CN107085150A - 一种短波发射天线三维立体方向图空中移动测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短波发射天线三维立体方向图空中移动测量系统及方法，本发明系统包括由环天线和场强仪主机构成的场强测量系统，无人机平台等部分；计算由场强信号预处理模块、标准方向图计算子模块、空间谱处理子模块、数字波束形成子模块以及发射天线校对因子计算子模块执行。本发明中主要采用全向环形天线测量场强信号，采集并存储场强信号，并对场强信号进行预处理，再通过空间谱估计技术对信号进行进一步处理，最后在无人机平台上进行测试。本发明为短波发射天线方向图的评估提供了指标，能够在不影响短波发射天线实时性和有效性的前提下，实现天线方向图的在线自动监测，具有设备简单、操作方便的特点。

Description

一种短波发射天线三维立体方向图空中移动测量系统及方法

技术领域

本发明属于利用无人机空中测量平台对短波发射天线三维立体方向图进行全方位测量于建模绘制领域，更具体地，涉及一种短波发射天线三位立体方向图空中移动测量系统及方法。

背景技术

短波发射天线搭建好后，天线真实的辐射方向图一直是用户希望能够得到的，因为通过方向图能够非常直观的掌握天线的真实效能。天线方向图，即指天线辐射电磁场(通常用电场)在远区固定距离上的强度随空间坐标分布的图形称为天线的立体方向图。对于小型天线测量和实验室研究而言，一般可以在微波暗室精确测量，通常采用旋转天线法进行测量。根据天线互易性原理可知，天线既可用做接收天线，也可用做发射天线。测量时将源天线作为发射天线固定不动，处于远区的待测天线作为接收天线绕其自身通过相位中心的轴线进行旋转，旋转方向通常选择电场强度矢量和磁场强度矢量分别所在并包含最大辐射方向的E面和的H面，转动过程中，安装在待测天线上的场强计直接读取出天线在转动角度上的功率或场强值大小并进行保存，最后计算机依据这些数据绘制出天线方向图。而对外形尺寸和架设面积都较大的天线(如短波天线)，其三维立体方向图的测量一直是领域的一个难题。在短波天线野外架设场地对天线方向图进行测量时，人们通常采用手动法进行,由测试人员携带便携式接收天线和场强测试设备，在野外围绕短波待测天线选取不同角度和距离测试接收点场强，要求测试区域必须是平地并且人员和仪器设备能够到达的位置，数据的录取、方向图的绘制以及参数的计算都是通过手工方式,操作复杂,工作量大,耗时长,精度低。一旦天线架设的地形太复杂或是在山顶等地，则测试就无法进行。而且更重要的是，到目前为止，所有的野外测量都是在地面上进行，获取数据后还需要依赖计算机进行建模仿真绘制出三维立体方向图，到目前为止，还没有一种方法能够在野外条件下实现对短波发射天线三维立体方向图实现完全准确的实地测量与绘制。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种短波发射天线三位立体方向图空中移动测量方法，由此解决在野外的条件下实现对短波发射天线三维立体方向图的测量与绘制的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种短波发射天线三维立体方向图空中移动测量系统，其特征在于，该系统包括数据采集子系统和测量数据分析处理子系统构成；

所述数据采集子系统包括由无人机搭载的环形接收天线，所述无人机在地面站的控制下在同一高度围绕被测短波发射天线圆周运动，所述全向环形天线采集的信号发送于场强信号接收模块；

所述数据采集子系统还包括GPS信号采集模块、预设基准校正库模块、接收信号处理模块及接收信号存储模块等构成，所述GPS信号采集模块通过GPS差分定位实现所述无人机测量位置的定位，并将定位信息传输于所述接收信号处理模块，所述预设基准校正库模块将用于校准的基准站定位信息发送于所述接收信号处理模块，所述接收信号处理模块对定位信息执行校准，之后将所述校准的定位信息及所述场强信号发送于所述接收信号存储模块执行存储；

所述测量数据分析子系统接收来自所述接收信号存储模块的信息并执行处理，所述测量数据分析处理子系统包括依次相连的场强信号预处理模块、基于空间场强数据的方向测量模块、数字波束形成模块和发射天线校对因子计算模块构成；

所述场强信号预处理模块对所述数据采集子系统传输的所述场强数据进行预处理，消减姿态变化的影响，将处理后的场强信号传输于基于空间谱的方向测量模块，通过运用空间谱统计、通道不一致校正及空间谱测向算法，形成所述被测短波发射天线的空间谱；

所述数字波束形成模块用于生成标准的数字波束；

所述发射天线校对因子计算模块将被测天线的空间谱通过与标准方向图计算模块生成的被测天线标准场强分布进行比对，计算出所述被测短波发射天线标准发射方向和谱估计处理后的实际发射方向，计算实际方向图，并给出校正因子。

进一步地，所述无人机上设置有GPS定位系统，用于记录飞行轨迹。

进一步地，所述环形天线圆环直径500mm，整体高度为300mm。

进一步地，所述环形天线吊挂式安装。

进一步地，所述环形天线为正交环。

本发明还公开了一种短波发射天线三维立体方向图空中移动测量方法，其特征在于，该方法主要包括如下步骤：

(1)设置无人机的飞行路径，释放所述无人机围绕被测短波发射天线按照所述飞行路径对场强信号及所述飞行位置的GPS数据进行采集；

(2)导出采集的数据执行处理，利用空间谱处理计算所述被测短波发射天线的误差校正因子的计算。

进一步地，对所述采集的场强信号E_r执行校正，执行校正的过程如下：

E＝E_r+K+L_f(dBμV/m)

其中：E为校正后场强值；K为天线系数，单位为dB；L_f为采集所述场强信号所利用的装置内的连接电缆损耗值，单位为dB。

进一步地，所述飞行位置的GPS数据在处理时经过基准站的校正从而获得采集所述场强信号的精确位置。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，通过将测量设备安装在无人机上，采用全向环形天线对天线在立体空间中的场强进行测量，根据测量环境设置无人机不同的飞行路径，建立相应的立体空间模型实时对所测得的场强值进行校正，最终实现完整、真实的绘制出短波发射天线野外条件下的三维立体方向图，总之能够取得如下有益效果：

(1)确保辐射源到监测接收机的传播方向上遮挡较小，电波受到干扰少、失真小，受多径传播影响小，可灵活移动，测量效率高；

(2)使用正交环的方法接收信号，无需人工选择天线，提高了甚低频收信的可靠性和机动载体的机动能力，尤其不影响机动载体其它任务的执行；

(3)空间谱处理具有高精度、高分辨力，同时算法计算精度较高可以对多个入射波进行测向，并有效地分辨出相干信号。

附图说明

图1为按照本发明实现的短波发射天线三维立体方向空中移动测量系统组成结构示意图；

图2为按照本发明实现的测量系统中的场强信号采集的工作流程示意图；

图3为按照本发明实现的接收信号处理模块的组成结构示意图；

图4为按照本发明实现的预处理信号处理模块的处理模块示意图；

图5为按照本发明实现的场强预处理模块绘制的水平场图一；

图6为按照本发明实现的场强预处理模块绘制的水平场图二；

图7为按照本发明实现的场强预处理模块绘制的垂直场图一；

图8为按照本发明实现的场强预处理模块绘制的三维场图一；

图9为按照本发明实现的全向环形天线的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

从整体结构和功能上来讲，按照本发明实现的系统由数据采集子系统和测量数据分析处理子系统构成。

数据采集子系统由全向环形天线、GPS信号采集、场强信号采集、预设基准校正库、接收信号处理及存储模块等构成。测量数据分析处理子系统由场强信号预处理模块、基于空间场强数据的方向测量模块、数字波束形成模块和发射天线校对因子计算模块构成。

其中数据采集子系统部分被配置在空中平台上，在同一高度围绕被测天线做圆周运动，并采用全向接收天线和数据记录装置完成被测天线发射场强的实时测量与记录。测量数据分析处理处理子系统置于地面，通过对所记录的场强数据的处理和空间谱统计分析给出被测天线各单元的相位校正因子。

数据采集子系统的主要功能包括：通过GPS差分定位技术实现测量位置的精确定位，并由GPS信号采集及存储模块将测量位置坐标传输给场强信号采集及存储模块；由场强信号采集及存储模块通过圆阵磁场型场强信号接收天线(水平极化接收，环形天线)完成原始场强信号的采集、处理及记录。

测量数据分析处理子系统的主要功能包括：通过场强信号预处理模块对数据采集子系统记录的原始场强数据进行预处理，消减姿态变化对场强测量值的影响；由场强信号预处理模块将处理后的场强信号传输给基于空间谱的方向测量模块，通过运用空间谱统计、通道不一致校正及相应的空间谱测向算法，形成被测天线的空间谱；将被测天线的空间谱通过与标准方向图计算模块生成的被测天线标准场强分布进行比对，由发射天线校对因子计算模块计算出被测天线的相位校正因子。

在上述技术的基础之上，本发明设计的重点创新技术点主要体现在如下方面：

应用于短波发射天线方向图空中移动监测的技术，在空中实现对短波发射天线方向图的移动监测，通过无人机搭载上述测量系统设备的空中部分沿既定航线在测试场地上空飞行，经过对正交环的环形天线采集和存储的场强信号进行预处理，对可能的偏差进行校正，对信号点的距离、方位和信号强度按照设定条件进行筛选，并剔除可能存在的异常点，并通过运用空间谱估计处理的相关算法，基于数据采集子系统的采集数据，实现对被测天线阵的实际发射方向的高精度测量，完成误差校正因子的计算。

无人机飞行的路线在地面站进行设置，可预先设定好无人机飞行的坐标和海拔高度，无人机上还携带有GPS定位系统，可精准记录无人机的飞行轨迹。

移动站天线架设在待测点上，与移动站GPS接收机相连，移动站将接收到的基准站数据和自身的数据进行同步处理，解算出移动站的差分位置，其水平精度和海拔精度均在1m以内。

基准点选择，基准站的架设通常使用两种方法进行:

1)已知坐标基准点架设。首先获得一个已经知道精确坐标值(典型坐标值为WGS84坐标系下的经纬度坐标)的点位；然后在架设过程中，将卫星定位GPS基准站接收机的卫星接收天线通过三脚架或者对中杆等辅助设备准确的架设在已知精确坐标值的点位上，并通过拉尺测量天线信号接收点离地高度Y(这个值是作为一个点位修正量对基准站进行点位修正)。

2)未知坐标基准点架设方式。通过一段连续时间内(如半小时)测量某设定点坐标，并由GPS设备自动对所有数据进行统计平均处理，得到相对接近真值的位置坐标数据作为基准点，测量的移动站位置精度也是相对于此基准站位置而言。

选定基准站测量点后，将基准站GPS接收机和GPS天线连接，GPS天线放在待测点上，将GPS接收机和数传电台连接。

将基准站解算的修正GPS信息数据通过数传电台传输给移动站，移动站通过差分解算，向空中场强信号采集及存储模块输出高精度定位结果。

通过以上的方式，实现了预设基准校正库信息的生成，在接收信号处理的过程中能够作为参考。

上述GPS信号和预设基准校正库的设置主要是为了在场强测量的过程中同步获得测量点的位置信息，因为在测试过程中空中平台无人机以一定的速度进行飞行，后加位置信号很难准确匹配，同时在测量过程中，需要结合位置信息进行信号的校正，避免某些测量点的数据对测量精度造成影响。

而现阶段常见的定位方式是GPS系统定位，现阶段的性能已经大幅度提高，其体积进一步缩小，定位精度进一步提高，而价格却在逐年下降。目前，随着GPS卫星星座的完善和SA政策的取消，GPS的定位精度得到了大幅度提高，单点定位精度从原来的100米左右，已经提升到了15米左右，对于具有各种不同专利算法的GPS接收机，其单点定位精度已能达到2-5米，采用差分解算的方式则能够达到厘米级，而且使用差分定位的方式能够更有效地降低海拔误差的影响，进一步保证测量的精度。

实施例一

如图1所示，按照本发明实现的短波发射天线三维立体方向图空中移动测量系统的组成结构示意图，其中，本发明主要包括十字交叉环接收天线，作为测量天线来进行信号的测量，其中，十字交叉环接收天线所采集的辐射信号，传输于后续的信号处理与接收模块来对信息进行相应的处理。

其中，如图1所示，按照本发明的处理模块主要包括场强信号接收模块，主要用于对十字交叉环接收天线接收的信号进行预处理；

预处理完成的信号传输于接收信号处理模块，其中接收信号处理模块还接收GPS信号，以及预设基准校正库的信号；

其中接收信号处理模块对信号进行处理后，发送于接收信号存储模块对信号进行存储。

除了上述的单元模块，本发明还包括中心控制单元，其对场强信号接收模块，以及接收信号处理模块、接收信号存储模块进行总体的控制。

每个计算模块所实现的计算如下：

1、场强信号接收及计算

被测天线在空间某点处与被测信号极化方向相同时，取得最大感应信号，通过电缆传到场强信号接收模块的输入端口，所获得的数值就是可测得场强值E_r。

而要提高可测场强值的精度，本模块主要是通过高精度的元器件和测量电路来提供保证。场强接收机本身具备很高的动态范围，使得场强接收机电压测试范围达到0～120dBμV，从而保证接收的灵敏度。同时为提高场强测量模块外壳的屏蔽效果，尽量减少外部信号泄漏到设备内部，场强测量模块外壳采用插槽设计，并采用延长信号衰减距离的方法，加强设备接缝处的密封，空隙部分用导电胶填充，确保外壳具备良好的屏蔽性。场强测量模块内部重要部件安装屏蔽外壳，屏蔽效果大于90dB。从而在避免内部器件的相互干扰的同时，进一步提高对外部漏入信号的屏蔽效果。电缆采用高质量的屏蔽电缆，保证信号的有效传输。

在此基础上，考虑到空间场强测量的特殊性(在不同频段、不同天气条件、不同的时间段和不同的外部环境下，测量模块所处的电磁环境都会有所差异)，将不同被测频率、不同天气条件、不同高度、不同地域下对应定制天线的天线系数K存储于预设基准校正库中用于场强值的实时计算调用，对所测得的场强值E_r进行校正。

校正后的场强值为：

E＝E_r+K+L_f(dBμV/m)

其中：E——校正后场强值；

E_r——输入端口电平值；

K——天线系数(dB)；

L_f——连接电缆损耗值(dB)；

2、GPS信号导入

对于场强信号接收及计算模块来说，需要实时引入高精度的位置信息，精度、纬度和海拔都是必要的，因此需要实时的GPS信号导入。在本模块中，是将GPS信号采集及存储模块的差分GPS信号通过GPS串口实时导入。相较于传统的GPS信息采集方式，采用差分定位方式获取到的GPS信息精度得到了大大提升，从而能够进一步提高空中场强测量的精确性。

3、接收信号存储

接收信号存储主要完成对场强测量信号的存储，以作为测量数据分析处理子系统的输入。

4、输入、输出接口

考虑到设备的通用性和可维修性，本模块包含标准的输入串口和输出USB接口。其中标准串口用来实现GPS差分信息的实时导入，输出USB口实现所存储的场强信号的导出。

总之，上述模块的数据处理流程如图2所示，为强信号采集及存储模块工作流程图，具体为：

1)确保设备连接与天线之间连接正常；

2)根据测试要求输入频点信息；

3)根据实测信息在GPS差分定位系统的参考点输入该点实测GPS信息；

4)将设置完成的设备与无人机固定；

5)启动测试程序，确认有场强测试信息和GPS数据返回；

6)释放无人机对空间信号进行测试；

7)回收无人机，将设备取回，导出采集数据；

8)根据采集数据进行后续处理，并根据处理结果进行反复测试。

在实际的测量中，场强信号采集往往受到测量场地、环境、天气等多种因素限制，因此要进行多次的反复测量。因此，本系统采用空中移动的方式，将场强信号采集及存储模块置于空中无人机。空中根据地形条件使用无人机，对地面辐射源进行场强分布测量。从而确保辐射源到监测接收机的传播方向上遮挡大大减小，电波受到干扰少、失真小，受多径传播影响小，可灵活移动，测量效率高。

如图3所示，具体地，接收信号处理模块对接收的信号执行信号处理的过程如下：接收信号处理模块包括场强信号预处理模块及空间谱处理模块，其中具体如下：

1、场强信号预处理模块

空中无人机的姿态变化依赖于外部天气条件，呈现不规则性，在运动过程中可能偏离预设轨迹。数据采集子系统所采集到的场强信号及GPS位置、海拔信息要结合无人机所存储的轨迹变化和姿态信息进行预处理，对可能的偏差进行校正，对信号点的距离、方位和信号强度按照设定条件进行筛选，并剔除可能存在的异常点，最终形成有效的数据输入，本模块工作流程如图4所示。

在本模块中，还设置了场形图绘制的子模块，对预处理完成后的场强数据进行可视化的绘制，如图5-8所示的示意图，能够基于输出的预处理信号生成水平场形图、垂直场形图及三维场形。

2、空间谱处理模块

空间谱估计处理主要是根据无线电波信号为时域函数，以功率谱密度为频域函数，应用付里叶变换，采用无线电技术和统计方法来确定被测天线阵的实际发射方向，具有高精度、高分辨力的优点。目前，基于空间谱估计有多种实现算法，主要有线性预测算法、多重信号分类(MUSIC)算法、最大似然算法及子空间拟合算法、旋转不变子空间算法等。本模块通过运用空间谱估计处理的相关算法，基于数据采集子系统的采集数据，实现对被测天线阵的实际发射方向的高精度测量，完成误差校正因子的计算。

该模块包括：

标准方向图计算子模块，用于根据已知的天线配置情况，通过理论计算的方式，算出天线的标准方向图；

空间谱处理子模块，包括空间谱统计、空间谱测向、通道不一致校正单元，基于输入的采集信息，通过设定的算法获得天线的实际发射方向；

数字波束形成子模块，完成处理后的符合通信标准的标准数字波束形成；

发射天线校对因子计算子模块，根据理论计算出的天线标准发射方向和谱估计处理后的实际发射方向，计算出发射天线的实际方向图，并给出发射天线的校正因子。

对于垂直极化天线，其为全向天线，针对单环在无人机悬挂的条件下可能会随着无人机运动而导致环平面与水平面产生一定夹角从而为测量值引入了误差分量的可能性，设计了采用正交环的环形天线。

常用的场强测量天线包括环形天线和杆状天线。杆状天线是电耦合方式，测量的是空间无线电波的电场强度的垂直分量，受环境影响和天线架设离地高度影响大。而环形天线是磁耦合方式，测量的是空间无线电波磁场强度的水平分量，受外部环境和天线架设离地高度影响小。在本发明的其中一种实施方式实现的情况下，所实现的天线结构如附图9所示，其中为配合本发明的技术方案，设计了一种定制环形天线圆环直径500mm，整体高度300mm，其中上述天线与有源天线相比，可以确保在测量大信号的时候，通道不会出现阻塞现象，保证大信号的测量精度，其中天线因子范围在30～40dB，同时避免对噪声信号的放大，每副天线的校准因子都直接存储到对应场强测试中，测试天线和场强测量模块一一对应，即可保证测试结果的准确性，也避免了测试过程中人为因素的影响，天线采用吊挂式的安装方式，安装可折叠，天线可放置于铝合金箱内，并且具有如下表1所示的性能:

表1环形天线设计性能

尺寸	500mm	半径
			频率范围	3MHz～30MHz
天线阻抗	50Ω
			天线因子	30～40dB

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种短波发射天线三维立体方向图空中移动测量系统，其特征在于，该系统包括数据采集子系统和测量数据分析处理子系统构成；

所述数据采集子系统包括由无人机搭载的环形接收天线，所述无人机在地面站的控制下在同一高度围绕被测短波发射天线圆周运动，所述全向环形天线采集的信号发送于场强信号接收模块；

所述数据采集子系统还包括GPS信号采集模块、预设基准校正库模块、接收信号处理模块及接收信号存储模块等构成，所述GPS信号采集模块通过GPS差分定位实现所述无人机测量位置的定位，并将定位信息传输于所述接收信号处理模块，所述预设基准校正库模块将用于校准的基准站定位信息发送于所述接收信号处理模块，所述接收信号处理模块对定位信息执行校准，之后将所述校准的定位信息及所述场强信号发送于所述接收信号存储模块执行存储；

所述测量数据分析子系统接收来自所述接收信号存储模块的信息并执行处理，所述测量数据分析处理子系统包括依次相连的场强信号预处理模块、基于空间场强数据的方向测量模块、数字波束形成模块和发射天线校对因子计算模块构成；

所述场强信号预处理模块对所述数据采集子系统传输的所述场强数据进行预处理，消减姿态变化的影响，将处理后的场强信号传输于基于空间谱的方向测量模块，通过运用空间谱统计、通道不一致校正及空间谱测向算法，形成所述被测短波发射天线的空间谱；

所述数字波束形成模块用于生成标准的数字波束；

所述发射天线校对因子计算模块将被测天线的空间谱通过与标准方向图计算模块生成的被测天线标准场强分布进行比对，计算出所述被测短波发射天线标准发射方向和谱估计处理后的实际发射方向，计算实际方向图，并给出校正因子。

2.如权利要求1所述的短波发射天线三维立体方向图空中移动测量系统，其特征在于，所述无人机上设置有GPS定位系统，用于记录飞行轨迹。

3.如权利要求1或2所述的短波发射天线三维立体方向图空中移动测量系统，其特征在于，所述环形天线圆环直径500mm，整体高度为300mm。

4.如权利要求3所述的短波发射天线三维立体方向图空中移动测量系统，其特征在于，所述环形天线吊挂式安装。

5.如权利要求4所述的短波发射天线三维立体方向图空中移动测量系统，其特征在于，所述环形天线为正交环。

6.一种短波发射天线三维立体方向图空中移动测量方法，其特征在于，该方法主要包括如下步骤：

(1)设置无人机的飞行路径，释放所述无人机围绕被测短波发射天线按照所述飞行路径对场强信号及所述飞行位置的GPS数据进行采集；

(2)导出采集的数据执行处理，利用空间谱处理完成所述被测短波发射天线的误差校正因子的计算。

7.如权利要求6所述的短波发射天线三维立体方向图空中移动测量方法，其特征在于，对所述采集的场强信号E_r执行校正，执行校正的过程如下：

E＝E_r+K+L_f(dBμV/m)

其中：E为校正后场强值；K为天线系数，单位为dB；L_f为采集所述场强信号所利用的装置内的连接电缆损耗值，单位为dB。

8.如权利要求7所述的短波发射天线三维立体方向图空中移动测量方法，其特征在于，所述飞行位置的GPS数据在处理时经过基准站的校正从而获得采集所述场强信号的精确位置。