CN114184852A - 一种基于空中平台的天线方向图主被动复合式测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空中平台的天线方向图主被动复合式测量系统，包括位置测量设备、功率测量设备、无人机、地面基站。无人机按照规划的路径飞行，在飞行过程中采集对应位点处的无人机的位置数据和被测天线功率数据并传回地面基站，地面基站中的计算机将采集到的位置数据和功率数据一一对应后进行处理，绘制为被测天线的远场方向图，完成天线辐射特性的测量。本发明定位精确，能够快速转换坐标，同时能够精准测量各待测点的功率数据，可以满足各种大型微波发射天线和接收天线的测量要求并绘制出天线方向图。

Description

一种基于空中平台的天线方向图主被动复合式测量系统

技术领域

本发明属于天线远场方向图研究技术领域，特别是涉及一种基于空中平台的天线方向图主被动复合式测量系统。

背景技术

天线测试场是测量或鉴定天线性能的场所，可以分为室内场和室外场。室内场是指微波暗室，根据测量距离的不同，微波暗室测量又可分为室内近场测量、室内紧缩场测量和室内远场测量。在实际工程应用中，天线方向图、增益、波筹宽度等参数会决定其是否满足性能要求，与此同时，相较于微波暗室，外场测试环境更能反映天线的真实性能。同时对于口径较大的天线，室内测试场地无法满足天线远场测量距离，所以往往采用室外场测量，室外测试场主要分高架测试场和斜天线测试场，为了避免地面反射的影响，通常把发射和接收的天线分别架设在水泥塔或相邻高大建筑物的顶上，但对于大中口径天线搬运、安装都相当耗时费力。另一方面，对于大中型天线，最小远场测量距离往往很大，且受到大地反射等因素的影响，测量误差根本无法估算，因此常规的室外测试场对于大中型天线的远场测量也无能为力。目前对于大中型天线测量，国内外比较通用的方法是采用天体射电源和人造卫星信标进行远场测量，但是仍然存在信号强度不足、精度差、费用昂贵等问题。因此，一套精确有效的远场天线自动测试系统是研究人员迫切需要的。随着科技的发展，无人机技术逐渐成熟，利用无人机灵活方便、成本低的特点，采用无人机对天线进行远场测量。

发明内容

本发明目的在于提供一种天线方向图测量系统，解决现有系统中测量设备搬运、安装费力，测量精度差且费用昂贵的问题。

为了实现本发明目的，本发明提供了一种基于空中平台的天线方向图主被动复合式测量系统，包括位置测量设备、功率测量设备、无人机、地面基站；位置测量设备用于测量无人机的位置数据；功率测量设备用于测量被测天线的功率数据；地面基站用于接收无人机的位置数据与被测天线的功率数据，并对位置数据和功率数据进行处理；

无人机按照规划的路径飞行，在飞行过程中采集对应位点处的无人机的位置数据和被测天线功率数据并传回地面基站，地面基站中的计算机将采集到的位置数据和功率数据一一对应后进行处理，绘制为被测天线的远场方向图，完成天线辐射特性的测量。

进一步地，位置测量设备为BD/GPS-RTK实时差分定位装置；BD/GPS-RTK实时差分定位装置包括天空端和地面端；天空端设置于无人机上，用于在空中采集无人机的位置数据并传输回地面基站；地面端设置于地面基站，用于从地面采集无人机的位置数据；地面基站的计算机接收从天空端与地面端分别传回的位置数据后，对两组数据进行差分处理，获取无人机的实时坐标；

进一步地，功率测量设备设置于无人机上，为功率接收机或微波发射机，功率接收机用于测量发射天线，微波发射机用于测量接收天线；功率测量设备测量有信号发射时的功率和无信号发射时环境噪声功率，将有信号发射时的功率减去无信号发射时环境噪声功率得到天线的功率数据。

进一步地，无人机上设置有用于发送测得功率数据的第一单片机，地面基站设置有接收功率数据的第二单片机；功率测量设备获取被测天线的功率数据后将数据发送至第一单片机；第一单片机将功率数据传输给位于地面基站的第二单片机，第二单片机将接收到的功率数据传入地面基站的数据处理计算机中。

进一步地，位置测量设备采集的位置数据为分别以经度、纬度和海拔高度作为X轴、Y轴和Z轴的直角坐标系；地面基站中的计算机通过球坐标与直角坐标系转换公式将测得的无人机直角坐标和已知的被测天线直角坐标转换为相对于地心的球坐标，求得被测天线的球坐标为(ρ₀,α₀,θ₀)，无人机的坐标为(ρ₁,α₁,θ₁)，其中ρ₀表示被测天线的距离，α₀表示被测天线的俯仰角，θ₀表示被测天线的方位角，ρ₁表示无人机的距离，α₁表示无人机的俯仰角，θ₁表示无人机的方位角；根据被测天线、无人机分别相对于地心的球坐标，可以求得无人机相对于被测天线的球坐标，即无人机相对于被测天线的距离、俯仰角、方位角，具体计算过程如下；

无人机相对于被测天线的距离ρ₂为：

无人机相对于被测天线的俯仰角α₂为：

式中，A＝2ρ₀ ²-2ρ₀ ²cos(θ₁-θ₀)，B＝2ρ₀ ²-2ρ₀ ²cos(α₁-α₀)；

无人机相对于被测天线的方位角θ₂为：

式中，A＝2ρ₀ ²-2ρ₀ ²cos(θ₁-θ₀)，B＝2ρ₀ ²-2ρ₀ ²cos(α₁-α₀)。

进一步地，无人机的飞行路径的规划方法为：首先，控制无人机飞行至预设的基准点；接着，以无人机的出发进行测量的方向作为参考方向，将被测区域的空间规划为以n为单位距离的空间栅格；随后，控制无人机从基准点出发进行测量，在同一水平面沿空间栅格进行S型飞行，当无人机经过空间栅格点位时会进行悬停并通过功率测量设备测量该点的功率数据；最后，控制无人机返回预设的降落地点。

进一步地，地面设置有激光辅助定位设备，用于判断无人机在出发时是否处于预设的基准点位置，具体流程如下：首先，设定基准点相对于天线馈源中心的距离r，俯仰角θ，方位角

根据公式求出基准点相对于天线馈源中心的直角坐标x、y、z值，即

z＝r·cosθ+h，式中h为被测天线的高度；然后，根据已知的激光辅助定位设备相对于天线底部的直角坐标x’，y’，z’，计算出激光辅助定位设备相对于基准点的俯仰角θ’和方位角

当x<x’时，

当x>x’时，y<y’时，

当y>y’时，

最后，根据求得的激光辅助定位设备相对于基准点的俯仰角θ’和方位角

通过激光辅助定位设备对无人机进行观察，判断无人机是否处于基准点位置。

进一步地，地面基站计算机接收到不同测量点的功率数据后，会对测得的功率数据进行归一化处理，将测量到的功率数据折算为以被测天线馈源中心为球心的归一化半径球面的功率值；随后根据各测量点的位置数据和归一化后的功率数据绘制出天线方向图；功率数据归一化具体处理方法如下：

利用公式得到中间过程计算量b＝4πf|L₁-L₀|；

当L₁＞L₀时，

当L₁＜L₀时，

当L₁＝L₀时，p₁＝p₀；

式中，p₁为归一化后的功率数据，p₀为输入的测量点功率数据，f为被测天线的接受波频率，L₁为归一化球面的半径，L₀为测量点距离归一化球体球心的距离，b为中间过程计算量，c为光速。

进一步地，地面基站计算机将测得的位置数据和功率数据进行处理后导入MATLAB软件，绘制出天线方向图；根据绘制出的天线方向图得到被测天线的主瓣宽度，旁瓣电平，方向系数，前后比参数，并根据这些参数判断被测天线是否处于正常工作状态。

与现有技术相比，本发明的显著进步在于：1)本发明能够将经纬坐标快速转换为球坐标，能够对无人机进行精准定位；以及将球坐标转换为直角坐标，用于地面激光辅助定位仪辅助定位确定基准点位置；2)本发明无人机飞行路径规划合理，无人机由基准点出发，采用空间栅格测量和连续测量相结合的方法规划平面S型飞行，在GPS天空端快要到达预设格点时，无人机能够减速并且悬停，测量该点的场强；3)本发明提供合理的主被动复合式天线测量，系统方案可以进行主被动复合式测量，无人机平台根据测量天线的不同，配置搭载微波发射机或接收机，可以满足各种大型微波发射天线和接收天线的测量，根据测量数据绘制天线方向图。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的系统组成框图；

图2为本发明的实施过程示意图；

图3为本发明的数据处理流程图；

图4为本发明的无人机飞行轨迹示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，在本实施例中，本系统硬件部分包括位置测量设备、功率测量设备、无人机、地面基站。其中，位置测量设备用于测量无人机的位置数据；功率测量设备用于测量被测天线的功率数据；地面基站用于接收无人机的位置数据与被测天线的功率数据，并对位置数据和功率数据进行处理。本系统软件部分包括飞行控制软件和数据处理软件，其中，飞行控制软件为在无人机供应商提供的程序代码上进行二次开发的软件，能够使无人机按照预定轨迹飞行；数据处理软件为MATLAB软件和C++软件。

具体地，位置测量设备为BD/GPS-RTK实时差分定位装置；BD/GPS-RTK实时差分定位装置包括天空端和地面端；天空端设置于无人机上，用于在空中采集无人机的位置数据并传输回地面基站；地面端设置于地面基站，用于从地面采集无人机的位置数据；地面基站的计算机接收从天空端与地面端分别传回的位置数据后，对两组数据进行差分处理，获取无人机的实时坐标。

具体地，功率测量设备设置于无人机上，为功率接收机或微波发射机，功率接收机用于测量发射天线，微波发射机用于测量接收天线；功率测量设备测量有信号发射的功率和无信号发射时环境噪声功率，将有信号发射的功率减去无信号发射时环境噪声功率得到天线的功率数据。

具体地，无人机上设置有用于发送测得功率数据的第一单片机，地面基站设置有接收功率数据的第二单片机；功率测量设备获取被测天线的功率数据后将数据发送至第一单片机；第一单片机将功率数据传输给位于地面基站的第二单片机，第二单片机将接收到的功率数据传入地面基站的数据处理计算机中。

具体地，无人机型号为大疆经纬M600 PRO小型旋翼无人机。

如图2所示，在本实施例中，无人机按照规划的路径飞行并探测被测天线发射的电磁波功率，在飞行过程中采集对应位点处的无人机的位置数据和被测天线功率数据并传回地面基站，地面基站中的计算机将采集到的位置数据和功率数据一一对应后进行处理，绘制为被测天线的远场方向图，完成天线辐射特性的测量。

具体地，地面激光辅助定位装置用于观测无人机是否处于基准点，具体判断流程如下：

首先，设定基准点相对于天线馈源中心的距离r，俯仰角θ，方位角

根据公式求出基准点相对于天线馈源中心的直角坐标x、y、z值，即

z＝r·cosθ+h，式中h为被测天线的高度；

然后，根据已知的激光辅助定位设备相对于天线底部的直角坐标x’，y’，z’，计算出激光辅助定位设备相对于基准点的俯仰角θ’和方位角

当x<x’时，

当x>x’时，y<y’时，

当y>y’时，

最后，根据求得的激光辅助定位设备相对于基准点的俯仰角θ’和方位角

通过激光辅助定位设备对无人机进行观察，判断无人机是否处于基准点位置。

如图3所示，在本实施例中，位置数据的处理流程为：首先，将无人机上位置测量设备(BD/GPS-RTK)测得的经度、纬度、海拔高度转换为空间直角坐标；随后，计算无人机相对于被测天线的空间直角坐标；最后求得无人机相对于被测天线的球坐标。具体流程如下：

将位置测量设备采集的位置数据分别以经度、纬度和海拔高度作为X轴、Y轴和Z轴的直角坐标系；地面基站中的计算机通过球坐标与直角坐标系转换公式将测得的无人机直角坐标和已知的被测天线直角坐标转换为相对于地心的球坐标，求得被测天线的球坐标为(ρ₀,α₀,θ₀)，无人机的坐标为(ρ₁,α₁,θ₁)，其中ρ₀表示被测天线的距离，α₀表示被测天线的俯仰角，θ₀表示被测天线的方位角，ρ₁表示无人机的距离，α₁表示无人机的俯仰角，θ₁表示无人机的方位角；根据被测天线、无人机分别相对于地心的球坐标，可以求得无人机相对于被测天线的球坐标，即无人机相对于被测天线的距离、俯仰角、方位角，具体计算过程如下；

无人机相对于被测天线的距离ρ₂为：

无人机相对于被测天线的俯仰角α₂为：

式中，A＝2ρ₀ ²-2ρ₀ ²cos(θ₁-θ₀)，B＝2ρ₀ ²-2ρ₀ ²cos(α₁-α₀)；

无人机相对于被测天线的方位角θ₂为：

式中，A＝2ρ₀ ²-2ρ₀ ²cos(θ₁-θ₀)，B＝2ρ₀ ²-2ρ₀ ²cos(α₁-α₀)。

即无人机相对被测天线的球坐标为(ρ₂，α₂，θ₂)。

如图3所示，在本实施例中，功率数据的处理流程为：功率测量设备测量有信号发射的功率和无信号发射时环境噪声功率，将有信号发射的功率减去无信号发射时环境噪声功率得到天线的功率数据p₀，将天线的功率数据转化为以被测天线馈源中心为球心的归一化半径球面的功率值p₁，具体流程如下：

地面基站计算机接收到不同测量点的功率数据后，会对测得的功率数据进行归一化处理，将测量到的功率数据折算为以被测天线馈源中心为球心的归一化半径球面的功率值；随后根据各测量点的位置数据和归一化后的功率数据绘制出天线方向图；

利用公式得到中间过程计算量b＝4πf|L₁-L₀|；

当L₁＞L₀时，

当L₁＜L₀时，

当L₁＝L₀时，p₁＝p₀；

式中，p₁为归一化后的功率数据，p₀为输入的测量点功率数据，f为被测天线的接受波频率，L₁为归一化球面的半径，L₀为测量点距离归一化球体球心的距离，b为中间过程计算量，c为光速。

如图3所示，在本实施例中，得到处理完成的位置数据与功率数据后，面基站计算机将测得的位置数据和功率数据进行处理后导入MATLAB软件，绘制出天线方向图；根据绘制出的天线方向图得到被测天线的主瓣宽度，旁瓣电平，方向系数，前后比参数，并根据这些参数判断被测天线是否处于正常工作状态。

如图4所示，在本实施例中，无人机的飞行路径的规划方法为：首先，控制无人机飞行至预设的基准点；接着，以无人机的出发进行测量的方向作为参考方向，将被测区域的空间规划为以n为单位距离的空间栅格；随后，控制无人机从基准点出发进行测量，在同一水平面沿空间栅格进行S型飞行，当无人机经过空间栅格点位时会进行悬停并通过功率测量设备测量该点的功率数据；最后，控制无人机返回预设的降落地点。

具体地，如图4所示，所谓的S型飞行，即在与天线馈源相垂直的平面上根据预设格点按照S型轨迹进行飞行。预设格点通过无人机具体的飞行时间以及具体场地进行设置，无特殊要求情况下，采用5m一个格点，将整个平面分成一个一个的网格。同时飞行路径由天线馈源所正对的方向距离15m的位置开始，(设定天线馈源方向垂直于地面)，首先采集基准点的数据，随后朝正北方向飞行，飞行5m之后悬停进行数据采集，继续向正北方向飞行，上述操作共3次，即相对于基准点水平距离15m。随后向正西方向飞行5m之后悬停进行数据采集，继续向正西方向飞行5m之后悬停进行数据采集。随后向正南方向飞行5m之后悬停进行数据采集，继续向正南方向飞行，重复上述操作共5次。随后继续向正西方向飞行5m之后悬停进行数据采集，继续向正西方向飞行5m之后悬停进行数据采集，随后向正北方向飞行5m之后悬停进行数据采集，继续向正北方向飞行，重复上述操作共2次。此时无人机位置处于相对于起始点正西方向20m的位置，继续从起始点开始的整个过程，累计3次，使无人机最后处于相对于起始点正西方向60m的位置，随后无人机返回起始点。随后朝已规划好的正南方向飞行，飞行5m之后悬停进行数据采集，继续向正南方向飞行，重复上述操作共2次，即相对于起始点水平距离10m。随后向正东方向飞行5m之后悬停进行数据采集，继续向正东方向飞行5m之后悬停进行数据采集，随后向正北方向飞行5m之后悬停进行数据采集，继续向正北方向飞行，重复上述操作共5次。随后继续向正东方向飞行5m之后悬停进行数据采集，继续向正东方向飞行5m之后悬停进行数据采集，随后向正南方向飞行5m之后悬停进行数据采集，继续向正南向飞行，重复上述操作共3次。此时无人机位置处于相对于起始点正东方向20m的位置，继续从起始点开始的整个过程，累计3次，使无人机最后处于相对于起始点正东方向60m的位置，整个S型飞行过程如上所述。

具体地，在无人机快要到达预设格点时，无人机能在代码的控制下减速，飞到待测点后悬停15s时间，测量待测点的场强。待测量完一组数据，飞往下一个格点。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于空中平台的天线方向图主被动复合式测量系统，其特征在于，包括位置测量设备、功率测量设备、无人机、地面基站；

所述位置测量设备用于测量无人机的位置数据；所述功率测量设备用于测量被测天线的功率数据；所述地面基站用于接收无人机的位置数据与被测天线的功率数据，并对位置数据和功率数据进行处理；

无人机按照规划的路径飞行，在飞行过程中采集对应位点处的无人机的位置数据和被测天线功率数据并传回地面基站，地面基站中的计算机将采集到的位置数据和功率数据一一对应后进行处理，绘制为被测天线的远场方向图，完成天线辐射特性的测量。

2.根据权利要求1所述的一种基于空中平台的天线方向图主被动复合式测量系统，其特征在于，所述位置测量设备为BD/GPS-RTK实时差分定位装置；所述BD/GPS-RTK实时差分定位装置包括天空端和地面端；所述天空端设置于无人机上，用于在空中采集无人机的位置数据并传输回地面基站；所述地面端设置于地面基站，用于从地面采集无人机的位置数据；地面基站的计算机接收从天空端与地面端分别传回的位置数据后，对两组数据进行差分处理，获取无人机的实时坐标。

3.根据权利要求1所述的一种基于空中平台的天线方向图主被动复合式测量系统，其特征在于，所述功率测量设备设置于无人机上，为功率接收机或微波发射机，所述功率接收机用于测量发射天线，所述微波发射机用于测量接收天线；所述功率测量设备测量有信号发射时的功率和无信号发射时环境噪声功率，将有信号发射时的功率减去无信号发射时环境噪声功率得到天线的功率数据。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于空中平台的天线方向图主被动复合式测量系统，其特征在于，所述无人机上设置有用于发送测得功率数据的第一单片机，所述地面基站设置有接收功率数据的第二单片机；所述功率测量设备获取被测天线的功率数据后将数据发送至第一单片机；第一单片机将功率数据传输给位于地面基站的第二单片机，第二单片机将接收到的功率数据传入地面基站的数据处理计算机中。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于空中平台的天线方向图主被动复合式测量系统，其特征在于，所述位置测量设备采集的位置数据为分别以经度、纬度和海拔高度作为X轴、Y轴和Z轴的直角坐标系；

所述地面基站中的计算机通过球坐标与直角坐标系转换公式将测得的无人机直角坐标和已知的被测天线直角坐标转换为相对于地心的球坐标，求得被测天线的球坐标为(ρ₀,α₀,θ₀)，无人机的坐标为(ρ₁,α₁,θ₁)，其中，ρ₀表示被测天线的距离，α₀表示被测天线的俯仰角，θ₀表示被测天线的方位角，ρ₁表示无人机的距离，α₁表示无人机的俯仰角，θ₁表示无人机的方位角；根据被测天线、无人机分别相对于地心的球坐标，可以求得无人机相对于被测天线的球坐标，即无人机相对于被测天线的距离、俯仰角、方位角，具体计算过程如下；

无人机相对于被测天线的距离ρ₂为：

无人机相对于被测天线的俯仰角α₂为：

式中，A＝2ρ₀ ²-2ρ₀ ²cos(θ₁-θ₀)，B＝2ρ₀ ²-2ρ₀ ²cos(α₁-α₀)；

无人机相对于被测天线的方位角θ₂为：

式中，A＝2ρ₀ ²-2ρ₀ ²cos(θ₁-θ₀)，B＝2ρ₀ ²-2ρ₀ ²cos(α₁-α₀)。

6.根据权利要求1所述的一种基于空中平台的天线方向图主被动复合式测量系统，其特征在于，所述无人机的飞行路径的规划方法为：首先，控制无人机飞行至预设的基准点；接着，以无人机的出发进行测量的方向作为参考方向，将被测区域的空间规划为以n为单位距离的空间栅格；随后，控制无人机从基准点出发进行测量，在同一水平面沿空间栅格进行S型飞行，当无人机经过空间栅格点位时会进行悬停并通过功率测量设备测量该点的功率数据；最后，控制无人机返回预设的降落地点。

7.根据权利要求6所述的一种基于空中平台的天线方向图主被动复合式测量系统，其特征在于，地面设置有激光辅助定位设备，用于判断无人机在出发时是否处于预设的基准点位置，具体流程如下：

首先，设定基准点相对于天线馈源中心的距离r，俯仰角θ，方位角

根据公式求出基准点相对于天线馈源中心的直角坐标x、y、z值，即

z＝r·cosθ+h，式中h为被测天线的高度；

然后，根据已知的激光辅助定位设备相对于天线底部的直角坐标x’，y’，z’，计算出激光辅助定位设备相对于基准点的俯仰角θ’和方位角

当x<x’时，

当x>x’时，y<y’时，

当y>y’时，

最后，根据求得的激光辅助定位设备相对于基准点的俯仰角θ’和方位角

通过激光辅助定位设备对无人机进行观察，判断无人机是否处于基准点位置。

8.根据权利要求1所述的一种基于空中平台的天线方向图主被动复合式测量系统，其特征在于，地面基站计算机接收到不同测量点的功率数据后，会对测得的功率数据进行归一化处理，将测量到的功率数据折算为以被测天线馈源中心为球心的归一化半径球面的功率值；随后根据各测量点的位置数据和归一化后的功率数据绘制出天线方向图；功率数据归一化具体处理方法如下：

利用公式得到中间过程计算量b＝4πf|L₁-L₀|；

当L₁＞L₀时，

当L₁＜L₀时，

当L₁＝L₀时，p₁＝p₀；

式中，p₁为归一化后的功率数据，p₀为输入的测量点功率数据，f为被测天线的接受波频率，L₁为归一化球面的半径，L₀为测量点距离归一化球体球心的距离，b为中间过程计算量，c为光速。

9.根据权利要求1所述的一种基于空中平台的天线方向图主被动复合式测量系统，其特征在于，地面基站计算机将测得的位置数据和功率数据进行处理后导入MATLAB软件，绘制出天线方向图；根据绘制出的天线方向图得到被测天线的主瓣宽度，旁瓣电平，方向系数，前后比参数，并根据这些参数判断被测天线是否处于正常工作状态。

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