阮黎明，孫旭祥，章 煜

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江 嘉興 314033)

0 引言

測向系統(tǒng)的測向精度是評估測向系統(tǒng)性能時(shí)的一個(gè)重要指標(biāo)。傳統(tǒng)測向精度的測試方案一般以測向系統(tǒng)為中心，在距離R的圓周上選取八個(gè)測試方位。發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的距離R一般在10到15個(gè)波長以上(以3 MHz為例，就是1～1.5 km)。系統(tǒng)分別對每個(gè)測試點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行測向，與實(shí)際方位進(jìn)行比較，綜合各個(gè)點(diǎn)位計(jì)算測向誤差的均方根值，得到系統(tǒng)的測向精度指標(biāo)[1]。

這種測向精度的測試方法原理比較簡單，但實(shí)際實(shí)施起來卻有一定的難度。主要是滿足測試條件的場地環(huán)境比較難找，它要求周圍無遮擋，盡量遠(yuǎn)離高壓線、變壓器、變電站、高大建筑物、大的金屬廣告牌、江河等可能造成干擾的環(huán)境因素，以盡可能保證信號(hào)的直線傳播[2]。理想的情況是有一塊田字形的大型空曠場地，測向系統(tǒng)布置在中心，裝有電臺(tái)的車輛沿著四邊道路機(jī)動(dòng)，然而在城市現(xiàn)代化高速發(fā)展的今天，要找到這樣一塊合適的測試場地并非易事。

另一種方案是建設(shè)一個(gè)高精度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，將測向系統(tǒng)放在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上測試。電臺(tái)發(fā)射點(diǎn)一般固定在離旋轉(zhuǎn)平臺(tái)一定距離的位置上，測向系統(tǒng)在工作頻段范圍內(nèi)進(jìn)行測試。完成一組測試后，電臺(tái)不需要移動(dòng)，只需要控制平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，就可以進(jìn)行下一個(gè)方位角度的測試，這樣每個(gè)方位的測試環(huán)境都是相同的，場地的建設(shè)可以無限接近標(biāo)準(zhǔn)場地的要求，測試結(jié)果受環(huán)境的影響很小。

相比于第一種方案，這種方案的優(yōu)勢是很明顯的。但它的場地建設(shè)要求還是比較高的，其轉(zhuǎn)臺(tái)的角度旋轉(zhuǎn)也需要有高精度的數(shù)控設(shè)備來控制，制造成本較高。也因此，即便建設(shè)起來測試場地，電臺(tái)到轉(zhuǎn)臺(tái)之間的距離往往也比較有限，一般能達(dá)到100 m～200 m就非常不錯(cuò)了，對于超短波系統(tǒng)還行，但對于短波系統(tǒng)顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。專業(yè)的研究機(jī)構(gòu)可能建設(shè)超短波系統(tǒng)的測試場或微波暗室來進(jìn)行這方面的測試，但條件所限，一般對于100 MHz以下的測試暗室很難建設(shè)。而短波系統(tǒng)由于受天線尺寸和測試距離的限制，很難用這種方法測試。

綜上，現(xiàn)有測向技術(shù)存在如下不足：

1)道路導(dǎo)致測試點(diǎn)無法到達(dá)，場地傳輸路線上有障礙物，影響信號(hào)的直線傳播；

2)測試時(shí)電臺(tái)和測向系統(tǒng)的配合，逐個(gè)頻率的人工測試效率非常低下。

因此，尋找另一種簡單易行高效的測試方法是非常必要的。

1 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

仔細(xì)分析傳統(tǒng)的測試方法，主要有兩方面的問題。一個(gè)是沒有道路測試點(diǎn)無法到達(dá)，或者場地傳輸路線上有障礙物，影響信號(hào)的直線傳播。還有一個(gè)就是人工測試的低效問題。如果能解決好這兩個(gè)問題，測向性能的測試問題基本也就解決了。

第一個(gè)問題最好的解決辦法是不要用車輛來運(yùn)輸電臺(tái)，而采用空中發(fā)射平臺(tái)，既可以到達(dá)任何位置，又可以避開信號(hào)傳輸路線上的障礙物，保證信號(hào)沿直線傳播?，F(xiàn)代無人機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，多旋翼無人機(jī)的出現(xiàn)提供了一條解決這個(gè)問題的捷徑。

多旋翼無人機(jī)相較于其它無人機(jī)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，它具有可以垂直起降，可以定點(diǎn)盤旋、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、安全性高、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)上大多配置有GPS/GLONASS/BD等定位和遙控裝置，可以從地面很好地遙控飛行和滯空停留，其定位數(shù)據(jù)如經(jīng)緯度坐標(biāo)和高度都可以很方便地讀取。

有了合適的平臺(tái)，還需要解決電臺(tái)的問題，普通的通信電臺(tái)由于重量太大，不適合于安裝在一般的民用多旋翼無人機(jī)平臺(tái)上。為此可以設(shè)計(jì)一個(gè)小型的簡易信標(biāo)源，用于產(chǎn)生出符合要求的頻率信號(hào)作為測試目標(biāo)。其整體重量應(yīng)嚴(yán)格控制，太大的重量會(huì)影響無人機(jī)的滯空時(shí)間。

第二個(gè)問題最好的解決辦法是避免人工測試，而采用軟件自動(dòng)化測試方法。

信標(biāo)源的遠(yuǎn)程遙控需要通信方式來保證，傳統(tǒng)的通信方式往往需要兩部電臺(tái)來實(shí)現(xiàn)，其較大的體積和重量顯然并不適合應(yīng)用在本方案。信標(biāo)源的控制可以采用4G無線網(wǎng)卡通信方式實(shí)現(xiàn)。在地面測向系統(tǒng)的微機(jī)終端和無人機(jī)載信標(biāo)源上各裝一個(gè)4G無線網(wǎng)卡，其體積重量非常小，內(nèi)插SIM卡，在有4G手機(jī)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的地方都可以實(shí)現(xiàn)無線通信。

然后編制一個(gè)自動(dòng)化測試的軟件，通過地面測向系統(tǒng)的微機(jī)終端軟件同時(shí)控制信標(biāo)源的信號(hào)發(fā)射和測向系統(tǒng)的方位測試，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測試，可以大大提高測向精度的測試效率。

這樣，基于用升空多旋翼無人機(jī)作為信標(biāo)源搭載平臺(tái)，采用4G網(wǎng)絡(luò)通信作為遙控方式的一種新的軟件自動(dòng)化測試方案就形成了，見圖1。

圖1 多旋翼無人機(jī)平臺(tái)測試布局示意圖

2 具體實(shí)施方式

本方案給出了一種自動(dòng)化測向測試方法，參考圖2，該自動(dòng)化測向測試方法包括如下步驟：

圖2 測向系統(tǒng)自動(dòng)化測試步驟

步驟一、微機(jī)終端設(shè)置基本參數(shù)并通過第一4G無線網(wǎng)卡發(fā)送給多旋翼無人機(jī)攜帶的信標(biāo)源。

為了保證測向精度，本方案采用多旋翼無人機(jī)搭載的信標(biāo)源，實(shí)現(xiàn)了空中發(fā)射平臺(tái)，可以有效避開遮擋物，從而降低對周邊環(huán)境的要求。

為了自由選取測向系統(tǒng)的工作頻段范圍，本方案通過微機(jī)終端(即地面終端)設(shè)置基本參數(shù)(包括測向的起始頻率、頻率步進(jìn)、頻率數(shù)量和信號(hào)駐留時(shí)間)，并通過基本參數(shù)，對信標(biāo)源產(chǎn)生的序列信號(hào)進(jìn)行頻率控制。

步驟二、信標(biāo)源通過第二4G無線網(wǎng)卡接收基本參數(shù)后發(fā)射用于測試的信標(biāo)。

對于500 MHz以下的信號(hào)，由信號(hào)產(chǎn)生器生成的信號(hào)經(jīng)過濾波和適當(dāng)衰減提純后放大輸出，可以得到不小于0 dBm的信標(biāo)，供測試使用。

對于0.5 G～6 G以上頻率較高的信號(hào)，由于頻段太寬，需要分段處理，按照頻率的高低設(shè)計(jì)了4路通道。每路通道分別設(shè)計(jì)了一個(gè)高通濾波器和一個(gè)低通濾波器，可以很好地解決信號(hào)的諧波干擾等問題，在頻率最高那路，因?yàn)樾盘?hào)衰減厲害，需要多設(shè)計(jì)一個(gè)放大器進(jìn)行平衡。最終可以得到不小于-3 dBm的信標(biāo)，供測試使用。因此，本方案的信標(biāo)包括大于0 dBm的第一信標(biāo)和大于-3 dBm的第二信標(biāo)，其整體重量可以控制在100 g以內(nèi)。

圖3 信標(biāo)源的工作原理示意圖

步驟三、測向機(jī)實(shí)時(shí)接收信標(biāo)并進(jìn)行同步測向并將測向結(jié)果實(shí)時(shí)返回給微機(jī)終端。

本方案通過控制頻率點(diǎn)和方位的采樣數(shù)，保證足夠的樣本數(shù)，以保證得到的測向精度越接近真實(shí)。

本方案中的信標(biāo)源的控制，采用4G無線網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)。在地面測向系統(tǒng)的微機(jī)終端和無人機(jī)載信標(biāo)源上各裝一個(gè)4G無線網(wǎng)卡，其體積重量非常小，內(nèi)插SIM卡，在有4G手機(jī)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的地方都可以實(shí)現(xiàn)無線通信，非常的方便實(shí)用。

本方案的測試流程如圖4所示：進(jìn)入自動(dòng)化測試界面后，首先設(shè)置好基本參數(shù)，如起始頻率、頻率步進(jìn)、頻率數(shù)量以生成信號(hào)的頻率集，信號(hào)自動(dòng)跳到下一個(gè)頻率點(diǎn)的駐留時(shí)間。然后啟動(dòng)自動(dòng)化測向，此時(shí)信標(biāo)源生成序列信號(hào)并發(fā)射，而測向機(jī)同步進(jìn)行測向，完成工作后每一個(gè)頻率點(diǎn)的測向結(jié)果均會(huì)被自動(dòng)記錄。這個(gè)過程可以重復(fù)進(jìn)行，必要時(shí)也可以修改基本參數(shù)后再行測試。

圖4 自動(dòng)化控制流程圖

測試結(jié)果：系統(tǒng)測試完成后，其采集到的測向結(jié)果將自動(dòng)保存到數(shù)據(jù)庫中。也可將采集到的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入EXECL表中，可以很方便地得到一張系統(tǒng)測向誤差的打點(diǎn)分布圖。圖5就是某套測向系統(tǒng)在某個(gè)方位工作在30 MHz～110 MHz頻段的一次自動(dòng)化測試數(shù)據(jù)實(shí)例，橫軸為其工作頻段，單位：MHz，縱軸為測向誤差，單位：度。每0.5 MHz取一個(gè)采樣點(diǎn)，一共160個(gè)采樣數(shù)據(jù)。

圖5 測向系統(tǒng)自動(dòng)化測試數(shù)據(jù)實(shí)例

在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以對系統(tǒng)進(jìn)行多方位測試，比如每2度進(jìn)行一次測試，依據(jù)所有的測試結(jié)果造一張系統(tǒng)的校準(zhǔn)表輸入系統(tǒng)，測向系統(tǒng)性能可以得到大大提升！面對如此大的測試工作量，本方案的軟件自動(dòng)化測試在工作效率上面的優(yōu)勢就非常明顯了。采用傳統(tǒng)方法測試可能需要幾天的工作量，在采用本自動(dòng)化方法測試時(shí)可能僅需要幾十分鐘就可以完成。

3 結(jié)束語

采用多旋翼無人機(jī)搭載的信標(biāo)源進(jìn)行空中發(fā)射，既可以到達(dá)任何位置，又可以避開信號(hào)傳輸路線上的障礙物，保證了信號(hào)沿直線傳播，避免了測試環(huán)境這個(gè)不確定因素；微機(jī)終端通過4G無線網(wǎng)卡通信控制信標(biāo)源的信號(hào)發(fā)射和測向系統(tǒng)的方位測試，最終實(shí)現(xiàn)了測向系統(tǒng)的自動(dòng)化測試，大大提高了測試效率。