一种机动式相控阵天线方向图测试系统与方法与流程

本发明属于方向图测试领域，涉及一种机动式相控阵天线方向图测试系统与方法。

背景技术：

1、相比于传统反射面天线，相控阵天线具有扫描速度快、波束指向灵活等优点，在众多领域正在逐步推进和广泛应用。天线方向图作为天线性能指标一项非常重要的参数，一直是相控阵天线测试的重点。传统的天线方向图测试，一般需借助微波暗室或标校塔来进行，灵活度不高，场地局限性大。对于已经部署在外场的机动相控阵天线系统，需要及时获取天线实际性能，特别是大型车载相控阵系统，可以适配的大型暗室数量极少。同时，随着相控阵技术的发展，天线系统能够形成的波束数量也在逐渐增加，依靠人工逐个天线波束进行串行测试，既影响了任务的正常执行，也降低了天线测试的效率。因此亟需一种能够适应多波束并行工作、测试灵活、不依赖测试环境、可机动运行的天线方向图测试系统。

2、公开号为cn 116643095 a的发明专利申请文件公开了一种相控阵天线方向图测试系统及方法，包括射频子系统、同步控制子系统以及数据处理子系统，测试前先将要测试的波束控制码存入指令存储转发器中，测试时同步控制子系统根据角度同步脉冲信号将波束控制码发送至射频子系统，使得射频子系统产生相应波束的射频信号，然后同步控制子系统发送采样触发脉冲信号至射频子系统，对射频信号采样得到射频信号幅度和相位，并将其发送至数据处理子系统，最后数据处理子系统生成对应的角域方向图，完成所有待测试剖面的方向图测试。对比文件通过利用角度同步脉冲信号来生成对应的射频信号，并完成射频信号的扫描采集，能够高效地、准确的完成相控阵天线方向图扫频、扫码测试，但实际上对比文件所述方法仅能测试天线水平方向的方向图，在垂直方向上，对比文件中并未做过多的论述，因此还是通过本领域常见的电波束扫描或三维转台来使相控阵天线可以进行横滚俯仰运动，从而实现相应的技术效果。并且，对比文件属于远场法测试方向图，待测的相控阵天线没有高速位移，测试环境离不开微波暗室环境。即对比文件无法在高速移动时完成方向图的测试且受制于环境。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于现有天线方向图测试技术受环境局限性过大。

2、本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

3、一种机动式相控阵天线方向图测试系统，包括波束信号采集及处理系统、标校卫星、惯导、测试计算机，其中所述波束信号采集及处理系统包括波束合成终端、信号处理终端和信号分配终端；所述波速合成终端合成波束与标校卫星建立连接，同时波速合成终端输出端与信号分配终端输入端连接，信号分配终端输出端与信号处理终端输入端连接，信号处理终端的输出端与测试计算机的其中一个输入端连接，测试计算机的其中另一个输入端与惯导连接。

4、本发明针对机动式，尤其是车载相控阵系统在实际使用过程中的外场天线方向图进行测试，该系统利用标校卫星，不依赖具体的暗室环境和复杂的测试设备，可以方便、灵活、快速、低成本地开展机动场景下的方向图测试，而不影响其它天线波束的任务执行。

5、优选的，所述测试计算机包括人机交互软件、微服务集合；所述人机交互软件用于测试人员执行测试流程和展示最终的方向图测试结果；所述微服务集合包括：参数配置微服务、轨道预报微服务、平台姿态角及位置预测微服务、测角处理微服务、天线指向角计算微服务、幅值处理微服务、信号传输分配微服务、天线方向图自动化测试微服务。

6、一种机动式相控阵天线方向图测试方法，包括以下步骤：

7、步骤1：测试人员通过人机交互界面执行信号传输分配微服务响应请求，将需要配置交换节点地址发送到信号分配终端，并向人机交互界面返回操作结果；

8、步骤2：测试人员通过人机交互界面执行信号处理和波束合成参数配置，并向人机交互界面返回操作结果；

9、步骤3：测试人员通过人机交互界面执行方向图一键测试，信号处理终端接收跟踪波束的波束数据解调并进行和差测角并将测角观测值发送到测试计算机；

10、步骤4：天线方向图自动化测试微服务调用平台姿态角及位置预测微服务预测下一周期的相控阵系统姿态角和位置信息；

11、步骤5：轨道预报微服务接收标校卫星的瞬时轨道参数，天线方向图自动化测试微服务调用轨道预报微服务，结合步骤4预测的相控阵系统位置信息，计算下一周期的标校卫星在东北天坐标系下的方位角和俯仰角；

12、步骤6：天线方向图自动化测试微服务在kt时刻调用测角滤波微服务对测角观测值进行滤波、预测；

13、步骤7：天线方向图自动化测试微服务调用波束指向角计算微服务对滤波输出的预测角度、瞬时轨道参数计算的预报角度进行加权处理，并转化为阵面坐标系下的方位角和俯仰角，并将该角度下发到波束合成终端；

14、步骤8：第一个周期，跟踪波束和待测波束根据预测角度指向标校卫星，信号处理终端接收到波束数据，计算该位置上的c/n0发送给测试计算机记录该值，测试计算机根据计算后续周期的波束指向角发送波束合成终端，跟踪波束稳定指向标校波束卫星，待测波束每个周期偏置一定角度进行指向；

15、步骤9：天线方向图自动化测试微服务调用幅度处理微服务对两相邻时刻的方位角或俯仰角所对应的c/n0值进行插值，并将插值结果发送到测试计算机；

16、步骤10：测试计算机人机交互软件将不同方位角和俯仰角下的c/n0以三维图形方式显示在人机交互界面。

17、优选的，所述步骤4具体预测方法为：

18、相控阵系统上安装的惯导在t1,t2,...,tn时刻将姿态角信息θ＝[ω,θ,ζ]和位置信息ψ＝[l,b,h]发送给测试计算机，ω为偏航角，θ为俯仰角，ζ为横滚角，l为经度，b为经度，h为高程；以偏航角为例，测试计算机缓存历史数据序列[ω(t1),ω(t2),...,ω(tk)]，对应t1,t2,...,tk时刻的偏航角观测数据；令f(t)＝c0+c1t+c2t2+c3t3代表偏航角随时间变化的函数，取6点历史观测值，使得真实值和观测值的误差平方和最小，即令得到

19、

20、联立求解方程组(1)，获得c0,c1,c2,c3；将(k+1)t代入f(t)，求得(k+1)t时刻的偏航角ω((k+1)t)；同理计算(k+1)t时刻的俯仰角、横滚角、经度、纬度和高程。

21、优选的，所述步骤6具体滤波预测方法为：

22、kt时刻获得当前方位角或俯仰角、方位角速度或俯仰角速度、方位角速度观测值或俯仰角加速度观测值x(kt)、v(kt)、a(kt)，令为方位角或俯仰角、方位角速度或俯仰角速度、方位角加速度滤波值或俯仰角加速度滤波值，为方位角或俯仰角、方位角速度或俯仰角速度、方位角加速度预测值或俯仰角加速度预测值，则有

23、

24、利用式(2)、式(3)预测(k+1)t时刻标校卫星在东北天坐标下的方位角和俯仰角。

25、优选的，所述步骤7波束指向角计算具体方法为：

26、令(k+1)t时刻滤波预测的标校卫星在东北天坐标系下的方位角为俯仰角为有

27、

28、天线方向图自动化测试微服务根据式(4)计算(k+1)t时刻的方位角a((k+1)t)和俯仰角e((k+1)t)，其中b为加权系数；

29、根据步骤4预测的相控阵系统在(k+1)t时刻的姿态角，有

30、

31、

32、利用式(5)、式(6)计算(k+1)t时刻的阵面直角坐标系下的位置；r表示阵面坐标系下标校卫星的距离；式(5)、式(6)中各变量数值均为(k+1)t时刻的预测值。

33、优选的，所述步骤8待测波束的波束指向角计算具体方法为：

34、令d为方位角测试步长，[wmin,wmax]为方位角指向范围，天线方向图自动化测试微服务根据式(7)计算待测波束的方位角w((k+1)t)和俯仰角u((k+1)t)，有

35、

36、令q为俯仰角测试步长，[umin,umax]为俯仰角的指向范围；当方位向测试完毕后，有

37、

38、天线方向图自动化测试微服务根据式(8)计算待测波束的俯仰角u((k+1)t)和方位角w((k+1)t)。

39、优选的，所述步骤9对两相邻时刻的方位角或俯仰角所对应的c/n0值进行插值的具体方法为：

40、令[x0,x1]为任意两相邻时刻的方位角或俯仰角，[s(x0),s(x1)]为两方位角或俯仰角对应的c/n0，以h为步长，有

41、

42、天线方向图自动化测试微服务调用幅度处理微服务根据式(9)对两相邻时刻的方位角或俯仰角所对应的c/n0值进行插值，并将插值结果发送到测试计算机。

43、一种电子设备，包括存储器以及处理器，所述存储器用于存储支持处理器执行上述一种机动式相控阵天线方向图测试方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。

44、一种存储介质，存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行上述一种机动式相控阵天线方向图测试方法的步骤。

45、本发明的优点在于：

46、本发明针对机动式，尤其是车载相控阵系统在实际使用过程中的外场天线方向图进行测试，该系统利用标校卫星，不依赖具体的暗室环境和复杂的测试设备，可以方便、灵活、快速、低成本地开展机动场景下的方向图测试，而不影响其它天线波束的任务执行。

47、同时本发明将微服务方式应用到天线方向图测试，通过天线自动化测试微服务按照流程调用相应的微服务组合，实现一键化操作，避免了传统单体应用复杂，降低了系统耦合性，真正做到了多天线并行测试。后期天线数量增加只需部署相应的天线方向图自动化测试微服度即可，大大提高了系统的健壮性和可扩展性。

48、并且本发明利用预测的相控阵系统位置和姿态信息计算预测时刻的标校卫星位置，再结合瞬时轨道根数计算出的预测时刻的标校卫星位置进行加权计算，可以防止观测噪声造成滤波不准或瞬时轨道根数误差造成的天线指向角计算误差，在对标校卫星的稳定跟踪的基础上，实现待测波束的方向图测试。