基于無人機的天線測量系統(tǒng)研究

宋淼杉，羅志明，王正鵬

（1 北京航空航天大學電子信息工程學院 北京 100191；2 北京中測國宇科技有限公司 北京 100191）

引言

現(xiàn)代天線測量一般在微波暗室中進行，在實際工況下，受溫度、濕度變化、現(xiàn)場安裝支架、附近天線等耦合因素影響，天線輻射方向圖都有可能發(fā)生變化。為了評估天線在實際工作環(huán)境中的性能，現(xiàn)場天線測量技術(shù)受到越來越多的關(guān)注?，F(xiàn)場測量天線特性的典型方法是在工作現(xiàn)場旋轉(zhuǎn)待測天線并作為發(fā)射端，由遠端的接收探頭天線連接頻譜儀接收，也可以將探頭天線連接信號源發(fā)射信號，由待測天線接收信號。在對待測天線進行現(xiàn)場測量時，為了減少地面反射效應的影響，可以借助一些設備和技術(shù)將發(fā)射器或接收器放置在高出地面的位置。探頭天線圍繞待測天線旋轉(zhuǎn)能夠?qū)咎炀€等固定式天線進行測量，但這需要精確的相對位置關(guān)系，并保持較高的穩(wěn)定性。盡管實施難度大，研究人員仍然提出了氣球承載技術(shù)[1]和直升機載技術(shù)[2,3]來實現(xiàn)這種測量。近年來，迅猛發(fā)展的無人機（UAV）技術(shù)為現(xiàn)場天線測試帶來了一個新的選擇。

借助無人機已經(jīng)能夠?qū)μ炀€輻射系統(tǒng)進行現(xiàn)場測試評估，這種測量雖然不如在暗室環(huán)境內(nèi)測量的精確，但可以將環(huán)境影響帶入方向圖測試中。2014 年后，有國外學者開始研究利用無人機進行天線測量的方法[4]。近幾年來，國內(nèi)外很多研究人員嘗試利用小型無人機對大型天線進行測量，伴隨著無人機硬件和天線測量后處理技術(shù)的不斷發(fā)展，基于無人機的天線測量系統(tǒng)也取得了長足進步。

目前基于無人機的天線測量系統(tǒng)主要依靠無人機上的功率檢測器或頻譜分析儀連接探頭天線獲取待測信號幅度值，由數(shù)傳系統(tǒng)將測試結(jié)果和無人機位置、姿態(tài)信息傳輸?shù)降孛嬲綪C機，然后進行數(shù)據(jù)記錄和處理；也可以在無人機上配備射頻發(fā)射機作為信號源，將頻譜分析儀放在地面站與被測天線相連，充當接收機，連接到頻譜分析儀的PC機仍然用作數(shù)據(jù)記錄器。在被測天線（AUT）周圍的無人機飛行路徑是在測試之前預先定義的。

1 基于無人機的遠場測量方法

起初對基于無人機的天線測量系統(tǒng)研究主要是基于無人機的遠場測量方法，遠場測量方法是對輻射方向圖的直接測量，無人機在天線的遠場區(qū)域直接獲取被測天線的輻射功率數(shù)據(jù)。在遠場測量中，由于無人機的飛行路徑需要滿足遠場條件，這種方法主要應用在對基站天線等中低增益天線的測量。

2014 年，意大利的Giuseppe Virone 等人提出了一種基于小型無人機的天線方向圖檢測系統(tǒng)，用來測量VHF/UHF 頻段天線的方向圖[4?6]，系統(tǒng)中無人機的裝配圖和無人機飛行路徑規(guī)劃如圖1 所示。該系統(tǒng)使用配備了一個連續(xù)波射頻發(fā)射機的小型的六旋翼無人機作為遠場測試源，在真實環(huán)境中表征被測天線。無人機的位置跟蹤使用具有厘米級精度的機動全站儀，使用頻譜分析儀檢測被測天線的輸出信號振幅，使用GPS 時鐘同步接收機同步所有數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)處理，重建了被測天線沿著無人機飛行路徑的接收功率方向圖。

圖1 一種基于小型無人機的天線方向圖檢測系統(tǒng)[4]Fig.1 Antenna pattern verification system based on a micro UAV

上述系統(tǒng)無人機掃描測試的飛行路徑是兩條互相垂直的直線軌跡，分別對應于被測天線的E面和H 面，如圖1（b）所示。被測天線位于參考系統(tǒng)的中心，可以測量得到天線E 面和H 面的方向圖。但隨著被測試天線到無人機方向觀察角度的增大，無人機飛離天線的距離也逐漸變大，導致空間路徑損耗增加，該變化范圍直接影響地面接收機的動態(tài)范圍。因此，在上述系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為了提高飛行效率和飛行精度，并確保足夠且均勻的采樣，文獻[7]在平面和曲面上進行二維方向圖的測量，提出了三種掃描策略：笛卡爾光柵、徑向光柵和三維方位光柵，如圖2所示。文獻[8]也對無人機的飛行掃描策略進行了相關(guān)研究。由于機載GPS 導航控制器的精度有限，以及外部干擾的影響，實際飛行軌跡可能與計劃的飛行軌跡相差幾米，GPS 精度不足以計算具有所需精度水平的AUT 模式，因此文獻[7]提出了添加一個差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)來測量飛行軌跡，該系統(tǒng)提供厘米級的精度。

圖2 三種掃描策略[7]Fig.2 Three scan strategies

文獻[4]中提出的系統(tǒng)已經(jīng)對兩個低頻天線進行了測量驗證，在150 MHz 處測量了雙錐天線，在408 MHz處測量了對數(shù)周期天線。文獻[9]、[10]中提出的天線方向圖測試系統(tǒng)也用于測量對數(shù)周期天線。文獻[11]中提出了使用攜帶小型發(fā)射器的無人機校準用于太陽光譜分析的6 米碟形望遠鏡，即6 米拋物面反射面天線，圖3 給出了此測量系統(tǒng)組件的總圖。文獻[12]介紹了使用無人機測量布萊恩天文臺的5米碟形望遠鏡。以上這些測量都是基于無人機的遠場測量方法，對于大型反射面天線來說，遠場距離相對較遠，測量時要注意確保位于遠場區(qū)。近幾年來，國內(nèi)也開展了一些基于無人機的天線遠場測量的研究和設計[13?18]。

圖3 測量系統(tǒng)組件的總圖[11]Fig.3 General diagram with the components of the measurement system setup[11]

總結(jié)來說，無人機遠場測量方法的整體思路就是讓無人機搭載功率檢測設備按照設定的路徑飛行，在被測天線遠場區(qū)采集輻射功率信息，即可以得到天線輻射方向圖的信息。對于遠場測量來說，采集點可以相隔較遠，對無人機飛行的位置精度要求不用特別嚴格。但是遠場測量需要滿足遠場條件，測試距離遠，測試時間長。

2 基于無人機的近場測量方法

上一節(jié)介紹的基于無人機的天線測量系統(tǒng)對方向圖的遠場直接測量，無人機在天線的遠場區(qū)域獲取數(shù)據(jù)。對于在高頻段工作的天線或電大尺寸天線來講，遠場區(qū)域可能在距離AUT 數(shù)百米之外。雖然在足夠大的開放區(qū)域內(nèi)仍然可以采用遠場測量，但全模式測量的飛行路徑較長，由于無人機的續(xù)航時間有限，可能需要多次飛行，并且距離太遠影響掃描路徑精度。因此，研究基于無人機的近場測量方法就尤為重要。與遠場測量相比，要進行精確的近場天線測量，需要測量穩(wěn)定且無干擾的射頻振幅和相位數(shù)據(jù)，并需要知道無人機的精確3D位置及其方位，以滿足近場-遠場變換（NFFFT）的需要。

德國Aeroxess UG 公司開發(fā)“Hercules One”無人機，如圖4 所示，并提出了基于Hercules One無人機的近場（NF）天線測量技術(shù)[19]，該技術(shù)需要在無人機上安裝機載探測天線，使用光纖電纜在機載探測天線和地面AUT 之間以足夠的精度傳輸射頻測量信號，測量過程中保證射頻測量信號的幅度和相位誤差都在可接受范圍內(nèi)。該系統(tǒng)還考慮了電源管理的問題，由地面電線供電，提供無限飛行時間。此外，為了確保近場測量點的密度足夠均勻，系統(tǒng)使用激光跟蹤儀進行激光定位，用于精確測量近場測量點的3D 位置[20]。文獻[21]重點討論了上述無人機天線近場測量系統(tǒng)在設計、開發(fā)和運營階段的特殊挑戰(zhàn)以及解決辦法。

圖4 “Hercules One”無人機模型圖[19]和實物圖[21]Fig.4 The model[19] and photo[21] of "Hercules One" UAV

文獻[22]也提出了一種基于無人機的近場測量裝置，該裝置同樣考慮了測量輻射場的幅度大小和相位，使用矢量網(wǎng)絡分析儀（VNA）進行現(xiàn)場測量，使用激光跟蹤器測量探測天線的位置，如圖5所示，無人機將探測天線移動到測量位置，同時通過光纖鏈路將其連接到VNA，樹莓派（RPi）用于讀取和存儲來自VNA 和激光跟蹤器的數(shù)據(jù)，以及來自無人機的方向數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)對雙脊喇叭天線進行了現(xiàn)場測量。文獻[23]對20 MHz 參考地平面天線進行了現(xiàn)場近場測量。文獻[24]介紹的無人機近場天線測量系統(tǒng)，與以上介紹的無人機天線測量裝置不同，該系統(tǒng)提出使用雙通道寬帶軟件無線電（SDR）代替矢量網(wǎng)絡分析儀，測量雙極化探頭天線端口處的信號。探頭天線的位置和方向用基于虛擬現(xiàn)實（VR）應用開發(fā)的6-D 跟蹤系統(tǒng)確定，避免了使用昂貴的激光測量設備。

圖5 測量裝置的示意圖[22]Fig.5 Schematic drawing of the measurement setup

基于無人機的近場測量技術(shù)的關(guān)鍵是先進的NFFFT 算法，以上提到的系統(tǒng)均使用快速不規(guī)則天線場變換算法（FIAFTA）[25]，這種算法基于多級快速多極子方法（MLFMM）相關(guān)的加速概念。這種新穎的計算電磁方法不僅限于近場（NF）到遠場（FF）轉(zhuǎn)換，還能夠濾除非理想環(huán)境的干擾，如建筑物的回聲或地面反射。與傳統(tǒng)的NFFFT 轉(zhuǎn)換相比，F(xiàn)IAFTA 最大的優(yōu)點是能夠以高效和準確的方式將不規(guī)則和任意采樣的NF 測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為FF狀態(tài)。FIAFTA 方法的準確性僅取決于電磁場分量大小和相位的準確測量，以及探頭相對于AUT位置的確定。

以上介紹的近場天線測量系統(tǒng)均需要測量接收信號的幅度和相位，文獻[26]提出了一種緊湊、低成本的無人機天線測量系統(tǒng)（UASAM），如圖6所示。該近場測量系統(tǒng)使用低成本功率傳感器獲得的振幅測量值，通過無相位源重建方法（pSRM）恢復相位信息[27]。pSRM 是一種迭代相位恢復技術(shù)，允許恢復表征AUT 的等效電流分布。根據(jù)這些等效電流，應用近場到遠場變換來計算AUT 輻射方向圖，從NF 無相位測量中進行AUT診斷和表征的能力，由于使用了無相位源重建方法，可以處理任意幾何形狀的NF 網(wǎng)格。該系統(tǒng)首先在S 波段和C 波段對喇叭天線陣列進行了測量驗證[26]，之后又對圓極化天線陣列進行了測量和診斷分析[28]，還對基站收發(fā)天線進行了測量分析[29]，這些測量證明了使用小型低成本無人機天線測量系統(tǒng)對天線進行現(xiàn)場診斷和表征具有良好的可行性。UASAM 系統(tǒng)通過實時運動學（RTK）系統(tǒng)實現(xiàn)厘米級精度數(shù)據(jù)地理參考，是一個利用GNSS載波相位的差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。系統(tǒng)還集成了激光高度表，以提高高度的測量精度。文獻[30]和文獻[31]介紹了基于UASAM 的改進系統(tǒng)，提出了一種基于無人機上雙探頭裝置同時獲取兩個采集面上近場振幅的新方法，此系統(tǒng)的采集時間和測量不確定性大大減少。通過測量偏置反射面天線，將測量結(jié)果與暗室內(nèi)的測量結(jié)果進行比較，驗證了系統(tǒng)的性能。

圖6 無人機天線測量系統(tǒng)（UASAM）和無人機裝配圖[26]Fig.6 Unmanned aerial system for antenna measurement (UASAM) and UAV with payload[26]

3 無人機外場測量方案

3.1 測量方案介紹

本文提出了一種無人機外場測量方案，無人機搭載信號采集設備與小型控制PC，根據(jù)設定的飛行路徑以AUT 為中心繞飛，信號采集設備獲取對應空間位置的經(jīng)緯度坐標以及功率數(shù)據(jù)，機載控制PC利用數(shù)據(jù)鏈將數(shù)據(jù)回傳至地面控制PC。整個測試系統(tǒng)由UAV 端、地面端、數(shù)據(jù)鏈三部分組成：UAV 端配備小型控制PC 機、便攜式頻譜儀、雙極化探測天線和GPS模塊，如圖7所示；地面端包含地面控制PC 機、RTK 定位模塊和全站儀；UAV 端與地面端通過數(shù)據(jù)鏈進行數(shù)據(jù)交互，地面站PC 機實時接收UAV 端的回傳數(shù)據(jù)，并將測試結(jié)果實時顯示。

圖7 無人機裝配圖Fig.7 UAV with payload

此系統(tǒng)被應用在外場測量了S波段標準增益喇叭天線輻射方向圖，圖8給出了測量現(xiàn)場的布置情況，作為AUT 的標準增益喇叭天線被架設到20 米高度，以減少地面反射干擾，信號源輸出信號，經(jīng)過放大器放大后由AUT 發(fā)射信號，無人機端接收AUT 的輻射信號。圖9 給出了測量過程中無人機的飛行路徑，這個球面軌跡由一系列圓形軌跡構(gòu)成，所有采樣點都位于一個半徑為20 米的球面上，與AUT 之間的距離保持恒定，這樣可以保證每個采樣點接收信號的路徑損耗大小相同。單個圓形路徑具有恒定的高度，這提供了較高的飛行精度和飛行效率。

圖8 測量現(xiàn)場的布置Fig.8 Layout of the measurement site

圖9 無人機飛行軌跡Fig.9 The flight path of UAV

3.2 測量結(jié)果及誤差分析

為了驗證測量系統(tǒng)的可行性和準確性，我們在外場進行了多次測量，并將測量結(jié)果與仿真結(jié)果進行了對比，如圖10 所示，多次測量結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。圖11 給出了五次測量結(jié)果相比于仿真結(jié)果的差值曲線，在±10°范圍內(nèi)測量誤差小于1 dB，在±30°范圍內(nèi)測量誤差小于1.5 dB。五次測量的均方根值（RMS）在±30°范圍內(nèi)的均值為0.4，最大值為0.8，多次測量結(jié)果相對穩(wěn)定且測量誤差在可接受的范圍內(nèi)，這說明我們提出的測量方案是可行的。

圖10 測量結(jié)果與仿真結(jié)果對比Fig.10 Comparison of measurement results with simulation results

圖11 誤差分析Fig.11 Error analysis

測量誤差主要分為無人機飛行軌跡誤差、探頭指向誤差和探頭方向圖誤差三個方面。無人機飛行軌跡誤差來源于外界環(huán)境的干擾，如GPS 信號變?nèi)?、有風或風向突變，均會導致無人機實際飛行軌跡與理想飛行軌跡有偏差，進而導致測量誤差產(chǎn)生，這種誤差不可避免，但可通過數(shù)學計算軌跡誤差，補償方向圖功率電平。無人機在執(zhí)行繞飛任務時，無人機云臺帶動探頭實時指向AUT，實時指向精度與云臺電機驅(qū)動能力和負載探頭的結(jié)構(gòu)有關(guān)。如果云臺電機驅(qū)動能力與其負載能力不匹配，會產(chǎn)生指向誤差，可以通過更換驅(qū)動力更強的電機或加負重以配平云臺力矩來解決這一問題；某些探頭風阻太大，會限制云臺轉(zhuǎn)向性能，也會產(chǎn)生指向誤差，解決方法是優(yōu)化探頭結(jié)構(gòu)空氣動力學設計，減小風阻。探頭方向圖誤差是指探頭掛載環(huán)境導致探頭方向圖產(chǎn)生畸變所帶來的誤差。減小探頭誤差的方法是，考慮探頭掛載環(huán)境，做共型設計，使探頭方向圖符合測試需求。

4 結(jié)束語

基于無人機的天線測量系統(tǒng)可以分為遠場測量方法和近場測量方法，遠場測量需要無人機的飛行軌跡滿足遠場測量條件；近場測量方法可以直接測量接收信號的幅度和相位信息，也可以僅測量振幅，通過相位恢復技術(shù)恢復近場相位信息，最后根據(jù)近場振幅和相位信息，通過NFFFT 得到遠場信息。

無人機的定位精度是影響測試精度的關(guān)鍵因素。現(xiàn)在應用于無人機測天線的主流定位系統(tǒng)是全站儀、激光跟蹤儀和基于RTK 的GNSS 系統(tǒng)，還可以將兩者結(jié)合使用，但是成本會變高?，F(xiàn)在用的比較多的GNSS系統(tǒng)可以達到厘米級精度，激光跟蹤儀和全站儀相比于GNSS 系統(tǒng)精度高一些，可以達到毫米級精度。但是激光跟蹤儀和全站儀測量距離有限，視野有限，并且視線內(nèi)不能遮擋，受天氣影響較大。激光跟蹤器系統(tǒng)通過精確跟蹤安裝在測量對象上的激光目標來執(zhí)行空間3D 位置測量，是三者中精度最高的定位設備，價格也更高。隨著激光高度表產(chǎn)品的優(yōu)化和改進可能會克服視線遮擋問題和視野問題造成的測量限制。市場上的無人機的續(xù)航時間大約30 分鐘，如果想要得到更精確的方向圖，就需要更多的采樣點，從而需要更長的測試時間，這就需要盡可能提高無人機的續(xù)航能力，同時也要考慮載荷問題。無人機承重有限，并且負載越重耗電也會越快，所以要盡可能減輕無人機上需要裝配部件的重量。隨著無人機技術(shù)和空間定位技術(shù)的快速發(fā)展，基于無人機的天線測量技術(shù)也會不斷發(fā)展。