王剑飞
西安爱生无人机技术有限公司，陕西 西安 710129
摘要:天线测试是天线辐射性能测试的重要组成部分。但是，当天线尺寸较大或测试频率较低时，传统的天线测试方法很难实现。结合大规模天线测试，对一种基于小型无人机的天线测试模板进行了研究，该模板具有基于测试通道模型的天线上升的实证方向图。实时差分GPS作为无人机导航信号，与传统上使用GPS作为无人机导航信号相比，从而结合几何控制方法精确控制了无人机的飞行轨迹。
关键词:大型天线测试;小型无人机;实时差分GPS;几何控制方法
引言：
大型天线广泛用于短波通信、雷达、射电天文学、广播和卫星电视等领域。在实际使用过程中，需要对大型天线测试其电性能，以确保系统正常运行。但是，大型天线一般尺寸较大，传统的天线测量方法使得很难评估天线的电气性能。一开始人们用系留气球来研究相关课题由于当时测试设备、定位技术和计算机技术的局限性需要很多辅助条件，操作困难，测试成本高，测量精度低。近年来，国内和国外使用了小型无人驾驶飞机测量大型天线，取得了一些成果。近年来，随着信息技术和电子技术的发展，小型无人机的性能大大提高，可用于大规模天线测试。使用无人机进行大规模天线测试有以下好处:(1)可以根据天线尺寸和测试频率建立不同的测试距离；(2)测量路线可根据需要进行规划，定位精度高；3)成本低，使用灵活方便。
1系统构成
该测试系统主要由无人机、信号发射器和信号接收器组成，如图1所示。信号发射器固定在无人机上，无人机为电源和电源盒供电，并通过发射器天线发送信号。测量的天线接收通过微波电缆连接到接收机的信号，数据采集设备接收接收机的数据。地面和无人机上有两个GPS天线。GPS接收机构成了一个差分GPS系统，提高导航的精度。
1.1无人机
无人机种类很多，但对于基于无人机的测试系统，多翼无人机更适合。主要考虑三个方面:(1)较强的抗风性和稳定姿态；(2)飞行速度慢，便于测量数据；（3）对无人机飞行半径的简单控制和定位通常需要考虑天线的大小和实验频率，以确保无人机的飞行半径符合天线外的条件。地面站控制无人机，并建立诸如无人机起飞位置和飞行速度等轨迹参数。
1.2信号传输终端
将信号发射端置于无人机上的主要原因是，如果测量的目标用作发射器，则无人机容易受到信号干扰，无法正常工作。为了减轻射频发射模块的重量，通常使用连续波发射模块。如果信号发射功率低，可以添加低功率放大器单元。射频模块和功耗可由无人机供电并连续发出信号。因为无人机飞行在空中，所以可能受到姿态的影响。发射天线通常使用全方位天线，确保信号强度在很大范围内几乎相同。当发送频率接近无人机数据连接频率时，数据连接天线必须与发送天线隔离。
1.3信号接收终端
测量的天线通常放置在地面上并与地面保持一定距离，以减少对地面的干扰。测量的天线连接到接收测量天线接收信号的频谱分析仪，此时频谱分析仪通常根据频率测量点建立小带宽，找到接收信号的频率点的峰值，然后，在飞行过程中连续检测此频率点的信号强度。
1.4测试信道型号
根据无人机轨迹，考虑到测试期间信号接收和发射的传输过程，建立了一个包含所有参数的信号功率链模型
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在测试系统中，信号源、放大器和发射天线安装在无人机上，形成发射端。无人机对发射天线的方向图有影响，因此有必要在考虑到无人机影响的情况下测试发射天线的辐射性能，以获得发射天线的方向增益。
2实时差分GPS高精度定位技术
实时差分技术(RTK)的载波相位差分是载波相位差分技术。其工作原理是，基站将载波观测和坐标信号编码为指定的协议格式，并通过通信链路将其发送到机载终端。机载终端实时接收基站的观测，并与卫星载波相位信息一起实时处理差分观测用于cm级的高精度导航。本文使用ublox M8P模块检查导航精度，使用传统GPS信号导航时，最大位置误差约为1m。如果将该信号用作导航信号，飞行轨迹上将有约1m的偏差。为了提高导航精度，采用差分GPS实时信号进行导航。收敛时间约为5分钟，标称精度为0.025m，更新频率为5hz。从差分GPS测试结果可以看出当系统进入实时固定差分模式时，大多数位置结果在2厘米内导出。高度精度低于位置精度，大多数在±5厘米范围内漂移。
3轨迹跟踪控制方法
差分GPS和惯性测量的组合导航估计值，得到飞行控制系统控制飞机位置、速度、姿态、角速度和加速度的连续准确信号。GPS定位精度直接影响无人机飞行轨迹控制精度和精度例如，当测试距离为4m，测试频率为1 GHz时，实际飞行轨迹与理想轨迹(包括差分GPS定位和跟踪控制方法误差)之间的差距为0.1m，天线方向平面测试误差约为0.2db，例如，在全向天线的情况下，使用圆周飞行测量了整个方向图。对于定向天线，它可以朝辐射方向飞行。无论飞行轨迹如何，均采用相同的轨迹跟踪方法，对于垂直半圆轨迹，介绍了天线测量过程中精确的位置跟踪控制方法。首先，定义本地坐标系，其坐标系原点正好位于地坐标系原点H0上方。在本地坐标系中，z轴垂直，x轴方位角为ψ。定义一个以本地坐标系原点为中心、以点s起点、以点E为终点、半径为r且在本地坐标系的z平面中具有半圆平面的半圆基准路径在里面。p是半圆上的点，θ旋转角度定义为OP和操作系统之间的角度，无人机必须沿半圆参考路径以θ角速度飞行。半圆轨迹点的参考位置、参考速度和参考加速度由半圆轨迹的参数化描述决定：
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上述基准指令是在本地座标系统中定义的，需要在地面座标系统中对基准位置、基准速度和基准加速度进行座标转换。这些参考指令是轨迹跟踪控制器的输入信号。轨迹控制器使用姿势控制作为内环，并使用Se(3)组中的几何体控制方法计算所需的旋转矩阵控件和所需的力控件。
四旋翼无人机有四个独立的控制级别，这意味着它们能够控制的自由度也是4个。选择位置和三维角作为四个独立的控制量，即天线测量所需的飞行平台控制量。控制器输入是所需的轨迹和航向，它们使用路径上的参考位置:XRef、VREF和aref描述，航向参考为ψd。
为了解决大型天线的现场测试问题，进行了一次基于小型无人机的天线测试，将信号源和功率放大器作为发送信号发射器固定在无人机上。将测得的天线放在地面上接收发射信号，光谱仪利用测试信道模型采集测试数据，计算天线增益方向图。获得高精度测试以实时差分GPS信号是无人机的导航信号，利用几何控制机制精确控制无人机的飞行轨迹。结果表明天线偏差可小于0.1m，天线增益方向平面与远场值基本一致，证实了测试方法的可行性和准确性。小型无人驾驶飞机具有灵活、低运行成本的优点，能够根据实际测试要求规划飞行路线，不受测试距离的限制。该方法具有很大的应用潜力，可用于测试大型天线，如射电天文望远镜、机载天线、电视天线和低频列天线。
参考文献：
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［2］索旸．天线阵方向图无人机测试系统研究［J］．宇航计测技术，2018，38(1):42-47．
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