一种多旋翼无人机大型天线现场方向图测量系统及方法与流程

本发明涉及天线测量技术领域，更具体的，涉及一种基于多旋翼无人机大型天线现场方向图测量系统及方法。

背景技术：

一直以来，对大型固定天线或rf装置在安装的整个使用周期中辐射性能的精确了解是非常重要，例如在系统开发、系统安装和优化、系统移交和验收、系统修改和升级等方面。而在使用过程中辐射特性退化的原因是多种多样的，如老化、磨损、污染、暴风雨或闪电的破坏、动物的破坏、操作失误和周围环境的变化等。因此，对这些系统的辐射性能进行周期性的定量核查和更好的质量检查将变得至关重要。

传统的大型天线辐射特性测试是利用缩比模型在暗室中进行测量，但是缩比模型无法高精度的还原被测天线的真实电性能，这使得测试结果与真实结构之间存在差异，无法正确评估天线的性能。而现场测量常由固定的或半固定的设备来完成，这些设备可以测量从待测天线到监控设备位置处的电磁场，这意味着只能测量一个特定的方位角和俯仰角。不便和复杂一直是大型阵列天线和固定天线的难点。

因此，建立有效的天线现场方向图测量手段，研究大型天线在实际安装环境下的性能对于研究人员深入了解天线的性能具有重要意义。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于多旋翼无人机的大型天线现场方向图测量系统及方法，能够高效、便捷、灵活的获取大型天线在实地空间中的方向图，有效地解决了大型天线性能测量评估问题。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种基于多旋翼无人机大型天线现场方向图测量系统，包括多旋翼无人机子系统，信号源链路子系统，接收链路子系统和数据处理子系统。

多旋翼无人机子系统，用于稳定发射天线，提供毫米级的定位精度，保证信号源链路设备的搭载空间和供电，设置无人机的飞行任务，并监控任务的飞行状态；

信号源链路子系统，用于提供必需的发射信号，控制软件接入无人机子系统实现远程实时控制，并提供扫频功能；

接收链路子系统，用于实时接收空间中的电磁来波的功率电平信号，具备扫频接收，峰值检波功能；

数据处理子系统，用于测试数据的筛选，误差补偿和方向图拟合，获得不同方位面和俯仰面处的方向图。

上述多旋翼无人机子系统进一步包括：rtk定位系统、云台、低电压变压模块、飞行控制单元和数据传输模块；

所述rtk定位系统的移动站安装在无人机的上方，用于获得无人机相对于地面站的差分经度和纬度信息；

所述云台安装在无人机的下方，用于保证发射天线在无人机受外界影响而振动时的稳定；

所述低电压模块一端连接无人机的供电电池组，一端转化为低电压输出，包含5v，12v和28v三种电压输出；

所述飞行控制单元，用于设置无人机在每次开展飞行任务前，输入飞行任务模式，包含飞行区域，飞行高度和飞行航次；

所述数据传输模块，用于将无人机的经纬度、高度和三维姿态信息打包发送给地面的飞行控制端。

上述信号源链路子系统包括：信号源远程控制软件，此软件接入无人机控制系统中，在无人机任意飞行状态和距离的情况下，都可以实现对信号源的任意控制，并且具备多频点输出功能。

上述接收链路子系统进一步包括：扫频接收模块和峰值检波模块。

所述扫频接收模块，可以在信号接收时间内，将扫频的任意点保留下来，并将每个测试频点加上gps时间标记；

所述峰值检波模块，在单次扫频迹线测量中，仅保存峰值处的接收功率电平值和对应的频率值，并将每个测试值加上gps时间标记。

上述数据处理子系统进一步包括：

数据预处理模块，用于对无人机飞行日志、接收机测试数据进行分类导入、规整，进行时间对齐和订正，获得时间序列测试数据；用于输出待测天线的经纬度和高度信息，用于输出无人机盘旋的半径；

误差修正模块，用于输入无人机的姿态误差值和距离误差值，和相对应的误差补偿电平值，在数据分析的过程中，对应的测试值将根据自身的误差进行相应的误差修正；

数据分析模块，首先输入频率点以及允许的误差值范围，数据分析模块对对应的测试数据和相应的飞行日志进行提取，并根据误差修正模块的误差值进行修正，最终计算每点相对于待测天线的角度，描绘出天线在实地空间中的二维方向图。

上述数据处理子系统，当采用多次测试同一个方位面或者俯仰面的方向图信息时，方向图预处理模块可以导入多组飞行日志和测试数据，供数据分析模块进行数据处理。

此外，本发明提供一种多旋翼无人机大型天线现场方向图测量方法，该方法用于测试待测天线的现场方位面方向图信息，包括以下步骤：

步骤1)将多旋翼无人机子系统展开，安装发射天线，架设rtk基准站，进行通电调试，通过飞行控制软件确定系统工作状态正常；

步骤2)设置包括输出频率、输出功率和脉冲宽度信号源的输出状态；

步骤3)利用飞行控制软件规划无人机飞行任务，依次输入包括飞行区域、飞行高度和航次飞行参数；步骤4)无人机到达预定盘旋点位置时，控制接收链路子系统接收功率电平数据；

步骤5)将无人机飞行日志和接收功率电平数据导入到数据处理子系统中进行处理，并基于线性拟合方法生成最终的方向图信息，利用方向图给出天线在待测平面的最大辐射方向；其中方向图信息包括3db波瓣宽度、副瓣电平和前后比等信息以及对应的经纬度、高度和朝向信息。

步骤3)利用飞行控制软件输入待测点的经纬度和高度信息，分别输入测试半径、方位面角度值、俯仰面起始角度值、飞行角度范围值、航点数量和悬停时间；

步骤4)无人机到预定点时，控制接收链路子系统接收功率电平数据；

步骤5)将无人机飞行日志和接收功率电平数据导入到数据处理子系统中进行处理，并基于线性拟合方法生成最终的方向图信息，利用方向图给出天线在待测平面的最大辐射方向。

所述步骤3)中，航次飞行参数包括测试半径、方位面角度值、俯仰面起始角度值、飞行角度范围值、航点数量和悬停时间。

所述步骤5)中，方向图信息包括3db波瓣宽度、副瓣电平和前后比等信息以及对应的经纬度、高度和朝向信息。

所述步骤1)进一步包括：

步骤1-1)利用部件组装集成的六旋翼无人机飞行平台的机身主体由碳纤维板组成，具有轻量化特性；底座高度70cm，可满足常见天线的搭载；与载荷平台通过定位螺母连接，方便拆卸运输；无人机飞行平台最大负载15kg,抗风等级为6级；通过rtk定位系统使无人机定位精度达到厘米级，提高了测试精度；飞行控制单元的地面站控制软件可实现悬停和绕点飞行等多种飞行任务；

步骤1-2)信号源链路子系统模块，安装在无人机平台底部，实现数传设备进行无线控制和同步通信以及指令下达。

本发明用于大型天线现场方向图测量，与传统的大型天线阵方向图测量系统相比，本发明的技术优势在于：

测量辐射特性的手段基于稳定并具有高精度的无人机平台，在测量时更加灵活，更具可操作性。作为天线测量系统，本发明可以广泛的应用到大型固定天线、大型阵列天线、大型rf装置的测量中。有效的弥补了目前大型天线测量系统复杂，高成本的不足，克服了以往大型天线阵测量系统的复杂和不便，为大型天线阵测量提供了一种灵活，高效，低成本的测量新途径。对大型天线阵测量有着重要的意义。

本发明基于稳定并具有高精度的无人机平台，无人机在飞行中天线不会晃动，能使大型天线在保持原有的尺寸的基础上，对它们的辐射特性进行高精度的测量，克服了传统缩比测量中利用缩比模型在暗室中进行测量存在差异，无法正确评估天线的性能，无法测量精度要求高，难以还原出被测天线的真实电性能的弊端。

本发明中的无人机子系统，在测量时具有灵活多变，操作形式多样等特点，可以从不同高度、角度进行高精度的测量，极大地提升了传统现场测量常由固定的或半固定的设备只能测量一个特定的方位角和俯仰角的问题，提高了大型天线辐射特性测试的准确性。

作为一种天线测量系统，本发明可以广泛的应用到大型固定天线、大型阵列天线、大型射频装置的测量中，有效的弥补了目前大型天线测量系统复杂，高成本的不足，克服了以往大型天线阵测量系统的复杂和不便，为大型天线测量提供了一种灵活、高效、低成本的测量新途径，对大型天线阵测量有着重要的意义。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明提供的多旋翼无人机大型天线现场方向图测量系统结构示意图；

图2是本发明提供的多旋翼无人机大型天线现场方向图测量系统功能框图；

图3是本发明提供的多旋翼无人机大型天线现场方向图测量系统原理框图；

图4是本发明提供的多旋翼无人机大型天线现场方向图测量系统工作流程图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示为本发明的一种多旋翼无人机大型天线现场方向图测量系统的功能框图，该系统由多旋翼无人机子系统、信号源链路子系统、接收链路子系统和数据处理子系统组成，用于获取大型天线阵在实地空间中的二维方向图，并有效解决大型天线及其阵列性能测量评估问题。根据图1所述的四个子系统，其对应的功能分别包括：

多旋翼无人机子系统，用于稳定发射天线，提供厘米级的定位精度，保证信号源链路设备的搭载空间和供电，设置无人机的飞行任务，并监控任务的飞行状态。多旋翼无人机子系统包括无人机机身、rtk定位系统、云台、低电压变压模块、飞行控制单元、地面站控制软件、摇杆和数据传输模块。

其机身主体可满足探头天线的搭载。

其中rtk定位系统，为海能达ubase系统，由放置在地面上的基准站和固定在无人机主体上的移动站组成。基准站可置于地面待测区域的任意位置处，移动站置于无人机主体的上方，并与无人机的数据传输模块相连接，基准站和移动站之间的差分定位技术使无人机定位精度达到厘米级，提高了测试精度；移动站获取的差分经度和纬度信息通过无人机的数据传输模块传输到地面站的控制软件中进行保存。

其中云台，使无人机在受到震动时天线的姿态能够保证平稳，提高了测试精度。

其中低电压变压模块，由无人机的锂电池给mini主机和功率放大器供电，可输出5v，12v和28v电压，给信号源链路的设备提供必要的供电，减轻无人机搭载设备重量，提升系统的有效测量时间。

其中飞行控制单元，用于设置无人机在每次开展飞行任务前，输入飞行任务模式，放置在无人机的仓体内。地面站控制软件位于控制电脑中，利用地面站控制软件和飞行控制单元设置无人机的飞行任务模式，遥控无人机的飞行状态。。

其中数据传输模块，用于将无人机的经纬度、高度和三维姿态信息打包发送给地面的飞行控制端。连接控制电脑和飞行控制单元，实现对无人机的定点定高悬停以及各种飞行任务的控制指令的传输，实现对无人机的经纬度、高度和三维姿态信息打包发送给地面的飞行控制端并进行保存；并提供接口允许外界设备通过无人机链路进行远程控制。并提供接口允许外界设备通过无人机链路进行远程控制。

系统还包括信号源链路子系统，用于提供必需的发射信号，控制软件接入多旋翼无人机子系统实现远程实时控制，并提供扫频功能。信号源链路子系统包括信号源远程控制软件，此软件接入无人机控制系统中，在无人机任意飞行状态和距离的情况下，都可以实现对信号源的任意控制，通过飞控信号传输链路实现了对信号源的频率和功率的实时远程控制，在无人机任意飞行状态和距离的情况下，都可以实现对信号源的任意控制，并且具备多频点输出功能。

信号源链路子系统包含mini主机、vsg6g1信号源、滤波器、放大器、发射天线。信号源链路所有设备均放置在无人机主体下方的电子仓内，mini主机、信号源和放大器均由低电压变压模块进行供电。通过无人机提供的接口，利用地面站控制软件实现了对mini主机和信号源的控制，实现对发射信号的频率和功率的控制，vsg6g1信号源的工作频率为9khz-6.2ghz,发射天线包含1.5mhz-100mhz的环形天线和100mhz-3ghz的对数周期天线，天线固定在云台的下方。

系统进一步包括接收链路子系统，用于实时接收空间中的电磁来波的功率电平信号，具备扫频接收，峰值检波功能。接收链路子系统包括扫频接收模块和峰值检波模块:

其中扫频接收模块，可以在信号接收时间内，将扫频的任意点保留下来，并将每个测试频点加上gps时间标记。峰值检波模块，在单次扫频迹线测量中，仅保存峰值处的接收功率电平值和对应的频率值，并将每个测试值加上gps时间标记。

接收链路子系统包含bb60c接收机、低噪声放大器、接收天线。bb60c的工作频率为9khz-6ghz，由电脑进行控制，具备峰值检波能力和扫频功能，在测试过程中，接收机能够记录下每条迹线的最大功率电平值以及其对应的频率信息，并将此组信息与时间信息同步。低噪声放大器的输入端与接收天线相连，输出端与bb60c接收机相连，将天线接收到的微小信号放大并传送至接收机中，提升系统的灵敏度。接收天线即安装在实地环境下的大型待测天线。

系统进一步包括数据处理子系统，用于测试数据的筛选，误差补偿和方向图拟合，获得不同方位面和俯仰面处的方向图。数据处理子系统包含数据预处理模块、误差修正模块和数据分析模块。

其中数据预处理模块对无人机飞行日志(包含时间信息、gps位置和海拔信息、三维姿态信息)和接收机测试数据(包含时间信息、接收频率、接收功率电平值)进行分类导入、规整，进行时间对齐和订正，获得时间序列测试数据。用于输出待测天线的经纬度和高度信息，用于输出无人机盘旋的半径，实现数据的预处理功能。

其中误差修正模块用于输入无人机的姿态误差值和距离误差值，和相对应的误差补偿电平值，实现误差修正功能。数据分析模块首先需要输入待测天线的gps位置和海拔信息、无人机盘旋的半径和待测频率值。然后在数据分析的过程中，数据分析模块对对应的测试数据和相应的飞行日志进行提取，根据误差修正模块的误差值进行修正，并计算各个测试值对应的位置信息相对待测天线的朝向角度，描绘出天线在实地空间中的二维方向图。并给出天线的最大辐射方向，3db波束宽度，副瓣电平和前后比的值以及对应的gps位置、海拔和朝向角度等信息。

数据处理子系统，当采用多次测试同一个方位面或者俯仰面的方向图信息时，方向图预处理模块可以导入多组飞行日志和测试数据，供数据分析模块进行数据处理。

如图2所示为本发明的一种多旋翼无人机大型天线现场方向图测量系统结构示意图，该系统包括由多旋翼无人机子系统、信号源链路子系统、接收链路子系统(定位和飞控终端)和数据处理终端(数据处理子系统)。其中，信号源链路子系统分别连接多旋翼无人机子系统、数据处理终端(数据处理子系统)和接收链路子系统(定位和飞控终端)。

其中，多旋翼无人机子系统，包括无人机机身、rtk定位系统、云台、低电压变压模块、飞行控制单元、地面站控制软件、摇杆和数据传输模块。其中：

机身主体由碳纤维板组成，具有轻量化特性；底座高度70cm，可满足探头天线的搭载；无人机飞行平台最大负载15kg,抗风等级为6级。

rtk定位系统，为海能达ubase系统，由放置在地面上的基准站和固定在无人机主体上的移动站组成。基准站可置于地面待测区域的任意位置处，移动站置于无人机主体的上方，并与无人机的数据传输模块相连接。

云台，安置在无人机主体的下方，其一端与探头天线相连。

低电压变压模块，固定在电子仓的内壁中，一端连接无人机的供电电池组，一端转化为低电压输出；由无人机的锂电池供电，可输出5v，12v和28v电压。

飞行控制单元，安置在无人机机头处，一端接无人机的运动单元，一端接数据传输模块。

地面站控制软件，安装在定位和飞控终端的控制电脑中。

摇杆通过usb接口与控制电脑连接。

数据传输模块，一端通过usb接口与控制电脑连接，一段与飞行控制单元连接。

其中，信号源链路子系统，包括mini主机、vsg6g1信号源、滤波器、放大器、探头天线和信号源远程控制软件，信号源链路所有设备均放置在无人机主体下方的电子仓内。

mini主机一端接5v供电线，一端利用usb线接vsg6g1信号源，实现对信号源的控制。

vsg6g1信号源一端接mini主机，一端利用同轴线接滤波器。

滤波器一端利用同轴线接信号源，一端利用同轴线接放大器。

放大器一端利用同轴线接滤波器，一端利用同轴线接探头天线。

探头天线固定在云台下方，并且一端利用同轴线接放大器。

信号源远程控制软件同时安装在控制电脑和mini主机中，当在控制电脑中进行信号源设置时，mini主机将会同步更新设置，从而实现对信号源的远程控制。

接收链路子系统，包括bb60c接收机、接收天线和接收机控制软件。

其中接收天线为待测天线，其一方面接收空间中的待测信号，另一端利用同轴线与接收机相连接。

其中接收机一端与天线相连接，一端通过usb与数据处理终端的控制电脑相连接。

其中接收机控制软件安装在数据处理终端的控制电脑中，其包含扫频接收模块和峰值检波模块，可以实现对bb60c接收机的控制。

数据处理子系统包含控制电脑和方向图处理软件。

其中控制电脑通过usb接口与接收机相连。

其中方向图处理软件包含数据预处理模块、误差修正模块和数据分析模块，可实现对测试数据的处理，生成最终的方向图和评估待测天线的性能。

如图3所示，提供二种多旋翼无人机大型天线现场方向图测量方法。其原理为天线方向性测试时，被测天线固定，信号源扫频输出，输出频率周期性变化，且对应的电平是固定不变的；通过控制无人机和机载发射信源，并记录gps时间和位置信息，生成飞行日志；而bb60c不断地记录被测天线接收到的功率电平值和对应的频率值，并加载时间信息，生成测试数据；再根据轨迹计算发射信源在不同时刻的方位，最后结合接收信号的输出响应得到方向图。

其工作流程如图4所示，第一种方法用于测试待测天线的现场方位面方向图信息，包括以下步骤：

步骤1)将多旋翼无人机子系统展开，安装发射天线，架设rtk基准站，进行通电调试，通过飞行控制软件确定系统信号源链路子系统和飞行控制单元工作状态正常；

步骤1)中，利用部件组装集成的六旋翼无人机飞行平台的机身主体，通过rtk定位系统使无人机定位精度达到厘米级；通过飞行控制单元的地面站控制软件实现悬停和绕点飞行；

通过安装在无人机平台底部信号源链路子系统模块，实现数传设备进行无线控制和同步通信以及指令下达。

步骤2)设置信号源的输出状态，包括输出频率，输出功率，脉冲宽度；

步骤3)利用飞行控制软件规划无人机飞行任务，依次输入包括飞行区域、飞行高度和航次飞行参数；航次飞行参数包括盘旋中心点、盘旋半径、盘旋起始位置和盘旋圈数；

步骤4)无人机到达盘旋点时，控制接收链路子系统接收功率电平数据；

步骤5)将无人机飞行日志和接收功率电平数据导入到数据处理子系统中进行处理，并基于线性拟合方法生成最终的方向图信息，利用方向图给出天线在待测平面的最大辐射方向；方向图信息包括3db波瓣宽度，副瓣电平和前后比等信息以及对应的经纬度、高度和朝向信息。

上述步骤3)可以替换成一种新颖的飞行任务模式，可实现对待测天线俯仰面方向图的测量，该任务模式进一步包含：

3-1)输入待测点的经纬度和高度信息；

3-2)输入测试半径；

3-3)输入方位面角度值；

3-4)输入俯仰面起始角度值；

3-5)输入飞行角度范围值；

3-6)输入航点数量和悬停时间。

下面通过具体实施例来进一步说明本发明。

实例为2019年2月27日利用本发明研制的系统在石家庄某测试场对4*4天线阵列进行现场测试结果，测试结果显示天线在架设场地的3db波束宽度为24.7°，副瓣电平为-13db，前后比为-33db。仿真结果显示天线的3db波束宽度为24.9°，副瓣电平为-14db，前后比为-35db。测试和仿真结果吻合良好，表明本发明所研制的基于多旋翼无人机的大型天线现场方向图测量系统具备精确的天线性能测试能力。

从以上实施例可以看出，本发明可以实现大型天线在服役状态下的实地方向图性能测量，为故障诊断提供准确的实测数据。该系统操作方便，自动化程度高，拆卸简单，单架次飞行可完成多频方向图的测试，是一种运行稳定、经济性好、可靠性高、可在任意现场快速布置的天线现场方向图测量系统，可以满足天线及阵列的研究、验证和评估的需要。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。