CN117969976A - 一种基于无人机的短波天线增益测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无人机的短波天线增益测量方法。所述方法包括：将标校后的正交三环全向探头与频谱仪一起集成在无人机平台上作为接收端，地面待测短波天线作为发射端；以待测短波天线中心点的经纬度为基准点规划航迹，无人机按照规划的航迹进行飞行测量，并将采集的数据实时传送至地面处理模块，绘制天线方向图并计算出天线增益。本发明采用标校后的小型化正交三环全向探头作为接收天线，具有较宽的频率响应和动态范围，与频谱仪配合使用测出待测短波天线的场强，进而计算出天线增益，代替了传统辅助天线与标准天线相比较的测量方法。该技术可应用于短波天线的测量、设计及验证。

Description

一种基于无人机的短波天线增益测量方法

技术领域

本发明属于天线测量技术领域，涉及一种基于无人机的短波天线增益测量方法，可用于获取短波天线的方向图和增益。

背景技术

短波天线由于体积庞大，天线远场距离远，且其性能受实际架设环境影响较大，常规的天线测量方法无法对其方向图和增益同时进行有效测量。经查阅文献，传统上对短波天线的测试分两步进行。第一步由飞行器测试得出待测天线的方向图，第二步将短波标准天线升空进行测试，将两次测试结果进行对比计算出待测天线的增益。由于短波标准天线尺寸较大，该方法费时费力，且一致性也很难得到保证，实际中应用较少。

CN112799027A《一种无人机外场天线标校测试方法和***》给出了一种利用无人机对雷达天线的水平和垂直波瓣进行标校的方法，但未给出方向图的测量方法，尤其是无法给出天线的增益。CN215116531U《一种外场天线测试***》提出了一种使用无人机平台测量天线性能的测试***，该***将安装在无人机上辅助天线作为发射端，地面待测天线作为接收端。由于短波波段辅助发射天线很难做到小型化，因此该***不能适用于短波波段天线测量，同时该专利也未提及增益的具体测量方法。

此外，国际标准《IEEE Std 149-2021》给出了使用飞行器对短波天线的方向图和增益的测试方法。该方法使用固定在转动云台上的偶极子天线作为辅助天线，通过控制云台调整辅助偶极子天线使其最大辐射方向始终指向待测天线，其增益的计算是采用标准偶极子对比法。该方法复杂且可靠性低，同时在实际测量中需制作多付覆盖不同频段的标准偶极子天线，并需将多付标准偶极子天线重复升空到一定的高度进行多次标校，这种方法操作难度大，不便于实际使用。

发明内容

本发明意在提供一种方便、快捷且低成本的基于无人机的短波天线增益的测量方法，以解决现有技术中存在的不足，本发明要解决的技术问题通过以下技术方案来实现。

本发明提出了一种基于无人机的短波天线增益测量方法，所述方法包括：

S1. 将标校后的正交三环全向探头与频谱仪一起集成在无人机平台上作为接收端，地面待测短波天线作为发射端；

S2. 将实时差分全球定位***（GPS-RTK）与地面站测量***连接；

S3. 以待测短波天线中心点的经纬度为基准点，规划无人机飞行测量的航迹；

S4.无人机按照规划的航迹进行飞行测量，并将采集的数据实时传送至地面处理模块，绘制天线方向图并计算出天线增益；

其中，所述S1中的探头由标校后的三组互相正交的电小环天线组成，环天线采用平衡馈电并在后端增加滤波器和多级放大器，通过开关快速切换实现多极化、全方位的信号接收。

连接实时差分全球定位***(GPS-RTK)与地面站测量***，检查各仪器工作状态。

进一步地，根据测量任务为无人机搭载对应频段的全向探头等测量设备。

进一步地，使用高精度定位接收机采集待测短波天线中心点的精确经纬度,选取过中心点直线上的两点A1和A2，且这两点离中心点等距，通过采集的两点经纬度算出中心点实际经纬度。

中心经度=（A1经度+A2经度）/ 2，

中心纬度=（A1纬度+A2纬度）/ 2。

进一步地，根据待测短波天线波束的方位角来生成无人机垂直面测量飞行航迹；根据待测天线波束的俯仰角来生成无人机水平面测量的飞行航迹，并将飞行航迹上传至无人机飞控***。

进一步地，调试天线因子与天线匹配。

进一步地，无人机在全自动测量状态下按照规划的航迹逐点飞行测量并采集数据，地面***实时绘制待测天线方向图。

进一步地，测量出待测短波天线与无人机接收端天线之间的距离R(m)及地面发射天线的输入功率(w)。

进一步地，由天线的基本原理得知，天线在半径上为R的球面上的功率密度S为

S=G/4πR² （1）

上式中，G为天线增益。此外天线在半径上为R的球面上的功率密度与接收电场强度E的关系又可以表示为

S=E²/η₀ （2）

其中η₀为空间波阻抗。联立上述公式（1）和（2），可以得出天线增益G为：

G= （3）

上式中天线输入功率为信号源发射功率/>（w）与***损耗/>（w）之差，即=/>-/>，E为待测天线最大辐射方向的接收电场强度(V/m)，该场强E由三环正交天线接收到的三个电场分量合成得到。

本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

本发明采用标校后的小型化正交三环全向探头作为接收天线，具有较宽的频率响应和动态范围，与频谱仪配合使用测出待测短波天线的电场强度，直接计算出天线增益，代替了传统上待测天线与标准天线相比较得出天线增益的测量方法。该技术可应用于短波天线的测量、设计及验证。

附图说明

图1是本发明的一种基于无人机的短波天线增益测量***结构示意图；

图2是本发明的一种正交三环全向探头实物图；

图3是本发明的一种基于无人机的短波天线增益测量方法流程图；

图4是本发明的一种无人机垂直面测量飞行示意图；

图5是本发明的一种无人机水平面测量飞行示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

下面结合附图和具体实例，对本发明进行进一步详细描述。

本发明的具体内容是将标校后正交三环全向标准接收天线及FSH4频谱仪集成在无人机平台上，以待测天线短波天线中心点的经纬度为基准点，地面飞控软件规划出无人机在垂直面和水平面的飞行航迹，无人机飞行到达测试点悬停、采集数据，并实时回传至地面控制***，地面处理模块绘制天线方向图，直接计算出天线增益。

其中，重要的是标校后的正交三环全向探头作为辅助接收天线，该探头由标校后的三组互相正交的电小环天线组成，环天线采用平衡馈电并在后端增加滤波器和多级放大器，通过开关快速切换实现多极化、全方位的信号接收。正交三环全向探头具有较宽的动态范围、平坦的频率响应和较小的尺寸，与频谱仪配合使用测出待测短波天线的电场强度，直接计算出天线增益，代替了传统上待测天线与标准天线相比较才能得出天线增益的测量方法。

参照图1是本发明的一种基于无人机的短波天线增益测量***结构示意图。所述***包括机载测试***和地面测试***。

机载测试***是由无人机子***、机载控制模块、频谱仪、机载数传以及全向天线组成。无人机子***是搭载测试设备的六旋翼无人机飞行平台，机载控制模块通过控制频谱仪和全向天线实现采集场强数据的功能，机载数传的作用是与地面测试***进行无线数据传输。

地面测试***是由地面处理模块、信号源、功放、待测天线、地面站模块、RTK以及地面数传组成。地面站模块与RTK负责无人机子***控制和定位，地面处理模块通过控制信号源、功放与待测天线发送信号，另一方面，还有实时数据处理的重要作用。

图2本发明的一种正交三环全向探头实物图。所述正交三环全向探头由标校后的三组互相正交的电小环天线组成，电小环天线采用平衡馈电并在后端增加滤波器和多级放大器，通过开关快速切换实现多极化、全方位的信号接收。正交三环全向探头天线都经过标定，以确保其性能的稳定和准确性。平衡馈电设计有助于减少干扰和噪声，从而提高信号质量。后端的滤波器和多级放大器可以增强信号的清晰度和强度，使得探头能够捕获更准确的数据。通过开关快速切换不同极化方向，使得探头能够实现多极化、全方位的信号接收和分析。

图3是本发明的一种基于无人机的短波天线增益测量方法流程图。本发明的基于无人机的短波天线增益测量方法的具体步骤如下：

（1）架设实时差分全球定位***（GPS-RTK）并与测量***地面站连接，检查RTK的工作状态以及地面站无人机各参数显示；

（2）根据测量任务在无人机上搭载对应频段的全向探头；

（3）使用高精度定位接收机采集短波天线中心点的经纬度。选取过中心点直线上的两点A1和A2，且这两点离中心点等距，通过采集的两点经纬度算出中心点实际经纬度，中心经度=（A1经度+A2经度）/ 2 ，中心纬度=（A1纬度+A2纬度）/ 2；

（4）使用高精度定位接收机测量待测短波天线的俯仰角；

（5）根据短波天线的方位角、俯仰角规划无人机在垂直面和水平面的飞行航迹，包括设置无人机飞行高度、航向角、速度、绕飞的半径及圆心（即短波天线中心点经纬度）等数据；生成规划的航迹文本文件然后导入上传至无人机，无人机按照规划的航迹进行飞行测试，对比规划航迹与上传航迹是否一致；

（6）将无人机移动到开阔的场地，调试地面端远程控制程序与无人机端机载设备数据传输链路、控制链路；设置信号源功率和调测天线因子；转动无人机使全向天线方向角变换，并采集数据，对比在不同位置的测量值是否有变化；状态调试完成后确定需要测量方向图和增益的待测频点fi，i＝1 ,2…N；i为待测频点序号，N为待测频点总数；

（7）查看是否有磁干扰，各指示灯是否正常；

（8）无人机在全自动测量状态下按照规划的航迹逐点飞行测量并采集数据，地面***实时绘制待测天线方向图。

（9）对测量数据进行分析整理,计算出该天线待测频点的波束指向、波束宽度和天线增益等参数。

由天线的基本原理得知，天线在半径上为R的球面上的功率密度S为：

S=G/4πR² （1）

上式中，G为天线增益。此外天线在半径上为R的球面上的功率密度与空间场强E的关系又可以表示为：

S=E²/η₀ （2）

其中，η₀为空间波阻抗,联立上述公式（1）和（2），可以得出 短波天线的增益：

G= （3）

上式中天线输入功率为信号源发射功率/>（w）与***损耗/>（w）之差，即=/>-/>，E为待测天线最大辐射方向的接收电场强度(V/m)，该场强E由三环正交天线接收到的三个电场分量合成得到。

其中，无人机飞行测量包括对待测天线垂直面和水平面的飞行测量。

图4是本发明的一种无人机垂直面测量飞行示意图，无人机垂直面飞行测量是根据待测短波天线波束的方位角，规划无人机在该方位角垂直面的飞行测量航迹。无人机在定点飞行测量时进行数据采集，并将测量数据实时通过数据传输模块回传给地面测试***，地面测试进行处理并绘制短波天线的方向图，进一步可得出短波天线增益等性能指标。

图5是本发明的一种无人机水平面测量飞行示意图，无人机水平面飞行测量是根据天线波束的方位角和俯仰角，规划无人机在水平面上的航迹。通过对垂直面采集的数据进行分析可确定波束垂直面上的最大场强值和对应的俯仰角度，在此俯仰角对应的高度进行水平面飞行测量时，无人机测量采集***按照航迹进行飞行测量并采集数据，测量完成后，无人机自动返航。通过对数据分析可得出水平面方向图以及测量最大值对应的方位角。

应该指出，上述详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语均具有与本申请所属技术领域的普通技术人员的通常理解所相同的含义。

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申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位，如旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

在上面详细的说明中，参考了附图，附图形成本文的一部分。在附图中，类似的符号典型地确定类似的部件，除非上下文以其他方式指明。在详细的说明书、附图及权利要求书中所描述的图示说明的实施方案不意味是限制性的。在不脱离本文所呈现的主题的精神或范围下，其他实施方案可以被使用，并且可以作其他改变。

以上所述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。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保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于无人机的短波天线增益测量方法，其特征在于，所述方法包括：

S1将标校后的正交三环全向探头与频谱仪一起集成在无人机平台上作为接收端，地面待测短波天线作为发射端；

S2将实时差分全球定位***GPS-RTK与地面站测量***连接；

S3以待测短波天线中心点的经纬度为基准点，规划无人机飞行测量的航迹；

S4无人机按照规划的航迹进行飞行测量，并将无人机采集的数据实时传送至地面处理模块，绘制天线方向图并计算天线增益。

2.根据权利要求1所述的基于无人机的短波天线增益测量方法，其特征在于，所述S1包括：

所述正交三环全向探头由标校后的三组互相正交的电小环天线组成，所述电小环天线采用平衡馈电并在后端增加滤波器和多级放大器，通过开关快速切换实现多极化、全方位的信号接收。

3.根据权利要求1所述的基于无人机的短波天线增益测量方法，其特征在于，所述S3包括：

使用高精度定位接收机采集待测短波天线中心点的经纬度,选取过中心点直线上的两点A1和A2，且这两点离中心点等距，通过采集的两点经纬度计算出中心点实际经纬度，

中心经度=（A1经度+A2经度）/ 2 ，

中心纬度=（A1纬度+A2纬度）/ 2 。

4.根据权利要求1所述的基于无人机的短波天线增益测量方法，其特征在于，所述S4计算天线增益包括：

由天线的基本原理得知，天线在半径上为R的球面上的功率密度S为：

S=G/4πR² （1）

此外天线在半径上为R的球面上的功率密度与接收电场强度E的关系表示为：

S=E²/η₀ （2）

由上述公式（1）和（2）推导出天线增益如下：

G= （3）

上式中， G为天线增益，η₀为空间波阻抗,R为待测短波天线与无人机接收端天线之间的距离(m)，天线输入功率为信号源发射功率/>（w）与***损耗/>（w）之差，即/> =-/>，E为待测天线最大辐射方向的接收电场强度(V/m)，该场强E由三环正交天线接收到的三个电场分量合成得到。