CN111624414A - 无人机辅助测试大机动飞行状态天线方向图的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种无人机辅助测试大机动飞行状态天线方向图的方法，旨在提供一种解决外场飞机在大机动条件下与天线相关的射频链路、射频兼容无线问题的测试方法。本发明通过下述技术方案实现：利用无人机搭建的差分GPS地面移动站，无人机机载GPS天线通过同步时钟模块将频率基准、GPS时间分别送入嵌入式模块和信号源，嵌入式模块根据辅助无人机的机载飞控系统输入的GPS时间、位置产生的使能信号送入信号源和机载数据链终端，地面终端远程控制辅助无人机发射的信号波形，根据测试无人机变换高度、悬停或绕飞，通过地面站的测试转台灵活调整辅助无人机的飞行策略，完成不同俯仰角度和方位角度的待测机载天线的方向图测试。
Description
技术领域
本发明涉及天线测试技术领域,更具体的是涉及一种可应用于验证在大机动机载平台外场整机超短波天线方向图无人机辅助测试方法。
背景技术
通信、雷达、导航、广播、电视等无线电技术设备，都是通过无线电波来传播信息，都需要有无线电波的发射和接收。天线作为机载射频传感器系统的重要组成部分，方向性图是天线的重要指标，从其测试验证成为目前工程型号研制中重要的工作内容。为了达到最佳的通信效果，要求天线必须具备一定的方向性，较高的转换效率，以及满足系统工作的频带宽度。根据无线电技术设备的任务不同，常常要求天线不是向所有方向均匀地辐射或对所有方向具有同等的接受能力，而是只向某个特定的区域辐射或只接受来自特定区域的无线电波，在其它方向不辐射或辐射很弱，也就是说，要求天线具有方向性。如果天线没有方向性，对发射天线来说，辐射的功率中只有很少一部分到达所需要的方向，大部分功率浪费在不需要的方向上；对接收天线来说，在接受到所需要的信号同时，还接收到来自其它方向的干扰和噪声，甚至使信号完全淹没在干扰和噪声中。天线方向图的准确测试与射频系统的射频功能链路、射频兼容、射频隐身等无线测试相关。测量方向图的原理比较简单，但要精确地测定方向图却要涉及许多方面的问题，难度较大。GJB-8815等国军标中对于天线方向图等参数的测试和校准做出了具体的规范和要求，理想的测试场地为电波暗室，但该场地一般只适合用于高频天线测试，且要求被测天线使用场景灵活。对于低频天线，例如广播电视塔天线，其尺寸和占地面积较大，无法开展天线的实验室测试活动，只能在开阔场测试天线的方向图，同样由于尺寸问题面临巨大的测试难题。在微波暗室中开展测试天线方向图，基本都是单天线在装机前的性能测试，一般整机天线测试不在暗室开展。主要原因如下，暗室单天线测试无法准确评估天线装机后方向图受畸变影响情况；由于机载平台尺度一般在10m-20m量级，部分机载平台更大，无法适应暗室静区尺寸；机载天线如罗盘、信标、短波、超短波天线频率低(300MHz以下)，暗室基本不具备这么低频条件下的远场条件。因此天线的整机测试大部分在外场开展，利用转塔模拟飞机在方位和俯仰的姿态变化。国内目前的转台具备方位360°旋转的能力，但在俯仰维度，受飞机自身尺寸和重量的限制，转台的扭矩可以支持俯仰角的机动范围在±30°以内，同时一般辅助端天线架设高度与测试端相当，因此外场整机天线测试主要集中在方位360°，俯仰±30°角域内。目前天线受装机影响大的主要集中在超短波频段(108-400MHz)全向天线，其他频段的天线性能可以通过地面测试或者单天线暗室测试完成。这类天线(超短波频段全向天线)在飞机平飞条件下或者小机动条件(俯仰/横滚小于20°)，功能链路主要使用俯仰±30°以内的天线增益。目前的外场测试系统，辅助端固定在地面或者山头，受多径影响大，同时受限转台俯仰转动能力，俯仰角测试范围无法超过30°。为适应飞机大机动条件下天线装机后通信链路性能测试，需要测试天线装机后大俯仰角条件下的天线性能，一般俯仰角度需要超过60°，部分极端情况需要达到80°。因此，需进一步开发新的测试手段，满足大机动条件下的天线性能测试，进而进一步验证在大机动条件下与天线相关的射频链路、射频兼容、射频隐身等功能。
随着电子信息技术的快速发展，无人机逐渐走进大众视野，由于其轻便、低成本、飞行灵活等特点，广泛应用于社会生产和生活，包括航拍、气象观测、农业植保、电力巡线等，受到各行业的广泛关注。因此，将无人机应用于天线测试是解决当前低频天线特征参数测量与验证的新思路与新课题。无人机是一种采用遥控或者程控方式飞行的航空器，主要由飞控系统、数据链系统、动力系统、传感器系统等部分组成。一般分为固定翼和旋翼两种类型。无人机在水平面或者球面飞行测试，能够得到被测天线关于俯仰角θ和方位角φ的天线方向图。经典的短波天线方向图都是经过理论计算和缩尺模型测试检验的。随着天线技术的不断发展，许多短波天线不断推出，出于其方向性参数的模糊或不确定，给通信线路的设计带来很大的不便，无法正确使用该天线。有时，经典的短波天线也会遇到场地起伏较大超过标准规定，或与周围天线彼此相距太近，不能满足使用要求等情况。对于短波天线方向性的测量，比较传统的做法是利用气球或飞机作为载体，搭载信号源和发射天线，并沿着以待测天线为中心的圆周飞行进行测量。但这些方法受到经费、时问、人力、天气等多种因素的制约。鉴于这些情况，迫切需要一套快速的、先进的、高精度的短波天线测试系统，以解决长期困扰“短波天线的方向性指标只能靠大量试验数据来综合判断”的问题。根据天线互易性定理，利用被试天线接收无人机远场源发射的射频信号，由于远场测试要求和信号发生系统轻质需要，无人机飞行较远且信号源功率受限，因此接收信号微弱。一般情况下，无人机沿着被试天线辐射方向图的E面或者H面以固定高度近似直线航向水平飞行，无人机水平飞行路线由于信号源的偶极子天线是线性极化，因此能够测试得到被试天线在某频点的共极化或者交叉极化方向图。但是该飞行策略存在一定缺点，首先，随着被试天线到无人机方向观察角度的增大，无人机飞离天线的距离也逐渐变大，导致空间路径损耗增加，该变化范围直接影响地面接收机的动态范围；其次，为了达到大观察角度下方向图测试目的，无人机飞离天线的距离越远，要求飞行器的续航时间也越长，而且只能得到天线的一维方向图。因此，需要采用更为复杂的飞行策略。
发明内容
本发明针对目前整机天线测试验证面临大俯仰角的需求，验证在大机动条件下与天线相关的射频链路、射频兼容、射频隐身等无线技术指标，拟采取无人机进行辅助测试，解决机载天线大机动飞行条件下性能测试问题，提供一种能够满足整机外场天线方向图大俯仰角增益指标的无人机辅助测试大机动飞行状态天线方向图的方法，以解决外场整机在大机动条件下与天线相关的射频链路、射频兼容、射频隐身等无线测试问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：无人机辅助测试大机动飞行状态天线方向图的方法，具有如下技术特征：利用无人机搭建包括与控制中心进行双向通信的无人机辅助测试端地面站终端，带有天线的差分GPS地面移动站、，架设有辅助测试天线、信号源的无人机辅助测试系统，其特征在于：无人机机载GPS天线通过同步时钟模块将频率基准、GPS时间分别送入嵌入式模块和信号源，嵌入式模块根据辅助无人机的机载飞控系统输入的GPS时间、位置产生的使能信号送入信号源，同时将GPS时间、位置和波形数据送入机载数据链终端；信号源通过辅助无人机上架设的辅助测试天线，向待测无人机的待测机载天线发射辅助测试信号，完成辅助测试信号的发射；地面站终端利用差分GPS地面站的GPS控制模块完成辅助无人机实时位置控制、数据交换、发射信号控制及同步；地面终端接收辅助机载数据链终端数据，远程控制辅助无人机发射的信号波形，同时通过控制中心相连的矢量网络分析仪，根据测试无人机变换高度、悬停或绕飞，通过地面站的测试转台灵活调整辅助无人机的飞行策略，完成不同俯仰角度和方位角度的待测机载天线的方向图测试。
本发明相比于现有技术具有如下效果：
本发明采用无人机进行辅助测试，无人机上架设辅助测试天线、信号源等设备，完成辅助测试信号的发射。信号波形通过地面终端数据链远程控制无人机发射，同时通过无人机变换高度、悬停或绕飞完成不同俯仰角度和方位角度的整机天线测试。受场地测试设备能力，无人机辅助测试系统可以灵活调整飞行策略，满足不同测试要求，对于固定测试转台，飞机架设到转台上后，可以通过无人机按照固定高度，围绕转台飞行，测试某个俯仰面上所有方位面的天线性能，通过调整飞行高度，实现不同俯仰角的天线性能测试。对于两轴或三轴转台，无人机可采用悬停方式，转台通过方位和俯仰转动，模拟不同飞行姿态，测试整机天线不同通过增加无人机辅助测试系统，降低整机天线测试受转台能力的限制，完成不同方位角和俯仰角的整机天线性能测试，特别是通过灵活调整无人机飞行高度，可模拟大俯仰角测试状态。通过无人机辅助测试系统，可模拟0°-80°范围内俯仰测试姿态，满足大机动(俯仰/横滚机动)条件下的天线性能测试，进而进一步验证在大机动条件下与天线相关的射频链路、射频兼容、射频隐身等功能。同时由于无人机辅助测试系统不需要配置专门的辅助测试场地及设备条件，因此极大简化了辅助端测试场地需求。
本发明通过转台的方位/俯仰转动及无人机的悬停/绕飞策略，构建出大角域范围内机载天线方向图的测试能力，同时也避免了为构建大仰角带来的无人机飞行高度过高，测试距离太远带来的衰减等问题。
本发明适合于测试大机动机载平台天线方向图，特别适合于机载超短波全向天线在大机动条件下的方向图测试。特别是受装机影响比较大的超短波天线方向图在大机动条件下的方向图测试。
附图说明
图1是本发明搭建的无人机辅助测试系统原理框图。
图2是图1无人机采用绕飞方式实现大俯仰角条件下测试天线方向图的示意图。
图3是图1无人机采用悬停方式实现大俯仰角条件下测试天线方向图的示意图。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，利用无人机搭建包括与控制中心进行双向通信的无人机辅助测试端地面站终端，带有天线的差分GPS地面移动站、架设有辅助测试天线、信号源的辅助无人机的辅助测试系统，其特征在于：无人机机载GPS天线通过同步时钟模块将频率基准、GPS时间分别送入嵌入式模块和信号源，嵌入式模块根据辅助无人机的机载飞控系统输入的GPS时间、位置产生的使能信号送入信号源，同时将GPS时间、位置和波形数据送入机载数据链终端；信号源通过辅助无人机上架设的辅助测试天线，向待测无人机的待测机载天线发射辅助测试信号，完成辅助测试信号的发射；地面站终端利用差分GPS地面站的GPS控制模块完成辅助无人机实时位置控制、数据交换、发射信号控制及同步；地面终端接收辅助机载数据链终端数据，远程控制辅助无人机发射的信号波形，同时通过控制中心相连的矢量网络分析仪，根据测试无人机变换高度、悬停或绕飞，通过地面站的测试转台灵活调整辅助无人机的飞行策略，完成不同俯仰角度和方位角度的待测机载天线的测试。
测试系统为被测的固定站天线提供空中的标准信号源，完成天线方向性图的测试。地面站设备包含待测天线、接收机、数据采集卡、数据处理终端、差分GPS基准站。地面站无人机遥控器则控制无人机的飞行。
实施例1
参阅图2。无人机采用悬挂在无人机下部全向天线，地面无人机测控端控制无人机悬停高度和位置的全向天线和作为辅助测试端的无人机辅助天线，通过地面控制端控制无人机发射频率和信号强度，测试待测无人机待测机载天线通讯的方向图。
机载待测天线安装在机载平台上，测试转台绕轴心旋转，待测机载天线与矢网连接，机载待测端采用一维方位旋转的辅助测试天线，绕过旋心且垂直于台面的旋转轴为心的圆周上运动，地面无人机测控端控制无人机悬停高度和位置，地面站接收无人机辅助端辅助天线各个角度上发射的信号，地面站接收测试数据，记录下此空域上场强一距离关系，将各个测试点上的场强数值作为归算的校准参数，将偏离轨迹后的测试数据修正到正常轨迹上，计算满足天线方向图测试时要求的圆心点，得到较精确的天线方向，绘制出待测天线的方向图。机载待测端采用一维方位旋转的机载待测天线，测试角域范围对应到机载平台，调整机载待测端转台俯仰角度、无人机飞行高度和无人机悬停高度，对整机天线不同角域天线方向图测试，可以实现方位全向，俯仰0-80°空域范围内的天线方向图。
从GPS精度考虑，飞行半径越大，相对误差越小；从电波传播理论考虑，天线方向性应在远区场，约10个波长以外进行测试；兼顾到飞行半径区域旁建筑物的位置，将飞行半径确定为20米。将无人机移到距离天线20米的位置(A点)，接下来以B点为圆心、20米为半径围绕天线做圆周飞行，无人机在飞行时可始终保持机载信号源的天线辐射主瓣对准被测的固定站天线。以一定的时间间隔控制并记录机载信号源发射频率、GPS时间和地理位置信息；接收端软件同步控制位于被测天线端的频谱分析仪读取并记录频率和GPS时间。天线方向性测试时，发射端软件不断记录GPS时间和位置信息；接收端软件则不断读取并记录频谱分析仪通过被测天线接收到的电平值，将发射端和接收端的数据融合并在极坐标中绘制出被测天线的方向性图。
测试时，无人机遥控器控制无人机围绕被测天线做圆周飞行，保持无人机的姿态，使天线的方向性主瓣始终对准被测天线；然后控制无人机以固定半径、在天线的辐射方向性主瓣的水平位置围绕天线做圆周飞行。同时记录信号源的频率、GPS位置和时间信息，位于被测天线端接收机的接收电平和GPS时间信息，根据天线极化、天线方向图指标等因素选择确定飞行轨迹，经过若干次不同高度的飞行，实现多个仰角，并完成垂直面方向图测试，将信号源与接收机两者的以上数据参考GPS时间戳进行同步和分析，可画出接收天线的水平方向性图。
实施例2
参阅图3。无人机采用绕飞方式，地面站机载待测端采用固定方式的机载待测天线，按满足远场条件半径，以转台为中心设定无人机按固定半径进行绕飞，控制无人机飞行高度、辅助天线发射频率及发射信号强度，同时控制加载信号源的无人机围绕接收天线飞行，通过调整无人机飞行高度及飞行半径，实现整机天线不同角域天线方向图测试。
地面站机载待测端根据无人机盘旋半径和接收点距盘旋圆心点的距离，求出各个点偏离接收天线主瓣轴线的角度，再根据所用接收天线的辐射方向性图找出所接收的场强值与最大方向所接收的场强值偏差，将其累加到接收点所接收到的场强上，将盘旋圆周上各个点上接收的场强值做为归算的校准参数，以场强值为基准值进行补偿，修正确定修正值并进行归算处理，得到天线相位中心和旋转中心置台的飞行方向图。而且还大大降低各种因索引入的误差和飞行难度。
以上结合附图对本发明进行了详细描述，但需要指出的是，上述实施例所描述的是仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，比如将本发明的测试频率范围扩展，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种无人机辅助测试大机动飞行状态天线方向图的方法，具有如下技术特征：利用无人机搭建包括与控制中心进行双向通信的无人机辅助测试端地面站终端，带有天线的差分GPS地面移动站、，架设有辅助测试天线、信号源的无人机辅助测试系统，其特征在于：无人机机载GPS天线通过同步时钟模块将频率基准、GPS时间分别送入嵌入式模块和信号源，嵌入式模块根据辅助无人机的机载飞控系统输入的GPS时间、位置产生的使能信号送入信号源，同时将GPS时间、位置和波形数据送入机载数据链终端；信号源通过辅助无人机上架设的辅助测试天线，向待测无人机的待测机载天线发射辅助测试信号，完成辅助测试信号的发射；地面站终端利用差分GPS地面站的GPS控制模块完成辅助无人机实时位置控制、数据交换、发射信号控制及同步；地面终端接收辅助机载数据链终端数据，远程控制辅助无人机发射的信号波形，同时通过控制中心相连的矢量网络分析仪，根据测试无人机变换高度、悬停或绕飞，通过地面站的测试转台灵活调整辅助无人机的飞行策略，完成不同俯仰角度和方位角度的待测机载天线的方向图测试。
2.如权利要求1所述的无人机辅助测试大机动飞行状态天线方向图的方法，其特征在于：无人机采用悬停方式，通过地面无人机测控端，控制无人机悬停高度和位置，作为辅助测试端的无人机辅助天线，采用全向天线悬挂在无人机下部，通过地面控制端，控制无人机发射频率和信号强度。
3.如权利要求1所述的无人机辅助测试大机动飞行状态天线方向图的方法，其特征在于：待测天线安装在机载平台上，与矢网连接，接收无人机辅助端辅助天线发射的信号。
4.如权利要求1所述的无人机辅助测试大机动飞行状态天线方向图的方法，其特征在于：无人机测天线安装在机载平台上，测试转台绕轴心旋转，待测机载天线的相位中心和测试转台的旋转中心重合，与矢网连接，机载待测端采用一维方位旋转的辅助测试天线，绕过旋心且垂直于台面的旋转轴为心的圆周上运动，地面站接收无人机辅助端辅助天线各个角度上发射的信号，地面站接收测试数据，记录下此空域上场强一距离关系，将各个测试点上的场强数值作为归算的校准参数，将偏离轨迹后的测试数据修正到正常轨迹上，计算满足天线方向图测试时要求的圆心点，得到较精确的天线方向，绘制出待测天线的方向图。
5.如权利要求1所述的无人机辅助测试大机动飞行状态天线方向图的方法，其特征在于：机载待测端采用一维方位旋转的机载待测天线，测试角域范围对应到机载平台，调整机载待测端转台俯仰角度、无人机飞行高度和无人机悬停高度，对整机天线不同角域天线方向图测试，实现方位全向，俯仰0-80°空域范围内的天线方向图。
6.如权利要求1所述的无人机辅助测试大机动飞行状态天线方向图的方法，其特征在于：无人机采用悬挂在无人机下部全向天线，地面无人机测控端控制无人机悬停高度和位置的全向天线和作为辅助测试端的无人机辅助天线，通过地面控制端控制无人机发射频率和信号强度，测试待测无人机待测机载天线通讯的方向图。
7.如权利要求1所述的无人机辅助测试大机动飞行状态天线方向图的方法，其特征在于：无人机测天线安装在机载平台上，测试转台绕轴心旋转，待测机载天线的相位中心和测试转台的旋转中心重合，与矢网连接，机载待测端采用一维方位旋转的辅助测试天线，绕过旋心且垂直于台面的旋转轴为心的圆周上运动。
8.如权利要求1所述的无人机辅助测试大机动飞行状态天线方向图的方法，其特征在于：地面无人机测控端控制无人机悬停高度和位置，地面站接收无人机辅助端辅助天线各个角度上发射的信号，地面站接收测试数据，记录下此空域上场强一距离关系，将各个测试点上的场强数值作为归算的校准参数，将偏离轨迹后的测试数据修正到正常轨迹上，计算满足天线方向图测试时要求的圆心点，得到较精确的天线方向，绘制出待测天线的方向图。
9.如权利要求1所述的无人机辅助测试大机动飞行状态天线方向图的方法，其特征在于：无人机采用绕飞方式，地面站机载待测端采用固定方式的机载待测天线，按满足远场条件半径，以转台为中心设定无人机按固定半径进行绕飞，控制无人机飞行高度、辅助天线发射频率及发射信号强度，同时控制加载信号源的无人机围绕接收天线飞行，通过调整无人机飞行高度及飞行半径，实现整机天线不同角域天线方向图测试。
10.如权利要求1所述的无人机辅助测试大机动飞行状态天线方向图的方法，其特征在于：地面站机载待测端根据无人机盘旋半径和接收点距盘旋圆心点的距离，求出各个点偏离接收天线主瓣轴线的角度，再根据所用接收天线的辐射方向性图找出所接收的场强值与最大方向所接收的场强值偏差，将其累加到接收点所接收到的场强上，将盘旋圆周上各个点上接收的场强值做为归算的校准参数，以场强值为基准值进行补偿，修正确定修正值并进行归算处理，得到天线相位中心和旋转中心置台的飞行方向图。
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