0 引言

    無論是打贏信息化戰(zhàn)爭還是遂行非戰(zhàn)爭軍事行動，都對部隊通信保障能力提出了很高的要求。目前，指揮信息系統(tǒng)對“寬帶通、動中通、擾中通、山地通”的要求越來越迫切。實踐證明，微小型無人機（Micro-unmanned Aerial Vehicle，MUAV）中繼通信系統(tǒng)是有效解決上述問題的手段之一^[1]。微小型無人機搭載通信設備升空飛行作為通信中繼節(jié)點，與地面通信節(jié)點建立起戰(zhàn)術范圍內(nèi)的寬帶網(wǎng)絡，可實現(xiàn)各節(jié)點間的數(shù)據(jù)、語音、圖像高速傳輸^[2]。受微小型無人機載荷的限制，機載通信設備必須要滿足小型化、輕型化、低功耗的要求，同時，為了兼顧中繼通信覆蓋范圍的需求，機載天線只能選用增益小、覆蓋范圍廣的全向天線，在無法進一步加大發(fā)射機功率的條件下，其EIRP（Effective Isotropic Radiated Power）值受到制約^[3]，只能依靠地面接收系統(tǒng)提高天線增益來彌補。地面端使用帶自動跟蹤能力的定向天線，使定向天線的主波束以一定的精度對準機載天線，發(fā)揮定向天線高增益的優(yōu)勢，實現(xiàn)通信鏈路的可靠鏈接^[4-5]，可以進一步擴展戰(zhàn)術網(wǎng)絡的覆蓋范圍，提高通信帶寬和質量，降低無人機機載設備的技術要求。

    為了保證無人機與地面端之間通信鏈路的可靠性，文獻[6]開發(fā)了一個低成本的無人機天線跟蹤平臺，平臺由慣性測量單元、全球定位系統(tǒng)和伺服電機組成。文獻[7]設計了一種采用單脈沖跟蹤技術的陣列天線跟蹤系統(tǒng)。澳大利亞莫納什大學的Jenvey等人為了最大限度地提高小型無人機與地面端視頻鏈接的鏈路質量，設計了一種采用單脈沖跟蹤體制的地面端天線跟蹤平臺，如圖1所示，當無人機與地面站之間的距離在700 m范圍內(nèi)時，該平臺可以對無人機實施穩(wěn)定可靠的跟蹤，提高視頻傳輸質量^[8]。Obuda大學Daniel Stojcsics等人為提高無人機飛行控制范圍，設計了一種采用程序跟蹤技術的無人機地面站天線跟蹤平臺^[9]。中國航天十一院黃偉設計了一種基于GPS引導跟蹤算法的無人機測控通信定向天線跟蹤系統(tǒng)^[10]。

    在已有的研究成果中，基于GPS定位技術的程序跟蹤技術成熟可靠，但是，在微小型無人機中繼通信系統(tǒng)中，地面端的定向天線如果采用程序跟蹤模式，就需要在微小型無人機上搭載GPS模塊與無線傳輸設備，必然會增加微小型無人機的載荷和功耗，大大降低微小型無人機的續(xù)航時間，影響中繼通信系統(tǒng)的效能。單脈沖跟蹤無疑跟蹤精度最高，具有無可比擬的優(yōu)勢，但因為其復雜的設計以及高昂的費用并不適用微小型無人機天線跟蹤平臺。目前，盲估計的天線跟蹤技術尚處于初級階段，已投入應用和可供參考的系統(tǒng)很少，本文在參考現(xiàn)有研究成果的基礎上，設計出一種新的基于RSSI（Received Signal Strength Indication）盲估計的MUAV天線自動跟蹤平臺。

1 平臺工作原理及組成

1.1 平臺工作原理

    為降低平臺復雜度，選用基于RSSI盲估計的步進跟蹤技術為跟蹤控制方案。其具體工作原理為：地面端不依賴無人機定位信息，在視距無阻擋前提下，直接提取地面端天線RSSI作為參考，通過矩形掃描搜尋信號強度閾值完成初始捕獲。采用步進跟蹤算法調整天線指向，實現(xiàn)天線對無人機的動態(tài)跟蹤。平臺工作原理如圖2所示。

1.2 平臺組成

    天線自動跟蹤平臺主要由天線、信號強度提取單元、核心控制單元、執(zhí)行單元、功能性擴展單元以及電源組成。天線是發(fā)送和接收通信信號的裝置，也是跟蹤系統(tǒng)的控制對象，平臺選用增益為19 dBi的柵格天線。信號強度提取單元完成天線RSSI的提取。核心控制單元對提取到的天線RSSI處理，并向執(zhí)行單元發(fā)出控制指令。執(zhí)行單元接收主控單元指令后驅動天線到達指定位置。平臺組成示意圖如圖3所示。

2 平臺硬件設計

2.1 核心控制與信號提取單元

    平臺采用軟硬件資源開源、價格低廉、擴展性強的Arduino UNO開發(fā)板作為天線自動跟蹤平臺的核心控制單元，如圖4所示。

    信號強度提取單元采用Arduino Ethernet擴展板外加雙LAN（Low Noise Amplifier）口POE（Power Over Etherne）供電器。Arduino Ethernet以太網(wǎng)控制模塊是一塊內(nèi)置W5100芯片的擴展板，如圖5所示。

    它內(nèi)部集成了全硬件的、且經(jīng)過多年市場驗證的TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質傳輸層和物理層。

    將Arduino Ethernet擴展板通過長針腳排母以總線形式連接Arduino UNO控制板，再將Arduino Ethernet擴展板的RJ-45接口與POE供電器的一個LAN口相連，POE供電器的另一個LAN口直接與通信接收機相連接，連接示意圖如圖6所示。

2.2 執(zhí)行單元

    執(zhí)行單元包括轉臺和轉臺內(nèi)的伺服部件。轉臺是支撐天線的裝置，而轉臺內(nèi)的伺服部件由控制器控制，使轉臺按照跟蹤算法轉動，帶動天線跟蹤中繼無人機。轉臺根據(jù)其旋轉的特點可分為只能左右旋轉的水平轉臺和既能左右旋轉又能上下旋轉的全方位轉臺^[11]。天線對中繼無人機的實時跟蹤需要天線在方位面和俯仰面調整指向。因此，平臺采用全方位轉臺結構。轉臺結構示意圖如圖7所示。

    轉臺內(nèi)伺服部件是整個執(zhí)行單元的重要組成部分，也是設計的關鍵，主要包括伺服電機和位置檢測元件的選擇。為減小體積和節(jié)約成本，平臺選用舵機作為轉臺的伺服電機。技術參數(shù)如表1所示。

3 軟件設計

3.1 RSSI提取

    令控制器與通信接收機建立Telnet連接，提取通信接收機的信號接收強度。進行Telnet連接，首先需要對Arduino Ethernet初始化設置，初始化設置工作主要包括釋放緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，設置緩沖區(qū)起始與結束地址，設置本地IP地址與MAC地址等。其次，建立一個Telnet會話，必須通過用戶名和口令進行認證，本設計中用戶名與口令都默認admin。通過調用EthernetClient::connect（IPAddress ip，uint16_t port）函數(shù)與通信接收機建立Telnet連接，其中參數(shù)ip為通信接收機IP地址，port為端口號，默認為23，建立Telnet連接流程如圖8所示。

    Telnet連接成功建立后，控制器向通信接收機發(fā)送狀態(tài)請求指令，指令以字符串的形式發(fā)送，通信接收機接收到狀態(tài)請求指令后便會向W5100模塊發(fā)送自身的全部狀態(tài)信息，狀態(tài)信息也是以字符串的形式，保存在W5100模塊接收緩沖器中。天線自動跟蹤平臺在跟蹤過程中，只需要用到狀態(tài)信息中的RSSI信息，對其余信息保存會占用整個系統(tǒng)的存儲資源，所以，需要對字符串進行提取，獲得有用信息。

3.2 RSSI濾波處理

    無線信號在空間的傳播比較復雜，往往存在多徑、散射、電磁干擾等不穩(wěn)定因素，可能使接收到的RSSI產(chǎn)生嚴重的時變特性和較大的波動性，往往造成跟蹤平臺誤跟蹤或者出現(xiàn)嚴重抖動現(xiàn)象。因此，需要采用濾波算法對采集到的RSSI數(shù)據(jù)進行濾波優(yōu)化處理，去除RSSI數(shù)據(jù)中的突變數(shù)據(jù)和噪聲波動，利用優(yōu)化后的RSSI值，再進行跟蹤計算。如圖9所示，為卡爾曼濾波器對RSSI濾波模型圖。

    首先，根據(jù)RSSI測量環(huán)境建立一個計量系統(tǒng)，建立的系統(tǒng)模型不要求非常精確，可以利用此系統(tǒng)模型預估下一狀態(tài)即可。假設系統(tǒng)目前的狀態(tài)是k，可以根據(jù)系統(tǒng)的前一狀態(tài)k-1來預估出目前狀態(tài)k。假設當前時刻跟前一時刻提取到的RSSI是相同的，并且因為系統(tǒng)沒有控制量，所以得到當前狀態(tài)的預估結果為：

根據(jù)式（3），就得到k狀態(tài)下的RSSI最優(yōu)估算值 。為了遞歸下去，再對k狀態(tài)下RSSI(K|K)的協(xié)方差進行更新，因為RSSI的計量是單模型單測量系統(tǒng)，得到k狀態(tài)的協(xié)方差：

    當系統(tǒng)遞歸到k+1狀態(tài)時，P(K|K)就是式（2）的P(K-1|K-1)，這樣，算法就可以自回歸的運算下去。

3.3 初始捕獲

    初始捕獲是為了使無人機進入地面定向天線的主波束范圍之內(nèi)，獲取一定的中繼通信信號。本平臺對無人機的初始捕獲采用矩形掃描法，通過采用閾值判定法來判定捕獲是否成功，掃描示意圖如圖10所示。

3.4 動態(tài)跟蹤

    動態(tài)跟蹤過程采用步進跟蹤體制，該過程可以形象地形容為“十字”跟蹤。它是一個采樣、比較和步進的循環(huán)過程，使天線在初始捕獲的基礎上以更小的步長動態(tài)搜索RSSI極值，流程圖如圖11所示。具體實現(xiàn)過程為：方位、俯仰兩軸按右-左-上-下的步進次序進行轉動，在轉動的過程中，采集當前RSSI，與上一時刻RSSI進行比較。若當前RSSI>前一次RSSI，就向前一次步進的方向繼續(xù)步進一步，相反，若當前RSSI<前一次RSSI，則向前一次步進方向的反方向步進一步。每經(jīng)過一次右-左-上-下的步進次序都可以確定一次RSSI極大值，如此循環(huán)往復，動態(tài)尋找RSSI極值，直至經(jīng)過多次“十字”跟蹤過程，RSSI值始終維持在跟蹤閾值以上。

4 平臺測試

    測試地點：某公園開闊地

    測試環(huán)境：無障礙物遮擋，通信信號滿足視距傳播

    測試步驟：

    (1)為簡化測試模型，對兩部通信設備進行組網(wǎng)設置，省去地面通信的發(fā)射端。由微小型無人機搭載一部通信設備升空飛行，作為中繼通信的地面發(fā)射端，同時也是中繼端，另一部通信接收機與天線跟蹤平臺相連，作為地面接收端。測試時，天線跟蹤平臺與一PC機相連，可通過Arduino IDE的串口監(jiān)視器對RSSI變化進行觀察。

    (2)微小型無人機由飛行控制系統(tǒng)控制，在地面端一側，距離地面端500 m，升空高度100 m處的空域以半徑R=50 m做勻速圓周運動。

    (3)設置RSSI采樣頻率為1次/s，先測試無天線跟蹤平臺時RSSI變化，通過肉眼觀察，手動對天線的指向進行調整，觀察RSSI的變化并記錄。

    (4)測試天線跟蹤平臺。檢查天線跟蹤平臺的連線正確無誤后，開啟平臺，觀察RSSI的變化并記錄。平臺測試圖如圖12所示。

    如圖13所示，為PC機Arduino IDE串口監(jiān)視器中RSSI顯示。

    如圖14所示，為相同條件下手動跟蹤、自動跟蹤過程中地面端天線RSSI的45組數(shù)據(jù)變化情況。

    通過測試結果可以看出，手動跟蹤無法實現(xiàn)天線波束對中繼無人機的對準，導致地面端天線RSSI無法達到理想數(shù)值，而且RSSI值會發(fā)生大幅度變化，無法滿足微小型無人機中繼通信信號強度要求。自動跟蹤在經(jīng)過多次RSSI采樣后，可將RSSI值維持在一個理想數(shù)值范圍狀態(tài)，表明本文設計的天線跟蹤平臺起到天線跟蹤的效果。

5 結論

    本文以某型微小型無人機中繼通信系統(tǒng)為背景，提出基于RSSI盲估計的跟蹤控制方案，設計了一款地面端天線自動跟蹤平臺。進行了相應的軟硬件設計，并進行了測試，結果表明所設計的天線自動跟蹤平臺具有較好的跟蹤效果，提高了中繼通信的通信質量。

參考文獻

[1] 賈鵬萬，馮壽鵬，張愛輝．基于VR-Platform的無人機中繼通信虛擬教學系統(tǒng)[J]．兵工自動化，2012，31(6)：93-96．

[2] 何一，姜飛，張亞妮．基于多旋翼無人機和4G的指控系統(tǒng)中繼通信研究[C]．北京：第三屆中國指揮控制大會，2015．

[3] LIU Z Q，ZHANG Y S．A novel broad beamwidth conformal antenna on unmanned aerial vehicle[J].Antennas and Wireless Propagation Letters，IEEE，2012，11：196-199.

[4] MIN B C，MATSON E T，JUNG J W.Active antenna tracking system with directional antennas for enhancing wireless communication capabilities of a networked robotic system[J].Journal of Field Robotics，2015.

[5] GU Y，ZHOU M，F(xiàn)U S.Airborne WiFi networks through directional antennae：An experimental study[C].Wireless Communications and Networking Conference(WCNC)，2015 IEEE.IEEE，2015：1314-1319．

[6] GANTI S R，KIM Y.Design of low-cost on-board autotracking antenna for small UAS[C].Information Technology-New Generations(ITNG)，2015 12th International Conference on.IEEE，2015：273-279．

[7] GEZER B L.Multi-beam digital antenna for radar，communications，and UAV tracking based on off-the-shelf wireless technologies[D].Monterey California.Naval Postgraduate School，2006．

[8] JENVEY S．A portable monopulse tracking antenna for UAV communications[C].22nd International Unmanned Air Vehicle Systems Conference．2007：1-8．

[9] STOJCSICS D，MOLN?魣R A.AirGuardian-UAV hardware and software system for small size UAVs[J].Int J Adv Robotic Sy，2012，9(174)．

[10] 黃偉，周乃恩，王誠，等．一種無人機通信天線伺服系統(tǒng)的構建[J]．電子技術應用，2009，35(6)：98-101．

[11] 楊潤，閆開印，馬術文．小型無人機機載兩軸云臺設計與實現(xiàn)[J]．自動化與儀器儀表，2014(7)：165-168．