CN110231032B - 一种具有指北功能的天线相位中心测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有指北功能的天线相位中心测试系统，包括转台、控制模块、用户接收机、数据处理模块；转台包括电机、内置蜗轮蜗杆的传动平台、内置陀螺仪模块的陀螺仪安装腔、用于安装天线的夹具；步进电机接收控制模块发送的指令，通过涡轮蜗杆控制安装在夹具上的天线转动至设定角度，用户接收机获取天线转动至设定角度处发送的卫星导航信号，数据处理模块根据用户接收机获取的卫星导航信号，计算天线相位中心；本方案实现天线的精确找北，实现了基线场天线相位中心的无人测试模式，完成了人工测试向自动化测试的提升和转变，提高测试工作效率，降低测试成本，使得现场测试工作的管理更为简单有效。

Description

一种具有指北功能的天线相位中心测试系统

技术领域

本发明涉及一种具有指北功能的天线相位中心测试系统，属于天线相位中心测试技术领域。

背景技术

天线相位中心(平均天线相位中心)是指微波天线的电气中心。其理论设计应与天线几何中心一致。天线相位中心与几何中心之差称为天线相位中心偏差。天线相位中心的测试要求测试过程中将所有待测天线上的指北标志同时指向正北。第一个测段被测天线都指北，观测一个时段(1.5h)；然后固定天线G1不动，顺时针旋转另一个天线G2，依次旋转90°、180°、270°再测3个时段，分别求出各时段基线向量，这样就完成上半测回的数据采集；最大值与最小值之差应小于GPS接收机的标称固定标准差。

目前国内计量系统采用的均为全人工测试方式，操作人员安装好待测天线等设备，目测将天线指北后，按规程开机和测试，测试到达规定时长(如30分钟)，旋转至相应角度，重新开机测试。测试完毕后还需要采集数据，导入计算机中的软件系统中进行分析。显然，采用这种全人工测试方式，存在着测试工作量大、测试时间长、测试效率低、测试精度不足等诸多问题。采用传统手工方式进行测试时，因为缺乏严格的指北方法，只能靠人工大致判断北方，难以实现精确指北，只能大致估计方向；其次按照规程依次旋转至90度、180度、270度，手工方式实际无法精确实现角度的旋转，完全凭借测试人员的主观感觉和经验。传统采用人工方式进行测量时，每台天线或终端的测试需要开机关机四次，调整角度四次，七个终端共需操作五十六次，费时费力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种天线相位中心测试系统，以解决现有技术中导致的上述多项缺陷或缺陷之一。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

本发明提供了一种天线相位中心测试系统，系统包括转台、控制模块、用户接收机、数据处理模块；

转台包括步进电机、内置蜗轮蜗杆的传动平台、陀螺仪安装腔、用于安装天线的夹具；所述夹具固定在陀螺仪安装腔上；所述陀螺仪安装腔内固定有陀螺仪模块；

步进电机接收控制模块发送的指令，通过涡轮蜗杆控制安装在夹具上的天线转动至设定角度；用户接收机获取天线转动至设定角度处发送的导航信号，数据处理模块根据用户接收机获取的导航信号，计算天线相位中心。

转台还包括底座，底座从下到上依次连接有同心轴保护罩、同心轴、同心轴连接器，同心轴连接器和传动平台转动连接。

底座上设置有用于调节陀螺仪安装腔的测试平面的水平状态的调节旋钮。

控制模块包括用于和用户接收机、转台的步进电机及陀螺仪模块通信连接的转台控制器。

控制模块还包括用于设定转台的转动角度、转台转动的间隔时间，并将设定的转动角度和间隔时间发送至转台控制器的控制终端。

转台控制器包括用于根据设定的角度和间隔时间控制步进电机运作，使步进电机驱动转台的陀螺仪模块和天线按照设定的角度和间隔时间转动的主控模块。

主控模块包括：天线指北引导模块，用于根据陀螺仪模块发送的角度信息控制步进电机转动，实现天线找北。

陀螺仪指北校准模块，用于获取多组陀螺仪的指北角度信息，并对多组陀螺仪的指北角度信息进行求平均和滤波处理，根据求平均和滤波处理后的陀螺仪的指北角度信息，对陀螺仪指北进行校准。

进一步的，数据处理模块搭载用于根据天线发送的导航数据计算天线相位中心的解算软件，所述解算软件包括South Total Control等数据解算软件。

优选的，主控模块包括ARM芯片。

进一步的，转台的材质为非磁性材料。

本发明提供的具有指北功能的天线相位中心测试系统，使用基于ARM芯片技术的转台控制器控制转台的步进电机转动，步进电机驱动转台的转动装置转动，转动装置转动带动陀螺仪模块和设置在转动装置上的天线转动，陀螺仪模块引导转台实现天线高准确度的指北功能；系统可以自动、独立地完成整个测试过程，测试完毕后通过软件界面和提示音的方式提醒测试人员测试完毕。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的一种天线相位中心测试系统组成图；

图2是根据本发明实施例提供的一种天线相位中心测试系统的测试方法流程图；

图3是根据本发明实施例提供的一种转台结构示意图；

图4是根据本发明实施例提供的一种转台控制器的模块组成图；

图中：1、同心轴夹具；2、测试平面；3、陀螺仪安装腔；4、角度指示刻度盘；5、步进电机；6、传动平台；7、同心轴连接器；8、同心轴；9、同心轴保护罩；10、底座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，术语“上”“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构图和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的具有指北功能的天线相位中心测试系统，包括如图1所示的转台、控制模块，还包括用户接收机、数据处理模块。

转台：如图3所示，转台包括具有强制对中功能的底座10，底座10连接有同心轴保护罩9，同心轴保护罩9中设置有同心轴8，同心轴8和同心轴连接器7连接，同心轴连接器7和传动平台6连接，传动平台6和陀螺仪安装腔3连接，陀螺仪安装腔3上设置有用于安装天线的夹具1，传动平台6上设置有角度指示刻度盘4；

夹具1为同心轴夹具，夹具1和同心轴8使得安装在夹具1上的天线和底座10处于同一个轴心；同心轴保护罩9具有保护同心轴的作用，并具有美观效果；角度指示刻度盘4用于人工读取天线转动的角度；

底座10上设置有用于将底座10固定在测试墩上的螺孔，通过螺孔安装在测试墩上，实现强制对中，底座10上设置用于水平调节的有三个可调旋钮，底座10的可调旋钮配合陀螺仪安装腔3的测试平面2上的水泡，将测试平面2调节至水平状态；

传动平台6中设置有蜗轮蜗杆；陀螺仪安装腔3内固定有陀螺仪模块；步进电机5通过蜗轮蜗杆驱动陀螺仪安装腔3和夹具1同步转动，陀螺仪安装腔3和夹具1转动，带动固定在陀螺仪安装腔3内的陀螺仪模块和安装在夹具1上的天线同步转动，转台的其他模块相对测试墩固定不动。因为陀螺仪是基于地磁场的分布实现指北功能和角度测试功能，为避免影响陀螺仪的准确性，转台的材质为无磁性材料。

控制模块包括：转台控制器、控制终端、通信模块。

参照图4，转台控制器包括电源管理模块、WIFI通信模块、主控模块、大容量锂电池；

电源管理模块为转台控制器的各个电路模块提供可靠的电源，大容量锂电池为整个装置提供电能；

转台控制器采用嵌入式以太网模块实现和用户接收机的通信，以太网模块内置TCP/IP协议，针对市场上主流的用户接收机，预定义了接收机重启的HTTP交互过程，从而实现接收机的可靠控制，具体控制内容为接收机的重启命令控制；转台控制器中的HTTP重启协议用于用户接收机存储采集的导航数据。

转台控制器利用8266WIFI通信模块实现无线网络传输，完成了后台监控系统和转台装置之间的可靠无线通信连接，可自动将姿态数据自动传输至后台监控系统；

转台控制器、转台的步进电机、陀螺仪模块之间通过WIFI通信模块通信连接；转台控制器和用户接收机通过以太网网线连接。

转台控制器包括主控模块，主控模块包括Cortex M0系列ARM芯片；

主控模块用于根据设定的角度和间隔时间控制步进电机运作，使步进电机驱动转台的陀螺仪模块和天线按照设定的角度和间隔时间转动；状态控制器中的电机驱动算法用于控制电机平稳启动、运转和停止；

主控模块包括用于采集陀螺仪模块发送的角度信息，根据陀螺仪的角度信息控制步进电机转动，从而实现天线找北功能的天线指北引导模块；

主控模块还包括用于获取多组陀螺仪的指北角度信息，并对多组所述陀螺仪的指北角度信息进行求平均和滤波处理，根据求平均和滤波处理后的陀螺仪的指北角度信息，对陀螺仪指北进行校准的陀螺仪指北校准模块；通过控制电机使转台从相对指北方向的0到360度多次旋转，从而获取转台转动时的多组陀螺仪角度数据，对多组陀螺仪角度数据求平均和滤波处理，根据经过求平均处理和滤波处理的角度信息，获得角度误差数据，可以进一步排除随机误差的影响，提高陀螺仪的指北精度；根据本发明实施例提供的测试系统的指北精度可达到0.5°，实现了待测天线的精确指北。

天线相位中心测试系统多在建筑物顶部的基线场环境中，使用环境比较恶劣，常受风吹日晒，因此转台控制器选择适应环境温度变化较大的工业级器件，能够满足高于80℃的工作温度，以保证系统的可靠新和稳定性；

系统转台的转动模块可以支撑的负载的重量大于目前的测试需求，具有良好的适应性，在一个例子中，系统转台的转动模块带动10Kg的负载平稳转动。

控制终端：包括安装有APP的移动终端、搭载有后台监控系统的后台管理模块；

后台管理模块包括服务器，服务器通过WIFI实现和转台控制器之间的数据传输和交互，将设定的转动角度、转台转动的间隔时间等信息发送至转台控制器；

在进行天线相位中心测试的过程中，用户可以通过安装在移动终端的APP软件实现对转台的参数配置、转台的转动和停止的现场控制；参数包括转台转动的间隔时间、后台监控系统的服务器的IP地址等内容。

系统还包括为系统中的各设备供电的电源模块，包括电池供电装置、外接220V电压供电装置，具有锂电池充电接口和充电功能，能够适应各种不同的应用条件。

用户接收机和数据处理模块：在测试过程中，用户接收机接收天线指向正北处、相对于正北方向旋转90°、180°、270°时的卫星导航数据，数据处理模块获取用户接收机接收的导航数据，通过South Total Control等专用解算软件计算出天线的相位中心。

参照图2，在安装上述各装置时，通过螺丝固定的方法将底座10固定在基线场墩位上，通过调节可调旋钮，并观察测试平面2中水平尺中水泡的位置，将转台测试平面2调节至水平状态；在一个例子中，测试现场包括7个墩位，安装时除软件外，转台、转台控制器都是对应每个测试墩位部署一套，共计配置7套；完成在基线场墩位安装测试转台；

将天线安装在夹具1上；完成待测天线的安装；

安装和调试转台控制器，将转台控制器和转台的陀螺仪模块、步进电机、控制模块、用户接收机之间通信连接；

通过后台监控系统设置天线转动角度和在转动至设定角度处停留的测试时间，停留的测试时间即为相邻两次转动的间隔时间；后台监控系统将设置的角度和间隔时间发送至转台控制器，根据角度和间隔时间将指令发送至转台的转动电机，驱动转台的转动装置转动。

在天线转动的过程中，陀螺仪实时发送天线中心相位相对于指北方向转动的角度信息、转动速度及加速度信息至转台控制器，转台控制器再将数据传送到后台监测软件中实时管控，后台监测系统保持对系统的运行状态实时监控，转台控制器按照配置的测试参数自动控制转台的转动、停止。

转台控制器和用户接收机之间通信连接，在接收机完成了天线在相对于指北方向0°、90°、180°、270°时的数据采集后，转台控制器根据设定的间隔时间参数对用户接收机进行重启；用户接收机实时接收待测天线获取的源自导航卫星的导航数据，并对接收的导航数据进行存储；最后使用专用的解算软件对接收机存储的导航数据进行结算得到天线相位中心。

测试完毕后，后台监控软件通过提示音和软件界面提醒测试人员测试完毕，测试人员去测试场重新更换待测天线，从而进行下一轮自动测试。

本发明实施例提供的一种具有指北功能的天线相位中心测试系统，包括设置控制模块、接收机、数据处理模块、有陀螺仪模块的转台、根据陀螺仪模块发送的信息对安装在转台上的天线进行精确找北的转台控制器，转台控制器根据控制模块发送的角度和间隔时间指令控制转台转动，用户接收机接收天线转动至设定位置处发送的导航数据，数据处理模块根据导航数据计算出天线的相位中心；实现了具有高精度指北功能；通过MEMS惯导技术、ARM嵌入式技术、WIFI无线传输技术、高稳定性的电机传动技术和高效电源管理技术等，实现基线场天线相位中心的无人测试模式，完成了人工测试向自动化测试的提升和转变，提高测试工作效率，降低测试成本，使得现场测试工作的管理更为简单有效。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有指北功能的天线相位中心测试系统，其特征在于，所述系统包括转台、控制模块、用户接收机、数据处理模块；

所述转台包括步进电机（5）、内置蜗轮蜗杆的传动平台（6）、陀螺仪安装腔（3）、用于安装天线的夹具（1）；所述夹具（1）固定在陀螺仪安装腔（3）上；所述陀螺仪安装腔（3）内固定有陀螺仪模块；

步进电机接收控制模块发送的指令，通过涡轮蜗杆控制安装在夹具上的天线转动至设定角度；用户接收机获取天线转动至设定角度处发送的导航信号，数据处理模块根据用户接收机获取的导航信号，计算天线相位中心；

所述控制模块包括和用户接收机、转台的步进电机及陀螺仪模块通信连接的转台控制器；

所述转台控制器包括用于根据设定的角度和间隔时间控制步进电机运作，使步进电机驱动转台的陀螺仪模块和天线按照设定的角度和间隔时间转动的主控模块；

所述主控模块包括：

天线指北引导模块，用于根据陀螺仪模块发送的角度信息控制步进电机转动，实现天线找北；

陀螺仪指北校准模块，用于获取多组陀螺仪的指北角度信息，并对多组所述陀螺仪的指北角度信息进行求平均和滤波处理，根据求平均和滤波处理后的陀螺仪的指北角度信息，对陀螺仪指北进行校准。

2.根据权利要求1所述的具有指北功能的天线相位中心测试系统，其特征在于，所述转台还包括底座（10），底座（10）从下到上依次连接有同心轴保护罩（9）、同心轴（8）、同心轴连接器（7），同心轴连接器（7）和传动平台（6）转动连接。

3.根据权利要求1所述的具有指北功能的天线相位中心测试系统，其特征在于，底座（10）上设置有用于调节陀螺仪安装腔（3）的测试平面（2）的水平状态的调节旋钮。

4.根据权利要求1所述的具有指北功能的天线相位中心测试系统，其特征在于，所述控制模块还包括用于设定转台的转动角度、转台转动的间隔时间，并将设定的转动角度和间隔时间发送至转台控制器的控制终端。

5.根据权利要求1所述的具有指北功能的天线相位中心测试系统，其特征在于，所述主控模块包括ARM芯片。

6.根据权利要求1所述的具有指北功能的天线相位中心测试系统，其特征在于，所述数据处理模块搭载用于根据天线发送的导航数据计算天线相位中心的解算软件，所述解算软件包括South Total Control数据解算软件。

7.根据权利要求1所述的具有指北功能的天线相位中心测试系统，其特征在于，所述转台的材质为非磁性材料。

Images