孫天嬌，周 霞，石慶琳，董思喬，通訊作者

（1.國家無線電監(jiān)測中心上海監(jiān)測站，上海 201419；2.國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037）

0 引言

廣播電視在用設(shè)備檢測是我國無線電管理的重要手段之一，現(xiàn)已取得了長足的發(fā)展和顯著的成績，通過對在用設(shè)備的檢測，可以及時發(fā)現(xiàn)并妥善處理設(shè)備因長時間使用導(dǎo)致性能惡化而對其他設(shè)備產(chǎn)生的有害干擾，維護(hù)空中電波秩序[1]。

我國廣電臺站在用設(shè)備的檢測工作長期使用耦合口傳導(dǎo)測試[2-3]，即通過頻譜儀連接廣電發(fā)射機(jī)耦合口，讀取頻譜儀測得的功率數(shù)據(jù)，再通過與耦合口的耦合組相加得出發(fā)射機(jī)功率，該方法應(yīng)用廣泛，但在實(shí)際檢測工作中存在一些難題。一是檢測工作的協(xié)調(diào)難度大，目前的技術(shù)手段決定了相關(guān)檢測人員必須在廣電臺站現(xiàn)場才能開展檢測工作，與廣電部門協(xié)調(diào)檢測時間、場地和人員的問題存在諸多不便。二是檢測工作的效率有待提高，我國縣級以上地區(qū)均有各自的廣播電視臺站，數(shù)量龐大，分布廣泛，有些更是地處偏遠(yuǎn)，交通不便，而基層檢測人員數(shù)量有限，裝備匱乏，導(dǎo)致檢測效率不高。三是部分被測設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)失實(shí)，在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，部分被測設(shè)備耦合口無耦合系數(shù)，甚至無耦合口，導(dǎo)致測試精度大大降低，結(jié)果的可信度受到挑戰(zhàn)。四是檢測結(jié)果不能反映系統(tǒng)的真實(shí)性能。臺站發(fā)射系統(tǒng)的性能由發(fā)射機(jī)、天饋共同決定，以往僅僅采用傳導(dǎo)方式測量發(fā)射機(jī)功率，無法客觀反映其發(fā)射功率對空間產(chǎn)生的影響。近年來，隨著無人機(jī)小型化、智能化的發(fā)展，使用無人機(jī)搭載測試設(shè)備升空進(jìn)行輻射測試得以實(shí)現(xiàn)，無人機(jī)材質(zhì)多為碳纖維材料，可以極大地避免金屬材質(zhì)對接收設(shè)備性能產(chǎn)生的不良影響[4]。因此，本文設(shè)計了一種借助無人機(jī)運(yùn)載平臺在低空開展輻射測試的系統(tǒng)能夠有效解決上述問題。

該系統(tǒng)通過在空間接收發(fā)射信號，利用空間損耗模型計算并修正周圍環(huán)境產(chǎn)生的干擾，得到廣電發(fā)射天線端的EIRP。與傳導(dǎo)測試方法相比，輻射測試方法能夠有效解決因耦合度缺失、耦合口缺損導(dǎo)致測試無法進(jìn)行的情況，使測試工作能夠正常開展。借助無人機(jī)搭載檢測設(shè)備做平臺，與地面架設(shè)設(shè)備檢測相比，具有場地局限小、電磁環(huán)境好的優(yōu)點(diǎn)。

1 輻射測試基本原理

接收天線收到被測臺站發(fā)射信號功率為Pr，則電視信號臺站的等效全向輻射功率（EIRP）為[5]：

式中，Lr為接收饋線及連接器的傳輸系數(shù)；A為傳播路徑損耗修正公式，其中包含天線增益、空間損耗、反射、散射等因素。在自由空間中，接收天線最大方向?qū)?zhǔn)直射波信號，則：

式中，fMHz為電磁波信號的中心頻率（單位：MHz）；dkm為發(fā)射信號到接收天線所經(jīng)歷的路程（單位：km）；Gmax為天線最大方向上的增益（單位：dB）。由此可知，當(dāng)測得空間中任意一點(diǎn)的發(fā)射信號功率值，就可以通過公式計算電視信號臺站的等效全向輻射功率。

在實(shí)際低空測試中，接收端不但接收到發(fā)射信號的直射波，同時也接收到不同方向的反射波和散射波。這些信號會與直射波進(jìn)行疊加，從而使接收到的信號數(shù)值產(chǎn)生偏離，導(dǎo)致誤差[6-7]，如圖1所示。本系統(tǒng)通過多次測量采集數(shù)據(jù)，再根據(jù)不同信號類型的數(shù)據(jù)采取不同的取值方法，最后使用可以減小誤差的修正算法進(jìn)行計算，得出發(fā)射端的EIRP。

圖1 實(shí)際臺站測試面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境

2 系統(tǒng)設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

基于無人機(jī)平臺的廣播電視信號輻射測試系統(tǒng)包括無人機(jī)子系統(tǒng)、機(jī)載測試子系統(tǒng)、地面控制子系統(tǒng)。

2.1 無人機(jī)子系統(tǒng)

無人機(jī)子系統(tǒng)主要由自動駕駛儀、磁羅盤、GPS接收機(jī)、陀螺儀、動力裝置和通信裝置組成，如圖2所示。無人機(jī)子系統(tǒng)憑借動力裝置將測試設(shè)備運(yùn)送到指定測試地點(diǎn)，機(jī)上磁羅盤提供機(jī)頭方向信息，GPS接收機(jī)提供無人機(jī)空間位置信息，陀螺儀提供飛行姿態(tài)信息。自動駕駛儀通過這些信息判斷無人機(jī)的飛行狀態(tài)，并產(chǎn)生相應(yīng)的指令調(diào)節(jié)動力裝置的輸出功率進(jìn)行調(diào)整，完成飛行狀態(tài)的變更和保持。同時，自動駕駛儀通過通信裝置接收飛行人員的遙控信號，并將搜集的位置、姿態(tài)和方向信息傳遞給飛行人員及機(jī)載測試設(shè)備，為飛行人員操縱無人機(jī)和電視信號測試結(jié)果的計算提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.2 機(jī)載測試子系統(tǒng)

圖2 無人機(jī)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

機(jī)載測試子系統(tǒng)主要由電源、計算機(jī)、測量接收機(jī)、接收天線和通信裝置組成，如圖3所示。接收天線接收被測信號的電磁波，并將其轉(zhuǎn)換為電信號傳輸?shù)綔y量接收機(jī)中。測量接收機(jī)在計算機(jī)的控制下對接收天線接收的測試信號進(jìn)行分析和處理，并向處理后的結(jié)果傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中。計算機(jī)一方面通過通信裝置接收地面測試人員的指令，實(shí)現(xiàn)對測量接收機(jī)的控制；另一方面接收無人機(jī)的定位信息，再結(jié)合由測量接收機(jī)輸入的原始測試數(shù)據(jù)對進(jìn)行測量結(jié)果的計算、存儲和顯示。電源為計算機(jī)和測量接收機(jī)供電。

圖3 機(jī)載測試子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 地面控制子系統(tǒng)

地面控制子系統(tǒng)由飛行遙控器、地面戰(zhàn)、測試控制計算機(jī)和通信裝置組成，如圖4所示。無人機(jī)駕駛員使用飛行遙控器對無人機(jī)進(jìn)行控制。地面站連接通信裝置接收無人機(jī)的飛行狀態(tài)信息供無人機(jī)人員監(jiān)測飛行狀態(tài)，同時無人機(jī)駕駛員可通過地面站導(dǎo)航功能對無人機(jī)的飛行路線，姿態(tài)進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自動導(dǎo)航飛行。測試控制計算機(jī)連接通信裝置，通過遠(yuǎn)程桌面的方式控制機(jī)載檢測系統(tǒng)中的計算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)載測試子系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

圖4 地面控制子系統(tǒng)

2.4 系統(tǒng)測試軟件

測試軟件主要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、計算，最終得到發(fā)射端電視信號EIRP。電視信號傳播路徑損耗修正公式是軟件的核心算法，通過輸入天線方向圖及增益、接收點(diǎn)距發(fā)射端的水平距離和相對高度、接收信號頻率、接收信號功率等參數(shù)，測試軟件將自動計算出發(fā)射端電視信號的EIRP。

2.5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

無人機(jī)總重量越小，滯空時間越長，測試工作的持續(xù)性越好。機(jī)載測試子系統(tǒng)的輕量化有助于提高整個系統(tǒng)的工作時長，因此，系統(tǒng)各單元在滿足各自的性能要求下，重量要足夠輕，系統(tǒng)各單元性能要求及選型如下：機(jī)載計算機(jī)采用同時重量輕、獨(dú)立供電、具備USB3.0接口、帶有獨(dú)立顯示功能及獨(dú)立輸入設(shè)備的平板計算機(jī)；機(jī)載測量接收機(jī)采用的是重量輕且體積小的手持或微型接收機(jī)；機(jī)載接收天線選用重量輕、方向性強(qiáng)、工作頻帶寬、增益高的對數(shù)周期天線[8]。綜合考慮后，最終選擇八旋翼無人機(jī)及其配套設(shè)備作為無人機(jī)子系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 八旋翼無人機(jī)

3 實(shí)際測試與分析

為驗證測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測試精度，測試實(shí)驗分別選取了河南某實(shí)際臺站廣播電視信號進(jìn)行測試。

3.1 實(shí)際測試過程簡述

電視信號低空輻射測試過程示意圖如圖6所示，接收天線接收到電視信號臺站發(fā)射的電視信號電磁波信號轉(zhuǎn)換為電信號傳送到測量接收機(jī)，測量接收機(jī)對信號進(jìn)行采樣、分析，得出功率參數(shù)后傳送至測試軟件，測試軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得出臺站發(fā)射天線端口的發(fā)射功率，并將結(jié)果存儲在機(jī)載計算機(jī)中。

圖6 電視信號功率輻射測試過程示意圖

3.2 實(shí)際測試步驟

本文提出的廣播電視輻射系統(tǒng)測試步驟如圖7所示。首先，測試前要選取能夠直視被測臺站發(fā)射天線的開闊場地架設(shè)設(shè)備，測量接收天線與發(fā)射天線的距離；然后調(diào)整接收天線極化方式使其與發(fā)射天線極化匹配，并將被測臺站業(yè)務(wù)類型、中心頻率、距離等數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)將自動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、取值計算、誤差修正計算，并顯示及存儲測試結(jié)果。

圖7 廣播電視輻射系統(tǒng)測試步驟圖

3.3 實(shí)際測試實(shí)驗

在鄭州廣電發(fā)射塔的測試過程中，選擇了1個接收點(diǎn)進(jìn)行測試，具體信息見表1。

表1 測試基本信息

被測臺站EIRP、實(shí)測EIRP及誤差參數(shù)見表2，其中，EIRP標(biāo)稱值=傳導(dǎo)測試發(fā)射機(jī)功率-饋線損耗-分配損耗+發(fā)射天線增益。

表2 鄭州廣播電視發(fā)射塔部分電視信號實(shí)測功率

運(yùn)用研究過程中得出的測試系統(tǒng)、方法和算法進(jìn)行實(shí)際臺站測試驗證后發(fā)現(xiàn)，在功率測試驗證中，18組功率測試結(jié)果中有17組誤差范圍控制在3 dB及以內(nèi)，有1組數(shù)據(jù)誤差范圍在略高于3 dB。較好的滿足功率測試精度要求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一套廣播電視信號功率低空輻射測試系統(tǒng)，解決了地面架設(shè)測試天線進(jìn)行輻射測試時選址困難，測量誤差較大的問題。該系統(tǒng)利用無人機(jī)攜帶測試設(shè)備在遠(yuǎn)離地面復(fù)雜環(huán)境的低空開展測試，降低了反射和散射信號的干擾。實(shí)際臺站測試驗證表明，其穩(wěn)定性、測試精度均滿足要求。與傳統(tǒng)的地面輻射測試系統(tǒng)相比，基于無人機(jī)的電視信號功率測試系統(tǒng)選址范圍廣，測試誤差低，測試效率高，對豐富廣播電視臺站測試手段，提升無線電管理水平有著重要意義。