基于二次曲线预测的无人机定向天线跟踪方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了基于二次曲线预测的无人机定向天线跟踪方法及系统，定向天线基于二次曲线预测模型预测定向天线跟踪无人机的目标角，进而控制定向天线实时跟踪无人机，解决了通信链路传输能力以及低成本GPS接收机动态特性的限制；可以在某些情况下GPS信息没有按时上报的情况下继续保持跟踪,给天线驱动装置发送指令的频率不再受GPS信息上报频率的控制，天线可以更平稳的运动；以及在近距离跟踪时，跟踪角度变化波动较大，容易造成跟踪系统运动波动和较大的跟踪误差，显著增加系统磨损的问题；并且解决了GPS信息通过链路传输存在一定延时的问题,可以抵消GPS信息的传输时延，提高跟踪的精度。的精度。的精度。

【技术实现步骤摘要】
基于二次曲线预测的无人机定向天线跟踪方法及系统


[0001]本专利技术属于无人机控制
，具体涉及基于二次曲线预测的无人机定向天线跟踪方法及系统。

技术介绍

[0002]随着无人机(UAV)技术的快速发展，其应用越来越广泛，在实际应用中，无人机与地面站之间常常有大量数据观测需要传输，为了满足这种远距离、高带宽的通信需求，通常采用高接收增益和抗干扰能力的定向天线，而定向天线只有发射天线和接收天线主瓣对准时才能正常工作，所以需要保持定向天线实时对准。GPS数引是一种常用的定向天线自动跟踪方式，它利用无人机实时发送给地面站的GPS位置信息，结合地面站的位置信息和天线的姿态信息，来计算无人机和定向天线的相对位置和确定跟踪目标角。此种方法实现简单，但在实际使用中存在一些不足。由于通信链路传输能力以及低成本GPS接收机动态特性的限制，无人机发送给地面站的位置更新频率可能较低，甚至偶尔可能会瞬时获取不到GPS信息；在近距离跟踪时，跟踪角度变化波动较大，容易造成跟踪系统运动波动和较大的跟踪误差，显著增加系统磨损；GPS信息通过链路传输存在一定延时。

技术实现思路

[0003]本专利技术为了解决上述技术问题，本文结合无人机的运动特点，提出了一种基于二次曲线预测的改进型数引方法，在不增加额外硬件设备的前提下，能有效的缓解传统数引跟踪方式的这些不足。
[0004]本专利技术采用以下技术方案：基于二次曲线预测的无人机定向天线跟踪方法及系统,基于无人机所对应地面站上设置的定向天线，针对运动状态下的无人机，执行以下方法，实现定向天线对无人机的实时跟踪：基于无人机的机载GPS，通过GPS数引得到定向天线跟踪无人机的目标角的方式，依据无人机向地面站上传机载GPS数据的频率，实时记录预设周期下各时间点分别对应的定向天线跟踪无人机的目标角，步骤S1：统计当前时间点向历史时间方向预设时长段内预设周期下各时间点分别对应的定向天线跟踪无人机的目标角,得到定向天线跟踪无人机的目标角数据集；步骤S2：针对定向天线跟踪无人机的目标角数据集，基于时间顺序，通过目标角数据集内的各时间点对应的目标角数据构建拟合模型，用于预测未来时间方向各时间点的定向天线跟踪无人机的目标角；步骤S3：针对目标角数据集内各时间点对应的目标角数据构建的拟合模型，基于二次曲线拟合模型，对目标角数据集内的各时间点对应的目标角数据进行验证，若目标角数据集内各时间点对应的目标角数据均满足二次曲线拟合模型上相应时间点数据的预设偏差范围内，进入预测模式，执行步骤S3.1；若目标角数据集内任意一时间点对应的目标角
数据不满足二次曲线拟合模型上相应时间点数据的预设偏差范围内，执行步骤S3.2；步骤S3.1：基于拟合模型预测当前时间点向未来时间方向各时间点的定向天线跟踪无人机的目标角，定向天线基于预测定向天线跟踪无人机的目标角实时跟踪无人机；待进入下一预设时间点时，返回步骤S1；步骤S3.2：定向天线基于接收无人机的机载GPS数据，经GPS数引得到定向天线跟踪无人机的目标角的方式，控制定向天线跟踪无人机；待进入下一预设周期时间点时，返回步骤S1。
[0005]作为本专利技术的一种优选技术方案，针对无人机没有按照既定频率上传机载GPS数据至地面站情况，若无人机未上传机载GPS数据至地面站超过预设阈值时长，定向天线停止运动、并进入搜索模式，直至地面站重新搜索接收到无人机上传的机载GPS数据，基于重新搜索接收到无人机上传的机载GPS数据的时间为起始时间，执行步骤S1至S3；若无人机未上传机载GPS数据至地面站未超过预设阈值时长，定向天线继续执行步骤S1至S3。
[0006]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述预设阈值时长为预设周期下相邻两时间点之间的时间值。
[0007]作为本专利技术的一种优选技术方案，针对预测模式下，无人机与地面站之间距离处于预设范围内，基于拟合模型预测当前时间点向未来时间方向各时间点的定向天线跟踪无人机的目标角，在当前时间点与预测时间点之间基于预设步进角度设置各预设步进角度分别对应的定时器，定向天线基于各预设步进角度对应的定时器在当前时间点与预测时间点之间实时平稳跟踪无人机。
[0008]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤2中，针对定向天线跟踪无人机的目标角数据集，基于时间顺序，通过目标角数据集内各时间点对应的目标角数据，基于插值原理构建各时间点对应的插值多项式，结合正交多项式构建目标角数据集的拟合多项式，即拟合模型，即以时间点为横坐标、以定向天线跟踪无人机的目标角为纵坐标的二次曲线拟合模型。
[0009]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述目标角为定向天线跟踪无人机的方位角与俯仰角，方位角与俯仰角分别同时执行步骤S1至S3，方位角数据集、俯仰角数据集内各时间点对应的目标角数据均满足对应二次曲线拟合模型上相应时间点数据的预设偏差范围内，进入预测模式执行步骤S3.1；若方位角数据集、俯仰角数据集内任意一时间点对应的目标角数据不满足二次曲线拟合模型上相应时间点数据的预设偏差范围内，未进入预测模式，执行步骤S3.2。
[0010]一种基于二次曲线预测的无人机定向天线跟踪方法的系统，其特征在于：包括设置在地面站的地面导航模块、地面通信模块、主控模块、伺服控制模块、定向天线、以及设置在无人机上的机载GPS、无人机通信模块，无人机上的机载GPS输出端与无人机通信模块输入端连接，无人机通信模块输出端与地面通信模块输入端连接，地面通信模块输出端与主控制器输入端连接，地面导航模块输出端与主控制器输入端连接，主控制器输出端与伺服控制模块输入端连接，伺服控制模块输出端与定向天线输入端连接；无人机上的机载GPS经无人机通信模块、地面通信模块将机载GPS数据发送至主控制器；地面导航模块采集地面站自身位置信息和定向天线姿态信息发送至主控制器；主控制器基于机载GPS数据、地面站自身位置信息和定向天线姿态信息，得到无人机和地面站的
相对位置，即得到定向天线跟踪无人机的目标角，并基于定向天线跟踪无人机的目标角，判断是否进入预测模式，传输定向天线跟踪无人机的目标角信息；伺服控制模块基于接收主控制器的定向天线跟踪无人机的目标角信息，控制定向天线跟踪无人机。
[0011]本专利技术的有益效果是：本专利技术提供了基于二次曲线预测的无人机定向天线跟踪方法及系统，定向天线基于二次曲线预测模型预测定向天线跟踪无人机的目标角，进而控制定向天线实时跟踪无人机，解决了由于通信链路传输能力以及低成本GPS接收机动态特性的限制，无人机发送给地面站的位置更新频率较低，甚至偶尔可能会瞬时获取不到GPS信息的问题,可以在某些情况下GPS信息没有按时上报的情况下继续保持跟踪,给天线驱动装置发送指令的频率不再受GPS信息上报频率的控制，天线可以更平稳的运动；以及在近距离跟踪时，跟踪角度变化波动较大，容易造成跟踪系统运动波动和较大的跟踪误差，显著增加系统磨损的问题；并且解决了GPS信息通过链路传输存在一定延时的问题,可以抵消GPS信息的传输时延，提高跟踪的精度。本设计结合无人机的运动特点，提出了一种基于二次曲线预测的改进型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于二次曲线预测的无人机定向天线跟踪方法,其特征在于：基于无人机所对应地面站上设置的定向天线，针对运动状态下的无人机，执行以下方法，实现定向天线对无人机的实时跟踪：基于无人机的机载GPS，通过GPS数引得到定向天线跟踪无人机的目标角的方式，依据无人机向地面站上传机载GPS数据的频率，实时记录预设周期下各时间点分别对应的定向天线跟踪无人机的目标角，步骤S1：统计当前时间点向历史时间方向预设时长段内预设周期下各时间点分别对应的定向天线跟踪无人机的目标角,得到定向天线跟踪无人机的目标角数据集；步骤S2：针对定向天线跟踪无人机的目标角数据集，基于时间顺序，通过目标角数据集内的各时间点对应的目标角数据构建拟合模型，用于预测未来时间方向各时间点的定向天线跟踪无人机的目标角；步骤S3：针对目标角数据集内各时间点对应的目标角数据构建的拟合模型，基于二次曲线拟合模型，对目标角数据集内的各时间点对应的目标角数据进行验证，若目标角数据集内各时间点对应的目标角数据均满足二次曲线拟合模型上相应时间点数据的预设偏差范围内，进入预测模式，执行步骤S3.1；若目标角数据集内任意一时间点对应的目标角数据不满足二次曲线拟合模型上相应时间点数据的预设偏差范围内，执行步骤S3.2；步骤S3.1：基于拟合模型预测当前时间点向未来时间方向各时间点的定向天线跟踪无人机的目标角，定向天线基于预测定向天线跟踪无人机的目标角实时跟踪无人机；待进入下一预设时间点时，返回步骤S1；步骤S3.2：定向天线基于接收无人机的机载GPS数据，经GPS数引得到定向天线跟踪无人机的目标角的方式，控制定向天线跟踪无人机；待进入下一预设周期时间点时，返回步骤S1。2.根据权利要求1所述的基于二次曲线预测的无人机定向天线跟踪方法,其特征在于：针对无人机没有按照既定频率上传机载GPS数据至地面站情况，若无人机未上传机载GPS数据至地面站超过预设阈值时长，定向天线停止运动、并进入搜索模式，直至地面站重新搜索接收到无人机上传的机载GPS数据，基于重新搜索接收到无人机上传的机载GPS数据的时间为起始时间，执行步骤S1至S3；若无人机未上传机载GPS数据至地面站未超过预设阈值时长，定向天线继续执行步骤S1至S3。3.根据权利要求2所述的基于二次曲线预测的无人机定向天线跟踪方法,其特征在于：所述预设阈值时长为预设周期下相邻两时间点之间的时间值。4.根据权利要求1所述的基于二次曲线预测的无人机定向天线跟踪方法,其特征在于：针对预...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨明，方中海，郭庆杰，张勇，张明涛，赵大伟，
申请(专利权)人：南京熊猫通信科技有限公司，
类型：发明
国别省市：