一种基于载波相位测向的自主定位跟踪系统设计与实现

邓志均 曹建文 史进朝 张亚祥 张凤

1.中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京 100076 2.中国航天电子技术研究院，北京 100094 3.北京遥测技术研究所，北京 100076



一种基于载波相位测向的自主定位跟踪系统设计与实现

邓志均1曹建文1史进朝2张亚祥3张凤1

1.中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京 100076 2.中国航天电子技术研究院，北京 100094 3.北京遥测技术研究所，北京 100076

针对低空小型无人飞行器，设计并实现了一种基于载波相位测向的自主定位跟踪系统，该系统不依赖GPS等外部导航卫星系统，通过对飞行器的高精度测角、测距及高度测量，实现飞行器的实时跟踪及定位。

载波相位；测向；自主定位；跟踪

在传统的导航定位及跟踪方式下，低空小型无人飞行器的导航定位及跟踪功能普遍依赖于GPS，BD等导航卫星系统。上述方法都是通过与外界卫星系统的数据通信链对飞行器进行导航定位和引导跟踪，在复杂恶劣条件下，一旦外界的通信链不再可靠和畅通，飞行器的生存能力将面临极大挑战。因此，为低空小型飞行器提供一种自主定位跟踪手段，确保其在复杂环境条件下，具有较强的自主飞行决策控制能力，对提高其生存能力具有非常重要的意义。

本文针对低空小型无人飞行器，设计并实现了一种基于载波相位测向的自主定位跟踪系统，该系统不依赖GPS等外部导航卫星系统，通过对飞行器的高精度测角、测距及高度测量，实现飞行器的实时跟踪及定位。系统设计在突破载波相位测向、信号合成、下行信道时延实时校准等一系列关键技术的基础上，在工程实现上进一步解决了测角校零、校准信号实时功率控制、目标稳定跟踪、目标快速捕获等一系列难点问题，确保了系统跟踪定位的高精度。试验验证表明，系统跟踪定位精度高，工作稳定灵活。

1 载波相位测向原理

载波相位测向方法利用多个天线接收信号载波之间的相位差进行测向[1]。如图1所示，设θ方向有一远区发射机，则到达接收点的电波近似为平面波。

图1 载波相位测向示意图

设两个天线相位中心间距为d，则它们所收到的信号由于存在波程差ΔR而产生载波相位差φ，由图1可知

(1)

其中，λ为接收信号载波波长。如果采用相位计进行比相，测出其相位差φ，就可以确定目标的方向θ。

2 系统的设计与实现

2.1 载波相位测向功能的设计与实现

要实现载波相位测向，必须得到多个天线接收信号载波之间的相位差[2]。由于在较低频率上比较容易实现比相，因此，通常将两个天线收到的高频信号经与同一本振信号差频后，在中频进行比相。设两个天线接收的2个高频信号分别为：

u1=U1cos(2πfct-φ)；u2=U2cos(2πfct)；

本振信号为：uL=ULcos(2πfLt+φL)；

其中，φ为两信号的载波相位差，φL为本振信号初相。

u1和uL差频得
uI1=UI1cos[2π(fc-fL)t-φ-φL]；

u2和uL差频得

uI2=UI2cos[2π(fc-fL)t-φL]。

由此可见，两中频信号uI1和uI2之间的载波相位差仍为φ，即两个天线接收的2个高频信号采用同一本振差频到较低的中频上后，2个信号载波相位之差保持不变。因此，可以通过提取中频信号的相位差得到高频信号的相位差。

载波相位测向系统由地面处理终端、天线、耦合器、滤波器、低噪放和功放等组成。图2为载波相位测向系统的实现方框图，其中，上行校准信号通过高速DAC转换成模拟信号送入上变频信道，然后送给4个接收天线下的耦合器完成与天线信号的耦合，产生天线信号和实时校准信号的耦合信号送入4个下变频信道；天线信号和实时校准信号以码分方式共存，四路高速ADC分别接收4个下变频信道送来的天线信号和实时校准信号的耦合信号，转换成数字信号后送入地面信号处理终端的载波伪码同步器，完成载波同步，载波同步器完成信号解调后输出载波相位，载波相位经计算处理后最终得到目标方位角。系统中，天线阵由4个子阵组成，每个子阵间距离为1.5λ(其中λ为信号波长)，利用距离最近的两个天线阵接收信号的载波相位差得到无模糊范围较大、精度较低的方位值，利用距离最远两天线阵接收信号的载波相位差提高测向的精度，系统测向精度可达3mrad。

2.2 目标跟踪功能的设计与实现

地面处理终端完成目标方位角的实时解算后，将目标方位角通过RS422通信串口送至伺服控制系统，伺服控制系统根据收到的目标方位角实时控制天线指向，实现目标飞行全程地面系统对目标的实时准确跟踪。

2.3 目标自主定位功能的设计与实现

本系统采用相干测距方式完成目标测距。地面处理终端通过信息测量帧编帧扩频后，利用上行链路发送到飞行目标；飞行目标上应答机捕获到上行信号后进行数据帧结构的相干转发，地面处理终端接收到下行信号后进行解扩、解调、帧同步。地面处理终端采集发送和接收的伪码相位差可计算出地面站和飞行目标之间的双向信号传输时延，通过时延测量实现目标飞行器的距离测量。

系统完成目标测向、测距后，通过遥测数据实时下传的目标飞行器高度信息完成目标飞行器的自主定位。

3 测向误差分析

由式(1)可得

(2)

同时考虑测相误差(dφ)、两天线相位中心间距误差(dd)和频率误差(df)对测向精度的影响，对式(2)取微分，有：

即有：

(3)

化简得：

从以上分析可知，系统测向误差源主要包括：测相误差(dφ)、两个天线阵的相位中心间距误差(dd)和频率误差(df)等部分。由于载波频率f远远大于频率误差df，频率误差对测向误差的影响可忽略不计，因此，系统的测向误差我们主要考虑测相误差(dφ)两天线相位中心间距误差(dd)[4]，但在实际工作过程中，除了上面的3个误差源以外，还有通道校零误差、两个天线相位中心在其法线方向上的变形误差(ΔF)及初始指北误差。

为了减小系统测向误差，提高测向精度，本系统设计实现时采用了如下方案及措施：

1) 采用4个天线阵测向方案，增加了系统中最远两个天线阵的间距，本系统中最远天线阵相位中心间距为4.5λ，确保由测相误差(dφ)引入的测向误差小于1.0mrad；

2) 天线阵选择形变小的材料加工而成，同时经过高精度校零，确保由两天线相位中心在其法线方向上的形变误差(ΔF)引入的测向误差小于0.4mrad，由两天线相位中心间距误差(dd)引入的测向误差小于0.1mrad；

3) 系统采用专门的校准通道对信号链路及信道时延进行实时校准，确保系统通道校零误差小于0.5mrad；

4) 系统初始指北误差小于1.0mrad。

通过以上分析及设计，系统测向误差小于3mrad。

4 系统性能测试及试验验证

本系统已成功应用于某低空小型无人机的地面测控系统，实现了无人机的无线电自主定位。为了验证系统性能，该无人机系统在国内某机场开展了飞行性能验证试验，在整个飞行全程对系统的性能及功能进行了测试，通过与GPS导航数据的比对，实测得到系统的测向精度为3mrad，具体试验结果见图3和4。

图3 系统测向误差、GPS导航与自主定位经纬度测量值对比图

图4 载波相位测向系统自主定位航迹与GPS导航航迹对比图

5 结论

对一种基于载波相位测向的自主定位跟踪系统设计与实现进行了详细描述，通过飞行性能验证试验结果，验证了系统性能的优越性以及系统方案的正确性。

[1] 肖秀丽.干涉仪测向原理[J].中国无线电，2006，(5)：43-44.(Xiao Xiuli. Principle of Direction Finding by Interferometer[J]. China Radio, 2006, (5):43-44.)

[2] 池庆玺，司锡才，卓志敏.相位测向系统中解模糊方法研究[J].弹箭与制导学报，2005，25(4)：267-268.(Chi Qingxi,Si Xicai,Zhuo Zhimin. Method to Resolve Ambiguity in the Direction Finding System by Phase[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance, 2005, 25(4):267-268.)

[3] 司伟建，初萍.干涉仪测向解模糊方法[J].应用科技，2007，34(9)：54-55.(Si Weijian,Chu Ping. Research on the Ways of Solving Direction Finding Ambiguity for Interferometer[J].Applied Science and Technology, 2007, 34(9):54-55.)

[4] 杨忠.一种基于干涉仪体制的机载测向技术研究[J]. 无线电工程，2010，40(12)：58-59.(Yang Zhong. Research on an Airborne DF Technique Based on Interferometer[J]. Radio Engineering, 2010, 40(12):58-59.)

The Design and Implementation of an Autonomous Orientation Tracking System Based on Carrier Phase Direction-Finding

DENG Zhijun1CAO Jianwen1SHI Jinchao2ZHANG Yaxiang3ZHANG Feng1

1.China Academy of Launch Vehicle Technology Research and Development Center，Beijing 100076，China 2.China Academy of Aerospace Electronics Technology，Beijing 100094，China 3.Beijing Research Institute of Telemetry，Beijing 100076，China

Anautonomousorientationtrackingsystembasedonthecarrierphasedirection-findingisdesignedandimplementedregardinglow-altitudeSUAV.TheGPSandotherexternalnavigationsatellitesystemsarenotreliedoninthissystem,butthroughmeasuringthehigh-precisionangle,rangingandheightofvehicletoachievethereal-timetrackingandorientationforaircraft.

Carrierphase;Direction-finding;Autonomousorientation;Tracking

2013-03-12

邓志均(1973-)，女，重庆人，硕士，高级工程师，主要从事测控通信系统研究工作；曹建文(1981-),男，黑龙江人，硕士，工程师，主要从事测控通信系统研究工作；史进朝(1973-)，男，河北人，硕士，高级工程师，主要从事电子技术研究工作；张亚祥(1966-)，男，贵州人，本科，高级工程师，主要从事测控通信系统研究工作；张 凤(1987-)，女，北京人，硕士，助理工程师，主要从事通信与信息系统研究工作。

TN965

A

1006-3242(2014)03-0057-05