CN107968686B - 300MHz-800MHz模拟电视台站发射功率辐射测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了300MHz‑800MHz模拟电视台站发射功率的无人机低空辐射测试方法，属于无线电台站设备性能指标测试领域。首先收集被测模拟电视台站的信息，对无人机和测量设备进行预处理；然后使无人机接收天线正对被测台站的发射天线，无人机在空中接收无人机控制装置的控制，实时调整姿态；通过测距及定位装置测量收发天线之间的距离；最后测量设备计算传播路径损耗A，测量设备将电磁波其转换为电信号，根据电信号计算入射到接收天线的峰值功率P_r，计算被测台站的等效全向辐射功率EIRP。本发明方法受地形限制大大减小，实现对广播电视台站设备性能指标更加全面、准确的检测，得到较高精度的测试结果，广播电视台站设备检测工作的适时性、灵活性和自主性得到提高。

Description

300MHz-800MHz模拟电视台站发射功率辐射测试方法

技术领域

本发明属于无线电发射系统性能指标测试领域，具体是一种300MHz-800MHz模拟电视台站发射功率的无人机低空辐射测试方法。

背景技术

现有技术中对模拟电视台站发射功率的测试主要是通过传导和地面辐射接收两种方式进行的。采用传导方式，台站发射机通过耦合端口将射频功率输出到测试设备的输入端，根据测试设备接收到的耦合功率和耦合系数就可以推算发射机的发射功率。这种传统的传导测试方式不仅无法考察天馈系统对台站实际辐射特性的影响，而且也常常因为台站的发射机不具备耦合口或者耦合口耦合参数缺失而无法进行。另外，从模拟电视台站检测的实际效果上来看，因为传统的传导测试方式需要测试机构和台站等多个部门的提前协调和配合，所以检测工作的适时性、灵活性和自主性也会受到影响。采用辐射测试方式，接收的信号容易受到高楼、地面、各种植被及市政设置的不良影响，导致测试地点选址要求高，测试误差较大，不能满足对模拟电视台站设备检测的精度要求。

发明内容

本发明针对目前模拟电视台站发射功率测试时存在的测量误差大、测试工作不灵活、对测试地点选址要求高等问题，本发明的提供了一种300MHz-800MHz模拟电视台站发射功率的无人机低空辐射测试方法。

本发明提供的模拟电视台站发射功率的辐射测试方法，包括如下步骤：

步骤1，在无人机上装载有测量设备和测距及定位装置；

步骤2，测量前准备，包括：收集被测模拟电视台站的信息，选择无人机起降场，对测量设备进行校准，对无人机和测量设备进行开机预热和检查，设置测量设备的测量参数；

步骤3，无人机起飞，并在空中接收无人机控制装置的控制信号，实时调整姿态，使接收天线正对被测台站的发射天线；

步骤4，通过测距及定位装置测量收发天线之间的距离；

步骤5，测量设备计算传播路径损耗A，如下：

其中，f_MHz为测量设备的中心频率，η_A为天线效率，D为天线最大方向上方向系数，r_i为测量设备接收天线接收到的第i路模拟电视信号的传播路程，单位为米，i为正整数。；

为归一化天线方向图函数，

为天线接收的被测台站第i路模拟电视信号入射波来波方向上对应的归一化方向图函数的值；

步骤6，测量设备的接收天线接收被测台站发射的电磁波并将其转换为电信号，根据电信号计算入射到接收天线的峰值功率P_r；峰值功率P_r通过多次测量选取其中最大值来确定；

步骤7，计算被测台站的等效全向辐射功率EIRP。

与现有技术相比，本发明的优点与积极效果在于：

(1)本发明方法在测试开展过程中受地形限制大大减小，能实现对包括发射机、天馈方法在内的台站无线电发射方法更加全面、准确的监测；并且因为辐射测试方法在实际测试过程中无需台站部门参与，也无需连接发射机的耦合端口，所以无线电监测工作的适时性、灵活性和自主性也能得到相应的提高；

(2)本发明方法采用了修正的传播路径损耗公式来计算等效全向辐射功率，可实现对各路来波损耗取近似值，再结合天线对不同方向来波的接收效果不同的特性对所有干扰信号进行分类，将干扰影响小于-10dB忽略处理，将干扰影响在-3到-10dB的信号从接收信号中剔除，最终得到较高精度的测试结果，经过无人机测试平台的实验验证，采用本发明方法的测试误差在1-8dB，比以往的辐射测试6-14dB的误差精确了5dB以上。

附图说明

图1是本发明的300MHz-800MHz模拟电视台站发射功率的辐射测试方法的设备框图；

图2是本发明的300MHz-800MHz模拟电视台站发射功率的辐射测试方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

如图1所示，是本发明提供的300MHz-800MHz模拟电视台站发射功率的无人机低空辐射测试方法的设备组成框图。实现本发明辐射测量方法的装置可分为两部分，一部分为自动测试子系统，一部分为飞行子系统。其中测试子系统中包含有测量设备、测量控制装置，测量控制装置中包括传播路径损耗分析模块、等效全向辐射功率估算模块和数据综合模块。飞行子系统包含无人机及机载的遥控接收机、自动驾驶仪、陀螺仪、磁罗盘、测距及定位装置和无人机控制装置等。

测量设备主要包括有对数周期天线、功率测量设备、接收馈线及连接器等。对数周期天线作为接收天线，安装在无人机上。对数周期天线具有方向性强，增益大，接收频带宽的特点，一副天线可以完成对300-800MHz的模拟电视信号测试。本发明采用对数周期天线在低空接收模拟电视台站发射的电磁波并将其转换为电信号，传送给功率测量设备。本发明中，采用对数周期天线，覆盖从300MHz到800MHz的频率范围。天线方向图以及增益G_r随频率变化的情况可以在天线暗室或者全电波暗室内校准获得，接收馈线及连接器传输系数L_r随频率变化的情况可以在屏蔽室内校准获得。功率测量设备，如频谱仪、功率计等，根据输入的电信号计算出入射到接收天线的峰值功率P_r。本发明中，功率测量设备采用能够覆盖待测频率范围的、具备峰值功率自动测量功能的频谱仪。频谱仪的测试中心频率和频率扫描范围须可调，其动态范围也须满足测试要求，在使用时可配合衰减器和放大器满足测试动态范围要求。测量设备安装在无人机上，为保证全重不大于无人机载重量，需要对测量设备在重量方面加以限定。本发明实施例中无人机最大起飞重量小于20kg，其中，测量设备重量小于8kg。

测距及定位装置用于测量收发天线之间的距离r。本发明中，测距及定位装置采用机载GPS获取无人机的高度和经纬度，然后结合模拟电视台站的位置，计算与模拟电台的相对高度，计算无人机上的接收天线与模拟电视台站的发射天线的测试距离r。本发明采用机载GPS接收机的定位功能在更大范围内实现了相关参数的测量。

测量控制装置中，传播路径损耗分析模块会根据测量频率f_MHz、距离r、天线方向图和增益G的情况，完成对传播路径损耗的估算；台站等效全向发射功率估算模块会根据测量、分析结果计算单次等效全向辐射功率EIRP；数据综合模块通过自动化程序实现对整个测试方法的控制，完成“多次测量，取最大值”的操作，获取最终等效全向辐射功率EIRP，并存储、输出测试结果，形成测试报告。测量控制装置可通过计算机或手持移动终端等来实现。无人机控制装置可通过遥控器、地面站等来实现。

本发明提供的300MHz-800MHz模拟电视台站发射功率的辐射测试方法，如图2所示，下面说明各步骤。

S1：收集被测模拟电视台站的基本信息。在外出测试之前，需要搜集所测台站的基本信息，包括地理位置、业务类型、工作频率、开关机及维护时间安排，台站发射天线高度、极化方式、类型、增益、方向图等。根据时间、天气、人员和其他需要，确定外出测试的具体时间。

S2：选择适合多旋翼无人机的起降场。起降场周边100m范围内的建筑物的高度不超过被测台站天线高度的一半，测量设备的接收天线和被测台站的发射天线之间没有遮挡。

S3：校准天线及馈线损耗。在确定测试地点和时间后，提前在全电波暗室(天线暗室)、屏蔽室内对测试方法要采用的接收天线、接收馈线及连接器进行校准，记录接收天线的增益G_r和接收馈线及连接器的传输系数L_r。

S4：在测试现场进行设备连接，开机预热。将测量设备固定于多旋翼无人机上，对测量设备进行开机预热，并对旋翼无人机进行飞行前检测，飞行前检测包括检测遥控器与多旋翼无人机之间连接是否正常、检测测量设备是否能够接收到被测台站的发射信号、通过地面站检测多旋翼无人机性能是否正常。

S5：多旋翼无人机飞行前，将测量设备的中心频率设置为f_MHz，单位为MHz，并设置测量设备的频率扫描范围、分辨率带宽、视频带宽和检波方式。本发明实施例中，设置测量设备的分辨率带宽为100kHz，设置视频带宽为1kHz，测量设备的检波方式为均方根检波。

S6：调整无人机姿态。多旋翼无人机携带测量设备起飞，通过遥控器调整无人机姿态，使得接收天线正对被测台站的发射天线，并通过地面站将所述无人机设置为“姿态保持”模式，且在所述“姿态保持”模式下，测量设备的接收天线正对被测台站的发射天线。

S7：测量收发天线之间的距离。通过无人机上的机载GPS测量和计算收发天线之间的距离r，单位为米。

S8：计算传播路径损耗A。根据测量设备的中心频率f_MHz和收发天线之间的距离r计算传播路径损耗公式A的值。

经典的电磁波传播损耗分析公式，是电磁波在自由空间的损耗公式，是基于无限大空间的真空环境下电磁波从发射端到接收端的损耗。但在现实条件下，发射端会受到天线增益的影响，电磁波在传播过程中也会由于建筑物、植被、地面、市政设施的影响使向不同方向传播的电磁波产生反射或多次散射，进而在某一方向产生功率叠加干扰，这种叠加干扰会使通过该公式计算的测量结果产生10-20dB的误差。因此，在实际测试中该公式并不适用。

本发明对经典传播路径损耗公式进行改进，修正传播路径损耗A值的优化过程如下。

天线增益随方向变化的函数

则天线接收第i路模拟电视信号入射波来波方向上对应的增益函数的值

则，修正后的传播路径损耗A为：

其中，η_A为天线效率；D为天线最大方向上方向系数；

为归一化天线方向图函数，θ,

分别为空间角和方位角，θ∈[0,π],

为天线接收的被测台站第i路模拟电视信号入射波来波方向上对应的归一化方向图函数的值，r_i为测量设备接收天线接收到的第i路模拟电视信号的传播路程，单位为米，i为正整数。θ_i,

是参数θ,

的一个具体取值，r_i是参数r的一个具体取值。

优选地，

与r_i取值满足：

其中，R₁为被测台站发射天线到测量设备接收天线的直线距离。

优选地，

取值进一步满足：

经过实验验证，优化设置能进一步提高测量准确度，减少测量误差。

在具体应用时，

应采用实际使用接收天线的归一化方向图，例如一种二元齐平偶极子天线阵的归一化方向图函数

为：

利用上面所修正的传播路径损耗公式以及优选计算公式，计算的A值精确包含了所有模拟电视信号入射波，包括直射波、来自不同方向的反射波、以及来自不同方向的散射波，对各路来波损耗取近似值，再结合天线对不同方向来波的接收效果不同的特性对所有干扰信号进行分类，将干扰影响小于-10dB忽略处理，将干扰影响在-3到-10dB的信号从接收信号中剔除，最终得到较高精度的测试结果。不同的天线接收特性不同，因此，公式通过偏导数算法给出了接收天线各个方向的取舍原则，通过求导方程组选取天线方向图中对测量结果影响较大的旁瓣所接收的信号，将该信号产生的功率进行剔除，并且经过实验，这种计算方式对任意一部前后比大于10dB的定向天线都有效。实际测试中，在无人机测试平台中采用该算法的测试误差在1-8dB，比以往的辐射测试6-14dB的误差精确5dB以上。

在计算得到A后进一步来计算等效全向辐射功率EIRP。

S9：测量入射到接收天线的峰值功率P_r。位于无人机上的测量设备的接收天线将接收的电磁波转换为电信号，传送给测量设备中的功率测量模块，功率测量模块根据所述电信号计算得到入射到接收天线的峰值功率P_r，并可通过测量设备的显示屏显示出峰值功率P_r。

本发明方法中，通过多次测量来获取峰值功率P_r，包括：

初始化测量设备的计数器v＝1，设置最大测量次数为20；

启动测量设备，完成第一次测量扫描，获得并记录峰值功率P_r1，计数器自增1；

用同样的方法测量并记录峰值功率P_r2、P_r3…P_rv，当v大于20时，停止测量，最终从所测得的P_r1、P_r2、…P_rv中选取最大值作为P_r的测量值。

由于直射波、反射波、散射波在空间中发生干涉导致信号强度在部分测试点产生叠加，在另一部分测试点产生抵消，由于无人机在悬停状态下不可避免的受到GPS误差，风速突变等原因产生位置小范围漂移，因此无人机漂移到不同的位置所接收到的功率大小不同，本发明通过多次测量，选取最大值，保证进入到接收机的信号是由直射波、反射波、散射波的叠加构成，为之后的剔除反射波、散射波计算提供前提条件。

S10：计算被测台站的等效全向辐射功率EIRP。将S8获得的A和S9获得的P_r代入下面公式来计算EIRP；

其中，L_r为接收馈线及连接器的传输系数，EIRP的单位为dBm。

最后，将所得到的测试结果输出并存储。

现有测试模拟电视台站发射功率时，在获得测试系统的接收天线与广电台站发射天线之间的距离时，需要通过激光测距仪设备人工进行测距，相对高度也需要使用手持GPS测量接收点的海拔高度与广电台站发射天线的海拔高度后进行计算，然后再通过收发端水平距离、收发天线间距离和相对高度计算出接收天线应采取的俯仰度，并且每更换一个接收点就要重复上述工作。本发明提供的测试方法，利用无人机搭载天线来接收模拟电视台站发射的电磁波，在测量过程中，可实时获取无人机的高度、方向以及经纬度信息，然后在无人机上的测试子系统中计算电视台站发射功率。本发明的测试方法可实时获得无人机的GPS和飞行姿态数据，进而实现实时测量发射功率，将原来需要分钟级的工作，只需要不到1秒钟来实现，大幅提高测量效率，尤其在多个测试地点进行测试的情况下，效率提高地尤为明显。

采用本发明方法，在郑州、石家庄等地进行测试，如下表所示。

表1在郑州、石家庄实地测试结果与真值比对结果

表1中，被测设备工作频率表示待测模拟电视台站发射机的工作频率，实际测试接收功率值表示在测试地点接收到的信号功率值，EIRP测量结果表示采用本发明方法在实际测试中得到的结果，EIRP真值是为开展结果比对验证实验，通过校准待测台站获取的台站真实的EIRP，通过EIRP测量结果与EIRP真值相比较，确定本发明测试方法的测量误差。

通过表1可知，本发明方法采用了修正的传播路径损耗公式来计算等效全向辐射功率，可实现对各路来波损耗取近似值，最终可得到较高精度的测试结果，经过验证，采用本发明方法的测试误差在1-8dB，比以往的辐射测试6-14dB的误差精确了5dB以上。

以上结合附图详细说明了本发明，但是本领域的普通技术人员应当明白说明书仅是用于解释权利要求书。但本发明的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明批露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种300MHz-800MHz模拟电视台站发射功率的辐射测试方法，其特征在于，包括：

步骤1，在无人机上装载有测量设备和测距及定位装置；

步骤2，测量前准备，包括：收集被测模拟电视台站的信息，选择无人机起降场，对测量设备进行校准，对无人机和测量设备进行开机预热和检查，设置测量设备的测量参数；

步骤3，无人机起飞，无人机在空中接收无人机控制装置的控制信号，实时调整姿态，使接收天线正对被测台站的发射天线；

步骤4，通过测距及定位装置测量测量设备的接收天线和被测台站的发射天线之间的距离；

步骤5，测量设备按如下公式计算传播路径损耗A：

其中，f_MHz为测量设备的中心频率，单位为MHz；η_A为天线效率，D为天线最大方向上方向系数，r_i为测量设备接收天线接收到的第i路模拟电视信号的传播路程，单位为米，i为正整数；

为归一化天线方向图函数，

为天线接收的被测台站第i路模拟电视信号入射波来波方向上对应的归一化方向图函数的值；

所述的步骤5中，在计算传播路径损耗A时，

与r_i取值满足：

其中，R₁为被测台站发射天线到测量设备接收天线的直线距离；

步骤6，测量设备的接收天线接收被测台站发射的电磁波并将其转换为电信号，根据电信号计算入射到接收天线的峰值功率P_r，单位为dBm；峰值功率P_r通过多次测量选取其中最大值来确定；

步骤7，计算被测台站的等效全向辐射功率EIRP。

2.根据权利要求1所述的300MHz-800MHz模拟电视台站发射功率的辐射测试方法，其特征在于，所述的步骤2，包括：

S1：收集被测模拟电视台站的信息，包括业务类型、频率、功率、开关机及维护时间安排，发射天线高度、极化方式、类型、增益和方向图；

S2：选择无人机的起降场，要求起降场周边100米范围内的建筑物的高度不超过被测台站天线高度的一半，测量设备的接收天线和被测台站的发射天线之间没有遮挡；

S3：对测量设备进行校准，具体是对测量设备中的接收天线、接收馈线及连接器进行校准，记录接收天线的增益G_r和接收馈线及连接器的传输系数L_r；

S4：对无人机和测量设备进行开机预热和检查，包括：检测遥控器与无人机之间连接是否正常、检测测量设备是否能够接收到被测台站的发射信号、通过地面站检测无人机性能是否正常；

S5：设置测量设备的中心频率f_MHz、频率扫描范围、分辨率带宽、视频带宽和检波方式。

3.根据权利要求1所述的300MHz-800MHz模拟电视台站发射功率的辐射测试方法，其特征在于，所述的步骤5中，在计算传播路径损耗A时，设置

取值满足下式：

4.根据权利要求1或3所述的300MHz-800MHz模拟电视台站发射功率的辐射测试方法，其特征在于，所述的步骤7中，根据下式计算EIRP，

其中，L_r为测量设备中的接收馈线及连接器的传输系数；

为接收天线接收的第i路模拟电视信号入射波来波方向上对应的增益函数的值。

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