一种用于无人机地面起降引导系统上的天线架的制作方法

本实用新型涉及一种应用在差分GPS/BDS无人机地面起降引导系统上的天线架，该天线架能够折叠收纳，且具备良好的防风性能。

背景技术：

统计数据表明，在飞机飞行的起飞和降落阶段，飞行事故发生概率最大。国际民航组织为保障飞机在起降阶段能够获得高精度的定位信息，统一规范了民用有人飞机的精密进场/着陆定位精度，其中精度要求最高的三类着陆要求横向精度不小于4m、垂直精度不小于0.5m。关于无人机自主着陆精度目前还没有统一标准规范，但基本要求是要优于III类着陆标准，而当前常规中大型无人机组合导航精度为20m左右，无法满足自主着陆精度要求，因此可在机场跑道附近设置差分GPS/BDS地面站，利用GPS和BDS差分增强技术、自主完好性监测技术，由地面起降引导系统提供差分增强信息，机载系统完成差分增强处理，实现定位精度提升和自主完好性风险降低，为无人机提供满足要求的起降定位精度，降低无人机在起降阶段的安全风险，工作原理如图1所示。

依据国际民航组织提出的地基增强系统(GBAS)概念，有人机的差分地面起降引导系统成本高昂，设备复杂，难以机动部署，不适应无人机灵活机动的特点和低成本的需求。因此，需要对无人机地面起降引导系统进行小型化便携式设计，小型化便携式的无人机地面起降引导系统需要由设备箱、天线架、差分卫导接收机、地面起降引导电台、卫导天线、电台天线构成，如何将天线架、卫导天线、电台天线在机动式使用时收纳进设备箱，在非机动式使用时能够取出并正常工作是目前需要解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型的发明目的在于提供一种用于无人机地面起降引导系统上的天线架是，该天线架能够折叠收纳，且具备良好的防风性能。

本实用新型的发明目的通过以下技术方案实现：

一种用于无人机地面起降引导系统上的天线架，包含天线支架1和天线安装板3，所述天线安装板3的中间带有第二孔31，天线安装板3的二侧还带有电台天线接口32和卫导天线接口33；所述天线支架1由若干个套接的杆件12，以及与最外侧的杆件12连接的三角架13组成，最内侧的杆件12顶部有一与第二孔31相配合的凸起部11。

优选地，所述凸起部11上带有供快锁销钉插入的第一孔14。

优选地，所述电台天线接口32为四个均布螺钉孔，卫导天线接口33为锥螺纹接口，第二孔31为扁口。

优选地，所述杆件12的套接部设有供快锁销钉插入的第三孔15。

优选地，所述杆件12采用铝合金材料。

优选地，所述一种用于无人机地面起降引导系统上的天线架还包含底座2，所述底座2包含一底座盘21和若干个侧片22，底座盘21和侧片22的一端均设有供连杆插入的销钉孔23；侧片22的另一端设有球座24，所述三角架13的底端设有球头。

优选地，所述侧片22外侧设有垫脚，侧片22内侧设有一个用于容纳垫脚的空腔25。

优选地，所述垫脚由依次连接的球形铰链26、螺杆27和垫片28组成。

优选地，所述垫片28为带沟槽的橡胶垫。

本实用新型的有益效果为：

天线安装板3为可快速装卸结构、天线支架1为可伸缩结构，底座2为可折叠结构。天线架在可折叠设计基础上，设计可调节的螺杆27、球形铰链26、垫片28等提升其稳固性和抗风性能。

附图说明

图1为天线架的结构示意图；

图2为天线安装板的结构示意图；

图3a为天线支架与底座组合的展开状态示意图；

图3b为天线支架与底座组合的折叠状态示意图；

图4a为底座的展开状态示意图；

图4b为底座的折叠状态示意图；

图5为垫脚的结构示意图；

图6为天线架的俯视图；

图7为天线架的侧视图；

图8为底座的安装示意图；

图9为天线安装板的安装示意图。

标号说明：

1---天线支架，11——凸起部，12——杆件，13——三角架，14——第一孔，15——第三孔；

2——底座，21——底座盘，22——侧片，23——销钉孔，24——球座；25——空腔，26——球形铰链，27——螺杆，28——垫片；

3——天线安装板，31——第二孔，32——电台天线接口，33——卫导天线接口；

4——电台天线；

5——卫导天线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

天线架结构可分为天线支架1、底座2以及天线安装板3三个部分，如图1、图7、图8所示。

其中天线安装板3为可快速装卸结构，如图2所示，带有第二孔31，电台天线接口32和卫导天线接口33。在本实施例中，电台天线接口32为四个均布螺钉孔，电台天线可以采用四个均布螺钉安装在天线安装板3；卫导天线接口33为锥螺纹接口，卫导天线可以通过锥螺纹接口安装在天线安装板3。天线安装板3和电台天线、卫导天线固定在一起后，除非更换新的天线，正常使用过程中即不再拆开

天线支架1为可伸缩结构，由若干个套接的杆件12，以及与最外侧的杆件12连接的三角架13组成。考虑到方便收纳的要求，天线安装板3和天线支架1顶端，必须可靠的进行连接，并且可以方便的拆卸，因此最内侧的杆件12顶部有一与第二孔31相配合的凸起部11，凸起部11上带有供快锁销钉插入的第一孔14。天线安装板3的第二孔31插入凸起部11后，用快锁销钉插入的第一孔14，保证天线安装板3在支架顶端不会转动。在本实施例中，杆件12共分为四级，展开高度为2米，折叠高度为700毫米，展开后，每一级之间杆件的套接部的第三孔15对齐后采用快锁销钉进行定位，确保工作状态时，各级杆件12不会退回。考虑到天线支架1展开后的稳定性，天线安装架末端设有可展开的三角架13，三角架13展开后，天线支架1能够稳定的直立。为限制重量的同时满足应用要求，天线支架1采用高强度铝合金材料，整体重量约为4千克，如 图3a、图3b所示。

为了满足天线防风的要求，在天线底部增加了底座2。底座2重量为9千克，可以满足天线安装架的稳定性要求。底座2为可展开和折叠的结构，包含一底座盘21和若干个侧片22，在本实施例中，选用六个侧片22，底座盘21和侧片22的一端均设有销钉孔23，通过连杆连接；侧片22的另一端设有球座24，所述三角架13的底端设有球头。底座2展开后，可以为天线支架1提供三角架安装接口；底座2折叠后，则包裹在天线支架1外面，与之一起收纳在设备箱体中。底座2展开后，其外接圆直径为：860mm，可保证支架承受风力后不倾覆；折叠后，外接圆直径为：265mm，可以轻松的放进设备箱体中，如图4a、图4b所示。为了让底座2和地面有良好的接触条件，增加底座2与地面的接触摩擦力，在底座2下方，专门设计了垫脚，垫脚设置在侧片22外侧，侧片22内侧设有一个用于容纳垫脚的空腔25，该空腔25与球座24为同一个,也可以分别设置。在收纳状态时，垫脚收藏于侧片22的空腔25内，不会突出底座2的表面；底座2展开时，可将垫脚从空腔25中拉出。垫脚由依次连接的球形铰链26、螺杆27和垫片28组成。通过球形铰链26可以提高底座2对地形的适应能力，通过螺杆27可以调节高度，使底座2的六个垫脚都可以和地面良好的接触。同时，为增加底座2和地面之间的摩擦力，垫脚底部的垫片28采用带沟槽的橡胶垫，和水泥地面的摩擦系数可达0.5，保证天线支架1承受风载后，不发生移动，如图5所示。

天线架展开过程可以分成以下几个步骤：

在设备箱中分别取出天线和天线架。天线和天线架都装在设备箱体中。

1)将包在天线架外面的底座2展开

底座2各个侧板用连杆和销钉连接在一起，形成完整的六边形。因此展开 底座第一步是取下各个连杆。将连杆拔出后，围成六边形的各个侧板即可放倒，形成六角星形底座。

底座侧板放倒后，再将上一个步骤中取下的连杆，分别将底座侧板连成一个整体，使整个底座2能够承受各个方向的载荷。如图8所示。

2)将天线安装到天线支架1顶端

将天线安装板3上的第二孔31与天线支架1顶端的凸起部11对齐，将天线安装板插到底，然后将快锁销钉在第一孔14旋转90度，即可将天线锁定在天线支架1顶端。如图9所示。

3)打开支架底部的三脚架，并将其顶紧在底座2上，如图8所示。

三角架采用可折叠机构，可调节长度。分别将天线三脚架拉开，调整合适的长度，三角架端部的球头顶在底座2上的球座24内即可。

4)拉出支架天线各级杆件12，并用快锁销锁定位置

各级杆件12套接在一起，杆件12的底端开有第三孔。将杆件12拉出后，用快锁销钉插入第三孔，将两根杆件12之间固定，即可。

5)调节各个可调垫脚，使底座2与地面接触良好

撤收过程和上述展开过程相反。

天线架的性能说明如下：

一.抗风性能

为保持天线架的稳定性，天线架的重心越低，稳定性越好，越不容易倾覆，在设计过程中一方面增加可展开底座2，将整个天线架的重心拉低；另一方面减轻天线顶端的天线连接板重量，使天线顶端质量变轻。天线安装架顶端安装天线并展开后，整个结构的重心位置离地面高度仅为35厘米。

天线安装架包括天线，总质量约为13.65千克，产生的总重力G＝134N。

天线架展开后，底部底座形成一个等六边形，六边形外接圆半径约为430mm，底座2支撑点均布在圆上。取受力后最容易倾覆的方位，即天线架受力垂直于六边形的一条边的情况。

在此方向下，底座支撑点的力臂长度(也就是六边形某条边到中心点的距离)约为：377.5mm。由此，能够计算出支架的倾覆力矩：

M_倾＝G×L≈134×0.377≈50.5N·m

式中：G：天线架重力；L：支撑点到重心的力臂长度。

也就是说，在本实施中，天线架至少可以抵抗50.5牛米的力矩而不发生倾覆。

天线架的抗风性能指标为需要在23m/s风速(约9级风)条件下，能够正常工作，即不得出现倾覆和沿地面的移动。为此，分地面静摩擦力验算和倾覆力矩验算两个部分分别进行阐述。

地面静摩擦力验算

就是要计算天线架在给定风速条件下承受的风力是否大于地面能够提供的最大静摩擦力。如果地面能够提供的最大静摩擦力大于天线架承受的风力，则天线架不会出现移动，验算即通过。

风作用在结构迎风面上的力为风压W0与迎风面积A的乘积。其中，风压与风速的关系式如下：

$W_0=\frac{1}{2}{{\mathrm{\ρV}}_0}^2$

式中：ρ：空气密度1.293kg/m3；V0：风速23m/s

代入公式可得风压W0≈342Pa。

天线、天线支架1、底座2三个部分的迎风面积总和A约为：0.13m2。

由此可以算出，整个天线架，包括天线，承受的风力：

F＝W₀×A＝342×0.13≈44.46(N)

而地面能够提供的最大静摩擦力：

f＝μ×G

式中：μ：地面静摩擦系数，水泥地面约0.4；G：支架重力，约150N；

对底座2而言，由于底座2相对地面存在一定的间隙，所以底座顶面的空气流速比底座底面附近的空气流速快。因此，风对结构的作用力是向上的，风力有将底座抬起的趋势。对底座区域的流场进行分析，得出结果如下：

23m/s的风吹过底座时，底座单瓣承受的向上的力(Y向力)为：2.35N，因此，整个底座上承受的向上的风力约为：2.35×6＝14.1N。

故，底座对地面形成的总压力为：134-14.1＝128.9N。

由此可知，地面能够提供的静摩擦力约等于：128.9×0.5＝59.9N。

地面可提供的最大静摩擦力比风力大，因此能够得出结论，本实施例在风速23m/s条件下，底座相对地面可以保持静止，并且还有一定的安全裕度。

倾覆力矩验算

上一节支架结构重心位置分析中，已经计算出天线支架的临界倾覆力矩为50.5N.m。倾覆力矩验算，即需要计算风力造成的力矩，并和临界倾覆力矩进行比较。如果比临界倾覆力矩小，则结构承受风力后是稳定的，不会发生倾覆。

由于风力是个分布载荷，并且，由于天线支架各部分迎风面面积并不相同。因此，不能简单的将风力等效到一个点上进行验算。按照天线支架各部分分别进行等效，按照天线组件、四级杆件、三级杆件、二级杆件、一级杆件五个部分，分别进行风力计算。同时，还需要考虑到底座承受垂直向上的风力，该力形成的力矩，具有使支架倾覆的趋势，不能忽略。详见表1：

表1

整个天线架承受风力，形成的力矩，为上述力矩的总和，即41.2575Nm，小于天线架的临界倾覆力矩。因此可以得出结论，在承受给定风力条件下，天线架不会倾覆，且还留有一定的安全裕度。

二.支架结构强度

承受风力后，天线架的结构强度和刚度也是需要考虑的问题。底座由实心厚铝板制造，其强度和刚度无疑是足够的。而天线架展开后，是一个细长杆件，其顶端又安装了天线，因此本方案主要关注的是天线架的刚度问题。

由于天线本身质量只有1.15千克，因此，天线结构的压杆稳定性是可以保证的。因此方案中主要考虑的是承受23m/s风力的工况下，天线架的变形和应力。

本实用新型建立了天线安装架的有限元分析模型，并将风力计算中的结果作为边界条件进行加载。为了考虑最恶劣的情况，方案中将所有风力全部作用于支架顶端(这样加载虽然与真实情况不符，但是能够帮助判断支架的承载能力)。

整个支架结构一共划分单元285996个，网格采用自适应划分技术，在曲率半径小的位置自动进行加密。

由于卫导天线位置变化会对差分定位精度产生一定影响，故要求卫导天线的微小位移幅度不超过2cm。通过有限元计算，在给定工况条件下，天线支架1最大变形量为：14.7mm，远小于卫导天线要求的变形幅度。因此整个结构的刚度能够满足要求。天线安装架上应力最大的位置出现在：斜撑杆底部的销孔处，最大应力为50.8MPa；但其应力远远小于铝合金材料的需用应力，故天线架的强度是足够的。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。