基于单脉冲引航系统和伪卫星场的无人机回收系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无人机定位技术领域，特别是一种基于单脉冲引航系统和伪卫星场的无人机回收系统和方法，用于引导无人机自主精确回航和着陆/舰。
【背景技术】
[0002]着陆/舰导引是指用无线电设备使无人机安全着陆/舰的导航技术，自主着陆/舰是指在无人机降落阶段，将机载设备得到的所有有用信息通过一定的技术手段进行综合处理，获得精度足够高、信息足够充分的着陆/舰信息，使无人机可以在没有人直接参与的情况下自动完成其着陆/舰过程。着陆/舰辅助系统是决定无人机在恶劣天气/海况下能否顺利着陆/舰的重大关键技术。当前，应用广泛的辅助系统技术是将导航、防撞、通信、进舰和复飞等功能融为一体的卫星导航(如全球定位系统、北斗卫星导航系统)和精密进近雷达组合着陆/舰导引系统。但是基于卫星的导航体制易受攻击，目前世界上多个国家都具备使用导弹摧毁天基卫星的能力。
[0003]伪卫星的功能类似于导航卫星，可以发出与导航卫星格式相似的信号。由于伪卫星相比导航卫星与用户接收机的距离小数个量级，因此接收到的信号强度高，具有较强的抗干扰能力；伪卫星不需要昂贵的高精度原子钟，并且无需发射费用，因此成本较低；伪卫星可根据需要机动设置，可以安装在移动平台上；利用伪卫星进行定位的最大优势是伪卫星使用和全球导航卫星系统(GNSS)相似的信号与导航方式，可以实现定位系统与GNSS导航定位的无缝连接。因此，使用伪卫星技术能够提升无人机辅助回收系统的可用性、稳定性、可靠性以及测量精度。同时，单脉冲雷达技术获取数据率的速度较快，有较高的测距精度和测角精度，并具有一定的抗干扰性能，可以与高精度测距定位伪卫星系统组合使用。在无人机回收的不同阶段，分别使用单脉冲引航系统和伪卫星场为无人机的着陆/舰提供导引信号。
【发明内容】
[0004]为了给无人机的着陆/舰提供不依赖于天基导航卫星的导引信号，而且导引信号具备抗干扰、高精度等特点，从而辅助无人机实现自主的着陆/舰，本发明提供一种基于单脉冲引航系统和伪卫星场的无人机回收系统和方法，该系统和方法可以在着陆/舰阶段实现无人机的精确定位，引导无人机精确回航。
[0005]本发明提出的基于单脉冲引航系统和伪卫星场的无人机回收系统，由单脉冲引航系统、伪卫星场、机载系统和系统交互控制单元组成。
[0006]单脉冲引航系统包括伺服控制系统和单脉冲天线。
[0007]伪卫星场包括一个时钟源和至少四个伪卫星基站，时钟源向各伪卫星基站同步提供时间，伪卫星基站向空间发射伪卫星信号。
[0008]机载系统包括一个与单脉冲引航系统进行双向通信的全向天线，一个仅用于接收伪卫星基站信号的全向天线，一个与系统交互控制单元进行数据链通信的天线，以及信号处理机。
[0009]系统交互控制单元用于实现与单脉冲引航系统、伪卫星场和机载系统的数据交互及控制，系统交互控制单元向单脉冲引航系统发送控制指令，同时从单脉冲引航系统接收返回的测控数据；系统交互控制单元向伪卫星场发送控制信号，控制伪卫星场的开启和关闭；系统交互控制单元与机载系统进行数据链通信，能够获取无人机的位置信息。
[0010]其中，单脉冲引航系统具体为单通道单脉冲引航系统。单通道单脉冲技术是在传统的两通道单脉冲或三通道单脉冲的基础上，经过一个扫描变换器实现的。在馈源组合中，波束形成网络输出的方位误差信号Λ A和俯仰误差信号Λ Ε，经过一低频信号调制后，信号合并成一个单通道和信号，这个和信号可以是调相信号或调频信号。因此，可用单通道信号的调角变化传输数据信息，幅度变化传输角跟踪误差信息，共同由下行信道传输到机载系统的接收机，再分别解调出数据信息和角跟踪误差信息。
[0011]其中，单脉冲引航系统中伺服控制系统的方向调节范围为0°至360°，俯仰调节范围为90°，从而使得单脉冲天线可扫描整个天际的信号，单脉冲天线采用窄波束定向天线，实现高精度测角，引航范围大，可实现远距离引航。
[0012]其中，单脉冲引航系统中单脉冲天线是收发频率为35GHz的窄带单脉冲天线。
[0013]其中，伪卫星场的时钟源采用具备锁相输出的恒温晶体振荡器。因为伪卫星场需要高精度的时钟源来保障其定位精度，设计时需要使用高精度频率源作为系统的基准时钟。为了时钟的高稳定度，本发明的技术方案中采用恒温晶体振荡器(OCXO)锁相输出，OCXO的频率稳定度高，可采用倍频和分频实现不同的频率，从而保障时钟源的精度，进而提高伪卫星场的定位精度。
[0014]其中，伪卫星场的卫星基站采用2GHz的伪卫星信号发射天线。
[0015]使用前述基于单脉冲引航系统和伪卫星场的无人机回收系统进行无人机回收的方法，具体包括以下五个步骤:
[0016]S1.确定距离 DjP D2;
[0017]S2.由系统交互控制单元与机载系统进行数据链通信，获取无人机的位置信息，然后计算出无人机距回收系统的距离；
[0018]S3.当无人机距回收系统的距离< D1时，由系统交互控制单元开启单脉冲引航系统，由单脉冲引航系统跟踪无人机并向无人机提供引航信号；
[0019]S4.当无人机距回收系统的距离< D2时，由系统交互控制单元切换为由伪卫星场向无人机提供回收信号；
[0020]S5.机载系统的信号处理机根据伪卫星场提供的信号，实时解算无人机的位置，控制无人机着陆或着舰。
[0021]其中，步骤SI中，距离D1的取值范围为90Km至120Km，距离D2的取值范围为8Km至 15Km。
[0022]其中，步骤S3中，单脉冲引航系统向无人机提供引航信号的具体方法为:
[0023]S31.在单脉冲引航过程中，将引航过程划分为捕获和跟踪两个阶段；
[0024]S32.在捕获阶段，由单脉冲引航系统的伺服控制系统控制单脉冲天线在方位和俯仰两个轴上扫描无人机发出的信标信号，捕获到信号后，进入跟踪阶段；
[0025]S33.在跟踪阶段，采用单脉冲跟踪方式测量无人机的位置信息，并将该信息传送给无人机。
[0026]其中，在步骤S32中，在捕获阶段，从系统交互控制单元控制单脉冲引航系统开启后，根据系统交互控制单元通过数据链通信从机载系统获取的无人机位置信息，由伺服控制系统控制单脉冲天线扫描无人机所处位置。
[0027]本发明的有益效果在于:(I)无人机的着陆/舰提供不依赖于导航卫星的导引信号，可在天基导航卫星被摧毁或信号被干扰的情况下，实现无人机的自主着陆/舰；(2)在无人机回收导引阶段，分阶段分别采用单脉冲引航系统和伪卫星场对无人机进行导引，信号精度高，抗干扰能力强；(3)基于伪卫星场的导引系统不需发射，成本低，而且与现有卫星导航系统的兼容性好；(4)可同时导引多架无人机先后着陆/舰，减少着陆/舰的等待时间。
【附图说明】
[0028]图1基于单脉冲引航系统和伪卫星场的无人机回收系统组成和连接关系示意图；
[0029]图2基于单脉冲引航系统和伪卫星场的无人机回收系统发射导引信号示意图；
[0030]图3基于单脉冲引航系统和伪卫星场的无人机回收系统导引过程示意图。
【具体实施方式】
[0031]为了更好地说明本发明涉及的无人机回收系统和回收方法，下面结合附图1至附图3具体介绍一下本发明的具体实施方案。
[0032]基于单脉冲引航系统和伪卫星场的无人机回收系统，由单脉冲引航系统1、伪卫星场2、机载系统3和系统交互控制单元4组成，如附图1所示。
[0033]单脉冲引航系统I包括伺服控制系统和单脉冲天线；单脉冲引航系统I具体为单通道单脉冲引航系统；单脉冲引航系统中伺服控制系统的方向调节范围为0°至360°，俯仰调节范围为90°，而单脉冲天线采用窄波束定向天线，天线的收发频率为35GHz。
[0034]伪卫星场2包括一个时钟源和四个伪卫星基站(当伪卫星基站的数量超过四个时，可提高系统的冗余度，并进一步提高伪卫星信号的精度)，时钟源向各伪卫星基站同步提供时间，伪卫星场的时钟源具体采用具备锁相输出的恒温晶体振荡器，伪卫星场的四个卫星基站均采用2GHz的伪卫星信号发射天线。四个伪卫星基站，分别布置于陆基跑道周边或者无人机的载舰甲板上，伪卫星基站的布局应选取使几何精度因子较小的伪卫星空间布局。
[0035]机载系统3位于无人机上，具体包括一个与单脉冲引航系统I进行双向通信的全向天线，一个仅用于接收伪卫星基站信号的全向天线，一个与系统交互控制单元4进行数据链通信的天线，以及信号处理机；
[0036]系统交互控