一种目标天线垂直辐射场型的测试方法与流程

本发明涉及航空无线电测量技术，尤其涉及一种目标天线垂直辐射场型的测试方法。

背景技术

目前，随着中国航空事业的高速发展，空管通信导航监视设备增长势头迅猛，因此，对于设备的保障要求也越来越高。然而，现有技术中，对于在用老旧设备的天线部分没有科学且全面的测试手段，而且对于在用设备天线的测试，只有拆下天线送至专业的测试场所(如微波暗室)进行，而天线的拆卸必须要在停机后才能进行，因此，造成了设备安全保障隐患。

另外，对于在用天线，尤其是老旧设备，由于长年污垢的累积，金属生锈等原因，导致天线无法正常拆卸，拆卸天线工作可能会对天线端造成致命损坏。同时，对于天线的测试环境也有一定的要求，对于微波暗室，需要一个很大的空间，而且还要提供大型反射面来还原现场，从而确保天线真实位置的正确性。

需要注意的是，在天线领域中，天线在不同维度上，空间信号的分布是不同与天线本身的。不同于水平方向辐射，由于地面反射作用的影响，垂直方向的辐射分布会发生改变，天线的极化方式不同，反射信号也会随之发生改变，另外，相同的天线，距离地面高度不同，空间的合成信号也会大相径庭。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种目标天线垂直辐射场型的测试方法，以避免拆除天线，从而在不影响在用空管设备保障的前提下，直接在现场有效测试在用空管设备天线的垂直辐射场型。

本发明所述的一种目标天线垂直辐射场型的测试方法，其包括以下步骤：

步骤s1，确定目标天线的经度和纬度，并根据所述目标天线的结构，确定其高度；

步骤s2，设定所述目标天线的工作频段；

步骤s3，根据所述目标天线的工作频段，计算该目标天线的工作波长；

步骤s4，根据所述目标天线的工作波长和所述目标天线的结构，计算临界距离；

步骤s5，将具有预设强度的载波信号馈送至所述目标天线，以使该载波信号辐射至空间；

步骤s6，确定测试距离，并设定无人机的飞行参数，包括；将所述无人机的距离所述目标天线的飞行水平距离、距离地面的飞行垂直高度均设定为等于所述测试距离；

步骤s7，根据所述无人机的飞行参数，使该无人机以所述目标天线在地面上的位置点为正方形中心、所述飞行水平距离为该正方形半边长，以该正方形的地面上的边为飞行轨迹，在垂直面内绕所述目标天线飞行；

步骤s8，在所述无人机的飞行轨迹上的各个测试点测试空间场强数据，并获取所述各个测试点的经度、纬度和高度；

步骤s9，根据所述目标天线的经度、纬度以及各个测试点的经度、纬度和高度，计算得到所述各个测试点与目标天线在地面上的位置点的连线与地面构成的仰角；

步骤s10，判断所述测试距离是否大于所述临界距离，若是，则执行步骤s11-步骤s13，否则，执行步骤s14-步骤s16；

步骤s11，在以所述目标天线在地面上的位置点为圆心、所述飞行水平距离为半径的半圆形轨迹上确定与所述各个测试点位置对应的转换点的位置，并计算所述各个转换点对应的空间场强数据，以所述各个测试点与目标天线在地面上的位置点的连线与地面构成的仰角为横坐标，以所述各个转换点对应的空间场强数据为纵坐标，绘制得到所述目标天线的相对于测试距离的辐射场型图；

步骤s12，将与地面垂直极化的全向无增益天线作为替代天线放置于所述目标天线的同一位置并贴近地面，同时使该替代天线的至少10m以内的周边范围内具有平整的反射面；将所述载波信号馈送至所述替代天线，以使该载波信号辐射至空间，以所述无人机围绕目标天线飞行时的起飞点或降落点为基准点，在该基准点测试空间场强数据，并将该基准点对应的空间场强数据减去增益量，以获得所述替代天线的归一化数据；

步骤s13，计算所述各个转换点对应的空间场强数据相对于所述步骤s12中替代天线的归一化数据的天线增益量，并以该天线增益量为纵坐标，以所述各个测试点与目标天线在地面上的位置点的连线与地面构成的仰角为横坐标，绘制得到所述目标天线的真实垂直辐射场型图；

步骤s14，以所述各个测试点与目标天线在地面上的位置点的连线与地面构成的仰角为横坐标，以所述各个测试点对应的空间场强数据为纵坐标，绘制得到所述目标天线的相对于测试距离的辐射场型图；

步骤s15，将与地面垂直极化的全向无增益天线作为替代天线放置于所述目标天线的同一位置并贴近地面，同时使该替代天线的至少10m以内的周边范围内具有平整的反射面；将所述载波信号馈送至所述替代天线，以使该载波信号辐射至空间，以所述各个测试点为替代点，在所述各个替代点测试空间场强数据，并将各个替代点对应的空间场强数据减去增益量，以获得所述替代天线的归一化数据；

步骤s16，计算所述各个测试点对应的空间场强数据相对于所述步骤s15中替代天线的归一化数据的天线增益量，并以该天线增益量为纵坐标，以所述各个测试点与目标天线在地面上的位置点的连线与地面构成的仰角为横坐标，绘制得到所述目标天线的真实垂直辐射场型图。

在上述的目标天线垂直辐射场型的测试方法中，所述步骤s1包括：通过使用gps设备和气压式高度计确定所述目标天线的经度、纬度和高度。

在上述的目标天线垂直辐射场型的测试方法中，所述步骤s4包括：当所述目标天线为单元天线时，所述临界距离dc＝所述目标天线的工作波长λ；当所述目标天线为阵列天线时，所述临界距离dc＝8h²/λ-λ²/256，其中，h表示所述目标天线的高度，λ表示所述目标天线的工作波长。

在上述的目标天线垂直辐射场型的测试方法中，所述步骤s5包括：通过信号发生器将所述载波信号馈送至所述目标天线，所述载波信号的预设强度的范围为0至30dbm，并以所述无人机上的机载接收装置检测到该载波信号恒大于噪声6db为准。

在上述的目标天线垂直辐射场型的测试方法中，所述步骤s6还包括：设定所述无人机的飞行轨迹上的测试点的位置和数量。

在上述的目标天线垂直辐射场型的测试方法中，所述步骤s7包括：使所述无人机从地面上距离所述目标天线在地面上的位置点所述飞行水平距离处先定点垂直向上飞行至所述飞行垂直高度，再沿水平方向等高飞行2倍的所述飞行水平距离，再定点垂直向下飞行。

在上述的目标天线垂直辐射场型的测试方法中，所述步骤s8包括：通过所述无人机上的机载接收装置测试所述空间场强数据，通过所述无人机上的机载gps设备获取所述各个测试点的经度、纬度和高度。

在上述的目标天线垂直辐射场型的测试方法中，所述步骤s9包括：根据以下公式分别计算所述各个测试点与目标天线在地面上的位置点的连线与地面构成的仰角θ：

式中，r表示地球半径(6.37*10⁶m)，aj表示目标天线的经度，aw表示目标天线的纬度，bj表示测试点的经度，bw表示测试点的纬度，h表示测试点的高度。

在上述的目标天线垂直辐射场型的测试方法中，所述步骤s11包括：根据以下公式分别计算所述各个转换点对应的空间场强数据rf’：

式中，rf表示各个测试点对应的空间场强数据，l表示各个测试点至目标天线在地面上的位置点的距离，r为半圆形轨迹的半径。

在上述的目标天线垂直辐射场型的测试方法中，所述步骤s12和步骤s15均包括：根据以下公式计算所述增益量gain：

式中，h′表示替代天线的高度，λ′表示替代天线的工作波长，θ表示测试点与替代天线在地面上的位置点的连线与地面构成的仰角。

在上述的目标天线垂直辐射场型的测试方法中，所述步骤s13包括：将所述各个转换点对应的空间场强数据相对于所述替代天线的归一化数据的天线增益量的最大值作为所述目标天线在空间的最大垂直辐射增益量。

在上述的目标天线垂直辐射场型的测试方法中，所述步骤s16包括：将所述各个测试点对应的空间场强数据相对于所述替代天线的归一化数据的天线增益量的最大值作为所述目标天线在空间的最大垂直辐射增益量。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明利用无人机可以在空管在用设备不拆除天线的前提下，实现不停机对设备的天线辐射场型测试，从而解决了拆卸天线可能引起的天线端损坏，测试空间不够而引起测量误差等问题，进而能够及时发现设备天线的运行隐患，提高在用空管设备保障的力度和工作效率。而且，无人机高空作业解决了高海拔信号的动态捕获问题，相比于外场信号测试车，切实提高测试效率。另外，在无人机近场飞行的情况下，可以方便选取所需位置，根据天线特征和近场测试需要，测试近场情况下天线辐射场型的垂直分布特征；在远场情况下的测试结果即是忽略了目标天线尺寸的理想情况，使其测试结果更为准确真实(一般情况下，天线参数给出的场型分布都是指远场情况下分布)。

附图说明

图1是本发明一种目标天线垂直辐射场型的测试方法中临界距离与目标天线的关系示意图；

图2a、2b分别是本发明一种目标天线垂直辐射场型的测试方法中无人机的飞行姿态俯视图和正视图；

图3是本发明一种目标天线垂直辐射场型的测试方法中无人机的半个正方形轨迹及对应的半圆形轨迹的示意图；

图4是远场目标天线在半个正方形轨迹上的测试值及对应的在半圆形轨迹上的转换值的示意图；

图5是远场替代天线经过地面反射后的测试值及归一化值的示意图；

图6是远场目标天线相对于替代天线的天线增益量的示意图；

图7是近场目标天线与替代天线的测试值以及替代天线归一化值的示意图；

图8是近场目标天线相对于替代天线的天线增益量的示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

本发明，即一种目标天线垂直辐射场型的测试方法，其包括以下步骤：

步骤s1，通过使用gps设备确定目标天线的位置，包括：目标天线的经度和纬度；同时根据目标天线的结构，通过使用气压式高度计确定目标天线的高度：当目标天线为单元天线时，其高度为其几何中心点至其在地面上的位置点的垂直距离；当目标天线为垂直布置的阵列天线，即，目标天线包含多个垂直布置的阵列单元时，其高度为其位置最高的阵列单元的几何中心点a至其在地面上的位置点o的垂直距离ao(如图1所示)；

步骤s2，设定目标天线所需检测的频段；此处所需检测的频段可以是目标天线所在台站对应的工作频段，也可以根据实际需要，通过频谱仪自定义频段；

步骤s3，根据步骤s2中设定的目标天线的工作频段，计算目标天线的工作波长λ(公知的计算公式为波长(m)＝光速(300000000m/s)/频率(hz))；

步骤s4，根据目标天线的结构以及步骤s3中确定的目标天线的工作波长λ，计算临界距离dc(即，目标天线在地面上的位置点o到与位置点o同一高度的起飞点b之间的距离ob的临界值)：当目标天线为单元天线时，临界距离dc＝λ；当目标天线为阵列天线时，临界距离dc＝8h²/λ-λ²/256，其中，h表示步骤s1中确定的目标天线的高度(如图1所示，该计算公式的理论依据为：测试点b(起飞点作为一个测试点)按球面波前到达目标天线的几何中心点a的波程l，与测试点b按球面波前到达目标天线在地面上的位置点o的波程d(即，距离ob)，两者的差值δ要小于λ/16；

步骤s5，通过信号发生器将具有预设强度的载波信号馈送至目标天线，以使该载波信号辐射至空间，其中，载波信号的预设强度的范围为0至30dbm，以无人机上的机载接收装置检测到该载波信号恒大于噪声6db为准；

步骤s6，根据实际测试需要，确定测试距离d(即，目标天线在地面上的位置点o到与位置点o同一高度的起飞点b之间的距离ob的测试值)；同时，设定无人机的飞行参数，包括：根据目标天线的垂直仰角，设定无人机的距离目标天线的飞行水平距离、距离地面的飞行垂直高度、飞行方式以及飞行轨迹上测试点的位置和数量，具体来说，将无人机的飞行水平距离与飞行垂直高度均设定为等于测试距离d，并将无人机的飞行方式设定为在垂直面内绕目标天线飞行；

步骤s7，根据步骤s6中设定的无人机的飞行参数，使无人机以目标天线在地面上的位置点o为正方形中心、飞行水平距离为正方形半边长，以正方形的地面上的边为飞行轨迹(即，半个正方形)进行绕飞(即，无人机从地面上距离目标天线在地面上的位置点o飞行水平距离处定点先垂直向上飞行至设定的飞行垂直高度，再沿水平方向等高飞行2倍的飞行水平距离，再定点垂直向下飞行)(如图2a、2b所示)；

步骤s8，在无人机飞行轨迹上的每个测试点通过无人机上的机载接收装置测试空间场强数据(即，相对于位置的信号辐射强度)，同时通过无人机上的机载gps设备获取每个测试点的经度、纬度和高度；

步骤s9，根据目标天线的经度和纬度以及各个测试点的经度、纬度和高度，计算得到各个测试点与目标天线在地面上的位置点o的连线与地面构成的仰角θ(即，各个测试点相对于目标天线在地面上的位置点o的仰角)(如图3所示)：

式中，r表示地球半径(6.37*10⁶m)，aj表示目标天线的经度，aw表示目标天线的纬度，bj表示测试点的经度，bw表示测试点的纬度，h表示测试点的(离地)高度(与目标天线的高度无关)；

步骤s10，判断步骤s6中的测试距离d是否大于步骤s4中确定的临界距离dc，若是，则执行步骤s11-步骤s13，否则，执行步骤s14-步骤s16；具体来说，当测试距离d大于等于临界距离dc时，测试类型为远场情况测试，当测试距离d小于临界距离dc时，测试类型为近场情况测试；需要注意的是，在远场情况下，目标天线的垂直辐射场型分布不会随着测试距离d的变化而发生变化；在近场情况下，目标天线的垂直辐射场型分布会随着测试距离d的变化而发生变化，即在垂直方向上空间信号分布特征会随着测试距离d发生改变，且测试距离d越小，变化越明显，另外，对于某些天线信号分布，需要知道近场的分布规则，从而根据特殊近场位置下的特点来判断远场分布，如仪表着陆系统中的下滑信标近场天线；

步骤s11，在以目标天线在地面上的位置点o为圆心、飞行水平距离为半径的半圆形轨迹上确定与各个测试点位置对应的转换点的位置，并计算各个转换点对应的空间场强数据rf’(单位为db)：

式中，rf表示各个测试点对应的空间场强数据，l表示各个测试点至目标天线在地面上的位置点o的距离，r为半圆形轨迹的半径(即，飞行水平距离)(如图3所示)；具体来说，上式可根据以下自由空间损耗公式获得：

loss＝32.44+20logs+20logf

式中，loss表示自由空间损耗(单位为db)，s表示测试点或转换点至目标天线在地面上的位置点o的距离(单位为km)，f表示载波信号的频率(单位为mhz)；

然后，以各个测试点与目标天线在地面上的位置点o的连线与地面构成的仰角为横坐标，以各个转换点对应的空间场强数据(即，射频(db))为纵坐标，绘制得到的曲线即为目标天线的相对于测试距离的辐射场型图(如图4所示)；

步骤s12，通过天线替代法，进行场型图归一化处理，包括：

首先，将与地面垂直极化的全向无增益天线作为替代天线放置于目标天线的同一位置(位置点o)，即，该替代天线的经度和纬度均与目标天线完全一致；同时要求该替代天线贴近地面，以使其高度尽可能小(理想情况下，其高度为0)，从而使得与地面反射信号合成新的全向辐射；另外还要确保替代天线的周边方圆至少10m以内有平整的反射面(优选为金属反射面)；

然而，通过信号发生器将具有预设强度的载波信号馈送至该替代天线，以使该载波信号辐射至空间，以无人机围绕目标天线飞行时的起飞点或降落点为基准点，在该基准点通过无人机上的机载接收装置测试空间场强数据(即，相对于位置的信号辐射强度)；

最后，计算增益量gain(单位为db)：

式中，h＇表示替代天线的高度，λ＇表示替代天线的工作波长，θ表示测试点与替代天线在地面上的位置点o的连线与地面构成的仰角(0-180°)；由于替代天线的高度h＇≈0，因此，增益量gain几乎均为6db；

并将基准点对应的空间场强数据减去增益量gain，以获得替代天线的归一化数据(即，无增益射频值)(如图5所示)；

步骤s13，计算各个转换点对应的空间场强数据相对于步骤s12中替代天线的归一化数据的天线增益量，以各个测试点与目标天线在地面上的位置点o的连线与地面构成的仰角θ为横坐标，以各个转换点对应的空间场强数据相对于替代天线的归一化数据的天线增益量(即，射频(db))为纵坐标，绘制得到的曲线即为目标天线的真实垂直辐射场型图，其中各个转换点对应的空间场强数据相对于替代天线的归一化数据的天线增益量的最大值即为目标天线在空间的最大垂直辐射增益量(如图6所示)；

步骤s14，以各个测试点与目标天线在地面上的位置点o的连线与地面构成的仰角为横坐标，以各个测试点对应的空间场强数据为纵坐标，绘制得到的曲线即为目标天线的相对于测试距离的辐射场型图；

步骤s15，通过天线替代法，进行场型图归一化处理，包括：

首先，将与地面垂直极化的全向无增益天线作为替代天线放置于目标天线的同一位置(位置点o)，即，该替代天线的经度和纬度均与目标天线完全一致；同时要求该替代天线贴近地面，以使其高度尽可能小(理想情况下，其高度为0)，从而使得与地面反射信号合成新的全向辐射；另外还要确保替代天线的周边方圆至少10m以内有平整的反射面(优选为金属反射面)；

然而，通过信号发生器将具有预设强度的载波信号馈送至该替代天线，以使该载波信号辐射至空间，以无人机围绕目标天线飞行时的各个测试点为替代点，在各个替代点上通过无人机上的机载接收装置测试空间场强数据(即，相对于位置的信号辐射强度)；

最后，计算增益量gain(单位为db)：

式中，h′表示替代天线的高度，λ′表示替代天线的工作波长，θ表示测试点与替代天线在地面上的位置点o的连线与地面构成的仰角(0-180°)；由于替代天线的高度h′≈0，因此，增益量gain几乎均为6db；

并将各个替代点对应的空间场强数据减去增益量gain，以获得替代天线的归一化数据(即，无增益射频值)(如图7所示)；

步骤s16，计算各个测试点对应的空间场强数据相对于步骤s15中替代天线的归一化数据的天线增益量，以各个测试点与目标天线在地面上的位置点o的连线与地面构成的仰角θ为横坐标，以各个测试点对应的空间场强数据相对于替代天线的归一化数据的天线增益量(即，增益(db))为纵坐标，绘制得到的曲线即为目标天线的真实垂直辐射场型图，其中各个测试点对应的空间场强数据相对于替代天线的归一化数据的天线增益量的最大值即为目标天线在空间的最大垂直辐射增益量(如图8所示)。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。