CN105223435B

CN105223435B - 一种弹载抗干扰天线自动测试系统及测试方法

Info

Publication number: CN105223435B
Application number: CN201510548807.3A
Authority: CN
Inventors: 彭云; 张宇翔; 张瑞鹏; 李莎莎; 肖继红; 邓皓升; 王晓飞; 李欣冀; 金文�; 王遂学
Original assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Aerospace Changzheng Aircraft Institute
Current assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Aerospace Changzheng Aircraft Institute
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2018-10-09
Anticipated expiration: 2035-08-31
Also published as: CN105223435A

Abstract

本发明涉及一种弹载抗干扰天线自动测试系统及测试方法，自动测试系统，包括干扰天线阵列、干扰源、开关切换矩阵、测试转台、转台控制器、校准参考天线、频谱分析仪、导航接收机和监控台；干扰天线阵列包括多个天线，天线呈鼠笼状立体分布，测试转台放置在干扰天线阵列中心，所述抗干扰天线放置在测试转台的转盘上，随转盘旋转，且高度可控，从各个方向包括被测天线的后向施加干扰，突破了传统仅从正向施加干扰的局限性，使测试系统能够模拟真实情况。利用统计方法，引入定位精度作为判据，提高测试的有效性和完整性。

Description

一种弹载抗干扰天线自动测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及一种弹载抗干扰天线自动测试系统及测试方法，属于应用于卫星导航抗干扰测试领域。

背景技术

卫星导航抗干扰天线的抗干扰能力是最重要的指标之一，以干信比来表示。干信比的测试需要接收系统接收导航卫星信号同时施加干扰信号，结合定位情况和卫星情况进行测试。测试时，接收系统同时满足PDOP值和定位精度的下限值的条件上，施加的最大干扰信号与卫星信号功率的比值就是干信号。因此测试需要的条件是：(1)卫星信号；(2)干扰信号；(3)标定的位置；(4)电磁环境良好的环境。

同时，弹载抗干扰天线由于载体的高动态、高海拔、姿态变化大等特性，干扰的来向复杂，干扰信号强度变化快，变化幅度大。要全面测试抗干扰接收系统的性能，抗干扰测试系统就必须完全模拟真实的状态。如何实现真实干扰的模拟是本领域急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，实现真实干扰的模拟。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种弹载抗干扰天线自动测试系统，包括干扰天线阵列、干扰源、开关切换矩阵、测试转台、转台控制器、校准参考天线、频谱分析仪、导航接收机和监控台；

干扰天线阵列：包括M个天线，M个天线以测试转台为中心排布；

干扰源：为n个，n>2，分别产生干扰信号；接收监控台的干扰源控制信号；

开关切换矩阵：控制干扰天线阵列中的每个天线接入干扰源；

测试转台：放置在干扰天线阵列中心，所述抗干扰天线放置在测试转台的转盘上，随转盘旋转；

转台控制器：用于控制测试转台转盘旋转速度、旋转角度、旋转方向、升降高度；

校准参考天线：在测试抗干扰天线之前放置在所述转盘上，用于标定干扰天线阵列中每个天线对应各干扰源的发射功率；校准参考天线的天线增益G₀已知，从校准参考天线到频谱分析仪之间的电缆损耗为L₁已知；

频谱分析仪：接收监控台发送的控制信号，并根据所述控制信号设置自身的配置参数；检测校准参考天线输出的射频信号，计算射频信号的信号功率，并将信号功率发送到监控台；

导航接收机：接收监控台发送的控制信号，并根据所述控制信号设置自身的配置参数；实时接收被测抗干扰天线传送的卫星信号，解调后得出被测抗干扰天线的位置点、卫星数量、卫星载噪比和PDOP值，并传送到监控台；

监控台：连接到多个干扰源，控制每个干扰源发射信号的参数；接收频谱分析仪发送的功率值R_i，计算干扰源到被测天线口面的衰减L2_i；预置被测天线口面的功率值为P_r，计算每个天线对应的干扰源发射功率T_i＝P_r+L2_i，监控台根据T_i对每个干扰源进行设置；接收导航接收机发送的被测抗干扰天线的位置点、卫星数量、卫星载噪比、PDOP值，对所述位置点进行统计获得抗干扰天线的定位位置，根据被测抗干扰天线的真实位置计算出抗干扰天线的位置偏差；计算接收系统的抗干扰能力。

优选的，M取41个，41个天线以测试转台为中心排布的方式为：

8根1m高的支撑杆沿着以转台为中心，1.73m为半径的圆周均匀分布，每根支撑杆的顶部安装一个天线；8根4m高的支撑杆沿着以转台为中心，3m为半径的圆周均匀分布，每根支撑杆的顶部、距离地面1m、距离地面2.73m分别安装一个天线；两个中心对称的4m高的支撑杆顶端架设水平支撑，四个水平支撑呈米字型分布，在每个水平支撑两端距离中心1.73m处安装一个天线；米字中心安装一个天线。

优选的，所述支撑杆采用直径10cm的玻璃钢柱实现。

优选的，频谱分析仪自身的配置参数包括频率、带宽、参考电平和频标mark；

优选的，接收机配置参数包括选择GPS、GLONASS、北斗B1或北斗B3中的一种模式或多种模式组合。

优选的，根据被测抗干扰天线的真实位置计算出抗干扰天线的位置偏差包括水平误差、垂直误差和速度误差。

同时提供一种基于所述的自动测试系统的测试方法，包括如下步骤：

(1)对被测天线安装位置标定

GPS测量接收机对被测天线安装位置标定，同时对校准天线到频谱分析仪之间的电缆损耗为L₁进行标定，对校准参考天线增益G₀进行标定；

(2)信号校准

根据测试需要确定转盘升降高度h_x，将校准参考天线放置在转盘中心；

由监控台控制干扰源，调节各个干扰源的输出功率为0dBm，调整校准参考天线的高度，在每个高度针对每一个天线分别切换各个干扰源，频谱分析仪依次测试各个干扰源的情况下校准参考天线的接收功率R_i，并将接收功率R_i发送到监控台，监控台计算干扰源到被测天线口面的衰减L2_i；

(3)静态测试

移除校准参考天线，在相同的位置安装被测抗干扰接收天线；

监控台关闭所有的干扰射频信号，控制接收机进行无干扰状态下接收被测抗干扰接收天线发送的信号，确保收星正常，收星数量，PDOP值、水平误差均满足阈值要求；

监控台控制开关矩阵，在M个发射天线中选择1至n个天线发射干扰信号，n≤M；

控制转台，以测试需要的转盘升降高度h_x和测试需要的方位角接收卫星信号；发射干扰信号，预置被测天线口面的功率值为P_r，P_r<-80dBm,计算每个天线对应的干扰源发射功率T_i＝P_r+L2_i，监控台设置每个干扰源输出功率为T_i；试验过程中j次上调被测天线口面的功率值；当第j次收星数量，PDOP值、水平误差任何一个不满足阈值要求时，记录第j-1次干扰源发射功率T_i作为临界功率，记录T_i，计算接收系统的抗干扰能力；

(4)动态测试

监控台控制开关矩阵，在M个发射天线中选择1-n个天线发射干扰信号；根据测试需要，利用开关矩阵按照切换天线，形成干扰来向的动态变化；

控制转台，以测试需要确定转盘升降高度h_x按指定方向旋转；发射干扰信号，预置被测天线口面的功率值为P_r，P_r<-80dBm,计算每个天线对应的干扰源发射功率T_i＝P_r+L2_i，监控台设置每个干扰源输出功率为T_i；试验过程中j次上调被测天线口面的功率值；

监控台根据导航接收机接收的卫星的数量、PDOP值和定位数据，自适应的调制调整步进和保持时间；当第j次收星数量，PDOP值、水平误差任何一个不满足阈值要求时，记录第j-1次干扰源发射功率T_i作为临界功率，记录T_i，计算接收系统的抗干扰能力。

优选的，收星数量，PDOP值、水平误差任何一个不满足阈值要求具体为：当收星数量大于等于4颗，PDOP值小于5和水平误差置信概率在1σ时小于15m，这三个条件中任何一个不满足。

优选的，干扰源到被测天线口面的衰减计算公式如下：L2_i＝R_i+L₁-G₀。

优选的，接收系统的抗干扰能力通过如下公式计算：

(J/S)_dB＝T_i-L2_i-(-130dBm)，J表示干扰信号功率，S表示卫星信号功率。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

全自动测试，从校准到测试，都可以自动完成，节省人力和测试时间。

(1)本发明采用开关矩阵切换多个干扰源，不仅可以模拟任意来向的干扰，还可以动态切换，模拟信号的来向的变化，对干扰的模拟更真实。

(2)本发明除了直接读取PDOP值和收星数量外，利用统计方法，引入定位精度作为判据，提高测试的有效性和完整性。

(3)本发明采用转台，实现被测天线旋转，模拟动态环境下被测天线真实情况；干扰天线阵列能够从各个方向包括被测天线的后向施加干扰，突破了传统仅从正向施加干扰的局限性，使测试系统能够模拟真实情况。

附图说明

图1为本发明测试系统组成框图；

图2为天线阵示意图；其中(a)表示天线阵列的主视图，(b)为天线阵列的俯视图；

图3为1#～17#天线分布示意图；(a)表示1#～17#天线侧视图，(b)为1#～17#天线的俯视图；

图4为18#～25#天线分布示意图；(a)表示18#～25#天线侧视图，(b)为18#～25#天线的俯视图；

图5为26#～41#天线分布示意图；(a)表示26#～41#天线侧视图，(b)为26#～41#天线的俯视图。

具体实施方式

一、测试系统

本发明的测试系统包括干扰天线阵列、干扰源、开关切换矩阵、测试转台、转台控制器、校准参考天线、导航接收机、频谱分析仪和监控台(含监控计算机、监控软件)，如附图1所示。

1、干扰天线阵列

天线阵由41个天线单元构成。单元天线采用平面螺旋天线。右旋圆极化，波束宽带≥70°，工作频率：1.15-1.65Ghz，全频道轴比≤3。单元天线需防雨、防晒，耐热耐寒。天线配备可调节方向的支撑座。

LD-BGG30天线特性如下：

频率范围：1555MHz-1615MHz/1200MHz-1270MHz

输入阻抗：50 Ohm

极化方式：右旋圆极化(RHCP)

天线轴比：<3dB

水平面覆盖角度：360°

输出驻波(VSWR)：2.0

天线单元增益：5dBi

相位中心误差：±2mm

结构特性

体积：ф140*58

射频输出接头：TNC-C-K

安装方式：5/8粗螺纹安装

防水等级：IP67

工作温度：-40℃～+85℃

存储温度：-40℃～+85℃。

参见图2，天线阵由8根高4米的天线支撑杆和8根高1米天线支持杆为框架构成，以圆形等间隔分布。分布园直径6米。4米高的支持杆上覆盖“米”字型支撑网，形成一个鼠笼状整体天线支撑架。此天线支撑架在底部固定和斜拉绳固定。高1米的天线支撑杆为活动支撑杆，上安装1个天线，天线高度可以调节。默认分布园半径为1.73米。为了减小反射和对信号的影响，天线支撑杆采用直径10cm的玻璃钢柱实现。

1#～8#天线安装在高4米天线的支撑杆的顶部。9#～16#天线安装在顶部“米”字型支撑网上，以半径为1.73米分布。17#天线安装在顶部“米”字型支撑网的中心。如图3所示。

18#～25#天线安装在高4米的支撑杆上，距离地面2.73米，如图4所示。

26#～33#天线安装在高4米的支撑杆上，距离地面1米，34#～41#天线安装在高1米的支撑杆上，如图5所示。

2、干扰源

干扰源产生干扰信号，干扰源分为宽带干扰和窄带干扰两种，由监控台控制。宽带干扰源2个，用矢量信号源实现。窄带干扰源1个，用微波信号源实现，选用HP的83620A。宽带信号源选用R&S公司的SMU200A，最大输出功率24dBm。频率100KHz～3GHz。

3、开关切换矩阵

用于将干扰天线阵列中的每个天线与多个干扰源中的每个干扰源分别对应，控制每个天线接入干扰源。

开关矩阵为3*41的开关矩阵，实现3个干扰源在矩阵中的任意分布，3个输入，41个输出。

3个输入端口可指向任何41个输出端口，但同一时刻最多只存在3路独立通道。

4、测试转台及转台控制器

所述测试转台安装在天线阵的中心，架设天线的高度可以在1～3米调节，转台可以0°～360°旋转。为了保证转台的长期可靠，同时减少转台的电磁波反射，安装防雨罩和吸波层。控制器安装在室内，通过控制器可以控制转台的起始角度，角度和转速、转向。

控制器安装在室内，通过控制器可以控制转台的起始角度，角度和转速、转向、升降高度等。

转台和转台控制器选用北京瑞赛长城航空测控技术有限公司的产品。

5、校准参考天线

用于在测试抗干扰天线之前放置在所述转盘上标定干扰天线阵列中每个天线对应各干扰源的发射功率；校准参考天线的天线增益G₀事先标定，从校准参考天线到频谱分析仪之间的电缆损耗为L₁事先标定。

6、导航接收机

接收机覆盖GPS、GLONASS、北斗B1和B3等通用频率。

7、监控台

监控台包括监控计算机，用于检测接收机的定位情况，通用监控软件，测试和统计接收机的定位精度情况，收星情况，信噪比情况，并输出图表和报告。

监控计算机控制每个干扰源发射信号的参数；监控计算机连接到频谱分析仪，控制频谱分析仪的检测参数，并接收频谱分析仪发送的功率值R_i，计算干扰源到被测天线口面的衰减L2_i＝R_i+L₁-G₀；预置被测天线口面的功率值为P_r，计算每个天线对应的干扰源发射功率T_i＝P_r+L2_i，监控台设置每个干扰源输出功率为T_i；监控计算机连接到导航接收机，控制导航接收机的工作模式设置，并接收导航接收机发送的被测抗干扰天线的位置点、卫星数量、卫星载噪比、PDOP值；对位置点进行统计获得抗干扰天线的定位位置，根据被测抗干扰天线的真实位置计算出抗干扰天线的位置偏差，计算接收系统的抗干扰能力(J/S)_dB＝T_i-L2_i-(-130dBm)，J表示干扰信号功率，S表示卫星信号功率。

8、频谱分析仪

接收监控台发送的控制信号，并根据所述控制信号设置自身的配置参数；检测校准参考天线输出的射频信号，计算射频信号的信号功率，并将信号功率发送到监控台。

二、系统测试原理

测试系统由监控软件对信号源、开关矩阵、转台进行控制，让信号源产生规定的频率、功率和调制特性的信号，经过开关矩阵切换，切换成41个天线中的3个发射信号，形成不同角度、强度的干扰信号。安装被测天线的转台安装面的中心位置经过精密GPS事先标定。通过监控软件采集接收机的收星数据。得到被测抗干扰天线位置、速度、卫星数量，分布以及载噪比等信息。在软件中，被测抗干扰天线位置与真实位置进行比较，得出水平误差、垂直误差和速度误差的统计结果和采样有效数据的统计结果。通过转台控制，使被测天线按照一定的速度旋转，可以测试抗干扰系统动态抗干扰能力。通过架高被测天线，可以模拟飞行器在高空，干扰从地面辐射的实战场景。

三、测试流程

1、标定

在建设系统时，利用厘米级GPS测量接收机对被测天线安装位置标定，同时利用网络分析仪对校准天线到频谱分析仪之间的电缆损耗为L₁进行标定，对校准参考天线增益G₀进行标定，标定方式采用本领域公知的方式。

2、信号校准

每次系统开机，均需进行信号校准。校准前，需要进行设备预热，预热时间15-30分钟。

由监控台控制干扰源，设置成单载波模式，调节干扰源的输出功率为0dBm，通过开关矩阵进行切换。同时，控制转台升降，针对每一个天线、每一个干扰源以及每一个校准参考天线位置，记录频谱分析仪的接收功率为R_idBm，则，干扰源到校准参考天线口面的衰减L₂为R_i+L₁-G₀，单位dB。监控台根据发射天线的位置和参考接收天线的位置，自动计算出每个天线的来向。

3、静态测试

移除校准参考天线，在相同的位置安装被测抗干扰接收天线。

监控台关闭所有的干扰射频信号，控制接收机进行无干扰状态下收星，确保收星数量、PDOP值和定位正常。

根据任务要求，在41个发射天线中，监控台控制开关矩阵，选择1-3个发射天线发射干扰信号。控制转台，以一定的高度和方位角进行收星。控制干扰元，根据试验要求，发射一定能够模式的干扰信号，发射功率初始值设为-80dBm，试验过程中逐步上调发射功率。监控台可以根据接收机收星的数量、PDOP值和定位数据，自适应的调制调整步进和保持时间。最大步进为10dBm，最小步进为1dBm，测试的保持时间大于100s时，测试数据有效。当收星数量大于等于4颗，PDOP值小于5和水平误差小于15m(1σ)这三个条件任何一个不满足的上一个干扰功率作为临界功率，记为T_idBm，计算接收系统的抗干扰能力(J/S)_dB＝T_i-L2_i-(-130dBm)

4、动态测试

在测试过程中，控制转台以一定的速度旋转，同时，利用开关矩阵按照一定的方向切换干扰发射天线，形成干扰来向的动态变化，形成动态抗干扰测试。测试方法与静态测试方法相同。

四、实施例

干扰发射天线阵能够形成360°的全方位干扰，共由41个天线发射单元组成。天线阵形成圆柱形分布，仰角分布为：0°、30°、45°、60°、90°(被测件升高后，形成-30°、-45°、-60°)；方位角分别为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。如附图2所示，在天线阵中心安装单轴转台，被测抗干扰天线安装在转台上，被测天线可以升降。

干扰源产生干扰信号，干扰源分为宽带干扰和窄带干扰两种。干扰源3个，用矢量信号源实现，可以在100KHz～3GHz产生噪声、调频、脉冲、数字调制等多种类型的压制式信号。

开关矩阵实现3个干扰源在矩阵中的任意分布，3个输入，41个输出，同时对信号进行放大，满足抗干扰测试对干扰信号强度的需要。开关可以实现本地切换操作和远程控制切换。

天线阵由41个天线单元构成。单元天线采用平面螺旋天线。右旋圆极化，波束宽带≥70°，工作频率：1.15～1.65Ghz，全频率轴比≤3。单元天线需防雨、防晒，耐热耐寒。天线防水等级在IP67以上。

天线阵由8根高4m的天线支撑杆和8根高1m天线支持杆为框架构成，以圆形等间隔分布。分布园直径6m。4m高的支持杆上覆盖“米”字型支撑网，形成一个鼠笼状整体天线支撑架。此天线支撑架在底部固定和斜拉绳固定。高1m的天线支撑杆为活动支撑杆，上安装一个天线，天线高度可以调节。默认分布园半径为1.73m。为了减小反射和对信号的影响，天线支撑杆采用直径10cm的玻璃钢柱实现。

转台安装在天线阵的中心，架设被测件的高度可以在1～3m内升降，转台可以0°～360°旋转。转台配备多路导电滑环，用于信号传输和为被测设备供电。为了保证转台的长期可靠，转台采用密封设计，同时为减少转台的电磁波反射，安装吸波层。控制器安装在室内，通过控制器可以控制转台的起始角度，角度和转速、转向、升降高度等。

监控台配备监控计算机、监控软件，用于对系统的各种设备进行控制并能够监测接收机的定位情况。通用监控软件，测试和统计接收机的定位精度情况，收星情况，载噪比情况，并能够输出图表和报告。

测试系统由监控软件对信号源、开关矩阵、转台进行控制，让信号源产生规定的频率、功率和调制特性的信号，经过开关矩阵切换、放大，切换成41个天线中需要的3个发射信号，形成最大3个不同角度、强度的干扰信号。安装被测天线的转台安装面的中心位置经过精密GPS标定，位置误差小于0.1m。通过监控软件采集接收机的收星数据。得到接收机的位置、速度、卫星数量，分布以及载噪比等信息。在软件中，与标准位置进行比较，得出水平误差、垂直误差和速度误差的统计结果和采样数据有效率的统计结果。通过转台控制，使被测天线按照一定的速度旋转和升降，测试抗干扰系统动态抗干扰能力。通过架高被测天线，可以模拟飞行器在高空，干扰从地面辐射的真实场景。

动态抗干扰收星测试系统可以完成常用卫星导航接收系统的静态和动态抗干扰收星试验，并可对导航系统的抗干扰能力进行鉴定。系统设计安全可靠，可实施性强，可以满足高速飞行器测试需求。

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。

Claims

1.一种弹载抗干扰天线自动测试系统，其特征在于：包括干扰天线阵列、干扰源、开关切换矩阵、测试转台、转台控制器、校准参考天线、频谱分析仪、导航接收机和监控台；

2.根据权利要求1所述自动测试系统，其特征在于：M取41个，41个天线以测试转台为中心排布的方式为：

3.根据权利要求2所述自动测试系统，其特征在于：所述支撑杆采用直径10cm的玻璃钢柱实现。

4.根据权利要求1所述自动测试系统，其特征在于：频谱分析仪自身的配置参数包括频率、带宽、参考电平和频标mark。

5.根据权利要求1所述自动测试系统，其特征在于：接收机配置参数包括选择GPS、GLONASS、北斗B1或北斗B3中的一种模式或多种模式组合。

6.根据权利要求1所述自动测试系统，其特征在于：根据被测抗干扰天线的真实位置计算出抗干扰天线的位置偏差包括水平误差、垂直误差和速度误差。

7.根据权利要求2所述自动测试系统，其特征在于：干扰源到被测天线口面的衰减计算公式如下：L2_i＝R_i+L₁-G₀。

8.根据权利要求2所述自动测试系统，其特征在于：接收系统的抗干扰能力通过如下公式计算：(J/S)_dB＝T_i-L2_i-(-130dBm)，J表示干扰信号功率，S表示卫星信号功率。

9.一种基于权利要求1所述的自动测试系统的测试方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)对被测天线安装位置标定

(2)信号校准

(3)静态测试

控制转台，以测试需要的转盘升降高度h_x和测试需要的方位角接收卫星信号；发射干扰信号，预置被测天线口面的功率值为P_r，P_r<-80dBm,计算每个天线对应的干扰源发射功率T_i＝P_r+L2_i，监控台设置每个干扰源输出功率为T_i；试验过程中j次上调被测天线口面的功率值；当第j次收星数量，PDOP值、水平定位精度任何一个不满足阈值要求时，记录第j-1次干扰源发射功率T_i作为临界功率，记录T_i，计算接收系统的抗干扰能力；

(4)动态测试

监控台关闭所有的干扰射频信号，控制接收机进行无干扰状态下接收被测抗干扰接收天线发送的信号，确保收星正常，收星数量，PDOP值、水平定位精度均满足阈值要求；

10.根据权利要求9所述方法，其特征在于：收星数量，PDOP值、水平误差任何一个不满足阈值要求具体为：当收星数量大于等于4颗，PDOP值小于5和水平误差置信概率在1σ时小于15m，这三个条件中任何一个不满足。

11.根据权利要求9所述方法，其特征在于：干扰源到被测天线口面的衰减计算公式如下：L2_i＝R_i+L₁-G₀。

12.根据权利要求9所述方法，其特征在于：接收系统的抗干扰能力通过如下公式计算：(J/S)_dB＝T_i-L2_i-(-130dBm)，J表示干扰信号功率，S表示卫星信号功率。