原创《无人机助力固定监测站测向校准》
本文是无人机有关论文范文资料和测向和监测站和无人机有关论文如何写。
文/ 吴迪松
无线电管理技术快速发展,我国固定监测站数量正实现跨越式增长.但标准测试场地的缺乏,在一定程度上影响了监测测向精确度,也导致已建监测站在验收、运维过程中缺乏技术保证.宁波市无线电管理机构针对现实测向工作的不足,提出利用多旋翼无人机进行固定监测站测向精度校准,通过空中作业,为固定监测站测向校准打开了新思路.
我国无线电管理技术近年实现跨越式发展, 截至“十二五”期末,全国V H F（甚高频）、U H F（特高频）固定监测站覆盖了63%的县级城市,建有固定监测站2522个.无线电监测是无线电管理的重要环节之一,是无线电频谱管理的“眼睛”和“耳朵”,大部分固定监测站都具有监测测向功能,其测向精度是无线电管理技术人员需要掌握的重要技术指标,对实际工作特别是干扰查处定位具有很强的技术参考作用.
2013年,我国出台了《VHF/UHF无线电监测测向系统开场测试参数和测试方法》,但实际操作中,由于受周边建筑物及复杂城市环境的影响,监测人员很难找到标准的测试场地,导致监测站测向精确度存在一定误差,且无从验证是否科学准确.很多设备供应商针对此项测试的不足,不断提升测向技术指标,从而抬高设备,测向精度误差从几年前的10度、5度发展到目前的1度甚至0.5度.理论上,如此高的测向精度会大幅提升实际测向效果,但监测人员实际工作中却感受不到测向能力有明显改善.究其原因,主要在于用户缺乏实际测试环境,很难掌握系统实际技术参数,因此再高的技术指标参数也不过是合同上的一个数字.同时,测向精度无法校准,对大量现有固定监测站的运维造成了很大不确定性.
值得庆幸的是,近年无人机技术快速发展,并不断深入无线电管理应用,为固定监测站测向校准提供了良好的平台.无人机可以将信号源带入高空,有效避免城市建筑物阻挡因素的影响,为测向工作提供了相对标准的测试场地,并大大提高了工作效率和数据准确性.
现有固定监测站测向精度测试
目前,针对固定监测站测向精度测试,无线电管理机构主要使用国家标准《VHF/UHF无线电监测测向系统开场测试参数和测试方法 》.该标准对监测测向的测试场地、测试环境、测试方法都做了较为详细的规定,但实际工作过程中,技术人员发现很多固定监测站在验收、日后运维工作中,并没严格执行上述标准.
究其原因,主要由于城市环境影响,很难找到合格的标准测试场地,只能退而求其次,使用相对空旷的场地进行测试.同时,测试主要以人工为主,一组测试人员在外场放置信号源,并手动设置调整频率；另一组测试人员在固定监测站进行测向,同时对其记录,最后通过求均方根方式对数据进行处理.这样的测试由于全程手工执行,误操作或人为影响因素较大,测试结果的科学性、准确性不足.而且一个方位测试至少需要调整84个频率,且两组测试人员要紧密配合,最后再进行数据处理,测试效率很低.
综上可知,现有固定监测站测向精度测试主要存在三方面问题.首先,缺乏标准场地,实测工作易受周围建筑环境影响；其次,全程人工操作,容易出错,测试准确度不高；此外,需多人密切配合,测试数据量大,测试效率低.
基于无人机的测向精度校准系统
针对现有固定监测站测向精度测试中的不足,宁波市尝试利用多旋翼无人机设计固定监测站测向校准系统,将信号源带入空中,远程控制空中信号源的信号发射.同时通过软件使固定监测站对各频点信号进行测向并记录,通过数据计算得出最终测向精确度.
具体操作可由无人机搭载小型信号源,垂直升空到测向天线的主向.无人机的地理位置是确定的,包括经纬度和海拔高度,可以推算出角度θ2（如果天线有下倾角,无人机应该停留在天线水平线偏下的位置）.由测向站完成无人机上信号源的测向,并输出测试示相角结果θ1.通过计算Δθ 等于 θ1- θ2,得出固定监测站实测的示相角与真实角度的差值,即为固定监测站测向精度的偏差.
在此过程中,测试场地应远离强辐射源,无再次辐射场；在测试频点上,干扰信号应不高于被测系统标称灵敏度,电磁环境应符合GB/T 25003-2010中对VHF/UHF频段无线电监测站电磁环境干扰允许值和周边障碍物的限制要求.每次测试前,应对电磁环境进行测量,以避开空中干扰信号.
发射系统发射天线与被测系统测向天线的极化方式应一致.设置发射系统输出为标准单载波信号,调整其发射功率,使场强测量系统天线处的接收电平高于被测系统标称灵敏度20dB；根据被测系统工作频率范围,选取测试频点和方位角度间隔；当信号源处于某一个方位角 αj（ j等于1、2……m,参考真值为 αj）时,控制发射系统和测向系统在选定的测试频点fi（i等于1、2……n）上进行测向,设置被测系统测向带宽为10kHz～15kHz（一般选择 10kHz～15kHz,如果被测系统不支持,则选择大于该参数的最近数值）,其他设为最优状态,记录测向结果（示向度） αj′与 αj的差,即为被测系统在方位角αj、频率fi上的示向度误差；按照规定将信号源放置到下一个方位,重复上述步骤,直至所有方位测试完毕.
将测试数据记录在图表中,当测出被测系统在各个方位角上、整个频段内所有频点的示向度误差Δθij后,即可得出该测向系统的测向误差.
无人机测向系统设计与实现
基于多旋翼无人机的固定监测站测向校准系统设计主要包括三部分内容：一是无人机的架构设计、布局及改装；二是发射源的选配及控制系统的设计；三是固定监测站的软件设计.
无人机设计主要考虑机架、电机、电调、可折叠螺旋桨的设计及飞行参数的要求.
机架设计：目前无人机有四轴、六轴、八轴多旋翼架构,技术人员依据每种架构的自身特性、升力、悬挂重量及安全因素,采用了四轴四旋翼的架构,按选定的校准系统专门设计并特殊加工：对称电机轴距900mm、单臂长度358mm、单臂重量（含电机、电调、螺旋桨）316g、中心架直径272mm、中心架重量（含起落架安装基座和舵机）1185g、起落架尺寸460mm（长）×450mm（下底宽）×360mm（高）.
电机设计：定子尺寸41×14mm、KV值400rpm/V、最大功率500W、重量（含散热风扇）158g.
电调设计：工作电流40A、工作电压6S LiPo、容信号频率30Hz～450Hz、驱动PWM频率8KHz、重量（含散热器） 35g.可折叠螺旋桨设计：材料选用高强度工程塑料,尺寸为15×5.2inch、重量13g.
飞行参数技术要求：起飞重量4.7Kg～8.2Kg、整机重量3.3Kg、动力电池LiPo（6S、10000mAh～15000mAh、最小15C）、最大功耗3000W、悬停功耗1000W（起飞重量6.8 Kg）、悬停时间1 8 m i n （ 1 2 0 0 0 m A h & 起飞重量6 . 8 Kg）、工作环境温度-10°C～40°C.
发射源的选配主要包括信号源、天线、平板电脑的选配及控制系统设计.信号源选配过程中的输出频率范围为1MHz-8GHz；输出电平可调,最大为10dBm；射频输出接口为Nf；采用平板电脑和软件控制工作；尺寸为100×25×25mm；重量约90g.天线选配过程中,天线1覆盖0.3 GHz ~8GHz；天线2采用成套拉杆天线,覆盖30 GHz ~300MHz.由于信号源需要带有USB3.0的接口进行供电,技术人员选择了联想平板电脑作为信号源控制器,尺寸为224 . 3×132×8 . 8mm,采用Windows8操作系统.远程控制系统的选配采用具有定向天线的大功率无线路由器、联想笔记本电脑,主要用于远程控制无人机平板,对其进行频率及功率大小的设定及调整.
软件设计过程中,通过开放现有固定监测站监测测向权限,从低端信号开始进行快速扫描,如发现信号就对其进行测向,同时记录测向示向度,根据信号源位置及固定监测站位置信息计算实际测向度,并对各频点数据进行处理,最后得出该方位的测向误差.
通过对宁波某固定监测站的现场测试,在4个方位对该站进行测向精确度校准,使用时间共计28分钟,测向精度与原固定监测站验收报告中的测试结果相比,存在一定出入,且有些频点测向精度出入较大.
系统问题及改进方案
宁波市通过使用无人机,基本解决了现有固定监测站测向校准不足问题,有效提升了测向精确度和测试效率.综观基于多旋翼无人机的固定监测站测向校准系统设计及实地测试过程,虽然能够基本满足现阶段固定监测站测向校准需求,但仍存在系统稳定性和软件自动化程度不高、无人机续航能力差、测试项目单一等不足.下一步,技术人员将重点做好以下工作,对该系统进一步扩展,使其成为一套固定监测站综合测试校准系统.
首先,扩展固定监测站测试项目,不仅能测试测向精确度,还可以提供监测灵敏度、测向灵敏度、场强精度、信号识别能力等各类项目测试.其次,采用系留无人机为平台,实现连续不间断的24小时供电.此外,采用一键傻瓜式操控,方便各类测试人员使用,同时安全性得到进一步提升.最后,进一步提高软件集成度及自动化程度,通过测试自动生成测试报告.宁波市技术人员将不断研究改进,使相关系统在无线电固定监测站验收及日常运行维护中发挥重要作用.
VHF（Very High Frequency,甚高频）是指频率为30 MHz～300 MHz的无线电电波,多数用作电台及电视台广播,同时也是航空、航海的沟通频道.VHF主要用作短途传送,容易受地形等环境因素影响.
UHF（Ultra High Frequency,特高频）是指频率为300 MHz～3000MHz,波长在1m～1dm的无线电波,又称为分米波,常用于广播电视领域.UHF可以用小而短的天线作收发,适合移动通信,如军用航空无线手机（800MHz,1.5GHz）、无线网络（2.4GHz）、业余无线电（430MHz,1200MHz,2400MHz）.
无人机论文参考资料：
综上资料：这篇文章为一篇适合不知如何写测向和监测站和无人机方面的无人机专业大学硕士和本科毕业论文以及关于无人机论文开题报告范文和相关职称论文写作参考文献资料。
