利用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的雷達(dá)天線遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣測(cè)試方法

范家強(qiáng) 蔣慶豐

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京210039）

1 概述

無(wú)人機(jī)在20 世紀(jì)初發(fā)展至今已普遍運(yùn)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各大領(lǐng)域，技術(shù)日趨完善。國(guó)外無(wú)人機(jī)偵察和標(biāo)校在軍事上已得到了成熟的運(yùn)用，國(guó)內(nèi)軍事上近幾年也已開(kāi)展了檢飛和標(biāo)校的類似任務(wù)，特別是在“低小慢”探測(cè)檢飛中得到了運(yùn)用。其它領(lǐng)域利用無(wú)人機(jī)檢飛及標(biāo)校的場(chǎng)景較多（含探測(cè)性能驗(yàn)證和天線系統(tǒng)標(biāo)校）。受制于外場(chǎng)陣地的條件，不具備原生產(chǎn)廠家天線波波瓣測(cè)試要求。外場(chǎng)無(wú)法快速有效對(duì)天線進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣測(cè)試。此文重點(diǎn)為研究利用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的雷達(dá)天線遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣測(cè)試方法。

2 無(wú)人機(jī)測(cè)試系統(tǒng)

2.1 無(wú)人機(jī)平臺(tái)

按產(chǎn)品實(shí)際測(cè)試需求選定無(wú)人機(jī)型號(hào)，結(jié)合地面站系統(tǒng)預(yù)設(shè)無(wú)人機(jī)飛行的高度、距離、方位等參數(shù)，通過(guò)無(wú)人機(jī)飛行測(cè)試裝備遠(yuǎn)場(chǎng)天線波瓣，簡(jiǎn)要評(píng)估裝備天線是否滿足設(shè)計(jì)要求。無(wú)人機(jī)平臺(tái)需要掛載相應(yīng)測(cè)試儀表，因此有載重需求（15KG），并在有負(fù)載的情況下，續(xù)航能力30 分鐘以上，飛機(jī)過(guò)程中穩(wěn)定達(dá)到0.5m 以下，懸停精度1m 以下。同時(shí)無(wú)人機(jī)平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能，通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程遙控掛載在無(wú)人機(jī)上的信號(hào)發(fā)生器、頻譜儀、天饋線等儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程遙控與設(shè)備監(jiān)視，為天線波瓣測(cè)試的有效性提供有力保證。

2.2 天線遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣測(cè)試

通過(guò)無(wú)人機(jī)掛載儀表信號(hào)發(fā)生器、天饋線等設(shè)備，設(shè)定無(wú)人機(jī)懸停、飛行的軌跡，設(shè)備通過(guò)頻譜儀對(duì)裝備的天線性能進(jìn)行標(biāo)校測(cè)試，包含天線水平和垂直方向波瓣相關(guān)的大致技術(shù)指標(biāo)情況。結(jié)合裝備實(shí)際的情況開(kāi)展內(nèi)外場(chǎng)裝備系統(tǒng)的檢修及性能參數(shù)的優(yōu)化和調(diào)整，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)檢修與優(yōu)化后，再通過(guò)無(wú)人機(jī)標(biāo)校測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)反復(fù)標(biāo)校、修調(diào)和驗(yàn)證，使裝備快速高效的達(dá)到實(shí)際設(shè)計(jì)的效果，發(fā)揮裝備應(yīng)有的作戰(zhàn)能力。

3 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)天線性能測(cè)試技術(shù)方案

3.1 測(cè)試實(shí)現(xiàn)方案

圖1 天線水平波瓣測(cè)試原理

根據(jù)天線遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣測(cè)試要求，

通常測(cè)試距離估算公式為，

d 指天線口徑

λ 指波長(zhǎng)

無(wú)人機(jī)飛行軌跡至少距離天線應(yīng)大于D 處測(cè)試，按L 波段為例計(jì)算，D=600 米左右。所以遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣測(cè)試時(shí)無(wú)人機(jī)距離天線必須大于600 米。

天線水平波瓣測(cè)試具體方法：

（1）待測(cè)天線固定某一方位或天線鎖定，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)掛載信號(hào)源（或自制頻率源系統(tǒng)），飛至天線水平對(duì)應(yīng)測(cè)試距離法線方向。天線通過(guò)饋線連接頻譜儀收取飛人機(jī)發(fā)出的射頻信號(hào)。

（2）通過(guò)調(diào)整無(wú)人機(jī)空中飛行位置（懸停狀態(tài)，上下左右調(diào)整），使天線處收到最大射頻信號(hào)。同步設(shè)置頻譜儀至波瓣測(cè)試模式（帶寬為為0，按無(wú)人機(jī)飛行一周時(shí)長(zhǎng)設(shè)置掃描時(shí)間）。

（3）以天線收取最大點(diǎn)信號(hào)為基點(diǎn)（無(wú)人機(jī)距離天線必須D），以D 為半徑，無(wú)人機(jī)地面站設(shè)置360 度穩(wěn)定水平高度旋轉(zhuǎn)軌跡飛行。

（4）頻譜儀通過(guò)前期設(shè)置，畫(huà)出天線水平波瓣測(cè)試圖。天線水平波瓣圖如圖3 所示。

（5）通過(guò)多次飛行，驗(yàn)證天線水平波瓣測(cè)試重復(fù)性，從而得天線實(shí)際的性能情況。

圖2 天線水平波瓣測(cè)試原理

天線垂直波瓣測(cè)試具體方法：

（1）待測(cè)天線固定某一方位或天線鎖定，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)掛載信號(hào)源（或自制頻率源系統(tǒng)），飛至天線水平對(duì)應(yīng)測(cè)試距離法線方向。天線通過(guò)饋線連接頻譜儀收取飛人機(jī)發(fā)出的射頻信號(hào)。

（2）通過(guò)調(diào)整無(wú)人機(jī)空中飛行位置（懸停狀態(tài)，上下左右調(diào)整），使天線處收到最大射頻信號(hào)。同步設(shè)置頻譜儀至波瓣測(cè)試模式（帶寬為為0，按無(wú)人機(jī)飛行從上至下高度時(shí)長(zhǎng)設(shè)置掃描時(shí)間）。

（3）以天線收取最大點(diǎn)信號(hào)為基點(diǎn)（無(wú)人機(jī)距離天線必須D），以D 為半徑，無(wú)人機(jī)地面站設(shè)置垂直于地面90 度穩(wěn)定垂直上下軌跡飛行。

（4）頻譜儀通過(guò)前期設(shè)置，畫(huà)出天線水平波瓣測(cè)試圖。天線垂直波瓣圖如圖4 所示。

（5）通過(guò)多次飛行，驗(yàn)證天線垂直波瓣測(cè)試重復(fù)性，從而得天線實(shí)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(wú)人機(jī)平臺(tái)方案

無(wú)人機(jī)平臺(tái)主要包括無(wú)人機(jī)設(shè)備、儀表設(shè)備、差分定位系統(tǒng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備。其中無(wú)人機(jī)設(shè)備擬購(gòu)買大疆創(chuàng)新科技生產(chǎn)的六旋翼或八旋翼無(wú)人機(jī)，負(fù)載可達(dá)15KG，懸停精度高，懸停時(shí)間可以達(dá)到15 分鐘，滿足目前雷達(dá)天線遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣測(cè)試需求。儀表設(shè)備主要指信號(hào)發(fā)生器、頻譜儀、天饋線等設(shè)備，擬與儀表廠家溝通，根據(jù)實(shí)際情況選購(gòu)無(wú)人機(jī)的尺寸進(jìn)行小型化、輕量級(jí)設(shè)計(jì)，以滿足無(wú)人機(jī)負(fù)載要求，并安置在選定的無(wú)人機(jī)機(jī)腹處。差分定位系統(tǒng)擬采購(gòu)差分GPS，用于提高無(wú)人機(jī)的定位精度。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備擬與無(wú)人機(jī)廠家合作，在無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈上外設(shè)端口，用于儀表設(shè)備數(shù)據(jù)的傳輸。

4 關(guān)鍵技術(shù)及其解決途徑

4.1 無(wú)人機(jī)掛載平臺(tái)

無(wú)人機(jī)標(biāo)校系統(tǒng)需要在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上掛載相應(yīng)的負(fù)載（儀表測(cè)試設(shè)備），因此目前純電式多旋翼無(wú)人機(jī)最大載重15KG，通常在機(jī)腹位置安裝支架，用于懸掛、固定相應(yīng)的負(fù)載設(shè)備。在最大載重范圍內(nèi)，多旋翼無(wú)人機(jī)飛行半徑為5Km 以內(nèi)，最長(zhǎng)飛行時(shí)間可以達(dá)到20 分鐘，其中懸停垂直精度在±0.5m，懸停水平精度在±1m?；緷M足目前無(wú)人機(jī)標(biāo)校的技術(shù)指標(biāo)。受限于無(wú)人機(jī)的大小，負(fù)載設(shè)備需要根據(jù)支架重新設(shè)計(jì)外形以及安裝扣，便于安裝固定。

4.2 無(wú)人機(jī)穩(wěn)定度對(duì)測(cè)試影響

無(wú)人機(jī)在負(fù)載情況下穩(wěn)定飛行、懸停穩(wěn)定度對(duì)天線遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣測(cè)試影響程度需明確。按無(wú)人機(jī)飛行軌跡至少距離天線應(yīng)大于D 處測(cè)試，按L 波段為例計(jì)算，D=600 米左右，無(wú)人機(jī)懸停水平精度Δ 在2 米（±1m）計(jì)算。無(wú)人機(jī)懸停垂直精度Δ±0.5m在1 米（±0.5m）計(jì)算：

無(wú)人機(jī)懸停水平精度對(duì)應(yīng)角度：

無(wú)人機(jī)懸停垂直精度對(duì)應(yīng)角度：

根據(jù)計(jì)算無(wú)人機(jī)懸停水平、垂直精度誤差與對(duì)應(yīng)的角度為，水平0.19 度，垂直0.095 度，此情況會(huì)對(duì)測(cè)試步驟2 中天線處收到最大射頻信號(hào)略有影響，需多次調(diào)整飛機(jī)姿態(tài)；在無(wú)人機(jī)在飛行狀態(tài)下，存在飛行的仰角，實(shí)際飛行過(guò)程中，飛行穩(wěn)定度高，對(duì)天線遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣測(cè)試結(jié)果無(wú)明顯影響。

4.3 遠(yuǎn)程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊

無(wú)人機(jī)檢飛以及無(wú)人機(jī)標(biāo)校都需要無(wú)人機(jī)平臺(tái)實(shí)時(shí)傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)，因此遠(yuǎn)程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)是本課題的關(guān)鍵技術(shù)。

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)且粋€(gè)多模式的智能通信系統(tǒng)，能夠感知其工作區(qū)域的電磁環(huán)境特征，并根據(jù)環(huán)境特征和通訊要求，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的調(diào)整通信系統(tǒng)工作參數(shù)（包括通信協(xié)議、工作頻率、調(diào)制特性和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等）達(dá)到可靠通信或節(jié)省通信資源的目的。

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)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(wú)人機(jī)遙控指令的發(fā)送和接收；下行鏈路主要完成無(wú)人機(jī)到地面站的遙測(cè)數(shù)據(jù)及紅外或電視圖像的發(fā)送和接收，并根據(jù)定位信息的傳輸利用上下行鏈路進(jìn)行測(cè)距，數(shù)據(jù)鏈性能直接影響無(wú)人機(jī)性能的優(yōu)劣。

這里有兩種實(shí)現(xiàn)方法，一種是無(wú)人機(jī)通訊鏈路自帶接口，負(fù)載設(shè)備通過(guò)此接口與無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈連接，采用無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；另一種是設(shè)計(jì)無(wú)線收發(fā)設(shè)備，作為負(fù)載安裝在無(wú)人機(jī)機(jī)腹下，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將無(wú)人機(jī)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)無(wú)人機(jī)上的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)對(duì)設(shè)備實(shí)施定位，為在極端條件下找尋設(shè)備提供保障。

第一種方法簡(jiǎn)單便利，需要無(wú)人機(jī)廠商提供服務(wù)端口。第二種方法擬采用4G 通道作為基本聯(lián)通通道利用NAT 網(wǎng)絡(luò)穿透技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)平臺(tái)和地面站之間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。在無(wú)人機(jī)平臺(tái)和地面站分別放置提供網(wǎng)絡(luò)穿透服務(wù)的客戶端，提供網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通服務(wù)，再在公網(wǎng)上可見(jiàn)的服務(wù)器上部署注冊(cè)服務(wù)端，提供網(wǎng)絡(luò)穿透服務(wù)。從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上不可見(jiàn)的客戶端之間網(wǎng)絡(luò)通訊。

綜上所述，可以利用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)開(kāi)展雷達(dá)天線遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣測(cè)試，此測(cè)試方法有效。但在天線遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣測(cè)試過(guò)程中，還受制于陣地周邊遮蔽、電子環(huán)境、強(qiáng)反射體以及天氣相關(guān)，部分惡劣條件下并不能利用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)開(kāi)展雷達(dá)天線遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣測(cè)試。同時(shí)在利用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)開(kāi)展雷達(dá)天線遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣測(cè)試，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的情況綜合分析，多次飛機(jī)測(cè)試驗(yàn)證。在外場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣測(cè)試條件不具備的情況下，完成利用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)開(kāi)展雷達(dá)天線遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣測(cè)試，最終完成對(duì)于天線實(shí)際性能的評(píng)估。