CN103631250B - 一种对天线俯仰轴跟踪精度进行地面测试的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对测控定向天线伺服系统的天线俯仰轴跟踪精度进行地面测试的方法，包括：计算测控定向天线伺服系统天线的俯仰角度的理论值；从天线伺服系统获取测控定向天线伺服系统天线的俯仰角度的实时测量值；计算该实时测量值与该理论值之差，得到测控定向天线伺服系统天线的俯仰轴跟踪精度。本发明利用系留气球系统可以快速部署，升空高度较高，高度升降操作灵活等特点，可以快速对测控天线伺服系统的俯仰轴跟踪精度进行地面测试，相比采用有人飞行器改装试飞的方法，该方法不需要专门的机场，空域要求也不高(1000米以下)，对于系留气球系统无需专门改装，大大降低测试成本和操作难度，对于大批量生产的测控设备进行测试尤为方便。

Description

一种对天线俯仰轴跟踪精度进行地面测试的方法

技术领域

本发明涉及航空测控技术领域，尤其是一种对测控定向天线伺服系统的天线俯仰轴跟踪精度进行地面测试的方法，用于测控系统中的重要技术指标——天线俯仰轴跟踪精度的地面测试，填补了该项技术指标无法进行地面测试的空白。

背景技术

遥测遥控系统(本文简称测控系统)属于无人驾驶飞行器的关键设备，在每次无人驾驶平台飞行之前需要对测控系统的性能进行详细的检测及状态确认，其中表征测控系统性能的一个重要的指标就是自动跟踪精度。

实际操作中由于获取被测目标水平位置上的变化比较容易(将机载设备装在车上水平移动即可)，但要想获取被跟踪目标高度上的大幅度变化比较困难。

理论上可以采用将机载设备装在车辆上，车辆从高海拔山峰的底部朝山上爬坡，模拟飞行器高度变化，将地面天线伺服跟踪系统放置在山下，测试天线俯仰轴自动跟踪的情况。但是由于车辆爬坡过程天线必须无遮挡，而一般上山的公路都是盘山公路，所以这样的测试环境并不好找，即使找到，也必须把地面天线系统运输至山坡下进行测试，可操作性不强。

目前对无人飞行器的测控系统的自动跟踪精度进行首飞前测试，最有效方法就是将测控系统的机载设备安装在成熟可靠的有人飞行器上，模拟无人飞行器的飞行航迹进行试飞，根据地面测控设备自动跟踪情况评估跟踪精度。但是这种方法首先要求有机场及相应的空域，其次，在有人飞行器加装无人飞行器的测控天线需要专门的改装，对飞行性能的影响需要谨慎设计和评估，还需要有试飞员进行多次试飞，成本是非常高的。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于小型系留气球系统的对测控定向天线伺服系统的天线俯仰轴跟踪精度进行地面测试的方法，以实现对天线俯仰轴跟踪精度的测试。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种对测控定向天线伺服系统的天线俯仰轴跟踪精度进行地面测试的方法，包括：计算测控定向天线伺服系统天线的俯仰角度的理论值；测试测控定向天线伺服系统天线的俯仰角度的测试值；计算该测试值与该理论值之差，得到测控定向天线伺服系统天线的俯仰轴跟踪精度。

上述方案中，所述计算测控定向天线伺服系统天线的俯仰角度的理论值，采用以下公式实现：

$L_1=111.12\×\cos \left(\frac{1}{\sin \left(y_1\right)\×\sin \left(y_2\right)+\cos \left(y_1\right)\×\cos \left(y_2\right)\×\cos (x_2-x_1)}\right)$

$a_1=\arctan \left(\frac{H_1-H_2}{L_1}\right)$

其中，L₁为系留气球系统距离天线系统的水平距离，(x₁，y₁)和(x₂，y₂)为经纬度坐标，H₁为由GPS接收机获取的系留气球系统高度，H₂为天线系统馈源高度为固定值，a₁为测控定向天线伺服系统天线的俯仰角度的理论值。

上述方案中，所述从天线伺服系统获取测控定向天线伺服系统天线的俯仰角度的实时测量值，包括：测控定向天线伺服系统天线的自跟踪控制采用了和-差通道体制，由天线馈源、接收链路和跟踪接收机组成；天线馈源输出的和路射频信号与差路射频信号在合成网络中合成单通道信号，经下变频后，输出中频信号给跟踪接收机进行误差信号解调；跟踪接收机解调输出反映目标偏离天线瞄准轴空间角度的方位误差电压、俯仰误差电压和反映来波信号强度的AGC电压，输出给天线伺服系统进行闭环跟踪；天线伺服系统的俯仰轴角传感器给出实时测量的天线伺服系统俯仰轴角度。所述测试测控定向天线伺服系统天线的俯仰角度的实时测量值由天线伺服系统的俯仰轴传感器实时测量得到。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种基于小型系留气球系统的对测控定向天线伺服系统的天线俯仰轴跟踪精度进行地面测试的方法，利用系留气球系统可以快速部署，升空高度较高，高度升降操作灵活等特点，可以快速对测控天线伺服系统的俯仰轴跟踪精度进行地面测试，相比采用有人飞行器改装试飞的方法，该方法不需要专门的机场，空域要求也不高(1000米以下)，对于系留气球系统无需专门改装，大大降低测试成本和操作难度，对于大批量生产的测控设备进行测试尤为方便。

2、本发明提供的这种基于小型系留气球系统的对测控定向天线伺服系统的天线俯仰轴跟踪精度进行地面测试的方法，该方法可用于测控系统出厂测试时对定向天线系统俯仰轴跟踪精度的检验，可用于测控系统搭载平台进行飞行试验前对定向天线系统俯仰轴跟踪精度的状态确认，可用于测控系统地面定向天线操作员的训练，以及可用于测控系统地面定向天线伺服机构研制过程中的调试。

3、本发明提供的这种基于小型系留气球系统的对测控定向天线伺服系统的天线俯仰轴跟踪精度进行地面测试的方法，使用了系留气球平台获取被测目标的高度涨落，由于系留气球的风标特性，系留气球平台稳定性远高于固定翼飞机或者直升飞机，由于系留气球没有动力，平台上的振动远远小于固定翼飞机或者直升飞机，测试结果能更加准确地反映测控天线的俯仰轴跟踪精度，所以具有很高的实用价值。

附图说明

图1是现有技术中测控系统的结构示意图。

图2是图1所示测控系统中天线伺服系统的结构示意图。

图3是现有技术中和-差通道自跟踪体制的原理图。

图4是现有技术中系留气球系统的结构示意图。

图5是本发明提供的基于小型系留气球系统的对测控定向天线伺服系统的天线俯仰轴跟踪精度进行地面测试的示意图。

图6是依照本发明实施例的在有水平风情况下测试俯仰角达到80度时对俯仰轴跟踪精度进行测试的示意图。

图7是俯仰轴角速度变化趋势的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明是利用系留气球系统工作可靠、部署简单灵活以及能够快速地模拟无人飞行器高度涨落的特点，利用系留气球系统系留气球的升降来模拟无人驾驶飞行器的高度涨落，系留气球系统搭载GPS接收机，将平台的GPS信息通过测控系统实时回传给地面，然后利用系留气球系统实时获取的GPS信息和地面伺服系统所处的GPS位置实时计算准确的伺服系统俯仰角度；将测控定向天线伺服系统切换为自动跟踪模式，且处于锁定状态，将天线伺服系统的无线电跟踪俯仰角度与准确俯仰角度进行对比，就可以得出跟踪精度。在介绍本发明提供的用于测试测控系统地面天线俯仰轴跟踪精度的方法之前，下面首先对测控系统、远距离目标的自动跟踪和系留气球系统进行简要描述。

1.1、测控系统：

遥测遥控系统(本文简称测控系统)用于实现对无人驾驶飞行器(无人机，飞艇，高空气球等)的远距离遥控、遥测、跟踪定位和数据传输，实现对设备的远距离操纵和载荷数据的实时传输。

如图1所示，图1是现有技术中测控系统的结构示意图。该测控系统由地面站(固定站或移动站)和机载(艇载或者球载)设备组成。地面站主要由测控终端和天线伺服系统组成。测控终端负责无线电信号的调制与解调等，天线伺服系统负责驱动定向天线的方位和俯仰轴，使得天线的波束方向对准跟踪目标，达到最佳的链路传输效果。这里说的天线伺服系统均指的是地面定向天线，如图2所示，图2是图1所示测控系统中天线伺服系统的结构示意图。

测控系统的重要功能为远距离目标的自动跟踪，主要通过下行遥测通道实现。跟踪接收机将得到的误差电压送到伺服设备，伺服设备再控制天线座，实现对无人飞行器设备的自动跟踪。衡量该远距离目标的自动跟踪功能的技术指标就是跟踪精度。

1.2、远距离目标的自动跟踪

目前无人飞行器测控系统主要采用单通道单脉冲和-差通道自跟踪体制。如图3所示，图3是现有技术中和-差通道自跟踪体制的原理图，由天线馈源、接收链路和跟踪接收机组成。馈源输出的和路射频信号与差路射频信号在合成网络中合成单通道信号，经下变频后，输出中频信号送跟踪接收机进行误差信号解调。跟踪接收机解调输出反映目标偏离天线瞄准轴空间角度的方位误差电压、俯仰误差电压和反映来波信号强度的AGC电压，送伺服系统进行闭环跟踪。

在实际操作中，我们对测控系统的方位跟踪精度测试比较容易实现，只需将机载(或艇载，球载)测控设备安装于机动平台(例如卡车)，将机载天线架高，做变换方位的跑车试验即可。但测控系统的方位跟踪测试比较困难，因为无法快速模拟无人飞行器的高度涨落。

1.3、系留气球系统

系留气球系统是一种无动力气球飞行器。气球用系缆与地面设施连接，球体内充氦气，依靠浮力悬停在空中。

如图4所示，图4是现有技术中系留气球系统的结构示意图。该系留气球系统一般由球体、系缆、锚泊设施、压控、供电等主要部分组成。球体为全柔性结构，由多功能柔性复合材料制成，外形一般采用流线型。球体内部分成充有氦气的主气室和充有空气的副气囊两部分，气球的浮力由主气室提供，副气囊则用于调节球体的压力，使球体始终保持较好的刚性。

系留气球系统的工作高度取决于气球体积、载荷重量和系缆重量等因素，一般从几百米至3000米。系留气球系统的抗风能力与球体的气动特性、布局、净浮力和体积大小有关。小型系留气球系统的抗风能力一般为5、6级，大型系留气球可达8级以上。

与其他高低空飞行器相比，系留气球系统具有滞空时间长(连续滞空时间从几天至一个月)，耐候性强，部署简单灵活，造价和维护费用低廉等特点。

基于图1至图4所示的测控系统、远距离目标的自动跟踪和系留气球系统，图5示出了本发明提供的基于小型系留气球系统的对测控定向天线伺服系统的天线俯仰轴跟踪精度进行地面测试的示意图，该方法包括以下步骤：

步骤1：计算测控定向天线伺服系统天线的俯仰角度的理论值；

在本步骤中，由GPS接收机获取的系留气球系统高度为H₁，经纬度坐标为(x₂，y_2，)，天线系统馈源高度为固定值H₂，经纬度坐标为(x₁，y_1，)，系留气球系统距离天线系统的水平距离L₁为：

$L_1=111.12\×\cos \left(\frac{1}{\sin \left(y_1\right)\×\sin \left(y_2\right)+\cos \left(y_1\right)\×\cos \left(y_2\right)\×\cos (x_2-x_1)}\right)$

由以上参数可以计算得近似真实的俯仰角度(即俯仰角度的理论值)应为a₁：

$a_1=\arctan \left(\frac{H_1-H_2}{L_1}\right)$ 公式(1)

步骤2：测试测控定向天线伺服系统天线的俯仰角度的测试值；

在本步骤中，天线系统自动跟踪得到的俯仰角度的测试值a₂，具体过程如下：

测控定向天线伺服系统天线的自跟踪控制采用了和-差通道体制，如图3所示，由天线馈源、接收链路和跟踪接收机组成；天线馈源输出的和路射频信号与差路射频信号在合成网络中合成单通道信号，经下变频后，输出中频信号给跟踪接收机进行误差信号解调；跟踪接收机解调输出反映目标偏离天线瞄准轴空间角度的方位误差电压、俯仰误差电压和反映来波信号强度的AGC电压，输出给天线伺服系统进行闭环跟踪。由图2所示，天线伺服系统的俯仰轴角传感器给出实时测量的天线伺服系统俯仰轴角度。所述测试测控定向天线伺服系统天线的俯仰角度的实时测量值由天线伺服系统的俯仰轴传感器实时测量得到。

步骤3：计算该测试值与该理论值之差σ＝a₂-a₁，即得到测控定向天线伺服系统天线的俯仰轴跟踪精度。

另外，地面测控站配有测试软件，实时计算存储系留气球系统GPS信息和俯仰轴的跟踪精度计算结果。

在得到测控定向天线伺服系统天线的俯仰轴跟踪精度，本发明还进一步对测试俯仰角度范围进行评估、对测试模拟距离进行设计以及对系留气球系统的升速进行评估。

2.1、测试俯仰角度范围评估

为了提高系留气球系统的灵活性和可操作性，一般不对升空高度做过高要求，这里假设升空高度最高为海拔1000米(升空高度越高，系留气球系统越庞大)。

当我们测试时的水平距离为400米时，假设我们在北京地区海拔高度接近0米的地方测试，在静风情况下，即我们认为此时系留气球的系缆不倾斜，理论上可以测得的最大俯仰角为68.2°。

但实际上近地面附近一般来说都是有风的，所以利用系留气球的迎风飘移特性，我们可以测得的最大俯仰角根据风力的大小而有所不同。根据测控系统的结构特点，一般俯仰角大于80°之后，可认为进入过顶阶段。在过顶阶段由于无人飞行器距离地面测控天线的平距很近，而天线系统的俯仰限位一般为90°，如果采用定向自动跟踪，天线系统的方位轴和俯仰轴变化均比较快，可能无法锁定目标，所以在无人飞行器过顶时地面测控系统可临时采用全向天线，等飞离过顶区域后再改为定向自动跟踪。所以我们对天线系统俯仰轴跟踪精度的考核可以定在0～80°。

需要进行大俯仰角(68.2°～80°)测试时，在有风的情况下，将系留气球地面锚泊设施置于地面设施的上风向，由于风阻的作用，系留气球带着载荷飘至俯仰轴测角接近80°的区域。以体积为150立方米的系留气球系统为例，在7m/s的地面风作用下，如果气球升高高度为1000m，则其可飘至距离地面锚泊设施下风向240m的上空，对应地面测控天线的跟踪俯仰角度可达到80°。如果要实现地面天线80°的大仰角测试，只需将系留气球地面锚泊设施移动至测控地面设施上风向400m的地方。如图6所示，图6依照本发明实施例的在有水平风情况下测试俯仰角达到80度时对俯仰轴跟踪精度进行测试的示意图。

2.2、测试模拟距离设计

水平距离400米对于一般无人飞行器测控系统来说都是很近的，测控系统信号过强，天线方向图的副瓣或者漏场均可能锁定目标，有可能影响测试结果，所以在近距离测试的时候要将信号做定量衰减，以模拟远距离飞行测试的情况。

根据自由空间传播条件下传播损耗L_s的表达式：

L_s＝32.45+20lgf+20lgd

其中f为测控系统的工作频率，d为传输距离。

由式1可以看出，影响自由空间传输损耗的除了固定不变的频率外，主要是传输距离，假设我们测控系统的传输指标为d₁km，则这里应使用的衰减器的功率值为L₀，则：

L₀＝20lgd₁

2.3、系留气球系统升速评估

测量俯仰轴跟踪精度必须有一个前提，就是必须在俯仰轴的最大跟踪角速度下测量。由俯仰角 $a=\arctan \left(\frac{V\×t}{400}\right)\×\frac{180}{\mathrm{\π}},$ 可推导得：

$\stackrel{\·}{a}=\mathrm{\ω}=\frac{22918.3V}{160000+V^2{t}^2}$

按照小型系留气球的升空速度V＝3m/s计算，

$\mathrm{\ω}=\frac{22918.3\×3\×60}{160000+9\×t^2}$

当t＝0时，理论的俯仰角速度最大，为25.78°/min，大于测控系统的最大跟踪角速度10°/min。随着高度的增加，俯仰角速度逐渐减少。可见利用系留气球系统模拟无人飞行器的高度涨落，升降速度能够满足测控系统俯仰轴最大跟踪角速度的要求。图7示出了俯仰轴角速度变化趋势的示意图。

基于图1至图7所描述的内容，以下结合具体的实施例对本发明提供的基于小型系留气球系统的对测控定向天线伺服系统的天线俯仰轴跟踪精度进行地面测试的方法进行详细说明，该方法包括：

步骤1：首先根据测控系统机载(或艇载、球载)设备的重量来选取系留气球系统的大小。为了操作方便和空域申请容易，本实施例假定系留气球系统的升空高度均为1000米。

步骤2：根据测控系统的传输指标的d₁，确定机载设备的衰减器大小L₀。

步骤3：将系留气球系统部署在距离测控地面天线400米的地方(在静风情况下系留气球系统部署方位不限，在有风情况下需部署在上风方向，可进行大俯仰角测试)。

步骤4：将GPS接收机和测控系统机载设备安装在系留气球系统的吊舱内，注意GPS天线上部无遮挡，测控天线极化方向朝下无遮挡。

步骤5：系统上电，地面测控系统处于定向锁定状态，并切换为自动跟踪。

步骤6：以3m/s的速度操作系留气球系统在0～1000米高度范围内升降，地面测控监控软件实时记录系留气球系统的高度，经纬度信息，根据公式(1)计算出定向天线伺服系统天线俯仰角度的理论值，将该理论值与天线系统自动跟踪得到的俯仰角度的测试值进行差值计算，即可得到定向天线伺服系统天线俯仰轴的跟踪精度。

步骤7：依照步骤6，以2m/s的速度操作系留气球在0～1000米高度范围内升降，测试在较低俯仰轴跟踪角速度下的跟踪精度。

步骤8：依照步骤6，以1m/s的速度操作系留气球在0～1000米高度范围内升降，测试在极低俯仰轴跟踪角速度下的跟踪精度。

步骤9：依照步骤6，在有水平风的情况下，测试俯仰角80°～63.4°的跟踪精度。(具体操作时最大俯仰角需要根据球体的大小和风速的大小来计算)。

步骤10：综合6～9的测试结果，评价测控系统地面天线的俯仰轴跟踪精度是否达到指标要求。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种对测控定向天线伺服系统的天线俯仰轴跟踪精度进行地面测试的方法，其特征在于，包括：

计算测控定向天线伺服系统天线的俯仰角度的理论值；

从天线伺服系统获取测控定向天线伺服系统天线的俯仰角度的实时测量值；

计算该实时测量值与该理论值之差，得到测控定向天线伺服系统天线的俯仰轴跟踪精度；

其中，所述计算测控定向天线伺服系统天线的俯仰角度的理论值，采用以下公式实现：

$L_1=111.12\×cos\left(\frac{1}{sin\left(y_1\right)\×\sin \left(y_2\right)+\cos \left(y_1\right)\×\cos \left(y_2\right)\×\cos \left(x_2-x_1\right)}\right)$

$a_1=\arctan \left(\frac{H_1-H_2}{L_1}\right)$

其中，L₁为系留气球系统距离天线系统的水平距离，(x₁，y₁)和(x₂，y2)为经纬度坐标，H₁为由GPS接收机获取的系留气球系统高度，H₂为天线系统馈源高度为固定值，a₁为测控定向天线伺服系统天线的俯仰角度的理论值。

2.根据权利要求1所述的对测控定向天线伺服系统的天线俯仰轴跟踪精度进行地面测试的方法，其特征在于，所述从天线伺服系统获取测控定向天线伺服系统天线的俯仰角度的实时测量值，包括：

测控定向天线伺服系统天线的自跟踪控制采用了和-差通道体制，由天线馈源、接收链路和跟踪接收机组成；天线馈源输出的和路射频信号与差路射频信号在合成网络中合成单通道信号，经下变频后，输出中频信号给跟踪接收机进行误差信号解调；跟踪接收机解调输出反映目标偏离天线瞄准轴空间角度的方位误差电压、俯仰误差电压和反映来波信号强度的AGC电压，输出给天线伺服系统进行闭环跟踪；天线伺服系统的俯仰轴角传感器给出实时测量的天线伺服系统俯仰轴角度。

3.根据权利要求1所述的对测控定向天线伺服系统的天线俯仰轴跟踪精度进行地面测试的方法，其特征在于，所述测试测控定向天线伺服系统天线的俯仰角度的实时测量值由天线伺服系统的俯仰轴传感器实时测量得到。