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(shè)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(shù)范圍內(nèi)的寬帶網(wǎng)絡(luò)，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(shè)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(jìn)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(zhǔn)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(jìn)一步擴展戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，提高通信帶寬和質(zhì)量，降低無人機機載設(shè)備的技術(shù)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(xiàn)[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(xiàn)[7]設(shè)計了一種采用單脈沖跟蹤技術(shù)的陣列天線跟蹤系統(tǒng)。澳大利亞莫納什大學(xué)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(zhì)量，設(shè)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(dāng)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(zhì)量^[8]。Obuda大學(xué)Daniel Stojcsics等人為提高無人機飛行控制范圍，設(shè)計了一種采用程序跟蹤技術(shù)的無人機地面站天線跟蹤平臺^[9]。中國航天十一院黃偉設(shè)計了一種基于GPS引導(dǎo)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(shù)的程序跟蹤技術(shù)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(shè)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(fù)雜的設(shè)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(shù)尚處于初級階段，已投入應(yīng)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(chǔ)上，設(shè)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(fù)雜度，選用基于RSSI盲估計的步進(jìn)跟蹤技術(shù)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(jìn)跟蹤算法調(diào)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(qū)動天線到達(dá)指定位置。平臺組成示意圖如圖3所示。

2 平臺硬件設(shè)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(zhì)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(zhuǎn)臺和轉(zhuǎn)臺內(nèi)的伺服部件。轉(zhuǎn)臺是支撐天線的裝置，而轉(zhuǎn)臺內(nèi)的伺服部件由控制器控制，使轉(zhuǎn)臺按照跟蹤算法轉(zhuǎn)動，帶動天線跟蹤中繼無人機。轉(zhuǎn)臺根據(jù)其旋轉(zhuǎn)的特點可分為只能左右旋轉(zhuǎn)的水平轉(zhuǎn)臺和既能左右旋轉(zhuǎn)又能上下旋轉(zhuǎn)的全方位轉(zhuǎn)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(diào)整指向。因此，平臺采用全方位轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

    轉(zhuǎn)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(shè)計的關(guān)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(zhuǎn)臺的伺服電機。技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3 軟件設(shè)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(jìn)行Telnet連接，首先需要對Arduino Ethernet初始化設(shè)置，初始化設(shè)置工作主要包括釋放緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，設(shè)置緩沖區(qū)起始與結(jié)束地址，設(shè)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(jìn)行認(rèn)證，本設(shè)計中用戶名與口令都默認(rèn)admin。通過調(diào)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(rèn)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(jìn)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(fù)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(yán)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(yán)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(jìn)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(jìn)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(yù)估下一狀態(tài)即可。假設(shè)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(yù)估出目前狀態(tài)k。假設(shè)當(dāng)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(dāng)前狀態(tài)的預(yù)估結(jié)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(jìn)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(dāng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)的循環(huán)過程，使天線在初始捕獲的基礎(chǔ)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(jìn)次序進(jìn)行轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動的過程中，采集當(dāng)前RSSI，與上一時刻RSSI進(jìn)行比較。若當(dāng)前RSSI>前一次RSSI，就向前一次步進(jìn)的方向繼續(xù)步進(jìn)一步，相反，若當(dāng)前RSSI<前一次RSSI，則向前一次步進(jìn)方向的反方向步進(jìn)一步。每經(jīng)過一次右-左-上-下的步進(jìn)次序都可以確定一次RSSI極大值，如此循環(huán)往復(fù)，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(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)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(shè)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(jìn)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(cè)，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(shè)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(jìn)行調(diào)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(jié)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(zhǔn)，導(dǎo)致地面端天線RSSI無法達(dá)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(shè)計的天線跟蹤平臺起到天線跟蹤的效果。

5 結(jié)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(shè)計了一款地面端天線自動跟蹤平臺。進(jìn)行了相應(yīng)的軟硬件設(shè)計，并進(jìn)行了測試，結(jié)果表明所設(shè)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(zhì)量。

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