本发明公开了一种挂载升空干涉仪测向用的飞行器，包括干涉仪天线阵、机载测向设备22）和旋翼飞行器；干涉仪天线阵包括天线阵部分（1）和立杆部分（2）；所述的天线阵部分（1）包括三个有源垂直极化天线（3）、一个天线中间固定座（4）、三个支撑装置（5）；所述的天线中间固定座（4）包括一个支臂固定座（6）、一个支臂转动座（7）、一个支臂转动座对称件（8）和一个立杆底座（9）；所述的支臂转动座（7）和支臂转动座对称件（8）通过转轴（10）带动支撑装置（5）和有源垂直极化天线（3）进行水平旋转，通过锁紧装置进行固定。本发明提供了一种便于安装与拆卸的挂载升空干涉仪测向用的飞行器，根据实际情况选择规格不同的天线，并且方便存放。
一种挂载升空干涉仪测向用的飞行器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种挂载升空干涉仪测向用的飞行器。
背景技术
[0002] 无线电测向是依据电磁波传播特性，使用仪器设备测定无线电波来波方向的过程。测定“来波方向”，是指测向机所在地实在的电磁环境中电波达到的方向，无线电测向，通常的最终目的是要确定“辐射源的方向”和“辐射源的具体位置”。
[0003] 对于干涉仪测向体制，其测向原理是：依据电波在行进中，从不同方向来的电波到达测向天线阵时，在空间上各测向天线单元接收的相位不同，因而相互间的相位差也不同，通过测定来波相位和相位差，即可确定来波方向。在干涉仪测向方式中，是直接测量测向天线感应电压的相位，而后求解相位差，其数学公式与幅度比较式测向的公式十分相似。干涉仪测向具有精度高、速度快的特点而在电子战中得到广泛应用。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种挂载升空干涉仪测向用的飞行器，解决现有技术无法方便挂载外部监测测向设备，只能将飞行器和测向设备一体化生产的问题；并且解决现有技术的机载测向设备内部温度升高使得通信距离大大缩短的问题。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种挂载升空干涉仪测向用的飞行器，它包括干涉仪天线阵、机载测向设备和旋翼飞行器；
[0006] 所述的干涉仪天线阵包括天线阵部分和立杆部分；所述的天线阵部分包括三个有源垂直极化天线、一个天线中间固定座、三个连接天线中间固定座与有源垂直极化天线的支撑装置；所述的天线中间固定座包括一个支臂固定座、一个支臂转动座、一个支臂转动座对称件和一个立杆底座；所述的支臂转动座和支臂转动座对称件通过转轴带动支撑装置和有源垂直极化天线进行水平旋转，通过锁紧装置进行固定；分别安装在支臂转动座和支臂转动座对称件的两个有源垂直极化天线的支撑装置长度相同，安装在支臂固定座的有源垂直极化天线与安装在支臂转动座的有源垂直极化天线的水平直线距离小于λ/2，其中λ/2为最高工作频率的半波长；所述的立杆部分包括立杆、设置于立杆中段的矢量合成器、设置于立杆内部的射频电缆，所述的立杆的一端通过第一天线紧锁套连接天线插头与立杆底座，立杆的另一端通过第二天线紧锁套连接数据接口，所述的矢量合成器用于将三个有源垂直极化天线接收到的射频信号进行矢量合成，并将合成后的射频信号通过射频电缆和数据接口发送至机载测向设备；
[0007] 所述的机载测向设备包括外部壳体和内部电路；所述的内部电路包括GPS模块、GPS天线、电子罗盘、X86板卡、接收机、WIFI模块和WIFI全向天线；GPS模块接收来自GPS天线的射频信号，GPS模块的输出端与X86板卡连接，电子罗盘与X86板卡连接，接收机接收来自干涉仪天线阵的射频信号，接收机与X86处理板连接，X86板卡的检测天线控制输出端与干涉仪天线阵连接，X86板卡还与WIFI模块连接，WIFI模块与WIFI全向天线连接，WIFI全向天线接收来自外部监测终端的信号或者向外部监测终端发送信号；所述的外部壳体的侧面设置有用于挂载在旋翼飞行器上的螺钉；
[0008] 所述的旋翼飞行器包括机身和设置与机身内部的飞行器电路，所述的机身包括机体、多个与机体连接的旋翼臂和多个与旋翼臂连接的旋翼模组，所述的旋翼模组包括控制旋翼轴旋转的调速装置、旋翼轴、与旋翼轴连接的旋翼，所述的机体底部设置有多个用于挂载机载测向设备的挂钩；所述的飞行器电路包括无线通信模块、控制模块、能源模块；所述的能源模块为无线通信模块、控制模块、调速装置供电；所述的无线通信模块与控制模块连接，控制模块的多个控制输出端与调速装置连接。
[0009] 所述的转轴上设置有多个与支臂固定座呈固定角度的定位件，用于在支臂转动座和支臂转动座对称件旋转时进行角度选择。
[0010] 所述的外部壳体设置有多个通风孔，所述的X86板卡上设置有冷板。
[0011] 所述的内部电路还包括电源管理板和电池；电池与电源管理板连接，电源管理板在对电池的电压进行转换之后分别向GPS模块、电子罗盘、X86板卡、接收机、WIFI模块和干涉仪天线阵供电。
[0012] 所述的旋翼飞行器还包括两个支架，所述的支架的固定端与机体底部连接。
[0013] 所述的干涉仪天线阵还包括主固定座，所述的主固定座通过第二天线紧锁套保护数据接口。
[0014] 所述的锁紧装置包括旋转螺母和旋转螺母套。
[0015] 所述的矢量合成器包括两个单刀三掷开关、三个单刀六掷开关、0度功率合成器、90度功率合成器、180度功率合成器和270度功率合成器；第一单刀三掷开关的输入端接收来自安装在支臂固定座的有源垂直极化天线的射频信号，第一单刀三掷开关的输出端与第一单刀六掷开关连接，第一单刀六掷开关的五个输出端分别与0度功率合成器的第一输入端、90度功率合成器的第一输入端、180度功率合成器的第一输入端、270度功率合成器的第一输入端和第三单刀六掷开关的第一输入端连接；第二单刀三掷开关的第一输入端和第二输入端分别接收来自安装在支臂转动座的有源垂直极化天线和安装在支臂转动座对称件的有源垂直极化天线，第二单刀三掷开关的输出端与第二单刀六掷开关的输入端连接，第二单刀六掷开关的其中四个输出端分别与0度功率合成器的第二输入端、90度功率合成器的第二输入端、180度功率合成器的第二输入端和270度功率合成器的第二输入端连接，第二单刀六掷开关的第五输出端通过电阻接地；0度功率合成器、90度功率合成器、180度功率合成器和270度功率合成器的输出端分别与第三单刀六掷开关的第二输入端、第三输入端、第四输入端和第五输入端连接，第三单刀六掷开关的输出端输出矢量合成后的射频信号至数据接口。
[0016] 所述的0度功率合成器、90度功率合成器、180度功率合成器和270度功率合成器均包括一个移相器和一个合成器，移相器的输入端分别接收来自第一单刀六掷开关和第二单刀六掷开关的信号，移相器的两个输出端与合成器连接，合成器的输出端与第三单刀六掷开关连接。
[0017] 所述的矢量合成器还包括一个控制输入端口，所述的控制输入端口接受机载测向设备的X86板卡的TTL电平信号，用于控制安装在支臂转动座的有源垂直极化天线和安装在支臂转动座对称件的有源垂直极化天线的切换，以及用于控制移相器的相位。
[0018] 本发明的有益效果是：
[0019] (1)本发明提供了一种便于安装与拆卸的干涉仪天线阵，可以根据实际情况选择规格不同的有源垂直极化天线，只需将不同规格的天线阵部分进行安装即可；并且在天线阵使用完成之后，将三个有源垂直极化天线旋转至一起，方便存放。
[0020] (2)采用旋转和锁紧装置，使得天线角度的可以根据实际情况进行选择，实用性强。
[0021] (3)进一步的，由于本发明会在安装与拆卸的过程中，会将天线进行打开与合拢，会产生角度重新计算的问题。而当采用了在转轴上设置固定角度定位件的方式，可以对常用的角度进行快速对齐，使用方便可靠。
[0022] (4)本发明还将矢量合成器设置于干涉仪天线阵上，将三个有源垂直极化天线接收到的三个射频信号进行合成，并将合成后的射频信号发送出去，方便后续电路进行处理。
[0023] 本发明采用多种散热结构，保证机载测向设备的通信距离不会因为温度的原因而减少。
[0024] (1)在设备的外壳上增加通风孔，将自然风引入到设备内部，从而将设备内部的热量带走，降低设备的温度。
[0025] (2)在X86的核心板上增加冷板，增加冷板降低了X86板卡的温度，提高X86板卡的稳定性和可靠性。
[0026] 本发明还提供了一种具有挂钩的旋翼飞行器，具体地，可以监测测向设备通过挂钩挂载在旋翼飞行器上；并且，本发明还对实时将飞行位置通知给地面终端。
附图说明
[0027] 图1为干涉仪天线阵实施例1分解结构图；
[0028] 图2为干涉仪天线阵实施例1装配完成后的结构图；
[0029] 图3为天线中间固定座局部结构示意图；
[0030] 图4为数据接口结构示意图；
[0031] 图5为干涉仪天线阵实施例2分解结构图；
[0032] 图6为矢量合成器模块框图；
[0033] 图7为干涉仪天线阵原理图；
[0034] 图8为开孔后的机载测向设备结构示意图；
[0035] 图9为机载测向设备内部电路模块图；
[0036] 图10为电源管理板分配情况示意图；
[0037] 图11为旋翼飞行器结构图；
[0038] 图12为旋翼飞行器局部示意图；
[0039] 图13为旋翼飞行器的电路模块图；
[0040] 图中，1-天线阵部分，2-立杆部分，3-有源垂直极化天线，4-天线中间固定座，5-支撑装置，6-支臂固定座，7-支臂转动座，8-支臂转动座对称件，9-立杆底座，10-转轴，11-立杆，12-天线插头，13-数据接口，14-第一天线紧锁套，15-第二天线紧锁套，16-主固定座，17-旋转螺母，18-旋转螺母套，19-天线固定座，20-旋转挡销，21-矢量合成器，22-机载测向设备，23-通风孔，24-旋翼臂，25-调速装置，26-旋翼，27-底座，28-柱状体，29-挂钩，30-支架，31-螺钉。
具体实施方式
[0041] 下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：
[0042] 一种挂载升空干涉仪测向用的飞行器，它包括干涉仪天线阵、机载测向设备和旋翼飞行器。
[0043] 如图1和图5所示，干涉仪天线阵包括天线阵部分1和立杆部分2。
[0044] 如图2所示，所述的天线阵部分1包括三个有源垂直极化天线3、一个天线中间固定座4、三个连接天线中间固定座4与有源垂直极化天线3的支撑装置5。
[0045] 如图3所示，所述的天线中间固定座4包括一个支臂固定座6、一个支臂转动座7、一个支臂转动座对称件8和一个立杆底座9；所述的支臂转动座7和支臂转动座对称件8通过转轴10带动支撑装置5和有源垂直极化天线3进行水平旋转，通过锁紧装置进行固定。
[0046] 分别安装在支臂转动座7和支臂转动座对称件8的两个有源垂直极化天线的支撑装置5长度相同。
[0047] 为了避免相位模糊，安装在支臂固定座6的有源垂直极化天线3与安装在支臂转动座7的有源垂直极化天线3的水平直线距离小于λ/2，其中λ/2为最高工作频率的半波长。
[0048] 安装在支臂固定座6上的天线和安装在支臂转动座7上的天线之间的距离，与安装在支臂固定座6上的天线和安装在支臂转动座对称件8上的天线之间的距离相等，且不超过λ/2，即最高工作频率的半波长，相位不超过180度。在此我们选择最高工作频率的150度。
[0049] 此时，会有两种情况产生，支撑装置5较短和支撑装置5较长：如图1所示，实施例1为对于支撑装置5较长的情况，天线距离为600mm，此时的工作频率为70～200MHz；如图5所示，实施例2为对于支撑装置5较短的情况，天线距离为220mm，此时的工作频率为200～500。
[0050] 所述的立杆部分2包括立杆11和设置于立杆11内部的射频电缆，所述的立杆11的一端通过第一天线紧锁套14连接天线插头12与立杆底座9，如图4所示，立杆11的另一端通过第二天线紧锁套15连接数据接口13和记载测向设备22。
[0051] 一种设有矢量合成器的干涉仪天线阵还包括主固定座16，所述的主固定座16通过第二天线紧锁套15保护数据接口13。
[0052] 在天线使用完成之后，进行拆卸的过程之后，立杆部分2的数据接口13会暴露在空气中，而采用主固定座16对数据接口13进行保护，提高整个天线阵的寿命。
[0053] 所述的锁紧装置包括旋转螺母17和旋转螺母套18。所述的转轴10上设置有多个与支臂固定座6呈固定角度的定位件，用于在支臂转动座7和支臂转动座对称件8旋转时进行角度选择。所述的固定角度包括30度、45度、60度、90度、120度、135度和150度。
[0054] 由于本发明会在安装与拆卸的过程中，会将天线进行打开与合拢。会产生角度重新计算的问题。而当采用了在转轴上设置固定角度定位件的方式，可以对常用的角度进行快速对齐，使用方便可靠。
[0055] 所述的支撑装置5连接有源垂直极化天线3的一端设置有天线固定座19。
[0056] 所述的支臂转动座7和支臂转动座对称件8上均设置有旋转挡销20。
[0057] 如图6所示，所述的矢量合成器21包括两个单刀三掷开关、三个单刀六掷开关、0度功率合成器、90度功率合成器、180度功率合成器和270度功率合成器；第一单刀三掷开关的输入端接收来自安装在支臂固定座6的有源垂直极化天线3的射频信号，第一单刀三掷开关的输出端与第一单刀六掷开关连接，第一单刀六掷开关的五个输出端分别与0度功率合成器的第一输入端、90度功率合成器的第一输入端、180度功率合成器的第一输入端、270度功率合成器的第一输入端和第三单刀六掷开关的第一输入端连接；第二单刀三掷开关的第一输入端和第二输入端分别接收来自安装在支臂转动座7的有源垂直极化天线3和安装在支臂转动座对称件8的有源垂直极化天线3，第二单刀三掷开关的输出端与第二单刀六掷开关的输入端连接，第二单刀六掷开关的其中四个输出端分别与0度功率合成器的第二输入端、90度功率合成器的第二输入端、180度功率合成器的第二输入端和270度功率合成器的第二输入端连接，第二单刀六掷开关的第五输出端通过电阻接地；0度功率合成器、90度功率合成器、180度功率合成器和270度功率合成器的输出端分别与第三单刀六掷开关的第二输入端、第三输入端、第四输入端和第五输入端连接，第三单刀六掷开关的输出端输出矢量合成后的射频信号至数据接口13。
[0058] 所述的0度功率合成器、90度功率合成器、180度功率合成器和270度功率合成器均包括一个移相器和一个合成器，移相器的输入端分别接收来自第一单刀六掷开关和第二单刀六掷开关的信号，移相器的两个输出端与合成器连接，合成器的输出端与第三单刀六掷开关连接。
[0059] 所述的矢量合成器21还包括一个控制输入端口，所述的控制输入端口接受外部的TTL电平信号，控制位数为4位，其中1位用于控制安装在支臂转动座7的有源垂直极化天线3和安装在支臂转动座对称件8的有源垂直极化天线3的切换，另外3位用于控制移相器的相位。
[0060] 图7为干涉仪天线阵的原理图，图中“1”号天线表示安装在支臂固定座6上的天线，图中“2”号天线表示安装在支臂转动座7上的天线，图中“3”号天线表示安装在支臂转动座对称件8上的天线。
[0061] 当来波方向为θ时，信号到达3个天线时间不同，因此可以得到两个波程差，分别是Φ12和Φ13。
[0062] 来波信号的仰角为0°时，波程差如下
[0063]
[0064]
[0065] 由式(1)和式(2)可以得到
[0066] tanθ＝Φ12/Φ13；(3)
[0067] 由式(3)可以求出来波方向
[0068] θ＝arctan(Φ12/Φ13)。
[0069] 当来波方向的仰角为β时，波程差如下
[0070]
[0071]
[0072] 由式(4)和式(5)可以得到
[0073] tanθ＝Φ12/Φ13；(6)
[0074] 由式(6)求反正切可以求出来波方向
[0075] θ＝arctan(Φ12/Φ13)；
[0076] 由式(4)和式(5)还可以得到
[0077]
[0078] 由式(7)求反余弦可以求出来波仰角
[0079]
[0080] 所述的机载测向设备22包括外部壳体和内部电路。如图9所示，所述的内部电路包括GPS模块、GPS天线、电子罗盘、X86板卡、接收机、WIFI模块和WIFI全向天线；GPS模块接收来自GPS天线的射频信号，GPS模块的输出端与X86板卡连接，电子罗盘与X86板卡连接，接收机接收来自监测测向天线的射频信号，接收机与X86处理板连接，X86板卡的检测天线控制输出端与监测测向天线连接，X86板卡还与WIFI模块连接，WIFI模块与WIFI全向天线连接，WIFI全向天线接收来自外部监测终端的信号或者向外部监测终端发送信号。
[0081] 升空干涉仪测向，使用的升空设备是旋翼飞行器。旋翼飞行器不能在雨天飞行，因此机载测向设备22也就不需要防雨，在设备的外壳上增加通风孔23，将自然风引入到设备内部，从而将设备内部的热量带走，降低设备的温度。开孔后的机载测向设备22如图8所示。
[0082] 所述的通风孔23设置于机载测向设备22的两侧，并且呈对称分布。
[0083] 为了提高X86板卡的稳定性，在X86的核心板上增加冷板，增加冷板降低了X86板卡的温度，提高了可靠性。
[0084] 天线接收到空间信号后，送到数字接收机进行处理；由数字接收机进行模拟下变频和AD采样，输出I/Q信号到X86处理板，X86处理板对I/Q信号进行FFT处理，输出需要的频谱信息和幅度信息，X86处理板同时处理电子罗盘的方位信息。频谱信息、幅度信息和方位信息通过输出传输单元传输到外部监测终端。
[0085] 数字接收机采用Ettus的USRP B210，该板卡实现宽带射频信号的变频，中频信号的ADC，对I/Q信号的DDC处理。
[0086] X86系统主板主要完成系统信号处理以及网络管理等核心处理，同时具备WIFI通信以及传输功能，X86主板采用广州致远电子股份有限公司开发的具备标准接口的COME1054-02核心板。
[0087] 飞行器在飞行过程中，受空中气流影响，以及飞行路径的改变，飞行姿态随时在发生变化，因此需要选用三轴电子罗盘。本发明采用南京觉微电子的ECS-V1.0电子罗盘，该电子罗盘具有体积小、功耗低、高灵敏度、响应速度快等特点。
[0088] 选用体积小、重量轻、有网口和USB口的WIFI模块。本发明选择BL-3070-RZ1B型WIFI模块。
[0089] 飞行器载WIFI天线选用体积小、重量轻的全向WIFI天线，本发明选择卡王KW-5106型天线。
[0090] 所述的内部电路还包括电源管理板和电池；电池与电源管理板连接，电源管理板在对电池的电压进行转换之后分别向GPS模块、电子罗盘、X86板卡、接收机、WIFI模块和监测测向天线供电。图10和下表表示电源管理办分配情况。
[0091]设备 天线阵 接收机 电子罗盘 X86处理板 WIFI模块
电压(V) 5 6 5 12 5
电流(mA) 420 2000 10 1000 200
功耗(W) 2.1 12 0.05 12 1
[0092] 表1加载设备功耗
[0093] 由上表可知，加载设备电压有三种，即5V、6V和12V，功耗有27W。按电源的转换效率为85％，总功耗为31.7W。
[0094] 电池选用钴酸锂电池，单只电池的电压范围为2.75～4.2V，本实用需要的电压为+5V、+6V和+12V，因此需要两只电池串联，电压范围达到5.5～8.4V，能满足+5V、+6V直接稳压的需求。单只钴酸锂电池的容量为3.4Ah(松下18650型电池)，两只电池的容量为7.2Ah，电池使用时间计算如下：
[0095] 7.2(Ah)×1(只)×6(V)×0.85(效率85％)/24(W)＝1.53h；
[0096] 为了执行更长时间的监测测向任务，在重量允许的范围内，将电池增加到4只。
[0097] 如图11所示，旋翼飞行器，包括机身和设置与机身内部的电路，所述的机身包括机体、多个与机体连接的旋翼臂24和多个与旋翼臂24连接的旋翼模组，所述的旋翼模组包括控制旋翼轴旋转的调速装置25、旋翼轴、与旋翼轴连接的旋翼26；
[0098] 如图12所示，所述的机体底部设置有多个用于挂载机载测向设备22的挂钩29，机载测向设备22的壳体侧面设置有与挂钩29匹配使用的螺钉31；
[0099] 如图13所示，所述的电路包括无线通信模块、控制模块、能源模块和定位模块；所述的能源模块为无线通信模块、控制模块、调速装置25和定位模块供电；所述的无线通信模块与控制模块连接，控制模块的多个控制输出端与调速装置25连接，定位模块的输出端与控制模块连接。
[0100] 无线通信模块接收来自地面的控制命令之后，发送至控制模块，控制模块对控制命令进行分析之后控制调速装置25，以达到，控制方向(包括移动到某处以及悬停)的目的。
[0101] 通过定位模块实时将飞行数据通过无线通信模块发送至地面的控制端。
[0102] 任意相邻两个旋翼臂24之间的角度相同。
[0103] 所述的旋翼臂24有8个，机体每隔45度设置有一个旋翼臂24。
[0104] 所述的机体包括底座27和设置于底座27上的柱状体28，所述的底座27连接旋翼臂24，底座27下部设置有多个挂钩29，所述的柱状体28内部设置有所述电路。
[0105] 一种具有挂钩的旋翼飞行器还包括两个支架30，所述的支架30的固定端与机体底部连接。
[0106] 所述的能源模块包括至少一个锂电池。
[0107] 所述的无线通信模块为3G模块/4G模块/WIFI模块/蓝牙模块中的其中一种。
[0108] 信号的接收和处理部分在空中，而最终的处理和显示在地面的笔记本上进行。要将空中的信号传输到地面，就需要用无线通信，当前可用的无线通信有蓝牙、WIFI和公共通信系统中的3G/4G通信。本次研制关注的重点是无线通信的传输距离，下表列举了四种无线传输的典型通信距离。
[0109]通信方式 蓝牙 WIFI 3G 4G
传输距离(米) 10 300 ∝(网络覆盖时) ∝(网络覆盖时)
[0110] 表2四种无线通信的传输距离
[0111] 旋翼飞行器的升空高度最大为600米，当飞行半径达到500米时，旋翼飞行器距离操作人员的直线距离为800米。从表1中可以看出，蓝牙和WIFI的传输距离都达不到这么远，最好采用3G或者4G公众通信网络传输数据。
[0112] 所述的定位模块为GPS模块/北斗模块的其中一种。
[0113] 所述的控制模块包括微控制器，所述的微控制器的型号为MSP430。MSP430重量轻体积小。
