾和截獲。在現(xiàn)有無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，給出了一種無人機(jī)微弱擴(kuò)頻信號(hào)的單通道單脈沖跟蹤系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)突破了擴(kuò)頻信號(hào)并行快捕和誤差電壓的高精度相關(guān)解調(diào)等難題。該方法可以充分利用現(xiàn)有測(cè)控信道而無需額外增加設(shè)備量，具有跟蹤系統(tǒng)靈敏度高、跟蹤精度高、算法簡單和設(shè)備簡單等特點(diǎn)，特別適合于對(duì)無人機(jī)的隱蔽高精度測(cè)角跟蹤。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；擴(kuò)頻；角跟蹤；抗干擾

0引言

無人機(jī)具有體積小、造價(jià)低、使用方便和對(duì)環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于偵察監(jiān)視、搶險(xiǎn)救災(zāi)、地形勘測(cè)和目標(biāo)打擊等領(lǐng)域。單通道單脈沖角跟蹤技術(shù)[1]因其精度高、工作信噪比較低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快以及實(shí)現(xiàn)簡單、可靠，在無人機(jī)測(cè)控領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。盛懷潔等[2]研究了無人機(jī)角跟蹤系統(tǒng)的體制分類，在干擾響應(yīng)分類的基礎(chǔ)上定義了4個(gè)系統(tǒng)抗干擾性能指標(biāo)，并給出了計(jì)算方法和物理意義，定量分析無人機(jī)角跟蹤系統(tǒng)抗干擾性能；尤明懿等[3]提出了一種可直接評(píng)估角跟蹤接收機(jī)的測(cè)角精度，且便于跟蹤系統(tǒng)指標(biāo)分配的角跟蹤接收機(jī)性能評(píng)估方法；汪沛[4]設(shè)計(jì)了一種單通道角跟蹤系統(tǒng)接收機(jī)AGC控制環(huán)路，能夠準(zhǔn)確補(bǔ)償信號(hào)傳輸引起的信號(hào)電平變化而幾乎不會(huì)引入角誤差信息失真；湯恩生等[5]通過分析和通道與差通道相位差對(duì)跟蹤性能的影響，提出了一種與跟蹤系統(tǒng)頻率無關(guān)的采用過零點(diǎn)檢測(cè)加數(shù)字移相補(bǔ)償方法；黃開達(dá)[6]建立了鏡面反射影響下的遙測(cè)角誤差信號(hào)模型，分析了多路徑效應(yīng)對(duì)天線低仰角3個(gè)特征區(qū)跟蹤的影響,提出基于卡爾曼濾波的自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合算法,有效改善遙測(cè)設(shè)備低仰角跟蹤的穩(wěn)定性和提高測(cè)量精度;趙呈哲等[7]針對(duì)工程應(yīng)用具體需求,對(duì)傳統(tǒng)解擴(kuò)方法進(jìn)行改進(jìn),以適應(yīng)單通道單脈沖擴(kuò)頻角跟蹤技術(shù)在無人飛行器測(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用；李中偉等[8]對(duì)基于多信息源的目標(biāo)測(cè)量模型建模、數(shù)據(jù)融合與最優(yōu)估計(jì)算法等解決低仰角跟蹤的措施進(jìn)行了研究;張晏旭等[9]給出了高速數(shù)傳信號(hào)角跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,并對(duì)高速數(shù)傳信號(hào)跟蹤誤差進(jìn)行了分析。

當(dāng)前航空無線電測(cè)控領(lǐng)域中對(duì)目標(biāo)飛行器的跟蹤主要采用單通道單脈沖體制，下行數(shù)據(jù)采用非擴(kuò)頻的正交相移鍵控調(diào)制方式，遙測(cè)信號(hào)很容易被截獲和干擾。擴(kuò)頻系統(tǒng)可以工作在負(fù)信噪比下，信號(hào)淹沒在噪聲中，因此具有很高的隱蔽性、抗干擾性、抗多徑和抗截獲的能力。隨著擴(kuò)頻技術(shù)在GPS系統(tǒng)、GLONASS系統(tǒng)、中繼衛(wèi)星系統(tǒng)和我國的雙星定位系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，國內(nèi)無人機(jī)測(cè)控領(lǐng)域開始深入研究擴(kuò)頻技術(shù)在測(cè)控中的應(yīng)用[10，11]。而如何在現(xiàn)有無人機(jī)工程實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的無人機(jī)擴(kuò)頻角跟蹤系統(tǒng)，同時(shí)能夠直接利用擴(kuò)頻信息實(shí)現(xiàn)角度誤差信號(hào)的提取，準(zhǔn)確、及時(shí)地完成對(duì)飛行目標(biāo)的測(cè)角跟蹤，成為無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)必須要解決的一個(gè)問題。

1無人機(jī)微弱擴(kuò)頻角跟蹤系統(tǒng)組成

無人機(jī)微弱擴(kuò)頻角跟蹤系統(tǒng)組成如圖1所示，系統(tǒng)主要包括耦合器、射頻濾波器、低噪聲放大器LNA、本振、下變頻器、自動(dòng)增益控制AGC、中頻放大器、中頻濾波器、偽碼快速解擴(kuò)器、2個(gè)乘法器、2個(gè)0/π調(diào)制器、加法器、T/4移相器和低頻方波發(fā)生器。圖1中，Σ為地面跟蹤天線輸出的和信號(hào)、ΔA和ΔE分別為方位和俯仰誤差信號(hào)、LNA為低噪放、AGC為自動(dòng)增益控制、UA和UE分別為地面數(shù)字跟蹤接收機(jī)解算輸出的角誤差電壓。

圖1　無人機(jī)微弱擴(kuò)頻角跟蹤系統(tǒng)組成框圖

地面跟蹤天線輸出的和信號(hào)Σ依次通過耦合器、射頻濾波器、低噪聲放大器LNA、下變頻器、中放、中頻濾波器后與偽碼快速解擴(kuò)器的輸入端連接，偽碼快速解擴(kuò)器的2個(gè)輸出端分別與2個(gè)乘法器的輸入端連接；在低噪聲放大器LNA與下變頻器之間還連接有本振，中頻濾波器的另一輸入端還與中頻放大器的輸出端連接，該中頻放大器設(shè)有自動(dòng)增益控制回路AGC；一個(gè)0/π調(diào)制器的輸入端和調(diào)制端分別與方位誤差信號(hào)ΔA和T/4移相器的輸出端連接，后者的輸入端與低頻方波發(fā)生器的輸出端連接；另外一個(gè)0/π調(diào)制器的輸入端和調(diào)制端分別與俯仰誤差信號(hào)ΔE和低頻方波發(fā)生器的輸出端連接；2個(gè)0/π調(diào)制器的輸出端經(jīng)過加法器后再與耦合器的另一輸入端連接；2個(gè)所述的乘法器的另一輸入端分別與T/4移相器和低頻方波發(fā)生器的輸出端連接，輸出端解算出方位、俯仰誤差電壓。

2擴(kuò)頻角跟蹤原理分析

參考圖1，本節(jié)主要就無人機(jī)微弱擴(kuò)頻角跟蹤原理進(jìn)行分析。單通道跟蹤接收通道中，和路信號(hào)表示為：

Σ=VΣm(t)c(t)cos(ωct+φ0)+n∑(t),

(1)

式中，V∑為和路信號(hào)強(qiáng)度，ωc為載波角頻率，φ0為信號(hào)初相，nΣ為和路的噪聲，m(t)為調(diào)制數(shù)據(jù)，c(t)為擴(kuò)頻碼序列。

饋源輸出的方位、俯仰誤差信號(hào)分別表示為：

ΔA=VAc(t)m(t)cos(ωct+φ0)+nA(t)，

(2)

ΔE=VEc(t)m(t)cos(ωct+φ0)+nE(t)，

(3)

式中，VA和VE分別為方位、俯仰角誤差信號(hào)；nA和nE分別為方位、俯仰支路的噪聲。

將數(shù)字跟蹤接收機(jī)輸出的兩路頻率一致，正交關(guān)系的低頻方波信號(hào)分別與方位誤差、俯仰誤差信號(hào)完成0/π調(diào)制，通過合路器，形成一個(gè)復(fù)合角誤差信號(hào)：

Q=m(t)c(t)[VAD(t)+VED(t+90°)]cos(ωct+φ0)+

nA(t)+nE(t)，

(4)

式中，D(t)、D(t+90°)為幅度為±1的低頻方波信號(hào)。

該合成的角誤差信號(hào)再經(jīng)過耦合器與和路信號(hào)耦合，成為包含角誤差信號(hào)的復(fù)合調(diào)制信號(hào)，表達(dá)式如下：

P=m(t)c(t)[VAD(t)+VED(t+90°)+V∑]cos(ωct+φ0)+

n∑(t)+nA(t)+nE(t)，

(5)

式(5)再經(jīng)低噪聲放大、模擬下變頻和放大濾波后，信號(hào)中心頻率變?yōu)棣?，噪聲成為窄帶高斯噪聲，此時(shí)信號(hào)形式為：

P=m(t)c(t)[VAD(t)+VED(t+90°)+V∑]cos(ω0t+φ0)+

nc(t)cos(ω0t+φ0)-ns(t)sin(ω0t+φ0)，

(6)

式中，nc(t)、ns(t)分別為帶限高斯白噪聲的同相和正交分量。

然后復(fù)合信號(hào)進(jìn)入解擴(kuò)單元，去掉偽隨機(jī)碼，解擴(kuò)后的信號(hào)表達(dá)式為：

P=m(t)[VAD(t)+VED(t+90ο)+VΣ]cos(ω0t+φ0)+

nc2(t)cos(ω0t+φ0)-ns2(t)sin(ω0t+φ0)；

(7)

再經(jīng)載波跟蹤后，I支路輸出信號(hào)為：

P=m(t)[VAD(t)+VED(t+90ο)+VΣ]+nc2(t)。

(8)

低頻方波信號(hào)，頻率一般很低(一般為1 kHz)，遠(yuǎn)低于數(shù)據(jù)速率，大部分調(diào)制有誤差信號(hào)的低頻方波信號(hào)通過了相關(guān)濾波器，因此，角誤差信息仍然保留在解擴(kuò)后的信號(hào)中。將解調(diào)后的遙測(cè)基帶信號(hào)m(t)與跟蹤后的I支路信號(hào)再相乘，消去數(shù)據(jù)，得到：

P=[VAD(t)+VED(t+90ο)+VΣ]+nc3(t)。

(9)

該信號(hào)分別與本地D(t)、D(t+90°)同步檢波：

PA=[VAD(t)+VED(t+90ο)+VΣ]D(t)+nc3(t)D(t)，

(10)

PE=[VAD(t)+VED(t+90ο)+VΣ]D(t+90)+nc3(t)D(t+90)。

(11)

經(jīng)低通濾波后，輸出的方位、俯仰角誤差電壓分別為：

UA=VA+nA，

(12)

UE=VE+nE。

(13)

3無人機(jī)微弱擴(kuò)頻角跟蹤方法

無人機(jī)偽碼并行搜索捕獲原理如圖2所示，上述系統(tǒng)通過以下步驟實(shí)現(xiàn)無人機(jī)微弱擴(kuò)頻角跟蹤。

圖2　無人機(jī)偽碼并行搜索捕獲原理框圖

① 地面跟蹤定向天線的和差網(wǎng)絡(luò)輸出一對(duì)方位誤差信號(hào)ΔA、俯仰誤差信號(hào)ΔE和和信號(hào)Σ，在信道雙工器內(nèi)，2個(gè)射頻誤差信號(hào)分別與地面數(shù)字跟蹤接收機(jī)輸出的一對(duì)正交低頻方波信號(hào)在0/π調(diào)制器內(nèi)完成0/π調(diào)制，調(diào)制后的誤差電壓通過加法器后，在耦合器內(nèi)與和信號(hào)Σ耦合到一起，經(jīng)過射頻帶通濾波器、LNA、下變頻器、信道AGC控制和帶通濾波器，最后將中頻信號(hào)輸出給去地面數(shù)字跟蹤接收機(jī)。

② 地面數(shù)字跟蹤接收機(jī)對(duì)輸入的微弱擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行快速解擴(kuò)。對(duì)于傳統(tǒng)的解擴(kuò)系統(tǒng)，解擴(kuò)處理的時(shí)延主要在偽碼的搜索捕獲階段，為了降低解擴(kuò)的時(shí)延，采用n路偽碼相位并行搜索的方式。偽碼部分并行搜索捕獲原理如圖2所示，以256位偽隨機(jī)碼的擴(kuò)頻系統(tǒng)為例，考慮到節(jié)省硬件資源，并行支路的個(gè)數(shù)n取8，8個(gè)并行支路的相位分別為PN0、PN1…PN7；PN8、PN9…PN15；PN248、PN249…PN255。通過8個(gè)支路偽碼相位的并行處理，搜索階段所占用的時(shí)間為相位串行滑動(dòng)的1/8，可以滿足工程設(shè)計(jì)需求。為了使得系統(tǒng)能夠在低信噪比下，快速準(zhǔn)確地完成解擴(kuò)。除了在搜索階段采用偽碼相位并行搜索的方式，對(duì)于搜索階段的視頻信號(hào)，也采用了多倍的能量累積。綜合考慮性能的提升和硬件資源的消耗，選用了8倍的視頻累積。這樣，使得跟蹤系統(tǒng)能夠在微弱信號(hào)時(shí)完成對(duì)飛行目標(biāo)的準(zhǔn)確捕獲和跟蹤。

③ 地面數(shù)字跟蹤接收機(jī)對(duì)完成快速解擴(kuò)后的微弱信號(hào)通過幅度檢波算法解算出誤差電壓并輸出到伺服設(shè)備，完成閉環(huán)跟蹤。地面數(shù)字跟蹤接收機(jī)對(duì)解擴(kuò)后對(duì)準(zhǔn)支路的I和Q兩路數(shù)據(jù)，采用幅度檢波算法，消去殘留頻差對(duì)角誤差信號(hào)的影響，然后積分抽取，帶通濾波、與本地的低頻方波同步檢波、低通濾波、解算出角誤差電壓，組幀后輸出給伺服設(shè)備，完成對(duì)飛行器的閉環(huán)跟蹤。

4試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證上述微弱擴(kuò)頻信號(hào)角跟蹤方法的有效性，采用與QPSK信號(hào)對(duì)比測(cè)試，測(cè)試方法如下：機(jī)載設(shè)備放置在天線的遠(yuǎn)場(chǎng)處，保證與地面設(shè)備有一定的俯仰角度，手動(dòng)調(diào)整地面天線，使機(jī)載設(shè)備處于跟蹤天線的主波束內(nèi)。方位采用自跟蹤模式，鏈路工作正常后開始測(cè)試，每隔60 s記錄一個(gè)數(shù)據(jù)。

表1和表2分別為角跟蹤系統(tǒng)在高信噪比和低信噪比下QPSK信號(hào)和擴(kuò)頻信號(hào)的測(cè)試數(shù)據(jù)。

表1　高信噪比下2種QPSK和擴(kuò)頻信號(hào)跟蹤測(cè)角精度對(duì)比

表2　低信噪比下QPSK和擴(kuò)頻2種信號(hào)跟蹤測(cè)角精度對(duì)比

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，擴(kuò)頻信號(hào)的測(cè)角精度與QPSK信號(hào)的測(cè)角精度基本相當(dāng)。但是由于擴(kuò)頻信號(hào)的低探測(cè)性，使得采用擴(kuò)頻角跟蹤的系統(tǒng)具有較強(qiáng)的隱蔽性和抗截獲的能力。

5結(jié)束語

本文提出的無人機(jī)微弱擴(kuò)頻角跟蹤方法有效利用當(dāng)前測(cè)控系統(tǒng)的現(xiàn)有信道設(shè)備，在單通道單脈沖信號(hào)合成時(shí)幾乎沒有什么變動(dòng)，同時(shí)又避免了原有無人機(jī)跟蹤體制中隱蔽性差、容易被干擾的缺點(diǎn)。采用的偽碼并行搜索和多倍視頻累積策略，即保持了原有解擴(kuò)的靈敏度指標(biāo)，又縮短了解擴(kuò)鎖定的時(shí)間，同時(shí)將誤差電壓的解算部分與解擴(kuò)算法統(tǒng)一起來，算法實(shí)現(xiàn)靈活、簡單和性能可靠，有利于工程實(shí)現(xiàn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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An Angle Tracking Method for UAV feeble Spread Spectrum Signal

WANG Chun-long1,2,MA Chuan-yan2,SHI Li-hui2,HAO Bo-ya2,ZHOU Zhou1

(1.Science and Technology on UAV Laboratory,Northwestern Polytechnic University,Xi’an Shaanxi 710065,China;2.Unit 63961,PLA,Beijing 100012,China)

Abstract：The conventional UAV TT&C signals can be easily disturbed and captured.Based on UAV TT&C system,this paper puts forward an implement method of single channel and single pulse tracking system for UAV feeble spread spectrum signal.At the same time,the difficulties such as parallel and fast acquisition of spread spectrum signal and high-precision correlation demodulation of error voltage are also broken through.This method can fully use the existing TT&C channel without adding equipment,and it has such characteristics as high sensitivity,high tracking accuracy,simple algorithm,simple equipment,etc.,which is very suitable for high-precision angle measuring and tracking of UAV.

Key words：UAV;spread spectrum;angle tracking;anti-interference

中圖分類號(hào)：TN914.42

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-3114(2016)02-51-4

作者簡介：王春龍(1979—)，男，博士，主要研究方向：無人機(jī)技術(shù)論證與管理研究。馬傳焱(1972—)，男，博士，主要研究方向：飛行器測(cè)控與導(dǎo)航技術(shù)研究。

基金項(xiàng)目：預(yù)研基金資助項(xiàng)目(9140A25011315HK03380)

收稿日期：2015-12-02

doi:10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2016.02.13

引用格式：王春龍,馬傳焱,時(shí)荔蕙,等. 一種無人機(jī)微弱擴(kuò)頻信號(hào)角跟蹤方法[J].無線電通信技術(shù),2016,46(2):51-54.