CN109298251A - 一种基于无人机平台的天线辐射方向图测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机平台的大型天线辐射方向图测量系统，包括地面子系统和空中子系统。地面子系统由待测天线（安装于现场）、标校天线、频谱仪、控制与数据处理中心等部分组成。空中子系统由无人机、发射天线、信号源、定位巡航设备、数据回传等部分组成。此外，无人机和地面控制中心还包含卫星定位设备用以实现定位、测距、测高和时间同步功能。本发明能够计及大型天线实际安装环境的影响，以无人机或无人飞行器（以下均简称无人机，UAV/Unmanned Aerial Vehicle）为载体现场测量天线的三维辐射参数，测量大型天线的远场辐射方向图和增益等。

Description

一种基于无人机平台的天线辐射方向图测量系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，涉及一种天线辐射方向图测量系统，尤其涉及一种基于无人机飞行平台的天线辐射方向图测量系统。

背景技术

无线通信作为现在通信的主要手段，在各个领域广泛应用。而天线尤其是大型天线通信以其传输距离远、抗毁能力强等优点，即使在通信手段极大丰富的今天，仍不失为一种十分重要的、不可替代的通信手段。

不过，有必要指出的是，大型天线的测量技术，特别是大型天线辐射参数（方向图和增益）的测量技术严重滞后，目前相关研究几乎处于空白，严重制约了我国天线的研究、研制、生产、验收和使用。

首先，分析造成上述现象的原因如下：其一，大型天线工作普遍频段频率低、波长长，常规的基于微波暗室的近/远场测量手段不能适用。以3 MHz为例，波长为100米，该频段天线的物理尺寸通常从几米到几百米，目前微波暗室的吸波材料、静区空间等均远远不能满足天线测量所需的指标要求。其二，常规的外场（远场）测量手段亦不能适用。以阵地大型天线为例，天线口径尺寸很大（几十米）且安装于特定环境中（安装环境直接关系着天线使用性能，安装环境与天线密不可分），难以通过转台转动天线方式测试天线的增益和方向图（包括水平方面和垂直面方向图）。大型天线方向图和增益测量存在诸多难题。

工程上，通常以通信质量间接地评估大型天线性能，缺少客观性、全面性和准确性，只能作为一种替代手段，不得已而为之。其二，对于大型定向天线而言，无论是在其研制过程或使用过程中，缺少天线方向图的测量手段则难以评估天线是否实现预期波束覆盖效果。不妨以大型阵列天线研究为例，缺少天线方向图测量数据，则无法评估组阵后的天线波束质量（最大波束指向、 3dB 波束宽度、旁瓣电平等），相关研究难以实施。其三，大型天线的安装环境直接影响天线的辐射特性，缺少天线方向图和增益的测量手段，则难以准确地评估环安装境对天线性能的影响，以及在此基础上进一步优化天线安装改善天线性能等，不在一一赘述。

综上所述，一方面由于工作频段客观规律的约束，大型天线的增益和方向图难以采用常规的天线测量手段进行测量。另一方面，由于缺少大型天线增益和方向图的有效测量，制约了我国大型天线的发展，包括天线的研究、研制、生产、验收和使用。因此，大型天线增益和方向图有效测量技术是一项棘手且亟待解决的课题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于无人机飞行平台的天线辐射方向图测量系统，该技术凭借快速高效、机动灵活、成本低等优势，正慢慢颠覆传统天线测量特别是室外大型天线测量的作业方式，成为天线测量行业的新秀。将天线测量技术应用到无人机上，实际就是在做一个测量模型，无人机可以依据预设航线，在作业区域上空自动作业采集数据，采集完数据后可一键生成二维及三维方向图数据，而建立起来的这个模型更加真实，更加直观，更加符合实际应用场景。具体技术方案如下：

一种基于无人机飞行平台的天线辐射方向图测量系统，包括地面子系统和空中子系统，所述地面子系统由安装于通信现场的待测天线、标校天线、频谱仪、控制与数据处理中心组成，所述空中子系统由无人机、发射天线、信号源、定位巡航设备、信号回传设备组成，所述发射天线安置固定于无人机平台上，所述的发射天线的输入端和信号源的输出端相连发射电磁波信号，所述的信号源通过控制与数据处理中心进行发射模式、频率和功率等设置操作输出信号给发射天线；所述的定位巡航设备利用GPS或北斗卫星用以实现定位、测距、测高和时间同步功能，其输出端连接于控制与数据处理中心，记录各个时刻的位置信息和时间信息，并通过信号回传设备传输给地面系统，待测天线接收无人机平台上的发射天线发射电磁波信号，其输出端与频谱仪的输入端相连，所述的频谱仪通过接收到的信号将数据通过输出端传送给PC端的控制与数据处理中心，控制与处理中心将收集的数据文件处理加工后显示出天线方向图图形文件，同时，在和接收天线相同地点安置标校天线进行第二次测量，通过对比接收天线和标校天线两次实测结果对比差值，加上标校天线的实际标定增益获得待测接收天线的实际增益值。

进一步的，所述信号源为结构紧凑、重量轻便的便携式信号源，用于输出各种规格的25 M~6 GHz信号发射源，所述的信号源带有SMA和USB接口，控制与处理中心通过USB接口控制信号源的信息设置并通过SMA接口传送信号到发射天线。

进一步的，所述发射天线为宽带小型化天线，工作于80 MHz ~ 6 GHz，采用SMA万向接头和信号源的输出端相连接。

进一步的，所述频谱仪是结构紧凑、重量轻且性能优异的便携式频谱分析仪，频率范围9kHz-6GHz 。

进一步的，所述控制与处理中心将无人机测量所飞行的路径信息传输给无人机控制模块，然后根据经度纬度和高度信息搭载发射天线等模块进行飞行测量。

进一步的，所述无人机控制模块为基于在线控制的无人机操作控制模块。

借由上述方案，本发明通过将信号源、发射天线、无人机、接收天线/标校天线、频谱仪有机地组合在一起构成了基于无人机平台的大型天线辐射方向图测量系统系统，由于采用了上述的技术方案，本发明至少具有以下优点：

本发明可以无人机平台搭载发射天线进行天线尤其是大型天线的方向图测量，开创性的解决了大型天线如短波天线等的方向图测试特别是三维方向图测试的难题。本发明可以适用于多种场所，不受地面形式约束，尤其对于如山区、林区、河流、戈壁等常规手段很难活无法测量作业等的场所，具有高度的灵活性。同时，该测量系统是考虑应用场所的实际环境，可以计及环境，周边天线及其他电磁辐射的影响，得到的这个测量数据模型更加真实，更加直观，更加符合实际。

本发明融入了基于在线控制的无人机操作控制模块, 可以自主起降、对飞行路径进行预设、优化等无忧操作，加快测量的速度，提高测量的安全性，特别适合环境复杂的场所，比如人群集散地、车辆流动区域、 动目标复杂的舰艇上空等；同时该系统可以融入多无人机同时在线操控控制技术，在所需测量区域大、待测目标多的情况下可以大大的提高测量效率。

本发明采用的无人机作为平台的测量方案，在大型天线测量的情况下优点更加明显，这种大型任务以往通常需要人工（车或船）或直升机作业才能完成。人工测量耗时太长，而直升机巡检的成本又太过高昂，且起降条件受限，相比较而言，无人机则具有成本低廉、效率高、精度高等众多优势，是大型天线测量的最佳选择。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1基于无人机平台的天线辐射参数测量系统示意图；

图2大型天线辐射参数测量系统组成构图；

图3是本发明的工作框图；

图4 是实际测试得到的方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明的基于无人机平台的天线辐射方向图测量系统，包括地面子系统和空中子系统，其中地面子系统由待测天线（安装于通信现场）、标校天线、频谱仪2、控制与处理中心3等部分组成，空中子系统由无人机6、发射天线5、信号源4、定位巡航设备7、信号回传设备等部分组成，定位巡航设备7利用GPS或北斗卫星用以实现定位、测距、测高和时间同步功能。频谱仪2与待测天线/标校天线1的信号输出端通过SMA接口连接，频谱仪2的USB端口与控制与处理中心3相连，将采集到的数据传输给控制与处理中心3，控制与处理中心3通过无线传输模式将发射频率和功率等设定模式给信号源4，信号源4通过SMA接口与发射天线5相连，发射天线5发射无线电磁波信号给待测天线/标校天线1，从而完成整个测量过程。卫星定位设备7安装于无人机6之上，通过控制与处理中心3的数据互传部分传给PC主机 8，PC主机8上的控制与处理中心3可以通过专用软件9的图形界面显示测量系统的测试结果。

作为本发明的优选实施例，本发明的发射天线5为宽带小型化天线，具有尺寸小、带宽宽等优点，可以工作于80 MHz ~ 6 GHz，采用SMA万向接头，和信号源4的输出端相连接。

作为本发明的优选实施例，信号源4为一种结构紧凑、重量轻便的便携式信号源，可用于输出各种规格的25 M~6 GHz信号发射源，所述的信号源4带有SMA和USB接口，控制与处理中心3通过USB接口控制发射源的信息设置并通过SMA接口传送信号到发射天线。

作为本发明的进一步的改进，在线控制的无人机6操作控制模块, 可以自主起降、对飞行路径进行预设、优化等无忧操作，加快测量的速度，提高测量的安全性，特别适合环境复杂的场所，比如人群集散地、车辆流动区域、 动目标复杂的舰艇上空等；同时该系统可以融入多无人机同时在线操控控制技术，在所需测量区域大、待测目标多的情况下可以大大的提高测量效率。

本发明的工作原理如下：先通过控制与处理中心3给信号源4设定所需的频率、带宽、功率等发射信息，输出信号给发射天线5，发射天线5的电磁波信号被给待测电线/标校天线 1 接收后，由频谱仪2采集并传递给控制与处理中心3。无人机6根据预先设定的航行路线，围绕待测电线/标校天线1进行飞行测量。安置于无人机6的GPS/北斗定位巡航设备，将位置信息和时间信息等回传给控制与处理中心3，并在PC电脑8上的专用软件9上显示测量结果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于无人机飞行平台的天线辐射方向图测量系统，包括地面子系统和空中子系统，其特征在于：所述地面子系统由安装于通信现场的待测天线、标校天线、频谱仪、控制与数据处理中心组成，所述空中子系统由无人机、发射天线、信号源、定位巡航设备、信号回传设备组成，所述发射天线安置固定于无人机平台上，所述的发射天线的输入端和信号源的输出端相连发射电磁波信号，所述的信号源通过控制与数据处理中心进行发射模式、频率和功率等设置操作输出信号给发射天线；所述的定位巡航设备利用GPS或北斗卫星用以实现定位、测距、测高和时间同步功能，其输出端连接于控制与数据处理中心，记录各个时刻的位置信息和时间信息，并通过信号回传设备传输给地面系统，待测天线接收无人机平台上的发射天线发射电磁波信号，其输出端与频谱仪的输入端相连，所述的频谱仪通过接收到的信号将数据通过输出端传送给PC端的控制与数据处理中心，控制与处理中心将收集的数据文件处理加工后显示出天线方向图图形文件，同时，在和接收天线相同地点安置标校天线进行第二次测量，通过对比接收天线和标校天线两次实测结果对比差值，加上标校天线的实际标定增益获得待测接收天线的实际增益值。

2.如权利要求1所述的基于无人机飞行平台的天线辐射方向图测量系统，其特征在于：所述信号源为结构紧凑、重量轻便的便携式信号源，用于输出各种规格的25 M~6 GHz信号发射源，所述的信号源带有SMA和USB接口，控制与处理中心通过USB接口控制信号源的信息设置并通过SMA接口传送信号到发射天线。

3.如权利要求1所述的基于无人机飞行平台的天线辐射方向图测量系统，其特征在于：所述发射天线为宽带小型化天线，工作于80 MHz ~ 6 GHz，采用SMA万向接头和信号源的输出端相连接。

4.如权利要求1所述的基于无人机飞行平台的天线辐射方向图测量系统，其特征在于：所述频谱仪是结构紧凑、重量轻且性能优异的便携式频谱分析仪，频率范围9kHz-6GHz 。

5.如权利要求1所述的基于无人机飞行平台的天线辐射方向图测量系统，其特征在于：所述控制与处理中心将无人机测量所飞行的路径信息传输给无人机控制模块，然后根据经度纬度和高度信息搭载发射天线等模块进行飞行测量。

6.如权利要求5所述的基于无人机飞行平台的天线辐射方向图测量系统，其特征在于：所述无人机控制模块为基于在线控制的无人机操作控制模块。