RU2818996C1 - Method and system of antenna measurements using an unmanned tethered balloon - Google Patents
Method and system of antenna measurements using an unmanned tethered balloon Download PDFInfo
- Publication number
- RU2818996C1 RU2818996C1 RU2023125399A RU2023125399A RU2818996C1 RU 2818996 C1 RU2818996 C1 RU 2818996C1 RU 2023125399 A RU2023125399 A RU 2023125399A RU 2023125399 A RU2023125399 A RU 2023125399A RU 2818996 C1 RU2818996 C1 RU 2818996C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- antenna
- unit
- unmanned
- optical
- balloon
- Prior art date
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 58
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 12
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 3
- 238000012937 correction Methods 0.000 abstract description 7
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 4
- 230000036039 immunity Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 6
- 241000412611 Consul Species 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 241000143957 Vanessa atalanta Species 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000010006 flight Effects 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 1
- NHDHVHZZCFYRSB-UHFFFAOYSA-N pyriproxyfen Chemical compound C=1C=CC=NC=1OC(C)COC(C=C1)=CC=C1OC1=CC=CC=C1 NHDHVHZZCFYRSB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиоизмерений и предназначено для выполнения антенных измерений (построение диаграммы направленности, измерение коэффициента направленного действия, определение поляризации радиоизлучающих систем, юстировка электрической оси узконаправленной антенны, калибровка радиолокационной станции - РЛС), а также исследований электромагнитной обстановки.The invention relates to the field of radio measurements and is intended for performing antenna measurements (constructing a radiation pattern, measuring the directional coefficient, determining the polarization of radio-emitting systems, adjusting the electrical axis of a narrowly directional antenna, calibrating a radar station), as well as studying the electromagnetic environment.
На практике широко применяются три основных метода антенных измерений (Александров А.И., Бобровник Г.А., Еременко А.С. и др. «Эксплуатация радиотехнических комплексов», под ред. А.И. Александрова. М. Советское радио. 1976. 280 с.; «Методы измерения характеристик антенн СВЧ», Л.Н. Захарьев, А.А. Леманский, В.И. Турчин и др., под ред. Н.М. Цейтлина. М. Радио и связь. 1985. 368 с): метод поля в ближней зоне (апертурно-зондовый), метод вышки в дальней зоне и облетный метод.In practice, three main methods of antenna measurements are widely used (Aleksandrov A.I., Bobrovnik G.A., Eremenko A.S. et al. “Operation of radio engineering complexes,” edited by A.I. Aleksandrov. M. Soviet Radio. 1976. 280 pp.; “Methods for measuring the characteristics of microwave antennas,” M. Zakharyev, A. A. Turchin, etc., ed. N. M. Radio and communications. 1985. 368 s): near-field method (aperture-probe), far-field tower method and flyby method.
Измерения методом поля в ближней зоне выполняются на стенде, в условиях безэховой камеры. Однако, после монтажа антенны на объект, установки и закрытия ее радиопрозрачным обтекателем, результаты стендовых измерений теряют актуальность, а повторные обмеры могут быть получены уже только другими методами.Measurements using the near-field method are performed on a bench in an anechoic chamber. However, after mounting the antenna on the object, installing it and covering it with a radio-transparent radome, the results of bench measurements lose relevance, and repeated measurements can only be obtained by other methods.
Метод вышки является наиболее распространенным методом антенных измерений из-за простоты реализации, стабильности и надежности результатов измерений. Но ограниченная высота вышки практически позволяет выполнять измерения только при малых углах места исследуемой антенны, из-за чего на результаты оказывают влияние отражения от земной поверхности и местных предметов. Кроме того, в ряде случаев не всегда возможна постройка специальной вышки на расстоянии дальней зоны антенны.The tower method is the most common antenna measurement method due to its ease of implementation, stability and reliability of measurement results. But the limited height of the tower practically makes it possible to perform measurements only at low elevation angles of the antenna under study, which is why the results are influenced by reflections from the earth’s surface and local objects. In addition, in some cases it is not always possible to build a special tower at a distance from the far zone of the antenna.
Облетный метод измерений заключается в том, что пилотируемый летательный аппарат (ЛА) или беспилотный летательный аппарат (БПЛА) с измерительной аппаратурой на борту совершает круговой облет исследуемой антенны с постоянными на каждом проходе высотой, набором или потерей высоты, а также радиусом.The flyby measurement method consists in the fact that a manned aircraft (PA) or an unmanned aerial vehicle (UAV) with measuring equipment on board makes a circular flight around the antenna under study with a constant altitude, gain or loss of altitude, and radius at each pass.
Использование пилотируемых ЛА для облетных антенных измерений является технически сложным и дорогостоящим («Методы измерения характеристик антенн СВЧ», Л.Н. Захарьев, А.А. Леманский, В.И. Турчин и др. Под ред. Н.М. Цейтлина. М. Радио и связь. 1985. 368 с.). Кроме того, при использовании пилотируемого ЛА должна быть обеспечена безопасность полета.The use of manned aircraft for flyby antenna measurements is technically complex and expensive (“Methods for measuring the characteristics of microwave antennas”, L.N. Zakharyev, A.A. Lemansky, V.I. Turchin, etc. Edited by N.M. Tseitlin. M. Radio and communication. 1985. 368 p.). In addition, when using a manned aircraft, flight safety must be ensured.
Несмотря на высокую безопасность и меньшие затраты при выполнении антенных измерений с помощью БПЛА, управляемых дистанционно оператором или выполняющих круговой облет в автоматическом режиме, этот способ имеет ряд недостатков, связанных с необходимостью использования командной радиолинии управления, информации глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) для позиционирования, а также доработкой конструкции БПЛА.Despite the high safety and lower costs when performing antenna measurements using UAVs controlled remotely by an operator or performing a circular flight in automatic mode, this method has a number of disadvantages associated with the need to use a command radio control line, information from global navigation satellite systems (GNSS) for positioning , as well as refinement of the UAV design.
Аналогом изобретения является способ измерения параметров направленности крупноапертурной антенны с помощью БПЛА методом облета (RU пат. №2626561 «Способ измерения параметров направленности антенны с помощью БПЛА методом облета»), в котором для полной автоматизации процесса, а также повышения точности, сокращения времени и снижения затрат, используется БПЛА (коптерного, самолетного или иного типа) с измерительной аппаратурой на борту, совершающий круговые облеты исследуемой антенны, вдоль маршрута, представляющего собой сечения сферы с радиусом, превышающим расстояние, удовлетворяющее условию дальней зоны исследуемой антенны, в полностью автоматическом режиме. Для определения координат БПЛА используются данные ГНСС (ГЛОНАСС, GPS и т.п.), а дополнительная точность обеспечивается за счет внесения полученных от контрольно-корректирующей станции (ККС) дифференциальных поправок в результат измерений при постобработке данных.An analogue of the invention is a method for measuring the directivity parameters of a large-aperture antenna using a UAV using the fly-by method (RU Pat. No. 2626561 “Method of measuring the directivity parameters of an antenna using a UAV using the fly-by method”), in which to fully automate the process, as well as increase accuracy, reduce time and reduce costs, a UAV (copter, aircraft or other type) is used with measuring equipment on board, making circular flights of the antenna under study, along a route representing sections of a sphere with a radius exceeding the distance that satisfies the far-field condition of the antenna under study, in a fully automatic mode. To determine the coordinates of the UAV, GNSS data (GLONASS, GPS, etc.) is used, and additional accuracy is ensured by introducing differential corrections received from the control and correction station (KKS) into the measurement result during data post-processing.
Недостатком аналога является зависимость от доступности сигнала ГНСС и поправок ККС, используемых для позиционирования БПЛА во время проведения антенных измерений.The disadvantage of the analogue is the dependence on the availability of the GNSS signal and KKS corrections used for positioning the UAV during antenna measurements.
Известен способ калибровки РЛС с применением сферических отражателей, подвешенных к привязному аэростату (Hilgerloh G., Caprano Т., Griebeler Е.М. ((Calibrating the Operational Beam Width and Maximum Range of a Ship Radar Used for Bird Observations)), The Journal of Navigation, 2010, vol. 63,pp. 363-371. DOI: 10.1017/S0373463309990452).There is a known method for calibrating radar using spherical reflectors suspended from a tethered balloon (Hilgerloh G., Caprano T., Griebeler E.M. ((Calibrating the Operational Beam Width and Maximum Range of a Ship Radar Used for Bird Observations)), The Journal of Navigation, 2010, vol. 63, pp. 363-371. DOI: 10.1017/S0373463309990452).
Недостатками аналога являются ограниченность выполнения антенных измерений из-за отсутствия на аэростате радиоизмерительной аппаратуры, отсутствие средств контроля за положением аэростата относительно исследуемой антенны, которое может изменятся из-за ветровых нагрузок.The disadvantages of the analogue are the limited performance of antenna measurements due to the lack of radio measuring equipment on the balloon, the lack of means of monitoring the position of the balloon relative to the antenna under study, which can change due to wind loads.
Известна также система измерения параметров направленности крупноапертурной антенны в дальней зоне (RU пат.№2746688 «Система измерений электрических параметров больших антенных систем»), отличающаяся тем, что предназначенный для измерения электрических параметров больших антенных систем источник эталонного радиосигнала расположен в дальней зоне на управляемом аэростате, оснащенном средствами позиционирования (ГНСС-приемником и логгером, определяющими географические координаты и высоту положения аэростата), при этом источник эталонного радиосигнала и средства позиционирования связаны через кабель управления с расположенными на земле блоками питания и управления аэростата.There is also a known system for measuring the directivity parameters of a large-aperture antenna in the far zone (RU Pat. No. 2746688 “System for measuring the electrical parameters of large antenna systems”), characterized in that the source of the reference radio signal intended for measuring the electrical parameters of large antenna systems is located in the far zone on a controlled balloon , equipped with positioning tools (GNSS receiver and logger that determine the geographic coordinates and altitude of the balloon), while the source of the reference radio signal and the positioning tools are connected via a control cable to the power supply and control units of the balloon located on the ground.
Данное изобретение по технической сущности и достигаемому результату наиболее близко к предложенному техническому решению, и, поэтому, принято в качестве его прототипа.This invention, in terms of its technical essence and achieved result, is closest to the proposed technical solution, and, therefore, is accepted as its prototype.
Известная система предназначена для измерения электрических параметров больших антенных систем с диаметром рефлектора более 20 м, путем размещения источника эталонного радиосигнала на внешней подвеске привязного аэростата, который может быть доставлен в любое заданное место и поднят на необходимую высоту. Место расположения привязного аэростата относительно которого и будут выполняться измерения электрических параметров большой антенной системы выбирают исходя из диаметра апертуры антенны. Точность позиционирования аэростата и, соответственно, эталонного радиопередатчика, обеспечивается путем использования на нем ГНСС-приемника с расположенными на земле блоками питания и управления. Можно применить точный приемник спутниковой системы позиционирования совместно с логгером, что позволяет определить местоположение источника эталонного радиосигнала в трех координатах с точностью до одного метра, что вполне достаточно для выполнения антенных измерений.The known system is designed to measure the electrical parameters of large antenna systems with a reflector diameter of more than 20 m, by placing a reference radio signal source on the external suspension of a tethered balloon, which can be delivered to any given location and raised to the required height. The location of the tethered balloon relative to which the electrical parameters of a large antenna system will be measured is selected based on the diameter of the antenna aperture. The positioning accuracy of the balloon and, accordingly, the reference radio transmitter is ensured by using a GNSS receiver on it with power and control units located on the ground. You can use an accurate receiver of a satellite positioning system in conjunction with a logger, which allows you to determine the location of the source of the reference radio signal in three coordinates with an accuracy of one meter, which is quite sufficient for performing antenna measurements.
Недостатком указанного прототипа является необходимость использования кабеля связи для управления аэростатом с источником эталонного радиосигнала, и обязательное наличие навигационного сигнала ГНСС.The disadvantage of this prototype is the need to use a communication cable to control the balloon with a reference radio signal source, and the mandatory presence of a GNSS navigation signal.
Задачей разработки является создание способа и системы антенных измерений, позволяющих отказаться от данных ГНСС и дифференциальных поправок от ККС для позиционирования привязного аэростата.The objective of the development is to create a method and system of antenna measurements that make it possible to abandon GNSS data and differential corrections from the KKS for positioning a tethered balloon.
Решением поставленной задачи является способ антенных измерений, при котором в дальней зоне исследуемой антенны, связанной с блоком синхронизации, устанавливается беспилотный привязной аэростат с подвесным контейнером, в котором находится радиоизмерительный блок, жестко связанный с блоком оптических реперов, а на поверхности под беспилотным привязным аэростатом размещаются оптическое измерительное устройство и блок приема синхросигнала, при этом относительные координаты местоположения оптического измерительного устройства привязаны к фазовому или геометрическому центру исследуемой антенны.The solution to the problem is a method of antenna measurements, in which an unmanned tethered balloon with a hanging container is installed in the far zone of the antenna under study, connected to a synchronization unit, in which there is a radio measuring unit, rigidly connected to the block of optical reference points, and on the surface under the unmanned tethered balloon there are an optical measuring device and a synchronizing signal receiving unit, wherein the relative coordinates of the location of the optical measuring device are tied to the phase or geometric center of the antenna under study.
Особенность представленной системы антенных измерений заключается в том, что в дальней зоне исследуемой антенны, связанной с блоком синхронизации, размещается беспилотный привязной аэростат с подвесным контейнером, в котором расположен радиоизмерительный блок, бортовой таймер, координатный блок, микроконтроллер, бортовое запоминающее устройство, блок оптических реперов, бортовой аккумулятор, а находящееся на земной поверхности под привязным аэростатом оптическое измерительное устройство связано с блоком управления, блоком приема синхросигнала, наземным таймером, съемным носителем информации и источником питания.The peculiarity of the presented antenna measurement system is that in the far zone of the antenna under study, connected to the synchronization unit, there is an unmanned tethered balloon with a hanging container in which a radio measuring unit, an on-board timer, a coordinate unit, a microcontroller, an on-board storage device, and a unit of optical reference points are located. , an onboard battery, and an optical measuring device located on the earth's surface under a tethered balloon is connected to a control unit, a synchronization signal receiving unit, a ground timer, a removable storage medium and a power source.
В составе блока оптических реперов находится не менее трех оптических излучающих устройств (реперов) с источником питания, которые разнесены на базовые расстояния с известными длинами. Точность базовых расстояний, определяемая длиной между геометрическими центрами посадочных, мест реперов, должна позволять определять в пространстве положение реперов оптическим измерительным устройством с приемлемой погрешностью. Ширина диаграммы и мощность излучения реперов обеспечивают видимость репера как точечного источника оптического излучения с учетом перемещений и разворотов подвесного контейнера. В качестве оптических реперов могут быть использованы лазерные диоды, светоизлучающие диоды или другие источники оптического излучения.The optical reference block contains at least three optical emitting devices (reference points) with a power source, which are spaced at base distances with known lengths. The accuracy of the base distances, determined by the length between the geometric centers of the landing points of the reference points, should allow the position of the reference points to be determined in space by an optical measuring device with an acceptable error. The width of the diagram and the emission power of the benchmarks ensure the visibility of the benchmark as a point source of optical radiation, taking into account the movements and turns of the hanging container. Laser diodes, light-emitting diodes or other sources of optical radiation can be used as optical reference points.
Беспилотный привязной аэростат может иметь различное количество тросов, прикрепленных к барабану лебедки стационарных или подвижных причалов, в зависимости от ветровых нагрузок и необходимости проведения антенных измерений под их воздействием.An unmanned tethered balloon can have a different number of cables attached to the winch drum of fixed or mobile berths, depending on wind loads and the need for antenna measurements under their influence.
Оптическое измерительное устройство, расположенное на поверхности земли под беспилотным привязным аэростатом, представляет собой телекамеру с матричным фотоприемным устройством (МФПУ) на базе ПЗС (прибора с зарядовой связью) или КМОП (комплементарный металл - оксидный полупроводник) фотоприемника и узкополосным оптическим фильтром, согласованным со спектральным диапазоном излучения оптических реперов, установленных на подвесном контейнере привязного аэростата. Оптическое измерительное устройство должно располагаться под беспилотным привязным аэростатом таким образом, чтобы он при наличии ветровых нагрузок оставался в поле зрения МФПУ. Угловое разрешение МФПУ позволяет с приемлемой погрешностью определять положение блока оптических реперов.The optical measuring device, located on the surface of the earth under an unmanned tethered balloon, is a television camera with a matrix photodetector device (MPD) based on a CCD (charge-coupled device) or CMOS (complementary metal oxide semiconductor) photodetector and a narrow-band optical filter matched to the spectral the radiation range of optical reference points installed on the suspended container of the tethered balloon. The optical measuring device must be located under the unmanned tethered balloon in such a way that it remains in the field of view of the MFPU in the presence of wind loads. The angular resolution of the MFPU makes it possible to determine the position of the block of optical reference points with an acceptable error.
На фиг. 1 представлена структурная схема системы антенных измерений, где: 1 - исследуемая антенна; 2 - блок синхронизации; 3 - беспилотный привязной аэростат; 4 - подвесной контейнер; 5 - радиоизмерительный блок; 6 - бортовой таймер; 7 - координатный блок; 8 - микроконтроллер; 9 - бортовое запоминающее устройство; 10 - блок оптических реперов; 11 - бортовой аккумулятор; 12 - блок приема синхросигнала; 13 - оптическое измерительное устройство; 14 - наземный таймер; 15 - блок управления; 16 - съемный носитель информации; 17 - источник питания.In fig. Figure 1 shows a block diagram of the antenna measurement system, where: 1 - antenna under study; 2 - synchronization block; 3 - unmanned tethered balloon; 4 - hanging container; 5 - radio measuring unit; 6 - on-board timer; 7 - coordinate block; 8 - microcontroller; 9 - on-board storage device; 10 - block of optical reference points; 11 - on-board battery; 12 - synchronization signal receiving unit; 13 - optical measuring device; 14 - ground timer; 15 - control unit; 16 - removable storage medium; 17 - power supply.
На фиг. 2 показан блок оптических реперов, предназначенный для определения положения подвесного контейнера беспилотного привязного аэростата относительно оптического измерительного устройства и, следовательно, взаимного положения радиоизмерительного блока и исследуемой антенны.In fig. Figure 2 shows a block of optical reference points designed to determine the position of the suspended container of an unmanned tethered balloon relative to the optical measuring device and, consequently, the relative position of the radio measuring block and the antenna under study.
Определение антенных характеристик осуществляется следующим образом. Перед началом антенных измерений выполняется топогеодезическая подготовка, а именно определение координат и взаимная привязка оптического измерительного устройства 13 и исследуемой антенны 1 с использованием ГНСС-приемника, геодезических методов или иным путем, обеспечивающим допустимую погрешность измерений. Затем осуществляется подъем беспилотного привязного аэростата 3 с подвесным контейнером 4, в котором находится радиоизмерительный блок 5, бортовой таймер 6 для определения времени измерений, координатный блок 7, который измеряет высоту подъема и выполняет предварительную оценку ориентации подвесного контейнера в пространстве, привязка этих данных к результатам и времени антенных измерений производится микроконтроллером 8, который также осуществляет запись сформированного массива данных в бортовое запоминающее устройство 9. Электропитание всех устройств, находящихся в подвесном контейнере 3, обеспечивается бортовым аккумулятором 11. Оптическое измерительное устройство 13 по изображению блока оптических реперов 10 определяет положение подвесного контейнера 4 в пространстве и фиксирует его в заданный момент времени путем записи данных, обработанных блоком управления 15, на съемный носитель информации 16. Синхронизация информации, записанной в бортовом запоминающем устройстве 9 подвесного контейнера 4, с измерениями положения беспилотного привязного аэростата 3, выполняемыми оптическим измерительным устройством 13, осуществляется посредством блока приема синхросигнала 12, фиксирующим момент радиоизлучения исследуемой антенны 1, блока синхронизации 2 или эталонного радиосигнала радиоизмерительного блока 5. В блоке управления 15 с использованием наземного таймера 14 осуществляется привязка по времени излучения и положения радиоизмерительного блока 5 в подвесном контейнере 4 беспилотного привязного аэростата 3 относительно исследуемой антенны 1 с последующей записью на съемный носитель информации 16. Электропитание блоков 12-16 осуществляется посредством источника питания 17. После окончания измерений с исследуемой антенны 1 и блока синхронизации 2 снимают излучение, привязной аэростат 3 спускают, из контейнера 4 извлекают бортовое запоминающее устройство 9. Затем производится обработка данных, записанных на съемном носителе информации 16 и зафиксированных бортовым запоминающим устройством 9.Determination of antenna characteristics is carried out as follows. Before starting antenna measurements, topographic and geodetic preparation is performed, namely, determination of coordinates and mutual reference of the optical measuring device 13 and the antenna 1 under study using a GNSS receiver, geodetic methods, or in another way that ensures an acceptable measurement error. Then, an unmanned tethered balloon 3 with a hanging container 4 is lifted, in which there is a radio measuring unit 5, an on-board timer 6 for determining the measurement time, a coordinate unit 7, which measures the height of the rise and performs a preliminary assessment of the orientation of the hanging container in space, linking these data to the results and time of antenna measurements is carried out by a microcontroller 8, which also records the generated data array into the on-board storage device 9. The power supply for all devices located in the hanging container 3 is provided by the on-board battery 11. The optical measuring device 13, based on the image of the optical reference block 10, determines the position of the hanging container 4 in space and records it at a given point in time by recording data processed by the control unit 15 onto a removable storage medium 16. Synchronization of information recorded in the on-board storage device 9 of the suspended container 4 with measurements of the position of the unmanned tethered balloon 3 performed by an optical measuring device 13, is carried out by means of a synchronization signal receiving unit 12, which records the moment of radio emission of the antenna 1 under study, the synchronization unit 2 or the reference radio signal of the radio measuring unit 5. In the control unit 15, using a ground timer 14, the timing of the emission and the position of the radio measuring unit 5 in the suspended container 4 of the unmanned tethered balloon 3 relative to the test antenna 1 with subsequent recording on a removable storage medium 16. Power supply of blocks 12-16 is carried out via power source 17. After the measurements are completed, radiation is removed from the test antenna 1 and synchronization unit 2, the tethered balloon 3 is lowered, and removed from the container 4 on-board storage device 9. Then the data recorded on the removable storage medium 16 and recorded by the on-board storage device 9 is processed.
Координатный блок, находящийся в подвесном контейнере, выполнен на базе барометрического высотомера. Возможен вариант исполнения координатного блока, в котором дополнительно установлены инерциальный датчик и/или магнитометр (цифровой компас), позволяющие улучшить предварительную оценку ориентации подвесного контейнера.The coordinate block, located in a hanging container, is made on the basis of a barometric altimeter. A version of the coordinate block is possible, in which an inertial sensor and/or magnetometer (digital compass) are additionally installed, which makes it possible to improve the preliminary assessment of the orientation of the hanging container.
Возможен вариант синхронизации информации, записанной в бортовом запоминающем устройстве подвесного контейнера с измерениями положения беспилотного привязного аэростата, выполняемыми оптическим измерительным устройством, путем модуляции по определенному закону излучения оптических реперов.A possible option is to synchronize the information recorded in the on-board storage device of the suspended container with measurements of the position of an unmanned tethered balloon performed by an optical measuring device, by modulating the optical reference points according to a certain law of radiation.
Возможен вариант синхронизации момента излучения исследуемой антенны с измерениями положения беспилотного привязного аэростата, выполняемыми оптическим измерительным устройством, с использованием оптической связи (атмосферной линии связи или волоконно-оптического кабеля) между блоком синхронизации, в котором находится источник оптического излучения (например, лазер) и блоком приема синхросигнала, в котором установлен фотоприемник.It is possible to synchronize the moment of radiation of the antenna under study with measurements of the position of an unmanned tethered balloon, performed by an optical measuring device, using optical communication (an atmospheric communication line or fiber-optic cable) between the synchronization unit, which contains the source of optical radiation (for example, a laser) and the unit receiving a synchronizing signal in which a photodetector is installed.
Возможен вариант использования в качестве оптического измерительного устройства лазерного локатора (т.н. лидара) с соответствующим разрешением по дальности и угловым координатам, при этом в блоке оптических реперов должны быть размещены оптические уголковые отражатели (триппель-призмы).It is possible to use a laser locator (so-called lidar) as an optical measuring device with appropriate resolution in range and angular coordinates, while optical corner reflectors (triple prisms) must be placed in the optical reference block.
При наличии сигнала ГНСС в качестве наземного таймера и бортового таймера в подвесном контейнере беспилотного привязного аэростата могут быть применены ГНСС-приемники, которые также могут быть использованы для получения предварительной оценки взаимной ориентации подвесного контейнера привязного аэростата и оптического измерительного устройства. При отсутствии сигналов ГНСС возможно использование навигационных приемников локальной радионавигационной системы (Корнеев И. Л., Кузнецов А.С., Королев B.C. «Режимы работы локальной системы навигации в проекте «КОНСУЛ». Потребители системы «КОНСУЛ», Наноиндустрия. Спецвыпуск. 2021. 7s. Т. 14 (107). С. 57-59.) или современных вариантов радионавигационных систем НЧ-диапазона типа «Чайка», LORAN (Ююкин И.В. «Навигационное использование системы e-LORAN в модификации с методом сплайн-функций». Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала СО. Макарова. 2020. Т. 12. №4. С. 703-715. DOI: 10.21821/2309-5180-2020-12-4-703-715).In the presence of a GNSS signal, GNSS receivers can be used as a ground timer and an on-board timer in the suspended container of the unmanned tethered balloon, which can also be used to obtain a preliminary estimate of the relative orientation of the suspended container of the tethered balloon and the optical measuring device. In the absence of GNSS signals, it is possible to use navigation receivers of the local radio navigation system (Korneev I.L., Kuznetsov A.S., Korolev V.S. “Operating modes of the local navigation system in the CONSUL project.” Consumers of the CONSUL system,” Nanoindustry. Special issue. 2021. 7s. T. 14 (107). P. 57-59.) or modern versions of low-frequency radio navigation systems of the “Chaika” type, LORAN (Yuyukin I.V. “Navigation use of the e-LORAN system in modification with the spline function method "Bulletin of the State University of Maritime and River Fleet named after Admiral SO. 2020. T. 12. P. 703-715.
Расстояние до блока оптических реперов и его ориентация определяются угломерно-триангуляционным способом, путем измерения наблюдаемых размеров базовых расстояний между реперами, которые известным образом ориентированы в системе координат подвесного контейнера беспилотного привязного аэростата. Необходимо не менее трех реперов, два из которых находятся в одной плоскости (первая база), а третий несколько сдвинут относительно нее (вторая база) (Федосеев В.И. «Автоматическая лазерная система контроля параметров сближения кооперируемых космических аппаратов», Оптический журнал. 1996. №7. С. 66-70).The distance to the block of optical reference points and its orientation are determined by the goniometric-triangulation method, by measuring the observed sizes of the base distances between the reference points, which are oriented in a known manner in the coordinate system of the suspended container of an unmanned tethered balloon. At least three reference points are needed, two of which are in the same plane (first base), and the third is slightly shifted relative to it (second base) (Fedoseev V.I. “Automatic laser system for monitoring the parameters of the approach of cooperative spacecraft,” Optical Journal. 1996 . No. 7. pp. 66-70).
Определение ориентации блока оптических реперов осуществляется по методике, аналогичной представленной в (Бачевский С.В. «Точность определения дальности и ориентации объекта методом пропорций в матричных телевизионных системах», Вопросы радиоэлектроники. Сер. Техника телевидения. 2010 г. Вып. 1. С. 57-66; Бахшиев А.В., Корбан П.А., Кирпань Н.А. «Программный комплекс определения пространственной ориентации объектов по телевизионному изображению», Робототехника и техническая кибернетика. 2013. №1. С. 71-75.).Determining the orientation of a block of optical reference points is carried out using a method similar to that presented in (Bachevsky S.V. “Accuracy of determining the range and orientation of an object by the method of proportions in matrix television systems,” Issues of radio electronics. Ser. Television technology. 2010, Issue 1. P. 57-66; Bakhshiev A.V., Korban P.A., Kirpan N.A. “Software complex for determining the spatial orientation of objects from a television image,” Robotics and Technical Cybernetics 2013. No. 1. .
Как показано на фиг. 3, оптическое измерительное устройство 1 размещается таким образом, что его оптическая ось направлена в зенит, при этом выполняется условие, что поднятый на высоту h беспилотный привязной аэростат 2 при отсутствии ветра находится на оптической оси или вблизи нее. При этом оси «YОИ» и «YA» систем координат оптического измерительного устройства ХОИYОИZОИ и беспилотного привязного аэростата XAYAZA совпадают.As shown in FIG. 3, the optical measuring device 1 is placed in such a way that its optical axis is directed to the zenith, and the condition is met that the unmanned tethered balloon 2 raised to a height h in the absence of wind is on or near the optical axis. In this case, the axes “Y OI ” and “Y A ” of the coordinate systems of the optical measuring device X OI Y OI Z OI and the unmanned tethered balloon X A Y A Z A coincide.
Когда на аэростат с одним привязным тросом действует сила ветра, то он опускается на угол β по линии окружности, образованной длиной троса до момента достижения механического равновесия приложенных к нему сил и противодействующих сил реакции, образующих равнодействующую реакцию силы связи. При ослаблении силы ветра аэростат стремится занять исходное положение, что приводит к неравномерным колебаниям подвесного контейнера. Подвесной контейнер привязного аэростата перемещается в горизонтальном и вертикальном направлении, а также испытывает кручение вокруг вертикальной оси и маятниковое качание (Катушков В.А. «Исследование смаза изображения при фотографировании с аэростата», Геодезия, картография и аэрофотосъемка. 1980. Т. 31. №31. С. 130-134.).When a wind force acts on a balloon with one tethered cable, it descends at an angle β along the line of a circle formed by the length of the cable until the mechanical equilibrium of the forces applied to it and the opposing reaction forces, forming the resultant reaction of the tie force, is achieved. When the wind weakens, the balloon tends to take its original position, which leads to uneven vibrations of the hanging container. The suspended container of a tethered balloon moves in the horizontal and vertical directions, and also experiences torsion around a vertical axis and pendulum swing (Katushkov V.A. “Study of image blur when photographing from a balloon,” Geodesy, cartography and aerial photography. 1980. Vol. 31. No. 31. pp. 130-134).
В результате, при развороте подвесного контейнера, оптические реперы принимают положение, отличное от исходного. При известном расстоянии, равном высоте подъема h, изменение их положения позволяет определить величину углов тангажа θ, крена γ и рысканья ψ, на которые развернулся подвесной контейнер с радиоизмерительным блоком. Таким образом определяется ориентация радиоизмерительного блока относительно исследуемой антенны 4.As a result, when the hanging container is rotated, the optical reference points take a position different from the original one. At a known distance equal to the lifting height h, changing their position makes it possible to determine the magnitude of the pitch θ, roll γ and yaw angles ψ through which the suspended container with the radio measuring unit turned. In this way, the orientation of the radio measuring unit relative to the antenna 4 under study is determined.
Углы тангажа θ, крена γ и рысканья ψ вычисляются по выражениямThe pitch θ, roll γ and yaw angles ψ are calculated using the expressions
Где - проекции базовых расстояний между двумя реперами в плоскости МФПУ по осям «ZОИ», «ХОИ»; х - проекция наблюдаемого изображения базового расстояния между двумя реперами в плоскости МФПУ по оси «ХОИ»; z1, z2 - проекции изображений базовых расстояний по оси «ZОИ».Where - projections of the basic distances between two reference points in the MFPU plane along the axes “Z oi ”, “X oi ”; x - projection of the observed image of the base distance between two reference points in the MFPU plane along the “X OB ” axis; z 1 , z 2 - projections of images of base distances along the “Z oi ” axis.
Если один из реперов смещен по оси «Za» на базу и на базу относительно двух других реперов, то выражения (1) и (2) дополняются следующими соотношениямиIf one of the benchmarks is shifted along the “Z a ” axis to the base and to the base relative to two other reference points, then expressions (1) and (2) are supplemented with the following relations
Из-за возрастания с расстоянием погрешности угломерных измерений дальности по базовому расстоянию менее 1,0 м для определения высоты подъема беспилотного привязного аэростата целесообразно использовать барометрический высотомер, имеющий погрешность измерений в пределах 0,1…0,5 м.Due to the increase in the error of goniometric range measurements over a base distance of less than 1.0 m with distance, to determine the altitude of the unmanned tethered balloon, it is advisable to use a barometric altimeter with a measurement error within 0.1...0.5 m.
В качестве примера рассмотрим определение координат и ориентации блока оптических реперов с базовыми расстояниями в перпендикулярных направлениях 50 см, установленного на подвесном контейнере беспилотного привязного аэростата, поднятого на высоту h = 300 м. Принимаем, что в оптическом измерительном устройстве используется МФПУ с разрешением 7680×4320 пикселей (33 Мп), при этом максимальный угол обзора составляет 10°.As an example, let us consider the determination of the coordinates and orientation of a block of optical reference points with basic distances in perpendicular directions of 50 cm, installed on a suspended container of an unmanned tethered balloon raised to a height of h = 300 m. We assume that the optical measuring device uses an MFPU with a resolution of 7680 × 4320 pixels (33 megapixels), with a maximum viewing angle of 10°.
Если ошибка не превышает один пиксель МФПУ, то погрешность измерения перемещения беспилотного привязного аэростата с подвесным контейнером в горизонтальной плоскости составит 0,7 см, что более чем на порядок меньше погрешности при использовании ГНСС-приемника. Погрешность измерений углов тангажа и крена не превысит Δθ=Δγ=1,6°, а для угла рысканья составит не более Δψ=0,8°.If the error does not exceed one pixel of the MFPU, then the error in measuring the movement of an unmanned tethered balloon with a suspended container in the horizontal plane will be 0.7 cm, which is more than an order of magnitude smaller than the error when using a GNSS receiver. The error in measuring pitch and roll angles will not exceed Δθ=Δγ=1.6°, and for the yaw angle it will not exceed Δψ=0.8°.
Высота беспилотного привязного аэростата фиксируется барометрическим высотомером в момент приема радиоизмерительным блоком излучения исследуемой антенны, либо наоборот, в момент излучения эталонного радиосигнала радиоизмерительным блоком. Если радиоизмерительный блок включает в себя только радиолокационный отражатель, используемый для калибровки РЛС, то высота подъема может быть определена через угол отклонения β от нормали к оптической оси оптического измерительного устройства (см. фиг. 4)The height of the unmanned tethered balloon is recorded by a barometric altimeter at the moment the radio measuring unit receives the radiation from the antenna under study, or vice versa, at the moment the reference radio signal is emitted by the radio measuring unit. If the radio measuring unit includes only a radar reflector used to calibrate the radar, then the elevation height can be determined through the angle of deviation β from the normal to the optical axis of the optical measuring device (see Fig. 4)
где L - длина привязного троса.where L is the length of the tether rope.
В состав радиоизмерительного блока в зависимости от выполняемой задачи могут входить радиолокационный отражатель, высокочувствительный приемник радиосигнала с необходимым динамическим диапазоном, генератор эталонного радиосигнала, антенно-фидерные устройства, запоминающее устройство, источники питания. Результаты измерений, полученные с использованием вышеуказанных устройств, автоматически записываются в бортовое запоминающее устройство. Управление излучением эталонного радиосигнала осуществляется программным способом либо осуществляется дистанционно оператором с наземного пункта управления. В последнем случае в составе радиоизмерительного блока должна быть предусмотрена радиолиния (или оптическая атмосферная линия связи) для управления режимом излучения.Depending on the task being performed, the radio measuring unit may include a radar reflector, a highly sensitive radio signal receiver with the required dynamic range, a reference radio signal generator, antenna-feeder devices, a storage device, and power supplies. The measurement results obtained using the above devices are automatically recorded in the on-board storage device. The emission of the reference radio signal is controlled by software or carried out remotely by an operator from a ground control station. In the latter case, the radio measuring unit must include a radio link (or an optical atmospheric communication link) to control the radiation mode.
Наиболее предпочтительным типом беспилотного привязного аэростата является шар-баллон (метеорологический зонд) как недорогой и простой в эксплуатации.The most preferred type of unmanned tethered balloon is a balloon (weather balloon) as it is inexpensive and easy to operate.
Достигаемый технический результат согласно предложенному решению - проведение радиоизмерений при отсутствии сигнала ГНСС, отсутствии дифференциальных поправок от ККС, повышение помехозащищенности и снижение погрешности антенных измерений с одновременным снижением стоимости работ.The technical result achieved according to the proposed solution is carrying out radio measurements in the absence of a GNSS signal, the absence of differential corrections from the CCS, increasing noise immunity and reducing the error of antenna measurements while simultaneously reducing the cost of work.
Claims (3)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2818996C1 true RU2818996C1 (en) | 2024-05-08 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140012433A1 (en) * | 2012-05-08 | 2014-01-09 | World Surveillance Group, Inc. | Self-powered releasable aerostat and method and system for releasing and controlling the aerostat |
| RU2626561C1 (en) * | 2016-04-13 | 2017-07-28 | Общество с ограниченной ответственностью "ЧКТБ" | Method of antenna directivity measurement with uav by test flight method |
| US10067172B1 (en) * | 2016-07-21 | 2018-09-04 | Softronics, Ltd. | Far-field antenna pattern characterization via drone/UAS platform |
| CN209097006U (en) * | 2019-03-21 | 2019-07-12 | 南京理工大学工程技术研究院有限公司 | A kind of more rotors having electromagnetic radiation measuring equipment are tethered at aerostatics |
| RU2731789C1 (en) * | 2020-02-21 | 2020-09-08 | Александр Владимирович Губанов | Tethered aerostat |
| RU2746688C1 (en) * | 2020-06-11 | 2021-04-19 | Акционерное общество «Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем» (АО «Российские космические системы») | Electrical measurement system for large antenna systems |
| US11313893B2 (en) * | 2017-09-20 | 2022-04-26 | California Institute Of Technology | Far-field radiation pattern measurements of high-frequency antennas with unmanned aerial systems |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140012433A1 (en) * | 2012-05-08 | 2014-01-09 | World Surveillance Group, Inc. | Self-powered releasable aerostat and method and system for releasing and controlling the aerostat |
| RU2626561C1 (en) * | 2016-04-13 | 2017-07-28 | Общество с ограниченной ответственностью "ЧКТБ" | Method of antenna directivity measurement with uav by test flight method |
| US10067172B1 (en) * | 2016-07-21 | 2018-09-04 | Softronics, Ltd. | Far-field antenna pattern characterization via drone/UAS platform |
| US11313893B2 (en) * | 2017-09-20 | 2022-04-26 | California Institute Of Technology | Far-field radiation pattern measurements of high-frequency antennas with unmanned aerial systems |
| CN209097006U (en) * | 2019-03-21 | 2019-07-12 | 南京理工大学工程技术研究院有限公司 | A kind of more rotors having electromagnetic radiation measuring equipment are tethered at aerostatics |
| RU2731789C1 (en) * | 2020-02-21 | 2020-09-08 | Александр Владимирович Губанов | Tethered aerostat |
| RU2746688C1 (en) * | 2020-06-11 | 2021-04-19 | Акционерное общество «Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем» (АО «Российские космические системы») | Electrical measurement system for large antenna systems |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106712827B (en) | Dynamic beam tracking test device and method for satellite-borne digital multi-beam receiving antenna | |
| US7978133B1 (en) | GPS gyro calibration | |
| CN101360967B (en) | Surveying procedure and system for a high-rise structure | |
| US6016120A (en) | Method and apparatus for automatically aiming an antenna to a distant location | |
| CN105549060A (en) | Object positioning system based on position and attitude of airborne photoelectric gondola | |
| GREJNER‐BRZEZINSKA | Direct exterior orientation of airborne imagery with GPS/INS system: Performance analysis | |
| CN110108984B (en) | Spatial relationship synchronization method for multiple sensors of power line patrol laser radar system | |
| JP2017197172A (en) | System and method for positioning unmanned aerial vehicle | |
| JP5595074B2 (en) | Aerial shooting system | |
| CN108562279B (en) | Unmanned aerial vehicle surveying and mapping method | |
| KR20170102992A (en) | Ship auxiliary docking method and system | |
| US11374648B2 (en) | Radio link coverage map generation using link quality and position data of mobile platform | |
| CN111766599A (en) | Laser radar device and method for measuring sea wave height in real time | |
| CN115876197A (en) | Mooring lifting photoelectric imaging target positioning method | |
| Labowski et al. | Motion compensation for unmanned aerial vehicle's synthetic aperture radar | |
| US11513524B2 (en) | Three-dimensional analytic tools and methods for inspections using unmanned aerial vehicles | |
| KR101193415B1 (en) | System of numerical map image processing based on gis for editing changed land scope with image composition | |
| RU2818996C1 (en) | Method and system of antenna measurements using an unmanned tethered balloon | |
| RU2704393C1 (en) | Method for automated orientation of an onboard antenna of an unmanned complex for measuring antennae directivity parameters | |
| Sugiura et al. | The development of remote sensing system using unmanned helicopter | |
| JP2007033258A (en) | Method and device for observing object to be observed | |
| RU2501031C2 (en) | Method for flight inspection of ground-based radio flight support equipment and apparatus for realising said method | |
| CN113253320B (en) | Ship-borne pose measuring system and method | |
| JP2020017790A (en) | Actual machine antenna pattern acquisition system, actual machine antenna pattern acquisition method, and actual machine antenna pattern acquisition program | |
| US20220333929A1 (en) | Determination device, path determination method, non-transitory computer readable storage medium, path determination system, and air vehicle device |