CN115236418A - 一种用于无人机天线测试的方向图修正方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于无人机天线测试的方向图修正方法及系统，通过多种飞行轨迹获取待测天线的原始测试数据并进行预处理，得到归一化幅度值、测量点所对应的球坐标系下方位角、仰俯角；根据测试数据类型的不同计算需要插值的目标网格点位置；基于反距离加权插值算法根据得到的归一化幅度值、测量点所对应的球坐标系下方位角、仰俯角、目标网格点位置计算目标网格点所对应的目标点位置的幅度值，得到待测天线的方向图。利用离散的采样点获取高精度三维方向图，降低了测试待测天线高精度三维方向图等参数所需时间，提高了测试效率及测试有效性。

Description

一种用于无人机天线测试的方向图修正方法及系统

技术领域

本发明属于天线方向图测试领域，尤其涉及一种用于无人机天线测试的方向图修正方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

无人机天线测试时，地面信号源为待测天线提供激励信号，该信号经待测天线辐射到空间，无人机上携带的信号接收设备、机载计算机进行射频信号的采集，测量数据通过数据链传输系统实现数据发送至地面站。天线指向已通过无人机姿态及云台指向调整进行修正。开始测试后，无人机按照规划好的路线进行飞行并不断采集数据，地面站单元实时获取带有时间戳的空间位置信息和采集数据，最后通过软件处理与误差修正后，得到待测天线发射状态下的方向图参数。测试完成后，获取了一系列带有时间信息的无人机位置数据，以及带有时间信息的测量幅度数据。现有方法中最接近的方法如下：通过时间戳将无人机位置及测量数据对应一致后，通过一维插值得到天线一维方向图，利用等间隔俯仰角测量俯仰角数据，将数据扩展到三维。但是现有的从测量数据处理得到方向图拟合处理方法中，受飞行时间限制，俯仰角通常具有很大间隔，影响最终方向图显示处理效果。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于无人机天线测试的方向图修正方法，利用离散的采样点获取高精度三维方向图，降低了测试待测天线高精度三维方向图等参数所需时间，提高了测试效率及测试有效性。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：一种用于无人机天线测试的方向图修正方法，包括以下步骤：

通过多种飞行轨迹获取待测天线的原始测试数据并进行预处理，得到归一化幅度值、测量点所对应的球坐标系下方位角、仰俯角；

根据测试数据类型的不同计算需要插值的目标网格点位置；

基于反距离加权插值算法根据得到的原始测试数据以及测量点所对应的球坐标系下方位角、仰俯角、目标网格点位置计算目标网格点所对应的目标点位置的幅度值，得到待测天线的方向图。

进一步的，所述飞行轨迹包括但不限于球面螺旋线飞行、多方位角垂直半圆飞行。

进一步的，所述原始测试数据包括测量时所记录的频谱最大值及对应时间戳、测量前获取的无人机位置数据及对应的时间戳、测量后获取的无人机位置数据及对应的时间戳；

根据频谱所对应的时间戳、测量前获取的无人机位置数据所对应的时间戳、测量后获取的无人机位置数据所对应的时间戳、测量前获取的无人机位置数据和测量后获取的无人机位置数据采用一维插值方式计算幅度坐标。

进一步的，在反距离加权插值操作前还包括根据雷达方程，远场条件下接收到的能量与距离平方成反比得到归一化幅度值以及对应球坐标系位置。

进一步的，所述基于反距离加权插值算法根据得到的原始测试数据的幅度、目标网格点位置计算目标网格点所对应的目标点位置的幅度值，得到方向图数据具体包括：

将球面幅度数据转换为三维幅度数据；

目标网格点位置转换为目标点位置；

选择距离目标位置点最近的n个三维幅度数据点；

基于反距离加权插值算法和选取的目标位置点处的n个三维幅度数据点计算每个目标点位置对应的幅度值。

进一步的，还包括对得到的方向图数据，基于无人机端机载接收机的输入端口功率、接收电缆损耗、收发天线距离、测试频率计算等效全向辐射功率。

进一步的，根据计算得到的等效全向辐射功率、发射功率、发射电缆衰减计算得到增益。

本发明的第二个方面提供一种用于无人机天线测试的方向图修正系统，包括：

数据获取模块：其被配置为通过多种飞行轨迹获取待测天线的原始测试数据并进行预处理，得到测量点所对应的球坐标系下方位角、仰俯角；

数据处理模块，其被配置为根据测试数据类型的不同计算需要插值的目标网格点位置；

天线方向图计算模块，其被配置为基于反距离加权插值算法根据得到的归一化幅度值、测量点所对应的球坐标系下方位角、仰俯角、目标网格点位置计算目标网格点所对应的目标点位置的幅度值，得到待测天线的方向图。

本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述方法所述的步骤。

本发明的第四个方面提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述方法所述的步骤。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明所用的用于无人机天线测试方向图拟合修正技术利用离散的采样点获取高精度三维方向图，同时提供了通过校准数据直接计算增益的具体方法，降低了测试待测天线高精度三维方向图等参数所需时间，提高了测试效率及测试有效性。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，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。

图1为本发明的一种用于无人机天线测试的方向图修正方法的流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

如图1所示，本实施例公开了一种用于无人机天线测试的方向图修正方法，包括以下步骤：

步骤1：通过多种飞行轨迹获取待测天线的原始测试数据并进行预处理，得到测量点所对应的球坐标系下方位角、仰俯角；

步骤2：根据测试数据类型的不同计算需要插值的目标网格点位置；

步骤3：基于反距离加权插值算法根据得到的原始测试数据以及测量点所对应的球坐标系下方位角、仰俯角、目标网格点位置计算目标网格点所对应的目标点位置的幅度值，得到待测天线的方向图。

位置计算目标网格点所对应的目标点位置的幅度值，得到方向图数据。

在本实施的步骤1中，通过多方位角垂直半圆飞行轨迹、球面螺旋线飞行轨迹两种三维飞行模式得到原始的测试数据，在飞行测试时记录下某一种飞行模式下频谱最大值及对应时间戳、无人机的位置及时间戳；保存测试数据时在测试数据中记录无人机上装载的频谱仪所测量的幅度最大值amp及对应时间戳time_amp，测量前最近获取的无人机位置数据(x1,y1,z1)及对应时间戳time_stamp1，测量后最近获取的无人机位置数据(x2,y2,z2)及对应时间戳time_stamp2。

在本实施例中，测量前最近：time_stamp1小于time_amp,且time_stamp1与time_amp的差最小；测量后最近：time_stamp2大于time_amp,且time_stamp2与time_amp的差最小。

在本实施例中，频谱仪测量某一频率范围内各频率下的功率幅度，读取时按照对数格式，以dB为单位，找到频率-功率幅度(dB)曲线上功率幅度的最大值记录该数值。

在本实施例中，读取测量数据后，根据时间戳time_amp、时间戳time_stamp1、时间戳time_stamp2、以及位置数据(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)通过一维插值方式计算测量时的精确位置坐标(x,y,z)。

计算方式如下：

x＝x1+(x2-x1)*(time_amp-time_stamp1)/(time_stamp2-time_stamp1)

(1)

y＝y1+(y2-y1)*(time_amp-time_stamp1)/(time_stamp2-time_stamp1)

(2)

z＝z1+(z2-z1)*(time_amp-time_stamp1)/(time_stamp2-time_stamp1)

(3)

在本实施例中，由于飞行轨迹一般为球面或柱面，无人机飞行误差在0.3m范围内，当飞行轨迹为球面(半径R0)时，飞行轨迹距离绕飞行中心点(x0、y0、z0)距离超过0.3米外数据将作为无效数据删除，用来去除起飞阶段及结束阶段有可能采集到的异常测量数据，即

的数据点将作为无效数据删除。

由于无人机飞行时抖动会引起测量的误差，在本实施例中采用滤波的方式进行消除，采用中值滤波和均值滤波结合的方式，选取当前位置前后一定范围内N+2个点(N为滤波窗口大小)，去掉N+2点内的最大幅值点和最小点，例如N＝9，处理第15点时，选第10点至第20点进行处理。在去掉最大幅值点和最小幅值点后，将剩余的幅值点amp(n)取平均得到amp_mean：

其中，点数n可设置确定，一般取5-10点，N为滤波窗口大小，即处理时使用数据附近的N个点求平均。

此外，由于无人机位置具有误差，在进行插值前需要补偿因测试距离变化导致的误差，根据雷达方程、远场条件下接收到的能量与距离平方成反比，得到归一化幅度值amp0以及对应球坐标系位置theta、phi：

其中，R为测量点距离待测天线距离，

atan2是matlab中的反余弦函数，用于计算弧度,x、y、z为通过一维插值后得到的精确的位置坐标。

在本实施例的步骤2中，根据测量类型计算目标范围，测量类型分为二维数据、一维水平圆、一维垂直圆，一维水平圆仅选取水平或垂直一条曲线，当选择二维数据时自动计算theta、phi最大最小值作为需要插值的范围，根据界面内输入的插值间隔计算需要插值的网格点位置map(theta,phi)。

可以理解的是，插值间隔人为设置。可通过matlab中的meshgrid得到网格点方位角theta、俯仰角phi对应的二维矩阵。

将二维矩阵相同行、列位置的theta、phi对应起来得到的数组就是map(theta,phi)。

例如，theta列表为0，1，2；phi列表为3，4；那么theta矩阵为：

0 1 2

0 1 2

phi矩阵为：

3 3 3

4 4 4

map数组为

(0,3),(1,3),(2,3),(0,4),(1,4),(2,4)。

在本实施例步骤3中，根据上述获取的原始数据归一化幅度值、测量点所对应的球坐标系下方位角、测量点所对应的球坐标系下俯仰角数组data(amp0,theta,phi)，计算需要插值的目标网格点位置map(theta,phi)上的幅度值，具体包括：

步骤2-1：球坐标系转换为三维坐标系

IDW算法(反距离加权插值算法)根据插值点与样本点间距离计算权重，为避免极点位置上插值异常，计算需要在直角坐标系下进行，球面幅度数据data(amp0,theta,phi)将转换为三维幅度数据data(tmpx,tmpy,tmpz,tmpamp)：

将目标网格点位置map(theta,phi)将转换为目标点位置tar(tarx,tary,tarz)：

步骤2-2：选取有效点：

有效点指距离目标位置tar(tarx,tary,tarz)处最近的n个三维幅度数据点，n根据界面输入值确定，一般为50～200为宜，选取点数越多最终生成方向图约平滑。

步骤2-3：IDW算法进行插值：

IDW算法中距离衰减因子选2。根据IDW算法，目标点位置对应幅度值taramp为：

依次计算每一个目标位置tar(tarx,tary,tarz)对应幅度值taramp，即可得到方向图。

在本实施例中，由于待测天线难以移动，通过测量标准增益天线进行对比计算增益的方法难以进行。为了计算EIRP(等效全向辐射功率)、增益，需要无人机端机载设备为接收机,根据测试频率、测试距离、发射功率、发射端电缆损耗、接收端电缆损耗、机载端天线增益，通过雷达方程等公式计算得到EIRP、增益。

发射天线有效辐射功率EIRP＝发射功率Ps-发射电缆衰减L+发射天线增益Ga+功放增益Gt；

自由空间损耗Ld＝32.45+20lgR+20lgf，其中R为收发天线距离，单位为米；f为测试频率，单位Hz；

接收机输入端口的功率Paut＝EIRP-自由空间损耗Ld+接收天线增益Gaut；

接收机输入端口的功率计算Pr＝Paut-接收电缆损耗La+低噪放增益GLNA。

根据上述发射天线有效辐射功率、自由空间损耗、接收机输入端口的功率和接收机输入端口的功率的计算公式，在不考虑功放、底噪放情况下，可以根据接收机输入端口功率Pr、接收电缆损耗La、收发天线距离R、测试频率f计算EIRP，再通过发射功率Ps、发射电缆衰减L、计算得到的EIRP计算增益。

在本实施例中，测量接收机在该频率下通过计量的信号源输入功率Pij下的显示值Prj，以及通过矢量网络分析仪测量的校准时电缆损耗Lrj，得到该频率下偏移值Arz＝(Pij-Lrj)-Prj；计算校准后接收机输入端口的功率Pr＝Pi+Arz,其中，Pi为接收机显示的幅度值，这里因为接收机数据进行了处理，取公式(9)中得到的taramp。

然后根据接收机输入端口功率Pr、接收电缆损耗La、收发天线距离R、测试频率f计算EIRP：

EIRP＝Pr+La+32.45+20lgR+20lgf-Gaut(10)

其中，Pr为校准后接收机输入端口的功率，La为接收电缆损耗，R为收发天线距离，f为测量频率，Gaut为接收天线增益。

在本实施例中，通过计量后功率计测量发射源发射功率P下显示值Psj，以及通过矢量网络分析仪测量的校准时电缆损耗Lsj，得到该频率下偏移值Asz＝Psj-(P-Lrj)；计算校准后发射功率Ps＝Ps1+Asz。

根据公式：发射天线增益Ga＝发射天线有效辐射功率EIRP-发射功率Ps+发射电缆衰减L-功放增益Gt，计算发射天线增益。

实施例二

本实施例的目的是提供一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。

实施例三

本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述方法的步骤。

实施例四

本实施例的目的是提供一种用于无人机天线测试的方向图修正系统，包括：

数据获取模块：其被配置为通过多种飞行方式获取待测天线的原始测试数据并进行预处理，得到原始测试数据的幅度；

原始测试数据处理模块，其被配置为根据所测试数据类型的不同计算需要插值的目标网格点位置；

方向图数据计算模块，其被配置为基于反距离加权插值算法根据得到的原始测试数据的幅度、目标网格点位置计算目标网格点所对应的目标点位置的幅度值，得到方向图数据。

以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于无人机天线测试的方向图修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过多种飞行轨迹获取待测天线的原始测试数据并进行预处理，得到归一化幅度值、测量点所对应的球坐标系下方位角、仰俯角；

根据测试数据类型的不同计算需要插值的目标网格点位置；

基于反距离加权插值算法根据得到的归一化幅度值、测量点所对应的球坐标系下方位角、仰俯角、目标网格点位置计算目标网格点所对应的目标点位置的幅度值，得到待测天线的方向图。

2.如权利要求1所述的一种用于无人机天线测试的方向图修正方法，其特征在于，所述飞行方式包括但不限于球面螺旋线飞行、多方位角垂直半圆飞行。

3.如权利要求1所述的一种用于无人机天线测试的方向图修正方法，其特征在于，所述原始测试数据包括测量时所记录的频谱最大值及对应时间戳、测量前获取的无人机位置数据及对应的时间戳、测量后获取的无人机位置数据及对应的时间戳；

根据频谱所对应的时间戳、测量前获取的无人机位置数据所对应的时间戳、测量后获取的无人机位置数据所对应的时间戳、测量前获取的无人机位置数据和测量后获取的无人机位置数据采用一维插值方式计算幅度坐标。

4.如权利要求1所述的一种用于无人机天线测试的方向图修正方法，其特征在于，在反距离加权插值操作前还包括根据雷达方程，远场条件下接收到的能量与距离平方成反比得到归一化幅度值以及对应球坐标系位置。

5.如权利要求1所述的一种用于无人机天线测试的方向图修正方法，其特征在于，所述基于反距离加权插值算法根据得到的原始测试数据的幅度、目标网格点位置计算目标网格点所对应的目标点位置的幅度值，得到方向图数据具体包括：

将球面幅度数据转换为三维幅度数据；

目标网格点位置转换为目标点位置；

选择距离目标位置点最近的n个三维幅度数据点；

基于反距离加权插值算法和选取的目标位置点处的n个三维幅度数据点计算每个目标点位置对应的幅度值。

6.如权利要求1所述的一种用于无人机天线测试的方向图修正方法，其特征在于，还包括对得到的方向图数据，基于无人机端机载接收机的输入端口功率、接收电缆损耗、收发天线距离、测试频率计算等效全向辐射功率。

7.如权利要求6所述的一种基于无人机天线测试的方向图修正方法，其特征在于，根据计算得到的等效全向辐射功率、发射功率、发射电缆衰减计算得到增益。

8.一种用于无人机天线测试的方向图修正系统，其特征在于，包括：

数据获取模块：其被配置为通过多种飞行轨迹获取待测天线的原始测试数据并进行预处理，得到归一化幅度值、测量点所对应的球坐标系下方位角、仰俯角；

数据处理模块，其被配置为根据测试数据类型的不同计算需要插值的目标网格点位置；

天线方向图计算模块，其被配置为基于反距离加权插值算法根据得到的归一化幅度值、测量点所对应的球坐标系下方位角、仰俯角、目标网格点位置计算目标网格点所对应的目标点位置的幅度值，得到待测天线的方向图。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的一种用于无人机天线测试的方向图修正方法中的步骤。

10.一种处理装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的一种用于无人机天线测试的方向图修正方法中的步骤。

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