基于無人機(jī)的天線方向圖測試實(shí)現(xiàn)方法

劉有才，張冬曉

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所遙控遙測專業(yè)部，石家莊 050003；2.軍械工程學(xué)院電磁環(huán)境效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050003）

1 引言

天線是日常生產(chǎn)生活中常見的輻射和接收裝置，其工作頻率越低，天線的尺寸則相對較大。一般根據(jù)天線指標(biāo)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)，為驗(yàn)證天線產(chǎn)品特征參數(shù)，需要開展實(shí)際測試與校準(zhǔn)。GJB 8815等國軍標(biāo)中對于天線方向圖等參數(shù)的測試和校準(zhǔn)做出了具體的規(guī)范和要求，理想的測試場地為電波暗室，但該場地一般只適合用于高頻天線測試，且要求被測天線使用場景靈活。對于低頻天線，例如廣播電視塔天線，其尺寸和占地面積較大，無法開展天線的實(shí)驗(yàn)室測試活動，只能在開闊場測試天線的方向圖，同樣由于尺寸問題面臨巨大的測試難題。

隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)逐漸走進(jìn)大眾視野，由于其輕便、低成本、飛行靈活等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于社會生產(chǎn)和生活，包括航拍、氣象觀測、農(nóng)業(yè)植保、電力巡線等，受到各行業(yè)的廣泛關(guān)注。因此，將無人機(jī)應(yīng)用于天線測試是解決當(dāng)前低頻天線特征參數(shù)測量與驗(yàn)證的新思路與新課題。近年來，國際上在開展用于天文觀測活動的分布式天線陣建設(shè)過程中引入了無人機(jī)測量技術(shù)，研究人員在對陣元和子陣列開展方向圖測量驗(yàn)證過程中，由于天線尺寸大，覆蓋地域廣，且地面會對天線測量產(chǎn)生影響，因此嘗試?yán)眯屡d的無人機(jī)技術(shù)對天線實(shí)際方向圖進(jìn)行測試，驗(yàn)證仿真設(shè)計(jì)指標(biāo)，取得了一定效果[1-6]。本文主要介紹了基于無人機(jī)的天線方向圖測量和驗(yàn)證方法，分析影響該測試方法準(zhǔn)確度的外界因素，并給出了當(dāng)前的研究成果。

2 無人機(jī)遠(yuǎn)場源系統(tǒng)構(gòu)成

無人機(jī)是一種采用遙控或者程控方式飛行的航空器，主要由飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)等部分組成，一般分為固定翼和旋翼兩種類型[7-9]。無人機(jī)搭載射頻信號發(fā)生系統(tǒng)作為飛行載荷，開展天線原位測量，如圖1所示。

圖1 飛行遠(yuǎn)場源

相較于固定翼無人機(jī)，旋翼無人機(jī)飛行靈活、操縱性更強(qiáng)，因此一般采用旋翼無人機(jī)作為飛行測試平臺。以圖1（a）六旋翼無人機(jī)平臺為例，平臺內(nèi)置GPS導(dǎo)航模塊，采用多星空間距離后方交會的方法測量得到無人機(jī)所處空間位置。此外，平臺內(nèi)部慣性測量單元能夠測得無人機(jī)的姿態(tài)角，包括方位角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角，保持穩(wěn)定的飛行姿態(tài)。通常情況下，無人機(jī)采用鋰電池供電，續(xù)航時間能夠達(dá)到15min，滿足常規(guī)天線的測試要求。射頻信號發(fā)生系統(tǒng)作為無人機(jī)載荷，要求該系統(tǒng)尺寸勻稱、重量輕質(zhì)，滿足無人機(jī)載重限制和平穩(wěn)飛行條件。信號發(fā)生器及電池置于無人機(jī)機(jī)身底部，采用輕薄金屬包裹，作為天線的部分地平面，輸出信號通過同軸電纜連接偶極子天線，利用平衡轉(zhuǎn)換器抑制同軸線外皮的高頻電流。

被試天線（陣）由于尺寸較大，且容易受到周圍環(huán)境影響，適宜采用原位測量方式，根據(jù)天線互易性定理，利用被試天線接收無人機(jī)遠(yuǎn)場源發(fā)射的射頻信號，由于遠(yuǎn)場測試要求和信號發(fā)生系統(tǒng)輕質(zhì)需要，無人機(jī)飛行較遠(yuǎn)且信號源功率受限，因此接收信號微弱；此外，為了減小測試活動對天線方向圖造成的影響，需要利用長電纜連接被試天線和接收機(jī)，信號經(jīng)過電纜的額外衰減后進(jìn)一步減小，利用低噪聲放大器補(bǔ)償電纜損耗，能夠有效降低接收機(jī)靈敏度要求。

3 飛行測試方法

無人機(jī)搭載遠(yuǎn)場源，通過采用不同的飛行策略，能夠測量得到不同的天線方向圖[10]。一般情況下，無人機(jī)沿著被試天線輻射方向圖的E面或者H面以固定高度近似直線航向水平飛行，如圖2所示。

圖2 無人機(jī)水平飛行路線

由于信號源的偶極子天線是線性極化，因此能夠測試得到被試天線在某頻點(diǎn)的共極化或者交叉極化方向圖。但是該飛行策略存在一定缺點(diǎn)，首先，隨著被試天線到無人機(jī)方向觀察角度的增大，無人機(jī)飛離天線的距離也逐漸變大，導(dǎo)致空間路徑損耗增加，該變化范圍直接影響地面接收機(jī)的動態(tài)范圍；其次，為了達(dá)到大觀察角度下方向圖測試目的，無人機(jī)飛離天線的距離越遠(yuǎn)，要求飛行器的續(xù)航時間也越長，而且只能得到天線的一維方向圖。

因此，可以采用更為復(fù)雜的飛行策略，如圖3所示，將一維方向圖測試拓展到二維方向圖測試。

圖3 無人機(jī)復(fù)雜飛行路線

圖3中，無人機(jī)在水平面或者球面飛行測試，能夠得到被測天線關(guān)于俯仰角θ和方位角φ的天線方向圖。其中，圖3（a）中的飛行路線由多條不同偏航角度的直線組成，且都位于相同高度的平面內(nèi)，其覆蓋面積大，采樣密度密度隨著飛離被試天線而減小。圖3（b）中，無人機(jī)飛行路線由幾條同心圓組成，且每條包線位于相同高度的平面內(nèi)，采樣密度更均勻，每條包線距離被試天線的距離相同，因此該飛行測試過程中，信號的路徑損耗大小一致。該飛行路線要求無人機(jī)的偏航角與飛行速度矢量垂直，且被試天線的偏航角在同一包線內(nèi)連續(xù)變化。無人機(jī)飛行過程中，其飛行位置實(shí)時變化，由于空間損耗，在無人機(jī)俯仰角和滾轉(zhuǎn)角保持穩(wěn)定的情況下，被測天線接收的相同極化方向下的信號功率也發(fā)生改變，將該信號大小與對應(yīng)時刻和位置標(biāo)記，得到整個飛行包線內(nèi)的測量參數(shù)。由于遠(yuǎn)場源發(fā)射功率恒定，根據(jù)空間損耗和接收信號大小，能夠計(jì)算得出天線同向極化的方向圖。

4 方向圖求解

被試天線將遠(yuǎn)場源輻射場轉(zhuǎn)化為傳導(dǎo)信號，經(jīng)過低噪聲放大器放大后到達(dá)接收機(jī)，接收功率與遠(yuǎn)場源發(fā)射功率、發(fā)射天線增益、路徑損耗等因素有關(guān)，即[11-12]：P（1）

式中，gAUT是被試天線的增益；單位矢量表示被試天線球面參考系統(tǒng)的觀察方向；M表示極化失配因子；Pr是測試得到的輸出功率；是從被試天線到無人機(jī)的距離矢量；gs和Ps分別是遠(yuǎn)場源的輻射方向性系數(shù)和發(fā)射功率；GR表示低噪放和線纜損耗總的增益；無人機(jī)的姿態(tài)角度α、β、γ分別表示航向角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角。上式中極化失配因子是遠(yuǎn)場源和被試天線極化矢量分量的函數(shù)，即（2）

式中，上標(biāo)co和x分別代表共極化和交叉極化分量。由于測試源的對稱性，對于E面方向圖測試來說，水平面的交叉極化分量接近于0，所以當(dāng)航向角為0°時，，此時式

將接收功率減去遠(yuǎn)場源的發(fā)射功率、發(fā)射天線增益和仿真得到的發(fā)射天線方向性系數(shù)、路徑損耗得到被測天線的共極化方向圖。

5 天線測量應(yīng)用及典型影響因素分析

作為天文觀測用天線陣的一部分，SAD天線陣子項(xiàng)目是由意大利負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和研制，以Vivaldi陣元為測試對象，其寬度和高度尺寸約為1.5m，如圖4所示。

圖4 Vivaldi陣元天線

為達(dá)到遠(yuǎn)場測量目的，無人機(jī)飛離地面高度需要控制在70m上，測試得到天線在350MHz工作頻點(diǎn)的E面方向圖，并對比驗(yàn)證了測試與仿真一致性以及導(dǎo)航精度和姿態(tài)角對測試結(jié)果的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5中給出三種實(shí)際測試得到的E面方向圖數(shù)據(jù)，與仿真結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，采用高精度PPK-GNSS導(dǎo)航定位并考慮姿態(tài)角對測試精度的影響條件下，得到的測試結(jié)果與仿真結(jié)果一致性較好，誤差在1dB以內(nèi)；若將高精度導(dǎo)航替換成普通的機(jī)載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，由于定位誤差減低一個數(shù)量級，測試結(jié)果偏差較大；若只采用高精度導(dǎo)航而忽略航向角偏差帶來的測試誤差，實(shí)際測試得到的方向圖對稱性較差，主要原因是無人機(jī)實(shí)際飛行過程中航向角會在一定角度范圍內(nèi)漂移，此外外界自然風(fēng)可能會導(dǎo)致飛行姿態(tài)隨機(jī)變化幅度變大，導(dǎo)致測試結(jié)果惡化。因此，開展原位天線方向圖測試應(yīng)該盡量選擇低風(fēng)速天氣條件，要求無人機(jī)搭載高精度導(dǎo)航定位裝置，并考慮飛行姿態(tài)角帶來的誤差。

圖5 仿真測試結(jié)果對比

6 結(jié)束語

為了滿足天線遠(yuǎn)場測試要求，將無人機(jī)作為飛行平臺，搭載射頻信號發(fā)生系統(tǒng)，飛離天線，按照預(yù)定航線飛行，測量被試天線的接收功率，根據(jù)弗里斯公式能夠分離出天線方向圖函數(shù)。隨著高精度傳感技術(shù)、人工智能和電池行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，無人機(jī)飛行穩(wěn)定性、精確性以及續(xù)航能力的提高必將推動天線原位測試技術(shù)向著成熟化和專業(yè)化方向發(fā)展，破解當(dāng)前分布式大面積天線陣測試難題，為航天發(fā)展和深空探測助力。