摘要：无人机是一种轻便灵活的自动驾驶飞行器，应用于天线方向图测量，能够解决传统低频天线原位测试难题。针对国际上天文观测需求，概述了无人机在天线方向图测试中的成功应用，结果表明无人机飞行测试结果与仿真设计指标具有较好的一致性，通过采用高精度导航定位装置、考虑无人机姿态角度偏差，能够有效降低测试误差。
关键词：无人机；飞行路线；被试天线；原位测试
前言
无人机（UAV），是一种远程遥控或没有飞行员驾驶的飞行器。其本质是用电子设备取代飞行员航行。UAV拥有成本低、损失少、无人员死伤、体积小、可重复使用、环境适应性强和高机动性等优势，被运用于军事、民用以及科学研究三大领域。在军事上运用于空中监视、靶机、信息战、军事袭击和预警等，在民用上运用于气象观测、视频航拍、城市环境检测、地球资源勘探以及森林防火等，在科学研究方面运用于对核生化污染地区的取样与监控、新机实验、新技术和新设备验证等。在现代战争中以信息技术为主，用无人机执行情报侦察、实施干扰、后勤保障等任务，取得了很不错的战果，无人机在未来的战争中发挥的作用与潜力将会变得越来越大。而目前无人机发展起来的新概念和新技术是不断提高飞机总体飞行性能的尝试，为飞机的设计和改善多任务的灵活性提供了新的途径。
1 飞控系统发展现状
由于飞行器系统的强耦合性，导致其控制十分复杂。早期为了降低控制设计难度，将控制系统分成了内外两个环节——导航制导和姿态控制。而且为了简化姿态计算，又将飞行器的运动姿态数据进行了解耦，简化控制设计过程。二十世纪初，当时的飞行控制装置是由电动陀螺仪发展而来的自动驾驶仪，其主要的目的是为了帮助驾驶员缓解驾驶疲劳且为保持飞机能够平直飞行，只能通过三轴稳定自动驾驶仪来实现。研究人员为了提高飞机的稳定性，研发了带有角速度阻尼的增稳系统，由此自动驾驶仪慢慢的发展成为飞控系统。而后出现可以通过飞行状态自动改变飞行参数的自适应自动驾驶仪。
1960年末，从数字式自动驾驶仪被使用于阿波罗飞船中起，至今被广泛应用，性能也逐渐得到了完善。现代的自动驾驶仪基本由敏感元器件、控制器和伺服机构组成。而自动驾驶仪的性能改善可以通过提高敏感元器件、控制器、伺服机构等相关元器件的性能；改进控制器中的控制算法等。随着现代科技飞速的发展，加速度计和陀螺仪、舵机以及GPS导航模块等机械传感器性能得到提升，自动驾驶仪各方面也得到了很大的提升。美国公司GenevaAerospace研制了FlightTEK这款先进的自动驾驶仪，其主要的特点是拥有很突出的任务管理系统，并使用VariableAutonomyControlSystem结构体系来提高系统性能。美国公司AthenaTechnologies研制了GS511这款高端的自动驾驶仪，该驾驶仪具有高精度IMU，航向和姿态的漂移精度为1度/小时，且其平均故障时间大于20000小时，性能非常稳定。加拿大MicroPilot公司研制MP2028自动驾驶仪，其具有体积和质量都很微型化的特点，其重量为28g，体积为100mm?40mm?15mm。我国在无人机领域发展较晚，但也取得了较大的成果。
军用无人机方面的主要代表有航天三院、航天九院、西北工业大学以及北京航空航天大学等。北京航空航天大学研究了MGNC?3和IFLY40这两款具有较高水平的无人机自动驾驶仪。自动驾驶仪性能得到大幅提升主要来自传感器的精度提高、控制算法和技术的不断优化。其中PID控制算法由于其完善的控制理论体系、稳定强、实用性高被广泛的应用。当然其他飞控算法也被运用于飞控系统之中。
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2 无人机远场源系统构成
无人机是一种采用遥控或者程控方式飞行的航空器，主要由飞控系统、数据链系统、动力系统、传感器系统等部分组成，一般分为固定翼和旋翼两种类型。无人机搭载射频信号发生系统作为飞行载荷，开展天线原位测量。相较于固定翼无人机，旋翼无人机飞行灵活、操纵性更强，因此一般采用旋翼无人机作为飞行测试平台。以六旋翼无人机平台为例，平台内置GPS导航模块，采用多星空间距离后方交会的方法测量得到无人机所处空间位置。此外，平台内部惯性测量单元能够测得无人机的姿态角，包括方位角、俯仰角和滚转角，保持稳定的飞行姿态。通常情况下，无人机采用锂电池供电，续航时间能够达到15min，满足常规天线的测试要求。射频信号发生系统作为无人机载荷，要求该系统尺寸匀称、重量轻质，满足无人机载重限制和平稳飞行条件。信号发生器及电池置于无人机机身底部，采用轻薄金属包裹，作为天线的部分地平面，输出信号通过同轴电缆连接偶极子天线，利用平衡转换器抑制同轴线外皮的高频电流。被试天线（阵）由于尺寸较大，且容易受到周围环境影响，适宜采用原位测量方式，根据天线互易性定理，利用被试天线接收无人机远场源发射的射频信号，由于远场测试要求和信号发生系统轻质需要，无人机飞行较远且信号源功率受限，因此接收信号微弱；此外，为了减小测试活动对天线方向图造成的影响，需要利用长电缆连接被试天线和接收机，信号经过电缆的额外衰减后进一步减小，利用低噪声放大器补偿电缆损耗，能够有效降低接收机灵敏度要求。
3 飞行测试方法
无人机搭载远场源，通过采用不同的飞行策略，能够测量得到不同的天线方向图。一般情况下，无人机沿着被试天线辐射方向图的E面或者H面以固定高度近似直线航向水平飞行，由于信号源的偶极子天线是线性极化，因此能够测试得到被试天线在某频点的共极化或者交叉极化方向图。但是该飞行策略存在一定缺点，首先，随着被试天线到无人机方向观察角度的增大，无人机飞离天线的距离也逐渐变大，导致空间路径损耗增加，该变化范围直接影响地面接收机的动态范围；其次，为了达到大观察角度下方向图测试目的，无人机飞离天线的距离越远，要求飞行器的续航时间也越长，而且只能得到天线的一维方向图。无人机在水平面或者球面飞行测试，能够得到被测天线关于俯仰角θ和方位角φ的天线方向图。其中，中的飞行路线由多条不同偏航角度的直线组成，且都位于相同高度的平面内，其覆盖面积大，采样密度随着飞离被试天线而减小。无人机飞行路线由几条同心圆组成，且每条包线位于相同高度的平面内，采样密度更均匀，每条包线距离被试天线的距离相同，因此该飞行测试过程中，信号的路径损耗大小一致。该飞行路线要求无人机的偏航角与飞行速度矢量垂直，且被试天线的偏航角在同一包线内连续变化。无人机飞行过程中，其飞行位置实时变化，由于空间损耗，在无人机俯仰角和滚转角保持稳定的情况下，被测天线接收的相同极化方向下的信号功率也发生改变，将该信号大小与对应时刻和位置标记，得到整个飞行包线内的测量参数。由于远场源发射功率恒定，根据空间损耗和接收信号大小，能够计算得出天线同向极化的方向图。
4 结束语
为了满足天线远场测试要求，将无人机作为飞行平台，搭载射频信号发生系统，飞离天线，按照预定航线飞行，测量被试天线的接收功率，根据弗里斯公式能够分离出天线方向图函数。随着高精度传感技术、人工智能和电池行业的持续发展，无人机飞行稳定性、精确性以及续航能力的提高必将推动天线原位测试技术向着成熟化和专业化方向发展，破解当前分布式大面积天线阵测试难题，为航天发展和深空探测助力。
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论文作者:纵蕴瑞
论文发表刊物:《防护工程》2019年第7期
论文发表时间:2019/7/1
标签：无人机论文; 天线论文; 测试论文; 系统论文; 方向论文; 信号论文; 飞行器论文; 《防护工程》2019年第7期论文;