胡靖琨 徐坤 蔡斯伦 张旭君
摘 要
该项目旨在解决无人机追踪问题，设计了基于单片机的天线控制系统。系统单片机通过接收到的无人机GPS信息和自身GPS信息来计算方位角和俯仰角，并生成控制命令传送至伺服电机控制模块，单片机通过控制伺服电机的转动，使得天线实时指向无人机飞行位置。这些设计将使系统能够准确地跟踪信号，实现无人机自追踪的功能。
关键词
GPS;天线;控制;云台;跟踪
中图分类号： G633.6 文獻标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.69
0 引言
近年来，随着科技的迅速发展，无人机作为探测工具从军用逐渐转为民用，也得到了越来越多的关注。其在环保领域、电力巡检、影视拍摄、人员搜救等许多领域也是应用的越来越广泛，并有着广阔前景。在许多领域中，需要确保无人机能够飞行的稳定并且与地面基站建立起良好的信号，这关系着基站是否能够准确的收到无人机发送回来的数据以及无人机发送图片的质量。因此，为了保证收发的数据不出现丢包并且同时提高接受增益和抗干扰能力，本系统采用了定向天线来实时跟踪无人机，确保定向天线的波瓣宽度能够始终的覆盖无人机。目前，现有的自动跟踪方法有步进跟踪、圆锥扫描跟踪、单脉冲单通道跟踪和程序跟踪等[1-4]，在分析了几种跟踪的优缺点后，发现程序跟踪是一种较为简单有效的方法。针对无人机自动跟踪的算法模型中，平面模型应用较为广泛，但是受到地理位置的影响较大，在高纬度地区的误差会比在低中纬度地区的误差大，圆球模型适用于任何地区，并且其误差均小于1°，椭球模型精度高但其计算量过大。经过比较分析后，本文选用了圆球模型来进行无人机跟踪的算法计算，并把其计算得出的方位角和俯仰角通过单片机转换成控制指令来控制伺服电机对目标的跟踪。
1 系统组成
系统通过无线收发模块接收到无人机传递过来的经纬度、海拔高度的位置信息，这些位置信息被传送到单片机上，接着把定向天线当前的GPS数据传递到单片机，确定系统自身的位置信息，对所有数据进行综合分析，得出定向天线需要转动的方位角度，随后单片机通过指令控制系统的两个伺服电机进行转动，使得天线实时指向无人机，从而实现自动跟踪的效果[3-4]。系统整体组成如图1所示。
2 跟踪系统算法
基于GPS技术，设A点为系统位置点，其位置坐标为（X1，Y1，Z1），D为无人机飞行点，其位置坐标为（X2，Y2，Z2），其中X1、X2，Y1、Y2，Z1、Z2分别表示A、D两点的纬度、经度和海拔高度。以真北N为0度起点，由东向南向西顺时针旋转360度，地球半径设为R。
因为地球是个球体，如果AD两点很靠近（例如相距1km），那么可以当做平面三角形求夹角，把两点的经度、纬度各自做差，差值作为平面三角形两临边的长度，接着使用反正切函数得到其方位角度，再根据D点与A点的垂直距离当作海拔高度求出其俯仰角。但是如果将计算结果与实际测量值进行比较，就会发现两者之间的误差比较大，而这种误差在某些地区甚至能直接观察出来。这种近似利用平面几何知识解决问题的算法只适合于低纬度地区，如果在高纬度地区使用这种方法进行求解，会使得结果误差较大，而且误差会随着纬度的增大而增大。因为在不同的纬度位置，相同的经度差所对应的球面距离是不一样的。因此，为了使测量结果更准确，我们采用了一种在任何区域都适合的圆球模型，将地球近似看成一个圆形球体[6]。圆球模型如图2所示。
图中A表示系统位置点，D为无人机飞行点，D在地面的投影为B，O为球心，把二面角A-ON-B设为ON，弧AB为AB两点的球面距离，AC方向为观测点的正北方向，∠DAQ的为天线的仰角，设为Γ，∠QAC为方位角，设为Θ，另设a，b，n为A，B，N三点对弧的两端点与地心O连线所夹的角.则根据三面角余弦公式：
3 结语
针对定向天线实时跟踪的需求，在进行三种模型算法的综合对比后，本文采用圆球模型来代替平面模型和椭球模型，并且设计了基于单片机的天线自动跟踪系统控制器。该控制器主要包含无线收发模块、GPS模块、伺服电机控制模块等模块，使用的模块成本较低但具有较高的可靠性与实用性。在将地球近似看成一个圆形球体后，选用圆球模型跟踪算法能够较为准确的满足定向天线的实时追踪。该设计整体上由单片机上的无线收发模块接收无人机上GPS模块传输的位置信息从而反馈到单片机主控制器中并生成控制命令，使得两个舵机控制定向天线准确快捷的追踪无人机飞行，从而使得定向天线的波瓣能够始终覆盖到无人机上，从而达到信号稳定的效果，成本低且具有实际的应用价值。
参考文献
[1]查长流，丁希仑，俞玉树， et al.无人机定向天线自跟踪系统研究[J].北京航空航天大学学报，2016，42（4）：737-744.
[2]张小斌.OpenStack 企业云平台架构与实践[M].北京：电子工业出版社，2015.
[3]李正周，赵峰，杨士德，et al.基于梯度法的对空中目标搜索与跟踪[J].系统仿真学报，2007，19（5）：1078-1081.
[4]郭倩倩，周晓慧.基于GPS的无人机天线自动跟踪系统[J].计算机应用与软件，2017（6）.
[5]王俊凤，雷斌.卡尔曼预测在自动跟踪云台中的应用[J].国外电子测量技术，2006，25（10）：53-55 .
[6]孙兴邦.卫星天线自动跟踪算法的研究[D].大连：大连海事大学，2008.
[7]冯磊，刘强，韩小军.动中通步进跟踪系统的设计与仿真[J].无线电工程，2014，44（3）：73-76.
[8]杜利明，柴海莉.基于GPS信息的天线自跟踪设计[J].微计算机信息，2008，24（25）.
