利用无人机系统的雷达天线远场波瓣测试方法

范家强 蒋庆丰

（南京电子技术研究所，江苏 南京210039）

1 概述

无人机在20 世纪初发展至今已普遍运用于军事、工业、农业等各大领域，技术日趋完善。国外无人机侦察和标校在军事上已得到了成熟的运用，国内军事上近几年也已开展了检飞和标校的类似任务，特别是在“低小慢”探测检飞中得到了运用。其它领域利用无人机检飞及标校的场景较多（含探测性能验证和天线系统标校）。受制于外场阵地的条件，不具备原生产厂家天线波波瓣测试要求。外场无法快速有效对天线进行远场波瓣测试。此文重点为研究利用无人机系统的雷达天线远场波瓣测试方法。

2 无人机测试系统

2.1 无人机平台

按产品实际测试需求选定无人机型号，结合地面站系统预设无人机飞行的高度、距离、方位等参数，通过无人机飞行测试装备远场天线波瓣，简要评估装备天线是否满足设计要求。无人机平台需要挂载相应测试仪表，因此有载重需求（15KG），并在有负载的情况下，续航能力30 分钟以上，飞机过程中稳定达到0.5m 以下，悬停精度1m 以下。同时无人机平台需要实现无线通信功能，通过4G 网络远程遥控挂载在无人机上的信号发生器、频谱仪、天馈线等仪器设备的远程遥控与设备监视，为天线波瓣测试的有效性提供有力保证。

2.2 天线远场波瓣测试

通过无人机挂载仪表信号发生器、天馈线等设备，设定无人机悬停、飞行的轨迹，设备通过频谱仪对装备的天线性能进行标校测试，包含天线水平和垂直方向波瓣相关的大致技术指标情况。结合装备实际的情况开展内外场装备系统的检修及性能参数的优化和调整，经过系统检修与优化后，再通过无人机标校测试进行验证，通过反复标校、修调和验证，使装备快速高效的达到实际设计的效果，发挥装备应有的作战能力。

3 无人机系统对雷达天线性能测试技术方案

3.1 测试实现方案

图1 天线水平波瓣测试原理

根据天线远场波瓣测试要求，

通常测试距离估算公式为，

d 指天线口径

λ 指波长

无人机飞行轨迹至少距离天线应大于D 处测试，按L 波段为例计算，D=600 米左右。所以远场波瓣测试时无人机距离天线必须大于600 米。

天线水平波瓣测试具体方法：

（1）待测天线固定某一方位或天线锁定，无人机系统挂载信号源（或自制频率源系统），飞至天线水平对应测试距离法线方向。天线通过馈线连接频谱仪收取飞人机发出的射频信号。

（2）通过调整无人机空中飞行位置（悬停状态，上下左右调整），使天线处收到最大射频信号。同步设置频谱仪至波瓣测试模式（带宽为为0，按无人机飞行一周时长设置扫描时间）。

（3）以天线收取最大点信号为基点（无人机距离天线必须D），以D 为半径，无人机地面站设置360 度稳定水平高度旋转轨迹飞行。

（4）频谱仪通过前期设置，画出天线水平波瓣测试图。天线水平波瓣图如图3 所示。

（5）通过多次飞行，验证天线水平波瓣测试重复性，从而得天线实际的性能情况。

图2 天线水平波瓣测试原理

天线垂直波瓣测试具体方法：

（1）待测天线固定某一方位或天线锁定，无人机系统挂载信号源（或自制频率源系统），飞至天线水平对应测试距离法线方向。天线通过馈线连接频谱仪收取飞人机发出的射频信号。

（2）通过调整无人机空中飞行位置（悬停状态，上下左右调整），使天线处收到最大射频信号。同步设置频谱仪至波瓣测试模式（带宽为为0，按无人机飞行从上至下高度时长设置扫描时间）。

（3）以天线收取最大点信号为基点（无人机距离天线必须D），以D 为半径，无人机地面站设置垂直于地面90 度稳定垂直上下轨迹飞行。

（4）频谱仪通过前期设置，画出天线水平波瓣测试图。天线垂直波瓣图如图4 所示。

（5）通过多次飞行，验证天线垂直波瓣测试重复性，从而得天线实际的性能情况。

图3 天线水平波方向瓣图

图4 天线垂直方向波瓣图

3.2 无人机平台方案

无人机平台主要包括无人机设备、仪表设备、差分定位系统、无线网络通讯设备。其中无人机设备拟购买大疆创新科技生产的六旋翼或八旋翼无人机，负载可达15KG，悬停精度高，悬停时间可以达到15 分钟，满足目前雷达天线远场波瓣测试需求。仪表设备主要指信号发生器、频谱仪、天馈线等设备，拟与仪表厂家沟通，根据实际情况选购无人机的尺寸进行小型化、轻量级设计，以满足无人机负载要求，并安置在选定的无人机机腹处。差分定位系统拟采购差分GPS，用于提高无人机的定位精度。无线网络通讯设备拟与无人机厂家合作，在无人机数据链上外设端口，用于仪表设备数据的传输。

4 关键技术及其解决途径

4.1 无人机挂载平台

无人机标校系统需要在无人机平台上挂载相应的负载（仪表测试设备），因此目前纯电式多旋翼无人机最大载重15KG，通常在机腹位置安装支架，用于悬挂、固定相应的负载设备。在最大载重范围内，多旋翼无人机飞行半径为5Km 以内，最长飞行时间可以达到20 分钟，其中悬停垂直精度在±0.5m，悬停水平精度在±1m。基本满足目前无人机标校的技术指标。受限于无人机的大小，负载设备需要根据支架重新设计外形以及安装扣，便于安装固定。

4.2 无人机稳定度对测试影响

无人机在负载情况下稳定飞行、悬停稳定度对天线远场波瓣测试影响程度需明确。按无人机飞行轨迹至少距离天线应大于D 处测试，按L 波段为例计算，D=600 米左右，无人机悬停水平精度Δ 在2 米（±1m）计算。无人机悬停垂直精度Δ±0.5m在1 米（±0.5m）计算：

无人机悬停水平精度对应角度：

无人机悬停垂直精度对应角度：

根据计算无人机悬停水平、垂直精度误差与对应的角度为，水平0.19 度，垂直0.095 度，此情况会对测试步骤2 中天线处收到最大射频信号略有影响，需多次调整飞机姿态；在无人机在飞行状态下，存在飞行的仰角，实际飞行过程中，飞行稳定度高，对天线远场波瓣测试结果无明显影响。

4.3 远程无线网络通讯

无人机检飞以及无人机标校都需要无人机平台实时传输相关数据，因此远程无线网络通讯技术是本课题的关键技术。

无人机数据链是一个多模式的智能通信系统，能够感知其工作区域的电磁环境特征，并根据环境特征和通讯要求，实时动态的调整通信系统工作参数（包括通信协议、工作频率、调制特性和网络结构等）达到可靠通信或节省通信资源的目的。

无人机数据链按照传输方向可分为：上行链路和下行链路。上行链路主要完成地面站到无人机遥控指令的发送和接收；下行链路主要完成无人机到地面站的遥测数据及红外或电视图像的发送和接收，并根据定位信息的传输利用上下行链路进行测距，数据链性能直接影响无人机性能的优劣。

这里有两种实现方法，一种是无人机通讯链路自带接口，负载设备通过此接口与无人机数据链连接，采用无人机数据链进行数据传输；另一种是设计无线收发设备，作为负载安装在无人机机腹下，通过无线网络将无人机上的仪器仪表和差分GPS与地面站的控制终端建立链接。两种方法都可以实现远程对无人机上的测试设备进行实时控制和实时数据采集，同时对设备实施定位，为在极端条件下找寻设备提供保障。

第一种方法简单便利，需要无人机厂商提供服务端口。第二种方法拟采用4G 通道作为基本联通通道利用NAT 网络穿透技术实现无人机平台和地面站之间网络互联。在无人机平台和地面站分别放置提供网络穿透服务的客户端，提供网络联通服务，再在公网上可见的服务器上部署注册服务端，提供网络穿透服务。从而实现网络上不可见的客户端之间网络通讯。

综上所述，可以利用无人机系统开展雷达天线远场波瓣测试，此测试方法有效。但在天线远场波瓣测试过程中，还受制于阵地周边遮蔽、电子环境、强反射体以及天气相关，部分恶劣条件下并不能利用无人机系统开展雷达天线远场波瓣测试。同时在利用无人机系统开展雷达天线远场波瓣测试，应根据实际的情况综合分析，多次飞机测试验证。在外场远场波瓣测试条件不具备的情况下，完成利用无人机系统开展雷达天线远场波瓣测试，最终完成对于天线实际性能的评估。