利用無人機系統的雷達天線遠場波瓣測試方法

范家強 蔣慶豐

（南京電子技術研究所，江蘇 南京210039）

1 概述

無人機在20 世紀初發展至今已普遍運用于軍事、工業、農業等各大領域，技術日趨完善。國外無人機偵察和標校在軍事上已得到了成熟的運用，國內軍事上近幾年也已開展了檢飛和標校的類似任務，特別是在“低小慢”探測檢飛中得到了運用。其它領域利用無人機檢飛及標校的場景較多（含探測性能驗證和天線系統標校）。受制于外場陣地的條件，不具備原生產廠家天線波波瓣測試要求。外場無法快速有效對天線進行遠場波瓣測試。此文重點為研究利用無人機系統的雷達天線遠場波瓣測試方法。

2 無人機測試系統

2.1 無人機平臺

按產品實際測試需求選定無人機型號，結合地面站系統預設無人機飛行的高度、距離、方位等參數，通過無人機飛行測試裝備遠場天線波瓣，簡要評估裝備天線是否滿足設計要求。無人機平臺需要掛載相應測試儀表，因此有載重需求（15KG），并在有負載的情況下，續航能力30 分鐘以上，飛機過程中穩定達到0.5m 以下，懸停精度1m 以下。同時無人機平臺需要實現無線通信功能，通過4G 網絡遠程遙控掛載在無人機上的信號發生器、頻譜儀、天饋線等儀器設備的遠程遙控與設備監視，為天線波瓣測試的有效性提供有力保證。

2.2 天線遠場波瓣測試

通過無人機掛載儀表信號發生器、天饋線等設備，設定無人機懸停、飛行的軌跡，設備通過頻譜儀對裝備的天線性能進行標校測試，包含天線水平和垂直方向波瓣相關的大致技術指標情況。結合裝備實際的情況開展內外場裝備系統的檢修及性能參數的優化和調整，經過系統檢修與優化后，再通過無人機標校測試進行驗證，通過反復標校、修調和驗證，使裝備快速高效的達到實際設計的效果，發揮裝備應有的作戰能力。

3 無人機系統對雷達天線性能測試技術方案

3.1 測試實現方案

圖1 天線水平波瓣測試原理

根據天線遠場波瓣測試要求，

通常測試距離估算公式為，

d 指天線口徑

λ 指波長

無人機飛行軌跡至少距離天線應大于D 處測試，按L 波段為例計算，D=600 米左右。所以遠場波瓣測試時無人機距離天線必須大于600 米。

天線水平波瓣測試具體方法：

（1）待測天線固定某一方位或天線鎖定，無人機系統掛載信號源（或自制頻率源系統），飛至天線水平對應測試距離法線方向。天線通過饋線連接頻譜儀收取飛人機發出的射頻信號。

（2）通過調整無人機空中飛行位置（懸停狀態，上下左右調整），使天線處收到最大射頻信號。同步設置頻譜儀至波瓣測試模式（帶寬為為0，按無人機飛行一周時長設置掃描時間）。

（3）以天線收取最大點信號為基點（無人機距離天線必須D），以D 為半徑，無人機地面站設置360 度穩定水平高度旋轉軌跡飛行。

（4）頻譜儀通過前期設置，畫出天線水平波瓣測試圖。天線水平波瓣圖如圖3 所示。

（5）通過多次飛行，驗證天線水平波瓣測試重復性，從而得天線實際的性能情況。

圖2 天線水平波瓣測試原理

天線垂直波瓣測試具體方法：

（1）待測天線固定某一方位或天線鎖定，無人機系統掛載信號源（或自制頻率源系統），飛至天線水平對應測試距離法線方向。天線通過饋線連接頻譜儀收取飛人機發出的射頻信號。

（2）通過調整無人機空中飛行位置（懸停狀態，上下左右調整），使天線處收到最大射頻信號。同步設置頻譜儀至波瓣測試模式（帶寬為為0，按無人機飛行從上至下高度時長設置掃描時間）。

（3）以天線收取最大點信號為基點（無人機距離天線必須D），以D 為半徑，無人機地面站設置垂直于地面90 度穩定垂直上下軌跡飛行。

（4）頻譜儀通過前期設置，畫出天線水平波瓣測試圖。天線垂直波瓣圖如圖4 所示。

（5）通過多次飛行，驗證天線垂直波瓣測試重復性，從而得天線實際的性能情況。

圖3 天線水平波方向瓣圖

圖4 天線垂直方向波瓣圖

3.2 無人機平臺方案

無人機平臺主要包括無人機設備、儀表設備、差分定位系統、無線網絡通訊設備。其中無人機設備擬購買大疆創新科技生產的六旋翼或八旋翼無人機，負載可達15KG，懸停精度高，懸停時間可以達到15 分鐘，滿足目前雷達天線遠場波瓣測試需求。儀表設備主要指信號發生器、頻譜儀、天饋線等設備，擬與儀表廠家溝通，根據實際情況選購無人機的尺寸進行小型化、輕量級設計，以滿足無人機負載要求，并安置在選定的無人機機腹處。差分定位系統擬采購差分GPS，用于提高無人機的定位精度。無線網絡通訊設備擬與無人機廠家合作，在無人機數據鏈上外設端口，用于儀表設備數據的傳輸。

4 關鍵技術及其解決途徑

4.1 無人機掛載平臺

無人機標校系統需要在無人機平臺上掛載相應的負載（儀表測試設備），因此目前純電式多旋翼無人機最大載重15KG，通常在機腹位置安裝支架，用于懸掛、固定相應的負載設備。在最大載重范圍內，多旋翼無人機飛行半徑為5Km 以內，最長飛行時間可以達到20 分鐘，其中懸停垂直精度在±0.5m，懸停水平精度在±1m。基本滿足目前無人機標校的技術指標。受限于無人機的大小，負載設備需要根據支架重新設計外形以及安裝扣，便于安裝固定。

4.2 無人機穩定度對測試影響

無人機在負載情況下穩定飛行、懸停穩定度對天線遠場波瓣測試影響程度需明確。按無人機飛行軌跡至少距離天線應大于D 處測試，按L 波段為例計算，D=600 米左右，無人機懸停水平精度Δ 在2 米（±1m）計算。無人機懸停垂直精度Δ±0.5m在1 米（±0.5m）計算：

無人機懸停水平精度對應角度：

無人機懸停垂直精度對應角度：

根據計算無人機懸停水平、垂直精度誤差與對應的角度為，水平0.19 度，垂直0.095 度，此情況會對測試步驟2 中天線處收到最大射頻信號略有影響，需多次調整飛機姿態；在無人機在飛行狀態下，存在飛行的仰角，實際飛行過程中，飛行穩定度高，對天線遠場波瓣測試結果無明顯影響。

4.3 遠程無線網絡通訊

無人機檢飛以及無人機標校都需要無人機平臺實時傳輸相關數據，因此遠程無線網絡通訊技術是本課題的關鍵技術。

無人機數據鏈是一個多模式的智能通信系統，能夠感知其工作區域的電磁環境特征，并根據環境特征和通訊要求，實時動態的調整通信系統工作參數（包括通信協議、工作頻率、調制特性和網絡結構等）達到可靠通信或節省通信資源的目的。

無人機數據鏈按照傳輸方向可分為：上行鏈路和下行鏈路。上行鏈路主要完成地面站到無人機遙控指令的發送和接收；下行鏈路主要完成無人機到地面站的遙測數據及紅外或電視圖像的發送和接收，并根據定位信息的傳輸利用上下行鏈路進行測距，數據鏈性能直接影響無人機性能的優劣。

這里有兩種實現方法，一種是無人機通訊鏈路自帶接口，負載設備通過此接口與無人機數據鏈連接，采用無人機數據鏈進行數據傳輸；另一種是設計無線收發設備，作為負載安裝在無人機機腹下，通過無線網絡將無人機上的儀器儀表和差分GPS與地面站的控制終端建立鏈接。兩種方法都可以實現遠程對無人機上的測試設備進行實時控制和實時數據采集，同時對設備實施定位，為在極端條件下找尋設備提供保障。

第一種方法簡單便利，需要無人機廠商提供服務端口。第二種方法擬采用4G 通道作為基本聯通通道利用NAT 網絡穿透技術實現無人機平臺和地面站之間網絡互聯。在無人機平臺和地面站分別放置提供網絡穿透服務的客戶端，提供網絡聯通服務，再在公網上可見的服務器上部署注冊服務端，提供網絡穿透服務。從而實現網絡上不可見的客戶端之間網絡通訊。

綜上所述，可以利用無人機系統開展雷達天線遠場波瓣測試，此測試方法有效。但在天線遠場波瓣測試過程中，還受制于陣地周邊遮蔽、電子環境、強反射體以及天氣相關，部分惡劣條件下并不能利用無人機系統開展雷達天線遠場波瓣測試。同時在利用無人機系統開展雷達天線遠場波瓣測試，應根據實際的情況綜合分析，多次飛機測試驗證。在外場遠場波瓣測試條件不具備的情況下，完成利用無人機系統開展雷達天線遠場波瓣測試，最終完成對于天線實際性能的評估。