解玲娜,王 懷

(航天恒星科技有限公司，北京 100086)

0 引言

近年，隨著衛(wèi)星地面系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，S/X/Ka三頻段測控數(shù)傳一體地面站已經(jīng)成為主流，衛(wèi)星地面站在建設(shè)過程及建成使用維護過程中，為減少或消除地面站系統(tǒng)本身的系統(tǒng)誤差，必須對衛(wèi)星地面站進行定期或不定期標(biāo)校。傳統(tǒng)地面站標(biāo)校系統(tǒng)多采用移動支架或固定標(biāo)校塔兩種方式，以適應(yīng)S/X兩個不同頻段的標(biāo)校需求[1-2]，但不能滿足Ka頻段的標(biāo)校遠場距離和高度。無人機測試標(biāo)校作為無塔標(biāo)校的一種技術(shù)手段，不僅滿足Ka頻段標(biāo)校的遠場條件需求[3-4]，同時解決了標(biāo)校塔建造昂貴等一系列問題，更具機動性和靈活性。

國內(nèi)現(xiàn)行的對于無人機管理方面的法律法規(guī)，主要有中國民用航空局飛行標(biāo)準(zhǔn)司頒布的《輕小無人機運行規(guī)定(試行)》及《民用無人機駕駛員管理規(guī)定》，以上兩部規(guī)定中對所有的無人駕駛航空器都進行了規(guī)定。

關(guān)于無人機駕駛員管理的規(guī)定，下列情況下，無人機系統(tǒng)駕駛員自行負(fù)責(zé)，無須證照管理：

表1 無人機分類

1)在室內(nèi)運行的無人機；

2)Ⅰ、Ⅱ類無人機(如運行需要，駕駛員可在無人機云系統(tǒng)進行備案，備案內(nèi)容包括駕駛員真實身份信息、所使用的無人機型號，并通過在線法規(guī)測試)；

3)在人煙稀少、空曠的非人口稠密區(qū)進行試驗的無人機。

由于無人機機載設(shè)備體積與重量限制，標(biāo)校等機載設(shè)備將有別于傳統(tǒng)安裝于地面標(biāo)校塔的地面設(shè)備。無人機測試標(biāo)校系統(tǒng)采用多旋翼無人機，具備可懸停、操作靈活、結(jié)構(gòu)簡便、機動性強等優(yōu)點[5]。此外有效載荷小、續(xù)航時間短是此類無人機的不足，所以選用Ⅱ類多旋翼無人機作為標(biāo)校平臺，最大限度滿足載重需求，并通過備用電池滿足續(xù)航要求。

1 系統(tǒng)組成

無人機測試標(biāo)校系統(tǒng)由無人機平臺、無人機測試標(biāo)校載荷、地面控制終端組成，主要組成部分如圖1所示，無人機遙控器、遠控終端均屬于地面控制設(shè)備，標(biāo)校源和標(biāo)校天線可統(tǒng)稱為信標(biāo)機，屬于無人機測試標(biāo)校載荷部分。

圖1 無人機測試標(biāo)校設(shè)備組成

標(biāo)校的目的是減小或消除系統(tǒng)誤差并使系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)最佳，標(biāo)校系統(tǒng)使用S/X/Ka三種工作頻段，均具備左旋和右旋的極化方式，滿足S/X/Ka頻段相位標(biāo)校、方向圖測試、天線跟蹤性能測試需求。

天線相位標(biāo)校方法是利用搭載在無人機上標(biāo)校源模塊進行校相。其相位標(biāo)校方法與對塔校相方法類似。主要包括無人機升空懸停，工作參數(shù)設(shè)置，方位、俯仰粗校及精校，增益調(diào)整(定向靈敏度標(biāo)定)，相位檢查(交叉耦合檢查)等工作。

天線方向圖測試方法在通常情況下，其相位標(biāo)校方法與對塔校相方法類似，經(jīng)過方位、俯仰粗校，并完成增益調(diào)整后，主要包括無人機升空懸停，工作參數(shù)設(shè)置，方位、俯仰粗校及精校，增益調(diào)整(定向靈敏度標(biāo)定)，旋轉(zhuǎn)被測天線，形成被測天線方向圖。

天線跟蹤性能測試方法也與對塔測試類似，通過無人機測試標(biāo)校設(shè)備發(fā)射信號，地面天線多次反復(fù)拉偏后自跟蹤可測試跟蹤精度，同時可搭載多頻段標(biāo)校設(shè)備進行S/Ka以及X/Ka等跟蹤引導(dǎo)試驗。

無人機測試標(biāo)校系統(tǒng)可三個頻段同時使用，也可獨立使用，通過地面終端遠程控制。地面終端通過對標(biāo)校源電源控制和旋切開關(guān)來實現(xiàn)不同頻段組合和天線極化控制，以滿足不同的需求。通過遠控標(biāo)校源的電源和極化選擇器來實現(xiàn)頻率和極化選擇，輸出不同的頻率的極化信號，標(biāo)校源可實現(xiàn)不同頻率的不同極化的組合，進一步實現(xiàn)不同方式標(biāo)校引導(dǎo)。圖2為無人機測試標(biāo)校系統(tǒng)的典型應(yīng)用。

圖2 無人機測試標(biāo)校系統(tǒng)應(yīng)用框圖

2 系統(tǒng)重要指標(biāo)分析設(shè)計

2.1 無人機測試標(biāo)校發(fā)射功率設(shè)計

針對天線方向圖測試需要保證信標(biāo)源與測試天線之間距離具備各頻段所需遠場條件，以S/X/Ka三頻段系統(tǒng)為例，根據(jù)天線標(biāo)校的遠區(qū)場條件，信標(biāo)天線應(yīng)位于被測天線的弗朗荷費區(qū)域[6]，對標(biāo)校塔要求如下：

1)被測距離R>=2D2/λ；(式中，D為被測天線直徑，λ為測試信號波長)；

2)被測天線的仰角為半功率波束寬度的3～5倍。

按照工程經(jīng)驗，塔距大于遠場條件1/4時，可以形成正常的天線方向圖，否則和、差波束畸變，無法采用標(biāo)校塔法進行標(biāo)校、測試。因此各頻段對標(biāo)校塔的要求如表2所示。

表2 各頻段對無人機的遠場要求

通過以上分析可知，Ka頻段方向圖測試所需最小距離為6.6 km，存在較大的空間鏈路傳輸損耗，故需要對無人機測試標(biāo)校設(shè)備天線發(fā)射功率進行分析。

自由空間傳輸損耗公式為：

PL(dB)=32.45+20logR(km)+20logf(MHz)

EIRP =標(biāo)校源輸出-線纜損耗+天線增益，S頻段標(biāo)校源到天線線纜損耗為0.2 dB，X頻段為0.3 dB，Ka頻段為0.5 dB，EIRP計算如下：

S頻段：

EIRPS=-5-0.2+5=-0.2(dBm)

X頻段：

EIRPX=5-0.3+5=9.7(dBm)

Ka頻段：

EIRPKa=10-0.5+12=21.5(dBm)

根據(jù)上式計算到LNA入口電平的結(jié)果如表3所示，滿足使用需求。

當(dāng)S/X/Ka頻段標(biāo)校天線輸出最大如表3所示，LNA入口電平小于-50 dBm，可保障后端設(shè)備使用安全，即各頻段發(fā)射EIRP設(shè)計最大值。

表3 LNA入口電平核算表

因標(biāo)校距離相對實際收星較近，同時考慮實際標(biāo)校環(huán)境，此處不對發(fā)射EIRP最小值進行論述，即標(biāo)校設(shè)備EIRP設(shè)計符合系統(tǒng)要求。

2.2 懸停精度對標(biāo)校的影響

無人機測試標(biāo)校系統(tǒng)在使用時，無人機的懸停精度影響最大的是方向圖的測試，本節(jié)以懸停精度(無風(fēng))：≤±0.5 m為條件進行計算。

如圖3，當(dāng)無人機偏移最大懸停精度要求時(即相對地面天線平移1 m距離時)，對應(yīng)方向角度的偏移β=2α=2*arcsin(0.5/R)，據(jù)此得出表4結(jié)果。

圖3 懸停精度分析圖

表4 懸停精度對指向影響分析表

由表4可知偏移角度由于天線的指向精度要求，對天線方向測試不會造成畸變。標(biāo)校源安裝在穩(wěn)定平臺上，穩(wěn)定平臺按照相機正常攝像工作為標(biāo)準(zhǔn)，參照國內(nèi)類似標(biāo)校系統(tǒng)的調(diào)試過程，本系統(tǒng)裝配之后將在不同高度、風(fēng)速環(huán)境下進行預(yù)調(diào)試和數(shù)據(jù)采集，最終形成系統(tǒng)工作操作規(guī)程，以滿足天線標(biāo)校工程需要。

2.3 無人機測試標(biāo)校續(xù)航時間

無人機測試標(biāo)校設(shè)備續(xù)航時間受到無人機載重影響，單次續(xù)航時間包含了無人機測試標(biāo)校設(shè)備的起飛時間、降落時間、標(biāo)校天線對準(zhǔn)時間以及校相、測試時間。無人機采用電池供電，電池在供無人機飛行的同時，向標(biāo)校源供電以發(fā)射無線信號和向機載測控通信模塊供電以完成與地面通信，機上核準(zhǔn)電池容量需滿足單次至少20 min飛行耗電和信號發(fā)射耗電，通過更換電池，實現(xiàn)總續(xù)航時間120 min以上。單次續(xù)航時間內(nèi)標(biāo)校任務(wù)規(guī)劃包含相位標(biāo)校和方向圖測試。

2.3.1 相位標(biāo)校

1)無人機(含終端確認(rèn))、跟蹤變頻器頻點切換時間：3 s；

2)無人機旋向切換時間：3 s；

3)天線自動標(biāo)校流程時間(工程經(jīng)驗)：20 s；

4)無人機上升時間(100 m)：100 m/5 m/s=20 s；

5)無人機下降時間(100 m)：100 m/3 m/s≈34 s；

按照無人機電池單次續(xù)航時間20 min即1 200 s計算，扣除上升、下降約60 s的時間，因此在不考慮切換旋向的前提下，單次可完成1 140 s/23 s≈49個頻點校相任務(wù)。

2.3.2 方向圖測試

1)無人機(含終端確認(rèn))、跟蹤變頻器頻點切換時間：3 s；

2)無人機旋向切換時間：3 s；

3)天線方向圖單次測試掃描時間(工程經(jīng)驗)：

4)俯仰掃描范圍以對準(zhǔn)角度為基準(zhǔn)-3°～3°；

5)方位掃描范圍以對準(zhǔn)角度為基準(zhǔn)-5°～5°；

6)俯仰、方位掃描速度為恒速：0.5°/s；

7)頻譜儀設(shè)置時間：26 s；

8)頻譜儀存圖時間：30 s；

因此單頻點方向圖(方位和俯仰)掃描時間約為(需考慮偏置再回零共2個偏置范圍)：24 s+40 s+56 s=120 s；

無人機上升時間(100 m)：100 m/5 m/s=20 s；

無人機下降時間(100 m)：100 m/3 m/s≈34 s；

按照無人機電池單次續(xù)航時間20 min即1 200 s計算，扣除上升、下降約60 s的時間，因此在不考慮切換旋向的前提下，單次可完成1 140 s/120 s≈9個頻點方向圖掃描任務(wù)。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1 無人機平臺

無人機選用大疆Matrice200V2無人機，采用DJI領(lǐng)先的飛控系統(tǒng)，具備雙冗余IMU和氣壓計提升安全性。配合智能電機驅(qū)動器，提供了敏捷、穩(wěn)定、安全的飛行性能。返航功能可使飛行器自動飛回返航點并自動降落。除了可實現(xiàn)穩(wěn)定飛行和懸停以外，多方位的視覺及紅外感知系統(tǒng)使飛行器可及時探測并自主躲避障礙物，進一步提升安全性。

圖4 Matrice200V2多旋翼無人機整機圖

Matrice200V2無人機起飛重量包括機身重量、動力電池重量、載荷重量，詳細重量如表5所示，載重符合Ⅱ類無人機。

M200V2的飛控系統(tǒng)支持飛行模式包括P模式(定位)、S模式(運動)、A模式(姿態(tài))。

表5 無人機起飛重量表

M200V2無人機具備自動返航的能力。M200V2無人機為操控者提供三種返航方式，分別為智能返航，智能低電量返航以及失控返航。在無人機起飛前已記錄返航點，并且具備良好的GPS信號，當(dāng)遙控器與無人機失聯(lián)時，無人機也能夠自動返回返航點并平穩(wěn)降落，以防發(fā)生危險。

3.2 標(biāo)校源模塊

標(biāo)校源設(shè)計為S/X/Ka頻段標(biāo)校源為同一個模塊，集成了標(biāo)校源遠控模塊。

機載產(chǎn)品對于重量和功耗，都有嚴(yán)格的要求，體積小、重量輕、功耗低等特點，考慮到要實現(xiàn)三個不同頻段，因此標(biāo)校源采用分頻段方案進行設(shè)計，將標(biāo)校源做成標(biāo)準(zhǔn)化模塊。

標(biāo)校源是給標(biāo)校設(shè)備提供激勵信號，用來對天線進行標(biāo)校，其組成原理框圖如圖5所示。晶振模塊給標(biāo)校源模塊提供參考信號，標(biāo)校源模塊通過鎖相環(huán)電路輸出一個頻率信號給天線模塊，天線模塊用來滿足激勵信號的定向輻射[7]。電源單元用來給整個標(biāo)校分系統(tǒng)提供需要的電壓。

圖5 S/X/Ka頻段標(biāo)校源原理框圖

標(biāo)校源輸出的信號步進為100 kHz(S/X/Ka頻段)，考慮的小型化、輕量化和低功耗，標(biāo)校源模塊采用集成的鎖相芯片。標(biāo)校源單元分別輸出2.0～2.3 GHz，7.0～9.0 GHz，25.0～27.5 GHz的頻率信號，鑒相雜散為100 kHz，輸出信號的鑒相雜散抑制50 dBc。

寬帶頻率發(fā)生器原理框圖如圖6所示。標(biāo)校源通過加入兩級數(shù)控衰減器實現(xiàn)-50～10 dB的增益調(diào)整，步進為1 dB，輸出信號功率最大為0 dBm，滿足輸出功率調(diào)整范圍-50～-5 dBm(S)可調(diào)、-50～5 dBm(X)可調(diào)、-50～10 dBm(Ka)可調(diào)和1 dB衰減精度的技術(shù)需求。

標(biāo)校源采用的是無人機電池供電，因此盡量選取小電流低功耗的器件。頻率源采用100 MHz溫補晶振作為參考時鐘，該晶振電流小于6 mA，相位噪聲優(yōu)于-148 dBc/Hz@10 kHz。鑒相器的鑒相頻率為100 MHz，采用小數(shù)N分頻模式，鎖相輸出本振頻率。鎖相環(huán)電路采用集成鎖相芯片HMC830LP6G，該芯片具有高集成度、低相位噪聲、寬頻帶、低功耗等特點，輸出頻率覆蓋25～3 000 MHz，在100 kHz處相位噪聲可達到-115 dBc/Hz。

一般情況下，輸出頻率越高，分頻比越大，相位噪聲惡化越大，因此只計算最大頻點處相位噪聲。S頻段標(biāo)校源輸出最大頻率為2 300 MHz，根據(jù)鎖相環(huán)理論可知，環(huán)路帶寬內(nèi)的相位噪聲是由晶振和分頻比決定，因此可計算出最大頻點處相位噪聲惡化20 log(2 300/100)=27 dB，可計算出晶振經(jīng)過惡化后的相位噪聲指標(biāo)為：

-126 dBc/Hz@1 kHz；

-133 dBc/Hz@10 kHz；

-128 dBc/Hz@100 kHz；

-128 dBc/Hz@1 MHz。

環(huán)路帶寬以外的相位噪聲由VCO的相位噪聲決定，VCO的相位噪聲指標(biāo)為：

-115 dBc/Hz@100 kHz；

-135 dBc/Hz@1 MHz。

晶振相位噪聲曲線與VCO相位噪聲曲線的交點在400 kHz處，即最佳環(huán)路帶寬選擇為400 kHz。環(huán)路帶寬內(nèi)相位噪聲公式：

PN=PNtot+10logfpd+20logN

PN=-227+10×log(100×106)+20×log(2300/100)=

-120 dBc/Hz@10 kHz

實際工程應(yīng)用中電路對相位噪聲的惡化約5 dB，那么最終輸出本振信號的相噪可以達到-115 dBc/Hz@10 kHz，-117 dBc/Hz@100 kHz。1 MHz處于環(huán)路帶寬之外，由VCO在1 MHz處的相位噪聲減去惡化值，約為-130 dBc/Hz@1 MHz。

圖6 寬帶頻率發(fā)生原理框圖

3.3 雙圓極化天線模塊

天線模塊用來實現(xiàn)激勵信號的定向輻射，來對被測天線進行標(biāo)校，天線采用LHCP(左旋圓極化)、RHCP(右旋圓極化)兩種極化方式。

S頻段和X頻段天線均采用微帶貼片天線，通過后端微帶電橋?qū)崿F(xiàn)其雙圓極化功能，采用隔片圓極化器形成左右旋圓極化。

圖7 S/X微帶天線圖

Ka頻段雙圓極化天線采用喇叭形式采用隔片圓極化形成左右旋圓極化[8]。

圖8 Ka喇叭天線圖

3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)

本次無人機采用取消設(shè)備云臺相機，利用其安裝結(jié)構(gòu)進行增加結(jié)構(gòu)件適配器來安裝標(biāo)校源模塊、雙圓極化天線。利用無人機原有三軸穩(wěn)定安裝孔位，進行增加適配器。采取利用無人機攝像云臺結(jié)構(gòu)接口，根據(jù)此結(jié)構(gòu)使標(biāo)校分系統(tǒng)與之匹配，從而將標(biāo)校分系統(tǒng)安裝在無人機上。根據(jù)無人機負(fù)載需求盡量減輕無人機負(fù)載，使用重量輕、硬質(zhì)的材料。

模塊搭載方式采用利用原無人機負(fù)載搭載結(jié)構(gòu)，增加部分結(jié)構(gòu)件，來達到包括標(biāo)校源模塊、雙圓極化天線的搭載，主要采用上下對接方式。

圖9 標(biāo)校源、天線安裝結(jié)構(gòu)示意圖

3.5 系統(tǒng)遠控設(shè)計

1)標(biāo)校源遠控終端(地面)[9]:

無人機遠控終端可對無人機發(fā)送頻率、極化、功率參數(shù)，并可以查詢當(dāng)前參數(shù)。纖薄機身，靈巧便攜，采用高清電容觸摸屏，點擊一觸即達，使用方便。持久續(xù)航，4 500 mAh大電池設(shè)計，待機300個小時，正常使用8小時；IP65防護設(shè)計，防塵防水，滿足苛刻環(huán)境使用需求。

2)機載標(biāo)校源遠控通信模塊[10]:

機載標(biāo)校源遠控通信模塊采用透明傳輸?shù)陌腚p工的無線擴頻通信體制，采用單片機設(shè)計，功耗小，性能高。通信模塊采用兩種工作頻段：433 MHz和490 MHz，每個頻段各有8個信道，配備有專業(yè)的設(shè)置軟件，模塊通信距離可達5 km。

表6 機載標(biāo)校源遠控通信模塊指標(biāo)

為減輕無人機負(fù)載重量，機載標(biāo)校源遠控通信模塊集成在信標(biāo)源模塊內(nèi)。遠控通信模塊與信標(biāo)模塊連接，實現(xiàn)遙控命令的接收下發(fā)和數(shù)據(jù)傳輸。如圖10所示。

圖10 遠控通信與標(biāo)校信號發(fā)生器模塊連接關(guān)系

注意：模塊的SLE腳懸空或高電平時，模塊處于休眠狀態(tài)。SLE腳是低電平，模塊處于正常工作狀態(tài)。

3)遠控軟件接口需求:

發(fā)送命令格式：幀頭(AC55)+終端地址(00～0F)+頻率+功率(最高位表示符號)+極化(左旋/右旋)+信道(00～0F);

接收數(shù)據(jù)格式：幀頭(AC55)+終端地址(00～0F)+頻率+功率(最高位表示符號)+極化(左旋/右旋)+信道(00～0F)+溫度(最高位表示符號)。

4 載重與續(xù)航分析

無人機測試標(biāo)校載荷包括標(biāo)校源模塊、雙圓極化天線，結(jié)構(gòu)件等主要部件。將影響無人機飛行性能的指標(biāo)進行論證，包括載荷功耗和載荷重量。

表7 無人機測試標(biāo)校載荷重量與功耗

無人機機身重量為4.69 kg，載荷重量為1.03 kg，起飛重量則約為5.72 kg，符合無人機“建議起飛重量：≤6.14 kg”的要求，同時也符合II類無人機起飛重量要求。

由于載荷采用無人機電池供電，在無人機第三方接口供電，在模塊內(nèi)進行變壓處理，影響無人機續(xù)航的主要因素為載荷重量.標(biāo)校源功耗約為19 W,在單個TB55電池能量為174.6 Wh，2個電池情況下174.6*2=349.2 Wh，根據(jù)標(biāo)校源一小時消耗的能量為19 Wh,349.2:19≈18.38:1,在飛行時間內(nèi)標(biāo)校源消耗電池能量不足6%所以可忽略不計。從圖11無人機負(fù)載&時間曲線來看，載荷1 030 g續(xù)航時間約24 min。在滿足標(biāo)校源和機載標(biāo)校源測控通信模塊供電情況下，結(jié)合載荷實際重量小于設(shè)計重量，滿足實際續(xù)航時間可實現(xiàn)單次飛行時間(包含起飛、降落)大于20 min。

圖11 無人機負(fù)載續(xù)航時間分析圖

5 結(jié)束語

文中與現(xiàn)有標(biāo)校塔設(shè)備相比的優(yōu)點在于提高系統(tǒng)的機動性和靈活性，降低成本，較以往標(biāo)校系統(tǒng)能夠滿足Ka頻段的標(biāo)校遠場距離和高度。本文以Ⅱ類無人機為平臺，搭載各頻段標(biāo)校源、標(biāo)校天線、遠控通訊模塊，在滿足無人機無證照管理的各項規(guī)定的前提下，最大利用其載重來進行S/X/Ka三頻地面站天線的標(biāo)校。經(jīng)過試驗驗證，證明該設(shè)計是可行的，本方法已經(jīng)成功應(yīng)用于實際工程中，目前運行良好。