技术领域
[0001] 本实用新型属于无人机测控技术领域，涉及了一种
无人飞行器定向天线跟踪控制装置。
背景技术
[0002] 无人机是一种有动
力而且可控的无人驾驶航空器，能够执行多重任务，同时能携带多种任务设备并能重复使用。无人机的用途十分广泛，在军事、民用和科学研究领域都有很大的应用范围和应用潜力。在军事领域上，无人机和一般的载人飞机相比有着显著地优越性。从作战能力上来说，无人机的作战范围广，机动灵活，攻击能力较强，对作战环境要求较低，战场生存能力较强。部分无人机还有隐身功能，极大提高了作战能力。同时因为无人驾驶，人员的伤亡几率很低，体现了一定的人道主义精神。从外形来说，无人机的体积小，机动灵活高效，使用便捷而且
风险小。从经济成本上来说，无人机由于体积的微小，其造价及维护成本低。鉴于以上的优点，无人机可完成
信号情报搜集、防空火力诱饵、目标监察及动态监视、为武器系统提供目标
定位、目标指示、目标动态监视和目标毁伤评估的实时情报等多项军事任务，备受世界各国军队的青睐。在民用领域上，它可以携带高清晰可见光红外摄像系统等测控系统，能方便地进入人类无法抵达地区进行空中侦察和空中摄影，它己经在地形测绘、气象观测、灾情监测、城市环境检测、地球资源勘探等方面取得了丰硕的成果。长航时无人机可以满足农业精耕细作的需要，中、短航程的无人机能够用于检查输电线路和管道，还可用于海洋环境研究以及国界线巡逻、搜索和救援。
[0003] 无人机测控系统是构成无人机系统的关键部分之一，其性能在很大程度上决定了无人机系统的整体性能和规模。无人机测控系统由数据链和地面控制站组成，数据链实现地面控制站与无人机之间的信息交互，其由安装在无人机上的机载数据终端和设置在地面控制站中的地面数据终端组成。数据链最主要的性能指标是数据传输速率、作用距离和抗干扰能力。按照作用距离可分为近程、短程、中程、远程无人机数据链。机载数据终端和地面数据终端之间必须满足无线电通视条件，当无人机超出地面控制站的无线电视距范围时，数据链需要采用中继方式。根据中继设备所处的空间
位置，又分地面中继、空中中继和卫星中继。若作用距离较远，又不方便采用中继方式，则地面控制站需要采用增益较高的定向跟踪天线。如采用无线电传输数据的近程无人机活动半径在几千米至几十千米，这类无人机飞行速度小，尺寸一般为2-4米，重量小于100千克，为了提高通信
质量，则需要采用定向跟踪天线。
[0004] 在无人机测控系统将信息实时回传的过程中,接收信号的强弱直接影响到画面的
稳定性和清晰程度，通过提高地面或机载的发射机功率和接收机灵敏度的方式已近不能满足远距离通信的要求，而提高地面测控天线接收、发射增益是一种行之有效的方法，且不会增加机载通信设备的重量和尺寸。全向天线存在增益低、干扰大、多径效应等问题，而定向通信天线因为在束波范围内具有高增益而被广泛应用于中近程无人机的测控通信，但是由于定向发射接收信号的特点，该种天线必须配备一种跟踪系统才能获得良好的通信质量。
[0005] 跟踪系统，即稳定跟踪平台，它的技术核心是稳定技术和跟踪技术。稳定技术主要是隔离载体运动(包括
角运动和线运动)造成的干扰，使被控对象(如天线)相对惯性空间指向保持稳定。跟踪技术是被控对象稳定后，由于稳定元件的漂移、跟踪对象的位置缓慢移动等原因，使被控对象指向改变，必须实时跟踪信号，校正其指向。稳定跟踪平台技术，又称“动中通”，即在运动状态下进行通信，它集惯性导航技术、微惯性
传感器应用技术、
数据采集及信一号处理技术、精密机械设计技术、精密机构运动学和动力学建模和仿真技术，开放式运动控制技术、大
扭矩电机闭环伺服控制技术、卫星通讯技术和系统工程技术等多项技术于一身，是以
机电一体化、自动控制技术为主体，多个学科有机结合的产物，具有很大的应用前景和实践意义。
[0006] 目前国内中近程无人机测控系统定向天线主要采用单通道单脉冲跟踪体制，通过信号强度及
相位关系来进行方位角度判断，这样就需要一套复杂的伺服反馈系统，价格贵，维护难，并且在实际应用中抗干扰能力差。
发明内容
[0007] 为了解决上述背景技术提出的技术问题，本实用新型旨在提供基于FPGA的车载式无人飞行器定向天线跟踪控制装置，解决因地面指挥站与无人机处于不断的相对运动中，导致指挥站上的定向天线不能对准无人机,造成控制站从无人机接收的数据不准确甚至丢失的问题。
[0008] 为了实现上述技术目的，本实用新型的技术方案为：
[0009] 基于FPGA的车载式无人飞行器定向天线跟踪控制装置，包括地面控制车、FPGA模
块、天线转向
控制器、天线转向器、跟踪天线、天线GPS接收器、天线磁罗盘、无人机GPS接收器和
无线通信模块；所述FPGA模块、天线转向控制器和无线通信模块设置在地面控制车上，跟踪天线通过升降杆固定在地面控制车上，天线转向器、天线GPS接收器和天线磁罗盘设置在跟踪天线的底座处，无人机GPS接收器设置在待跟踪的无人机上；所述天线转向控制器、天线GPS接收器、天线磁罗盘和无线通信模块分别与FPGA模块连接，天线转向器与天线转向控制器连接，FPGA模块通过无线通信模块与待跟踪的无人机进行无线通信。
[0010] 基于上述技术方案的优选方案，所述FPGA模块包括并行运行的CPU1和CPU2，CPU1负责数据的采集，即采集从无线通信模块、天线GPS接收器和天线磁罗盘传送来的数据，这些数据通过GPU1和CPU2共享的RAM传送到CPU2，CPU2负责数据的解算和控制指令的生成，它发送控制指令给天线转向控制器，从而控制天线转向器转动。
[0011] 基于上述技术方案的优选方案，所述CPU1和CPU2均采用NiosⅡ处理器。
[0012] 基于上述技术方案的优选方案，所述天线转向控制器的型号为GS-232A。
[0013] 基于上述技术方案的优选方案，所述天线转向器的型号为G-5500。
[0014] 基于上述技术方案的优选方案，所述FPGA模块与天线GPS接收器之间通过RS232或RS422模块连接。
[0015] 基于上述技术方案的优选方案，所述FPGA模块与天线磁罗盘之间通过RS422或RS232模块连接。
[0016] 基于上述技术方案的优选方案，所述天线转向控制器与天线转向器之间通过RS232模块连接。
[0017] 采用上述技术方案带来的有益效果：
[0018] (1)本实用新型能够通过地面控制站获得无人机的位置信息后自动调整天线对准无人机，实现天线对无人机的实时跟踪，在更换通信设备、更换大尺寸的高增益天线、不增大通信系统功率的情况下，最大程度地增大通信距离和通信可靠性，提高无人机测控系统的通信质量，实时获取飞行数据。
[0019] (2)在
硬件设计上，每个分模块都可以独立进行工作，便于设计，调试和开发；拆卸灵活，管理高效，容易携带和故障诊断；各个硬件都是商品线产品，故障率更低。
[0020] (3)本实用新型的核心处理器是FPGA，其系统灵活、可编程资源丰富，具有独特的并行处理能力以及强大的硬件
加速和硬件运算功能。
附图说明
[0021] 图1是本实用新型的结构示意图；
[0023] 图3是本实用新型的FPGA内部结构图
[0025] 图5是本实用新型的工作原理图。
具体实施方式
[0026] 以下将结合附图，对本实用新型的技术方案进行详细说明。
[0027] 基于FPGA的车载式无人飞行器定向天线跟踪控制装置，如图1所示，包括地面控制车、FPGA模块、天线转向控制器、天线转向器、跟踪天线、天线GPS接收器、天线磁罗盘、无人机GPS接收器和无线通信模块；所述FPGA模块、天线转向控制器和无线通信模块设置在地面控制车上，跟踪天线通过升降杆固定在地面控制车上，天线转向器、天线GPS接收器和天线磁罗盘设置在跟踪天线的底座处，无人机GPS接收器设置在待跟踪的无人机上。
[0028] 如图2所示，本发明使用FPGA模块作为核心处理器，电源模块与FPGA相连给其供电，天线GPS接收器、天线磁罗盘分别经串口与FPGA模块连接，并将采集的数据通过串口传送给FPGA模块。FPGA模块通过无线通信模块与待跟踪的无人机进行无线通信，无人机GPS接收器将采集到的数据通过无线方式发送给FPGA模块。天线转向器通过串口与天线转向控制器连接，FPGA模块首先将接收到的GPS、磁罗数据进行解码，然后解算出控制车上天线的方位、
俯仰姿态，以及飞机目标的方位、俯仰姿态，接着设计闭环控制律，产生伺服目标角，并产生控制量，再将控制量通过串口输出给天线转向控制器，最后天线转向控制器再进一步控制天线转向器。
[0029] 在本
实施例中，本发明采取双核系统，即在一块FPGA芯片内部构建两个NiosⅡ处理器，分别为CPU1和CPU2。这两个处理器并行运行，可以独立进行工作，分别负责不同的功能，实现数据采集和控制率系统的分离。提高了FPGA的运行速度和稳定性。CPU1负责数据的采集，即采集从外部通讯模块、天线GPS接收机、磁罗盘等各类传感器传送过来的数据。这些数据通过GPU1和CPU2共享的RAM传送到CPU2。CPU2负责控制律的解算，发送控制指令给天线转向控制器，从而控制天线转向器进行工作。如图3所示，FPGA模块内部具体的构成如下：
[0030] 两个NiosⅡ处理器搭载片外
存储器(SRAM,SDRAM,Flash,EPCS)以及各存储器控制器IP核和FPGA功能IP核构成了FPGA片上系统。数据采集器由CPU1，SDRAM，Flash，计时器，串口接收IP核等组成。SDRAM1通过SOPC系统中集成的SDRAM控制器IP核使片外SDRAM连接到总线上，与NiosII处理器建立连接。Flash通过SOPC系统中的集成FLASH控制器IP核和三态桥与NiosII处理器建立连接。3个串口接收IP核分别用于接收来自外部通讯模块、天线GPS接收机和磁罗盘的数据。
主控制器由CPU2，SDRAM，EPCS，计时器，串口发送IP核等组成。SDRAM2通过SOPC系统中集成的SDRAM控制器IP核使片外SDRAM连接到总线上，与NiosII处理器建立连接。EPCS通过SOPC系统中的EPCS Serial Flash控制器IP核与NiosII处理器建立连接。1个串口发送IP核用于发送数据给天线转向控制器。数据采集器和主控制器通过片外SRAM进行数据共享。数据采集器和主控制器既可以各自独立工作，又可以进行数据交互，同时两者的CPU主频相同，可满足高实时性高性能高可靠性的要求。
[0031] 在本实施例中，天线转向控制器的型号为GS-232A。天线转向器的型号为G-5500。
[0032] 在本实施例中，FPGA模块与天线GPS接收器之间通过RS232/RS422模块连接。FPGA模块与天线磁罗盘之间通过RS422/RS232模块连接。天线转向控制器与天线转向器之间通过RS232模块连接。
[0033] 本实用新型的系统工作流程、原理如图4、5所示。
[0034] 首先，设置在跟踪天线上的天线GPS接收器采集天线的经纬度和高度数据，天线磁罗盘采集天线的航向角、
横滚角和俯仰角数据，设置在无人机上的无人机GPS接收器采集无人机的经纬度和高度数据，天线GPS接收器和天出现磁罗盘采集到的数据经串口输入FPGA模块，无人机GPS接收器通过无线通信将数据输入FPGA模块。
[0035] 接着，FPGA模块根据接收到的数据进行方位和俯仰姿态解算，得到跟踪天线与无人机之间的方位偏差角和俯仰偏差角，即天线伺服目标角。
[0036] 然后，天线转向控制器向FPGA模块反馈跟踪天线当前的旋转角度，即天线伺服当前角，天线伺服目标角与天线伺服当前角的差值即为天线转向控制器的控制变量，天线转向控制器根据预设控制率产生控制指令并传送给天线转向器，天线转向器根据控制指令进行转动，完成天线对无人机的定向跟踪。
[0037] 以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案
基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。
