无人机数据链中宽带OFDM信号测角方法及测角系统与流程

本发明涉及数字无线通信传输技术领域，特别涉及无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法及测角系统。

背景技术：

在无人机数据链系统中，地面控制站需要对机载通信终端实现准确指向，角跟踪系统主要包括手动跟踪、程序跟踪和自跟踪三种方式，自跟踪是目前主流的角跟踪方式，在跟踪的精度和鲁棒性以及反应速度方面明显优于以上两种方式。自跟踪根据原理主要分为步进跟踪、圆锥扫描跟踪、单脉冲跟踪、相控阵扫描跟踪和多波束跟踪等五种方式。常采用跟踪速度快的单脉冲跟踪体制，对来自两个或多个天线波束的接收信号进行对比，提取天线与目标之间的角度偏差信息，据此来确定目标的位置。单脉冲技术分为“比幅”和“比相”两种基本类型。比相单脉冲对接收通道的相位一致性要求较高。比幅单脉冲对接收通道的相位一致性要求较低。

在单脉冲跟踪体制下，依据射频通道数量可将单脉冲跟踪系统分为：三通道单脉冲、双通道单脉冲和单通道单脉冲角跟踪系统。对比于多通道单脉冲角跟踪系统，单通道单脉冲角跟踪系统具备系统结构简单，复杂程度低的优势，尤其是在实际工程应用中，涉及到通道备份问题，单脉冲单通道无疑是最佳的解决方案。传统单脉冲角跟踪大多采用pcm-fm脉冲调制、bpsk、qpsk或cdma扩频信号等具有恒包络形式的波形。单通道角跟踪接收机基带信号处理的本质就是对调幅信号进行解调，并根据相应的时序关系，分离出方位和俯仰角误差信号。对于调幅信号解调常用的方法有包络检波和同步检波两种，包络检波实现相对简单。

在专利“周三文张亚祥.一种用于无人机的测角方法.专利授权号：cn102156275b，2012年”设计了跟踪精度为0.11°的阵列天线，满足无人机测控精度一般小于0.2°的要求。在文献“王珊珊.单通道角跟踪接收机基带信号处理技术.西安电子科技大学2012”中采用同步解调方法对低信噪比的角误差信号进行解调。在文献“宋宁帅.单脉冲扩频角跟踪系统研究与fpga设计实现.重庆：重庆大学，2014”中为了消除信号幅度的影响，采用载波信号幅度影响因子v对误差信号进行归一化处理。文献“刘嘉兴.宽带信号角跟踪和四通道单脉冲方案[j].飞行器测控学报,2011,30(5):20-25.”在低载噪比进行角捕获，根据和路信号以及差路的归一化信号，针对fm调制与psk信号设计了四通道单脉冲方案。中国电子科技集团第五十四所在其专利“李强，闵洁.单通道检测输入信号相位差与相对幅度的方法，专利授权号：zl200610102076.0，2006年”、“李强等.跟踪接收机数字解调装置，专利授权号：zl200610102075.6，2006年”、“张喜明等.一种单通道单脉冲体制自跟踪信号源的设计方法，专利授权号：cn101707578b，2009年”中分别设计了接收解调与调制信号源方法。

随着高速数传码速率呈数量级上升，宽带信号的角跟踪问题愈来愈引起关注，特别是在低仰角环境下无人机数据链需要采用可抗多径干扰的ofdm体制，其较高峰均比特性对采用ofdm的无人机数据链系统的测角提出了挑战。上述文献中的方法一方面不能直接用于高峰均比ofdm信号的测角，另一方面采用因子或四通道的归一化处理方法不适用于单通道单脉冲测角。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法，该方法基于和差合成信号进行二阶矩检测，得到基于二阶矩归一化的方位、俯仰测角估计值，相对于传统方法提升了数据链采用ofdm信号时的测角精度。

本发明的另外一个目的在于提供无人机数据链中宽带ofdm信号测角系统。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法，包括：

根据无人机发送的ofdm信号，和接收天线接收的射频信号经和差处理后得到的和路信号和差路信号，计算合成信号的二阶矩和二阶矩的期望值；

将所述合成信号的二阶矩，用低频方波进行检测，并在低频方波周期内积分得到方位检测信号与俯仰检测信号；

根据所述合成信号的二阶矩的期望值，所述方位检测信号与俯仰检测信号，计算得到基于二阶矩归一化的测角估计值。

在上述无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法中，根据无人机发送的ofdm信号，和接收天线接收的射频信号经和差处理后得到的和路信号和差路信号，计算合成信号的二阶矩和二阶矩的期望值的具体方法如下：

(1.1)、接收天线接收无人机发送的信号表示为多个射频信号，根据无人机发送的ofdm信号，经和差处理后得到和路信号、方位差路信号和俯仰差路信号；

(1.2)、将所述方位差路信号和俯仰差路信号通过低频方波相乘调制后对所述和路信号进行调幅，之后经耦合得到合成信号；

(1.3)、根据所述合成信号计算合成信号的二阶矩；

(1.4)、根据所述合成信号的二阶矩得到合成信号的二阶矩期望值。

在上述无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法中，所述步骤(1.1)中无人机发送的ofdm信号经过无线信道的数字表达式为：

其中：n为整数，0≤n≤ns-1，ns为正整数，表示ofdm调制采用的fft大小；x(k)为时域信号，h(k)为发送信号经历信道的频域响应，es为发送信号功率，z(n)为信号时域噪声。

在上述无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法中，所述步骤(1.1)中接收天线接收无人机发送的信号表示为多个射频信号，根据无人机发送的ofdm信号，经和差处理后得到和路信号、方位差路信号和俯仰差路信号的具体方法如下：

接收端天线多喇叭或多模馈源接收无人机发送的信号u(t)，表示为4个射频信号u1(t)、u2(t)、u3(t)、u4(t)，经和差处理后得到和路信号u∑(t)、方位差路信号uδa(t)、俯仰差路信号uδe(t)分别为：

其中：s(t)为信号s(n)的模拟波形，am为信号幅度，μ为天线差路信号方向图斜率，ω为载频，d为天线间距，λ为波长，a为目标在方位上偏离电轴的角度、e为目标在俯仰上偏离电轴的角度，为信号相位，t为时间变量。

在上述无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法中，所述步骤(1.2)中将所述方位差路信号和俯仰差路信号通过低频方波相乘调制后对所述和路信号进行调幅，之后经耦合得到合成信号的具体方法如下：

将所述方位差路信号uδa(t)和俯仰差路信号uδe(t)通过低频方波g1(t)、g2(t)相乘调制，对和路信号u∑(t)进行调幅，之后经耦合得到合成信号u∑δ(t)：

其中：s(t)为信号s(n)的模拟波形，g为调幅参数，低频方波g1(t)、g2(t)表示如下：

其中：t为低频方波周期。

在上述无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法中，所述步骤(1.3)中根据所述合成信号计算合成信号的二阶矩的具体方法如下：

其中：m2为合成信号的二阶矩。

在上述无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法中，所述步骤(1.4)中根据所述合成信号的二阶矩得到合成信号的二阶矩期望值的具体方法如下：

由于a²+e²＝θ²，θ为目标偏离天线电轴角度，设定a与e的期望为0，θ的期望为0，得到合成信号的二阶矩期望值为：

其中：c{m2}为合成信号的二阶矩期望值；c{|s(t)|²}为对|s(t)|²求期望值。

在上述无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法中，将所述合成信号的二阶矩，用低频方波进行检测，并在低频方波周期内积分得到方位检测信号与俯仰检测信号的具体方法为：

其中:g1(t)、g2(t)为低频方波，t为低频方波周期，ga为方位检测信号、ge为俯仰检测信号。

在上述无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法中，根据所述合成信号的二阶矩的期望值，所述方位检测信号与俯仰检测信号，计算得到基于二阶矩归一化的测角估计值的具体方法为：

其中：a为方位测角估计值，e为俯仰测角估计值、ga为方位检测信号、ge为俯仰检测信号。

在上述无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法中，所述测角方法根据无人机的起飞-巡航-返回不同任务阶段，设低频方波g1(t)、g2(t)周期t为两档，分别为f1＝1/t1、f2＝1/t2，且f1＜f2；

在地面站与目标无人机之间距离变化时根据agc信号大小设定门限ta，若接收的agc信号超过门限ta，则选取f1，在近距离时获得快跟踪速度；若接收的agc信号未超过门限ta，则选取f2，在远距离时获得高测角精度。

在上述无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法中，所述f1＝1/t1＝1khz、f2＝1/t2＝100hz。

无人机数据链中宽带ofdm信号测角系统，包括二阶矩期望值获取模块、检测信号获取模块和测角估计值获取模块，其中：

二阶矩期望值获取模块：根据无人机发送的ofdm信号，和接收天线接收的射频信号经和差处理后得到的和路信号和差路信号，计算合成信号的二阶矩和二阶矩的期望值，并将所述合成信号的二阶矩发送给检测信号获取模块，将所述合成信号的二阶矩的期望值发送给测角估计值获取模块；

检测信号获取模块：接收二阶矩期望值获取模块发送的合成信号的二阶矩，将所述合成信号的二阶矩，用低频方波进行检测，并在低频方波周期内积分得到方位检测信号与俯仰检测信号，并发送给测角估计值获取模块；

测角估计值获取模块：接收检测信号获取模块发送的方位检测信号与俯仰检测信号，接收二阶矩期望值获取模块发送的合成信号的二阶矩的期望值，根据所述合成信号的二阶矩的期望值，所述方位检测信号与俯仰检测信号，计算得到基于二阶矩归一化的测角估计值。

在上述无人机数据链中宽带ofdm信号测角系统中，所述二阶矩期望值获取模块根据无人机发送的ofdm信号，和接收天线接收的射频信号经和差处理后得到的和路信号和差路信号，计算合成信号的二阶矩和二阶矩的期望值的具体方法如下：

(1.1)、接收天线接收无人机发送的信号表示为多个射频信号，根据无人机发送的ofdm信号，经和差处理后得到和路信号、方位差路信号和俯仰差路信号；

(1.2)、将所述方位差路信号和俯仰差路信号通过低频方波相乘调制后对所述和路信号进行调幅，之后经耦合得到合成信号；

(1.3)、根据所述合成信号计算合成信号的二阶矩；

(1.4)、根据所述合成信号的二阶矩得到合成信号的二阶矩期望值。

在上述无人机数据链中宽带ofdm信号测角系统中，所述步骤(1.1)中无人机发送的ofdm信号经过无线信道的数字表达式为：

其中：n为整数，0≤n≤ns-1，ns为正整数，表示ofdm调制采用的fft大小；x(k)为时域信号，h(k)为发送信号经历信道的频域响应，es为发送信号功率，z(n)为信号时域噪声。

所述步骤(1.1)中接收天线接收无人机发送的信号表示为多个射频信号，根据无人机发送的ofdm信号，经和差处理后得到和路信号、方位差路信号和俯仰差路信号的具体方法如下：

接收端天线多喇叭或多模馈源接收无人机发送的信号u(t)，表示为4个射频信号u1(t)、u2(t)、u3(t)、u4(t)，经和差处理后得到和路信号u∑(t)、方位差路信号uδa(t)、俯仰差路信号uδe(t)分别为：

其中：s(t)为信号s(n)的模拟波形，am为信号幅度，μ为天线差路信号方向图斜率，ω为载频，d为天线间距，λ为波长，a为目标在方位上偏离电轴的角度、e为目标在俯仰上偏离电轴的角度，为信号相位，t为时间变量。

在上述无人机数据链中宽带ofdm信号测角系统中，所述步骤(1.2)中将所述方位差路信号和俯仰差路信号通过低频方波相乘调制后对所述和路信号进行调幅，之后经耦合得到合成信号的具体方法如下：

将所述方位差路信号uδa(t)和俯仰差路信号uδe(t)通过低频方波g1(t)、g2(t)相乘调制，对和路信号u∑(t)进行调幅，之后经耦合得到合成信号u∑δ(t)：

其中：s(t)为信号s(n)的模拟波形，g为调幅参数，低频方波g1(t)、g2(t)表示如下：

其中：t为低频方波周期；

所述步骤(1.3)中根据所述合成信号计算合成信号的二阶矩的具体方法如下：

其中：m2为合成信号的二阶矩；

所述步骤(1.4)中根据所述合成信号的二阶矩得到合成信号的二阶矩期望值的具体方法如下：

由于a²+e²＝θ²，θ为目标偏离天线电轴角度，设定a与e的期望为0，θ的期望为0，得到合成信号的二阶矩期望值为：

其中：c{m2}为合成信号的二阶矩期望值；c{|s(t)|²}为对|s(t)|²求期望值。

在上述无人机数据链中宽带ofdm信号测角系统中，所述检测信号获取模块将所述合成信号的二阶矩，用低频方波进行检测，并在低频方波周期内积分得到方位检测信号与俯仰检测信号的具体方法为：

其中:g1(t)、g2(t)为低频方波，t为低频方波周期，ga为方位检测信号、ge为俯仰检测信号；

所述测角估计值获取模块根据所述合成信号的二阶矩的期望值，所述方位检测信号与俯仰检测信号，计算得到基于二阶矩归一化的测角估计值的具体方法为：

其中：a为方位测角估计值，e为俯仰测角估计值、ga为方位检测信号、ge为俯仰检测信号。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法，基于和差合成信号进行二阶矩检测，得到基于二阶矩归一化的方位、俯仰测角估计值，相对于传统方法提升了ofdm数据链的测角精度；

(2)本发明无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法，针对宽带ofdm信号设计测角方法，适用于单射频通道接收机，无需其他pcm/fm、cdma或bpsk/qpsk等信号辅助角跟踪，可实现遥测遥控数据链三合一，具有抗多径性能，简化了系统架构，节约了信号频带资源；

(3)本发明无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法，可以根据无人机的起飞-巡航-返回不同任务阶段工作在两档低频方波，根据门限值进行判定，并给出合理的门限值，在近距离时获得快跟踪速度，在远距离时获得高测角精度，可以获得不同的跟踪速度与测角精度，具有较强的适应性；

(4)本发明的提供的无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法和测角系统，基于和差合成信号进行二阶矩检测，首先得到合成信号的二阶矩和二阶矩的期望值，进一步得到方位检测信号与俯仰检测信号，进而计算得到基于二阶矩归一化的测角估计值，该方法显著提升了数据链采用ofdm信号时的测角精度，具有较广的适用范围广。

(5)试验表明，本发明归一化测角估计方法相比平方率方法在低信噪比0db-10db性能不受信噪比影响，同时本发明方法不受信号幅度变化影响，无需准确自动增益控制，并且本发明归一化测角估计方法在0db-20db内标准差性能基本都低于0.2°，满足无人角跟踪精度要求。

附图说明

图1为本发明无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法原理框图；

图2为本发明实施例无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法的测角估计的平均值性能图；

图3为本发明实施例无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法的测角估计在不同频率方波下的标准差性能图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1所示为本发明无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法原理框图，本发明无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法，具体包括如下步骤：

步骤(一)、计算合成信号的二阶矩和二阶矩的期望值

无人机发送ofdm信号经过无线信道的数字表达式为

其中：n为整数，0≤n≤ns-1，ns为正整数，表示ofdm调制采用的fft大小；x(k)为时域信号，h(k)为发送信号经历信道的频域响应，es为发送信号功率，z(n)为信号时域噪声。

接收端天线多喇叭或多模馈源接收无人机发送的信号u(t)，表示为4个射频信号u1(t)、u2(t)、u3(t)、u4(t)，经和差处理后得到和路信号u∑(t)、方位差路信号uδa(t)、俯仰差路信号uδe(t)分别为：

其中：s(t)为信号s(n)的模拟波形，am为信号幅度，μ为天线差路信号方向图斜率(差斜率)，ω为载频，d为天线间距，λ为波长，a为目标在方位上偏离电轴的角度、e为目标在俯仰上偏离电轴的角度，为信号相位，t为时间变量。

将方位差路信号uδa(t)、俯仰差路信号uδe(t)通过低频方波g1(t)、g2(t)相乘调制后对和信号u∑(t)进行调幅，之后经耦合器为合成信号u∑δ(t)，

其中：s(t)为信号s(n)的模拟波形，g为调幅参数，本实施例中取值1/4，低频方波g1(t)、g2(t)以t为周期：

其中：该合成信号经过下变频与滤波后，作为数字接收机的输入信号，首先计算其二阶矩m2及其期望值c{m2}：

由于a²+e²＝θ²，θ为目标偏离天线电轴角度，在方位角误差a、俯仰角误差e较小时，a与e的期望为0，θ的期望为0，因此二阶矩期望值c{m2}为：

其中：c{m2}为合成信号的二阶矩期望值；c{|s(t)|²}为对|s(t)|²求期望值。

步骤(二)、将步骤(一)得到的接收合成信号的二阶矩，用低频方波g1(t)、g2(t)进行检测，并在低频方波周期t内积分得到方位检测信号ga、俯仰检测信号ge：

步骤(三)、将步骤(一)得到的二阶矩m2，步骤(二)得到的方位检测信号ga、俯仰检测信号ge，设置g取值1/4，计算得到基于二阶矩归一化的测角估计值：

其中：a为方位测角估计值，e为俯仰测角估计值、ga为方位检测信号、ge为俯仰检测信号。

将步骤(一)～步骤(三)的测角方法根据无人机的起飞-巡航-返回不同任务阶段，设低频方波g1(t)、g2(t)周期t为两档，分别为f1＝1/t1、f2＝1/t2，且f1＜f2。具体地，本发明实施例中设两档低频方波g1(t)、g2(t)周期t分别为f1＝1/t1＝1khz、f2＝1/t2＝100hz，在地面站与目标无人机之间距离变化时根据agc信号大小设定门限值ta，根据是否超过门限值设计测角分别工作在两档低频方波检测模式，在近距离时获得快跟踪速度，在远距离时获得高测角精度。

若接收的agc信号超过门限ta，则选取f1＝1/t1＝1khz，在近距离时获得快跟踪速度；若接收的agc信号未超过门限ta，则选取f2＝1/t2＝100hz，在远距离时获得高测角精度。

具体地，本发明实施例中门限ta取值根据agc算法或模块进行确定，例如采用ad9361芯片作为信道模块时，agc取值为100。

实施例1

将本发明宽带ofdm单通道单脉冲测角方法的性能仿真结果进行分析。

如图1所示为本发明无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法原理框图，天线a、b、c、d的馈源生成和路信号、方位与俯仰差路信号，并基于低频方波合成单通道信号，信道单元采用ad9361获得agc信号，在数字接收机中，经过低频方波检测二阶矩信号后，通过归一化计算方位、俯仰角误差信号，然后经过天线控制器实现天线对飞行目标的自跟踪。

如图2所示为本发明实施例无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法的测角估计的平均值性能图；设置角度偏差为1°、2°，低频方波1/t＝1khz，在信噪比为0db-20db下，ofdm信号fft长度为ns＝1024，有效载波nu＝512，子载波为10khz，从仿真结果分析可知，本发明归一化测角估计方法相比平方率方法在低信噪比0db-10db性能不受信噪比影响。同时可知，本发明方法不受信号幅度变化影响，无需准确自动增益控制。

如图3所示为本发明实施例无人机数据链中宽带ofdm信号测角方法的测角估计在不同频率方波下的标准差性能图，从仿真结果分析可知，平方率方法在低信噪比0db-10db性能较差，本发明归一化测角估计方法在0db-20db内标准差性能基本都低于0.2°，满足一般无人角跟踪精度要求。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。