CN108254630B - 一种短波天线方向图和增益的测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种短波天线方向图和增益的测量系统及方法，旨在提高短波天线方向图的测量精度，实现对短波天线增益的测量，且实时显示短波天线方向图。实现步骤：确定需要测量方向图和增益的频点；为标准天线辅助测试子系统的第二无人机选择天线；地面测试子系统控制标准天线辅助测试子系统和测试升空平台子系统对待测短波天线工作频点上电平值进行标定，并使用差分导航参考站子系统校正无人机的相对位置；地面测试子系统控制测试升空平台子系统对待测短波天线工作频点上电平值数据进行测量，并使用差分导航参考站子系统校正第一无人机的航行轨迹，地面测试子系统实时显示测量数据并绘制方向图；地面测试子系统计算待测短波天线的增益值。

Description

一种短波天线方向图和增益的测量系统及方法

技术领域

本发明属于天线测量技术领域，涉及一种短波天线方向图和增益的测量系统及方法，可用于获取短波天线的增益和方向图。

背景技术

短波通信目前仍然在各国通信领域发挥重要作用，短波天线是短波通信中的核心装备，天线的性能将直接影响到实际的通信效果。为了准确测量天线的方向图与增益，对常规天线的测量都是在微波暗室里进行，但是，由于短波天线体积庞大，天线远场距离极远，微波暗室没有足够的空间进行测量。目前，人们主要通过理论计算或电磁场缩比模型测量法来获得短波天线的方向图和增益，但短波天线受到架设高度、地理环境、地表特性和馈电形式等因素影响，理论计算或电磁场缩比测量方法得到的结果与实际方向图和增益差别较大。为获取准确的方向图和增益，需要对短波天线进行实地测量，得到其方向图和增益。

目前没有能够获取短波天线增益的实地测量方法，并且在短波天线方向图的测量方面，现有的测量方法过于简单，测量精度不够。例如申请公布号为CN107179449A，名称为“一种短波接收天线三维立体方向图空中移动测量系统及方法”的专利申请，公开了一种短波接收天线三维立体方向图空中移动测量系统及方法，系统包括环天线、小型功率发射终端、射频信号采集模块和无人平台，此发明采用全向环天线辐射功率信号，采用采集模块测量并存储射频信号，然后对射频信号进行预处理，再通过空间谱估计技术对信号进行进一步处理，最后在无人平台上进行测试。此发明虽然提供了一种测量短波接收天线三维立体方向图的方法，但存在的缺陷是因无人机定位精度不足导致的方向图测量精度较低，而且无法实时获取方向图、无法测量短波天线增益。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种短波天线方向图和增益的测量系统及方法，旨在提高短波天线方向图的测量精度，实现对短波天线增益的测量，且实时显示方向图。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种短波天线方向图和增益的测量系统，包括：地面测试子系统、测试升空平台子系统、标准天线辅助测试子系统和差分导航参考站子系统，其中：

所述地面测试子系统，包括主控单元、数据处理单元、显控单元和飞控地面站，其中：所述主控单元，用于对测试升空平台子系统的迷你主机发送指令，实现对测量过程的实时控制，并对测试升空平台子系统和标准天线辅助测试子系统的迷你主机发送指令，实现对标定过程的实时控制，同时接收标准天线辅助测试子系统的第二迷你主机发回的测量数据，并将测量数据发送给数据处理单元和显控单元；所述数据处理单元，用于记录主控单元发送的数据，并计算待测短波天线的增益值；所述显控单元，用于实时显示增益值和主控单元发送的数据，并根据主控单元发送的数据实时绘制方向图；所述飞控地面站，用于对测试升空平台子系统的第一无人机和标准天线辅助测试子系统的第二无人机的航行轨迹进行实时控制。

所述测试升空平台子系统，包括安装有自适应增稳云台、第一迷你主机、短波信号源和交叉折合振子天线的第一无人机，其中：所述自适应增稳云台，用于对第一无人机和安装在该自适应增稳云台上的交叉折合振子天线进行姿态调整；所述第一迷你主机，用于实现与主控单元的指令交互；所述短波信号源，用于产生短波信号；所述交叉折合振子天线，用于发射短波信号。

所述标准天线辅助测试子系统，包括安装有标准偶极子天线的第二无人机，其中：所述标准偶极子天线，用于接收交叉折合振子天线发射出的信号；所述第二无人机包括第二迷你主机和频谱仪，所述第二迷你主机，用于实现与地面测试子系统的主控单元的指令交互和数据传输；所述频谱仪用于测量安装在第二无人机上的标准偶极子天线接收到的短波信号。

所述差分导航参考站子系统，用于对测试升空平台子系统的第一无人机、标准天线辅助测试子系统的第二无人机的导航误差和定位误差进行测定。

上述的一种短波天线方向图和增益的测量系统，所述对测量过程的实时控制，是指主控单元给第一迷你主机发送指令，第一迷你主机根据接收到的指令对无人机的升空、航行和降落进行控制，第一迷你主机在第一无人机的航行过程中根据接收到的指令控制短波信号源产生短波信号，并控制安装在第一无人机上的交叉折合阵子天线发射短波信号。

上述的一种短波天线方向图和增益的测量系统，所述对标定过程的实时控制，是指主控单元给第一迷你主机和第二迷你主机发送指令，两个迷你主机根据接收到的指令对无人机的升空、航行和降落进行控制，第一迷你主机在第一无人机的航行过程中根据接收到的指令控制短波信号源产生短波信号，并控制安装在第一无人机上的交叉折合阵子天线发射短波信号；第二迷你主机在第二无人机的航行过程中根据接收到的指令控制第二无人机上的频谱仪测量安装在第二无人机上的标准偶极子天线接收到的信号电平值。

一种短波天线方向图和增益的测量方法，包括如下步骤：

(1)确定需要测量方向图和增益的待测频点f_i，i＝1,2…N；i为待测频点序号，N为待测频点总数。

(2)为标准天线辅助测试子系统选择天线：

选择工作频点为f_i的标准偶极子天线，并将标准偶极子天线安装在第二无人机上。

(3)测试升空平台子系统和标准天线辅助测试子系统对待测短波天线工作频点电平值进行标定：

(3a)第一迷你主机根据地面测试子系统的主控单元发送的指令，控制第一无人机升空，同时第二迷你主机根据地面测试子系统的主控单元发送的指令，控制第二无人机升空，两架无人机根据地面测试子系统的飞控地面站设定的航线飞行至同一高度，并通过差分导航参考站子系统校正两架无人机的相对位置，以保证两架无人机之间的距离与设定的待测短波天线与第一无人机之间的距离相同；

(3b)第一迷你主机根据地面测试子系统的主控单元发送的指令控制短波信号源产生待测频点的短波信号,并通过交叉折合振子天线发射短波信号，同时第二无人机上的频谱仪测量标准偶极子天线接收到的短波信号的电平值并将电平值/>传输给第二迷你主机，第二迷你主机将该电平值/>发送给地面测试子系统的主控单元，主控单元将电平值发送给数据处理单元，数据处理单元记录下电平值/>

(3c)第一无人机和第二无人机根据地面测试子系统的主控单元发送的指令返回地面。

(4)重复步骤(2)和步骤(3),直至N个频点标定完。

(5)测试升空平台子系统对待测短波天线工作频点电平值数据进行测量：

(5a)第一迷你主机根据地面测试子系统的主控单元发送的指令控制第一无人机升空，第一无人机按照地面测试子系统的飞控地面站设定的航线航行，并用差分导航参考站子系统校正航行轨迹；

(5b)第一迷你主机根据地面测试子系统的主控单元发送的指令控制短波信号源产生频率为f_i的短波信号，并通过交叉折合振子天线发射短波信号，同时待测短波天线使用频谱仪测量接收到的短波信号的电平值数据并将该电平值数据/>传输到数据处理单元；

(5c)数据处理单元记录频谱仪测量接收到的短波信号的电平值数据并发送至地面测试子系统的显控单元，显控单元实时显示电平值数据/>并绘制方向图；

(5d)重复步骤(5b)和步骤(5c)，直至N个频点测量完。

(6)地面测试子系统获取待测短波天线的增益值G_i：

(6a)地面测试子系统的数据处理单元利用步骤(3b)记录的电平值和步骤(5c)记录的电平值数据/>取电平值数据/>中最大值，计算待测短波天线的增益G_i，并发送至地面测试子系统的显控单元；

(6b)地面测试子系统的显控单元显示接收到的待测短波天线的增益值G_i；

(6c)重复步骤(6a)和(6b)直到获得所有N个频点的增益值。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明采用差分导航参考站子系统测定无人机的导航误差和定位误差，提高了无人机的定位精度，避免了现有方法中因无人机定位精度不足而导致方向图测量精度较低的缺陷。

2.本发明采用标准天线辅助测试子系统在高空中对待测短波天线进行标定，很大程度上避免了地面反射和环境干扰对标定造成的影响，提高了标定电平值的精度；地面测试子系统的数据处理单元根据标定电平值和测量电平值进行计算，得到了待测短波天线的增益值。

3.本发明通过迷你主机实时将数据发回地面测试子系统，实现了方向图的实时绘制。

附图说明

图1是本发明测量系统的整体结构示意图；

图2是本发明测量方法的实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。

参照图1，一种短波天线方向图和增益的测量系统，包括地面测试子系统、测试升空平台子系统、标准天线辅助测试子系统和差分导航参考站子系统，其中：

地面测试子系统，包括主控单元、数据处理单元、显控单元和飞控地面站，其中：主控单元，用于对测试升空平台子系统的迷你主机发送指令，实现对测量过程的实时控制，并对测试升空平台子系统和标准天线辅助测试子系统的迷你主机发送指令，实现对标定过程的实时控制，同时接收标准天线辅助测试子系统的第二迷你主机发回的测量数据，并将测量数据发送给数据处理单元和显控单元。

所述对测量过程的实时控制，是指主控单元给第一迷你主机发送指令，第一迷你主机根据接收到的指令对无人机的升空、航行和降落进行控制，第一迷你主机在第一无人机的航行过程中根据接收到的指令控制短波信号源产生短波信号，并控制安装在第一无人机上的交叉折合阵子天线发射短波信号。

所述对标定过程的实时控制，是指主控单元给第一迷你主机和第二迷你主机发送指令，两个迷你主机根据接收到的指令对无人机的升空、航行和降落进行控制，第一迷你主机在第一无人机的航行过程中根据接收到的指令控制短波信号源产生短波信号，并控制安装在第一无人机上的交叉折合阵子天线发射短波信号；第二迷你主机在第二无人机的航行过程中根据接收到的指令控制第二无人机上的频谱仪测量安装在第二无人机上的标准偶极子天线接收到的信号电平值。

数据处理单元，用于记录主控单元发送的数据，并按照以下公式计算出待测短波天线的增益数据G_i：

式中：G_i为待测短波天线增益值，G_s为标准偶极子天线增益，P_x为待测短波天线接收到的信号电平值数据中的最大值，/>为标准偶极子天线接收到的信号电平值。

显控单元，用于实时显示增益值和主控单元发送的数据，并根据主控单元发送的数据实时绘制方向图。

飞控地面站，用于对测试升空平台子系统的第一无人机和标准天线辅助测试子系统的第二无人机的航行轨迹进行实时控制，通过主控单元给两个迷你主机发送指令，两个迷你主机根据飞控地面站设定的航线控制各自对应的无人机航行。

测量升空平台子系统，包括安装有自适应增稳云台、第一迷你主机、短波信号源和交叉折合振子天线的第一无人机，其中：所述自适应增稳云台，用于对第一无人机和安装在该自适应增稳云台上的交叉折合振子天线进行姿态调整；通过对第一无人机和安装在自适应增稳云台上的交叉折合振子天线的姿态变化进行角运动补偿，实现交叉折合振子天线在动态环境下的高精度指向。

第一迷你主机，用于实现与主控单元的指令交互；本发明中采用一台配置WIN7系统的超薄计算机作为具体实施例，该计算机根据主控单元发送的指令控制短波信号源产生短波信号，并控制交叉折合振子天线发射短波信号。

短波信号源，用于产生短波信号；本发明中采用最大功率为20W，频率为2-30MHz的短波电台作为具体实施例，并使用短波电台的连续波模式产生短波信号。

交叉折合振子天线，用于发射短波信号源产生的短波信号；本发明中采用同轴电缆将交叉折合振子天线与短波电台相连。

标准天线辅助测试子系统，包括安装有标准偶极子天线的第二无人机，其中：所述标准偶极子天线，用于接收交叉折合振子天线发射出的信号；所述第二无人机包括第二迷你主机和频谱仪。

所述的第二无人机还包括第二迷你主机，用于实现与地面测量子系统的主控单元的指令交互和数据传输；第二迷你主机根据主控单元发送的指令测量标准偶极子天线接收到的信号电平值，并将该信号电平值发送给主控单元；本发明中采用与第一迷你主机相同的超薄计算机作为具体实施例。

所述频谱仪用于测量安装在第二无人机上的标准偶极子天线接收到的短波信号。

差分导航参考站子系统，用于对第一无人机和第二无人机的导航误差和定位误差进行测定，本发明中采用基于卫星导航的实时动态差分定位方式，通过对卫星信号的连续跟踪获取差分修正数据，来校正第一无人机和第二无人机的导航误差和定位误差。

参照图2，一种短波天线方向图和增益的测量方法，包括如下步骤：

步骤1)确定需要测量方向图和增益的待测频点f_i，i＝1,2…N；i为待测频点序号，N为待测频点总数。

步骤2)为标准天线辅助测试子系统选择天线：

选择工作频点为f_i的标准偶极子天线，并将标准偶极子天线安装在第二无人机上；

不同标准偶极子天线工作频率不同，选择与待测短波天线工作频点相同的标准偶极子天线才能得到准确的标定电平值。

步骤3)测试升空平台子系统和标准天线辅助测试子系统对待测短波天线工作频点电平值进行标定：

步骤3a)第一迷你主机根据地面测试子系统的主控单元发送的指令，控制第一无人机升空，同时第二迷你主机根据地面测试子系统的主控单元发送的指令，控制第二无人机升空，两架无人机根据地面测试子系统的飞控地面站设定的航线飞行至同一高度，并通过差分导航参考站子系统校正两架无人机的相对位置，以保证两架无人机之间的距离与设定的待测短波天线与第一无人机之间的距离相同；

地面环境对标定过程有着严重的电磁干扰，将无人机升至高空可以避免地面环境对标定过程带来的影响；两架无人机之间的距离影响着最终方向图测量精度以及增益测量精度，采用差分导航参考站子系统可以提高无人机的定位精度，进而提高方向图测量精度和增益测量精度。

步骤3b)第一迷你主机根据地面测试子系统的主控单元发送的指令控制短波信号源产生待测频点的短波信号,并通过交叉折合振子天线发射短波信号，同时第二无人机上的频谱仪测量标准偶极子天线接收到的短波信号的电平值并将电平值/>传输给第二迷你主机，第二迷你主机将该电平值/>发送给地面测试子系统的主控单元，主控单元将电平值/>发送给数据处理单元，数据处理单元记录下电平值/>

步骤3c)第一无人机和第二无人机根据地面测试子系统的主控单元发送的指令返回地面。

步骤4)重复步骤2)和步骤3),直至N个频点标定完。

步骤5)测试升空平台子系统对待测短波天线工作频点电平值数据进行测量：

步骤5a)第一迷你主机根据地面测试子系统的主控单元发送的指令控制第一无人机升空，第一无人机按照地面测试子系统的飞控地面站设定的航线航行，并用差分导航参考站子系统校正航行轨迹；

无人机在航行过程中，受高空风力影响，很容易偏离预定航线轨迹，需要使用差分导航参考站子系统校正航行轨迹；

所述航行轨迹是指在θ固定的平面上沿方向飞行一圈，θ范围为0°到90°。

步骤5b)第一迷你主机根据地面测试子系统的主控单元发送的指令控制短波信号源产生频率为f_i的短波信号，并通过交叉折合振子天线发射短波信号，同时待测短波天线使用频谱仪测量接收到的短波信号的电平值数据并将该电平值数据/>传输到数据处理单元。

步骤5c)数据处理单元记录频谱仪测量接收到的短波信号的电平值数据并发送至地面测试子系统的显控单元，显控单元实时显示电平值数据/>并绘制方向图。

步骤5d)重复步骤5b)和步骤5c)，直至N个频点测量完。

步骤6)地面测试子系统获取待测短波天线的增益值G_i：

步骤6a)地面测试子系统的数据处理单元利用步骤3b)记录的电平值和步骤5c)记录的电平值数据/>取电平值数据/>中最大值，计算待测短波天线的增益G_i，并发送至地面测试子系统的显控单元。

步骤6b)地面测试子系统的显控单元显示接收到的待测短波天线的增益值G_i。

步骤6c)重复步骤6a)和6b)直到获得所有N个频点的增益值。

Claims (5)

1.一种短波天线方向图和增益的测量系统，其特征在于：包括地面测试子系统、测试升空平台子系统、标准天线辅助测试子系统和差分导航参考站子系统，其中：

所述地面测试子系统，包括主控单元、数据处理单元、显控单元和飞控地面站，其中：所述主控单元，用于对测试升空平台子系统的迷你主机发送指令，实现对测量过程的实时控制，并对测试升空平台子系统和标准天线辅助测试子系统的迷你主机发送指令，实现对标定过程的实时控制，同时接收标准天线辅助测试子系统的第二迷你主机发回的测量数据，并将测量数据发送给数据处理单元和显控单元；所述数据处理单元，用于记录主控单元发送的数据，并计算待测短波天线的增益值；所述显控单元，用于实时显示增益值和主控单元发送的数据，并根据主控单元发送的数据实时绘制方向图；所述飞控地面站，用于对测试升空平台子系统的第一无人机和标准天线辅助测试子系统的第二无人机的航行轨迹进行实时控制；

所述测试升空平台子系统，包括安装有自适应增稳云台、第一迷你主机、短波信号源和交叉折合振子天线的第一无人机，其中：所述自适应增稳云台，用于对第一无人机和安装在该自适应增稳云台上的交叉折合振子天线进行姿态调整；所述第一迷你主机，用于实现与主控单元的指令交互；所述短波信号源，用于产生短波信号；所述交叉折合振子天线，用于发射短波信号；

所述标准天线辅助测试子系统，包括安装有标准偶极子天线的第二无人机，其中：所述标准偶极子天线，用于接收交叉折合振子天线发射出的信号；所述第二无人机包括第二迷你主机和频谱仪，所述第二迷你主机，用于实现与地面测试子系统的主控单元的指令交互和数据传输；所述频谱仪用于测量安装在第二无人机上的标准偶极子天线接收到的短波信号；

所述差分导航参考站子系统，用于对测试升空平台子系统的第一无人机、标准天线辅助测试子系统的第二无人机的导航误差和定位误差进行测定。

2.根据权利要求1所述的一种短波天线方向图和增益的测量系统，其特征在于，所述对测量过程的实时控制，是指主控单元给第一迷你主机发送指令，第一迷你主机根据接收到的指令对无人机的升空、航行和降落进行控制，第一迷你主机在第一无人机的航行过程中根据接收到的指令控制短波信号源产生短波信号，并控制安装在第一无人机上的交叉折合阵子天线发射短波信号。

3.根据权利要求1所述的一种短波天线方向图和增益的测量系统，其特征在于，所述对标定过程的实时控制，是指主控单元给第一迷你主机和第二迷你主机发送指令，两个迷你主机根据接收到的指令对无人机的升空、航行和降落进行控制，第一迷你主机在第一无人机的航行过程中根据接收到的指令控制短波信号源产生短波信号，并控制安装在第一无人机上的交叉折合阵子天线发射短波信号；第二迷你主机在第二无人机的航行过程中根据接收到的指令控制第二无人机上的频谱仪测量安装在第二无人机上的标准偶极子天线接收到的信号电平值。

4.一种短波天线方向图和增益的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)确定需要测量方向图和增益的待测频点f_i，i＝1,2…N；i为待测频点序号，N为待测频点总数；

(2)为标准天线辅助测试子系统选择天线：

选择工作频点为f_i的标准偶极子天线，并将标准偶极子天线安装在第二无人机上；

(3)测试升空平台子系统和标准天线辅助测试子系统对待测短波天线工作频点电平值进行标定：

(3a)第一迷你主机根据地面测试子系统的主控单元发送的指令，控制第一无人机升空，同时第二迷你主机根据地面测试子系统的主控单元发送的指令，控制第二无人机升空，两架无人机根据地面测试子系统的飞控地面站设定的航线飞行至同一高度，并通过差分导航参考站子系统校正两架无人机的相对位置，以保证两架无人机之间的距离与设定的待测短波天线与第一无人机之间的距离相同；

(3b)第一迷你主机根据地面测试子系统的主控单元发送的指令控制短波信号源产生待测频点的短波信号,并通过交叉折合振子天线发射短波信号，同时第二无人机上的频谱仪测量标准偶极子天线接收到的短波信号的电平值并将电平值/>传输给第二迷你主机，第二迷你主机将该电平值/>发送给地面测试子系统的主控单元，主控单元将电平值/>发送给数据处理单元，数据处理单元记录下电平值/>

(3c)第一无人机和第二无人机根据地面测试子系统的主控单元发送的指令返回地面；

(4)重复步骤(2)和步骤(3),直至N个频点标定完；

(5)测试升空平台子系统对待测短波天线工作频点电平值数据进行测量：

(5a)第一迷你主机根据地面测试子系统的主控单元发送的指令控制第一无人机升空，第一无人机按照地面测试子系统的飞控地面站设定的航线航行，并用差分导航参考站子系统校正航行轨迹；

(5b)第一迷你主机根据地面测试子系统的主控单元发送的指令控制短波信号源产生频率为fi_i的短波信号，并通过交叉折合振子天线发射短波信号，同时待测短波天线使用频谱仪测量接收到的短波信号的电平值数据并将该电平值数据/>传输到数据处理单元；

(5c)数据处理单元记录频谱仪测量接收到的短波信号的电平值数据并发送至地面测试子系统的显控单元，显控单元实时显示电平值数据/>并绘制方向图；

(5d)重复步骤(5b)和步骤(5c)，直至N个频点测量完；

(6)地面测试子系统获取待测短波天线的增益值G_i：

(6a)地面测试子系统的数据处理单元利用步骤(3b)记录的电平值和步骤(5c)记录的电平值数据/>取电平值数据/>中最大值，计算待测短波天线的增益G_i，并发送至地面测试子系统的显控单元；

(6b)地面测试子系统的显控单元显示接收到的待测短波天线的增益值G_i；

(6c)重复步骤(6a)和(6b)直到获得所有N个频点的增益值。

5.根据权利要求4所述的一种短波天线方向图和增益的测量方法，其特征在于，步骤(6a)中所述的计算待测短波天线的增益值G_i，采用增益测量比较法，计算公式为：

式中：G_i为待测短波天线增益值，G_s为标准偶极子天线增益，P_x为待测短波天线接收到的信号电平值数据中的最大值，/>为标准偶极子天线接收到的信号电平值。