CN110794429B - 无人机gps模块bci电磁效应等效替代试验系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无人机GPS模块BCI电磁效应等效替代试验系统和方法。该系统包括：GPS增强转发装置，包括：依次连接的位于屏蔽室外的第一GPS接收天线和GPS信号增强器，以及位于屏蔽室内的GPS发射天线；和BCI测试装置，包括：均位于屏蔽室内的信号发生器、功率放大器、定向耦合器、注入探头、监测探头、功率计和第二GPS接收天线；信号发生器、功率放大器、定向耦合器、注入探头、待测无人机GPS模块和监测探头依次相连接，且功率放大器、定向耦合器、注入探头和监测探头还分别与功率计相连接；待测无人机GPS模块还连接第二GPS接收天线和无人机飞控模块，无人机飞控模块连接PC端，第二GPS接收天线用于接收GPS发射天线的GPS信号。

Description

无人机GPS模块BCI电磁效应等效替代试验系统和方法

技术领域

本发明涉及无人机电磁效应技术领域，尤其涉及一种GPS增强转发装置、无人机GPS模块BCI电磁效应等效替代试验系统和方法。

背景技术

针对试验场景的不同，国内外目前开展的无人机电磁效应试验可以分为外场试验和室内试验。外场试验环境下，无人机处于正常工作状态下，然而，由于此时的无人机一般处于空中飞行模式下，外场试验的可控性较差、危险性较高，无法在线实时获取电磁效应数据；室内试验环境下，由于室内的GPS信号较弱，无人机在室内无法正常飞行，因此室内试验通常只能在无人机静态固定非工作状态下进行电磁效应试验测试，也就是说，室内试验无法对正常飞行状态下的无人机进行电磁效应试验。

BCI（Bulk Current Injection，大电流注入）法是室内电磁效应试验中常用的一种测试方法，例如钱文文等在“大电流注入(BCI)测试方法研究[J].自动化与仪器仪表,2015(5):159-161”中介绍了车辆领域的BCI测试方法。中国工程物理研究院在2000年左右就针对电流注入试验系统设计了一种可调精密延时系统，使得可以实现在任一时间节点对固定式电子装置添加注入式干扰；陆军工程大学在2018年就BCI试验方法进行了改进，针对BCI试验方法只能针对线性电子系统进行测试这一缺陷，提出了一种针对非线性系统进行强电磁脉冲等效BCI注入的试验方法。

然而，无论是针对线性系统的BCI试验方法还是针对非线性系统的BCI试验方法，现有的BCI试验方法在进行电磁效应试验时，均需要固定受试设备，因此难以满足在室内对正常工作状态下（例如动态飞行）的无人机进行电磁效应试验的在线实时测试要求。

发明内容

针对现有的BCI试验方法在进行电磁效应试验时，均需要固定受试设备，而难以在室内对正常工作状态下（例如动态飞行）的无人机进行电磁效应试验的在线实时测试问题，本发明提供一种无人机GPS模块BCI电磁效应等效替代试验系统和方法，通过设计一种GPS增强转发装置，将室外GPS信号转发至室内，使得无人机在室内也可处于正常工作状态，从而在室内即可获得正常工作状态下的无人机GPS模块BCI电磁效应试验测试数据，对无人机电磁效应研究有了准确的认识和定量的描述。

第一方面，本发明提供一种GPS增强转发装置，包括：位于屏蔽室外的第一GPS接收天线和GPS信号增强器，以及位于屏蔽室内的GPS发射天线；所述第一GPS接收天线、所述GPS信号增强器和所述GPS发射天线依次相连接。

进一步地，所述GPS信号增强器和所述GPS发射天线通过同轴线缆连接。

第二方面，本发明提供一种无人机GPS模块BCI电磁效应等效替代试验系统，包括：上述的GPS增强转发装置和BCI测试装置；其中，

所述BCI测试装置包括：均位于屏蔽室内的信号发生器、功率放大器、定向耦合器、注入探头、监测探头、功率计和第二GPS接收天线；所述信号发生器、所述功率放大器、所述定向耦合器、所述注入探头、待测无人机GPS模块和所述监测探头依次相连接，且所述功率放大器、所述定向耦合器、所述注入探头和所述监测探头还分别与所述功率计相连接；待测无人机GPS模块还连接第二GPS接收天线和无人机飞控模块，所述无人机飞控模块连接PC端，所述第二GPS接收天线用于接收所述GPS发射天线的GPS信号。

进一步地，所述无人机飞控模块和所述PC端之间还设置有防止干扰信号耦合进入所述PC端的磁环。

进一步地，所述无人机飞控模块和所述PC端之间通过数传模块相连。

第三方面，本发明提供一种基于上述的无人机GPS模块BCI电磁效应等效替代试验系统的试验方法，包括：

步骤1：校准无人机GPS模块BCI电磁效应等效替代试验系统；

步骤2：固定GPS发射天线和第二GPS接收天线的运动状态不变，调整第一GPS接收天线和GPS信号增强器的运动状态；

步骤3：设置信号发生器输出的干扰信号参数，所述干扰信号参数包括：干扰等级；

步骤4：使信号发生器输出干扰信号，干扰信号依次经功率放大器、定向耦合器后，从注入探头耦合进入待测无人机GPS模块，利用功率计分别记录干扰信号在功率放大器处、定向耦合器处、注入探头处以及监测探头处的功率信息；

步骤5：利用无人机飞控模块记录飞行日志和待测无人机GPS模块的无人机效应数据信息；

步骤6：PC端根据所述功率信息、飞行日志和无人机效应数据信息分析待测无人机GPS模块的BCI电磁效应；

步骤7：调整所述干扰等级，重复步骤2至步骤6。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种GPS增强转发装置，通过将位于屏蔽室外的第一GPS接收天线接收到的卫星信号经过GPS增强器进行GPS信号增强，然后通过同轴线缆连接位于屏蔽室内的GPS发射天线，利用室内的GPS发射天线，为屏蔽室内的待测无人机GPS模块提供GPS信号，解决了由于室内GPS信号弱，无人机在室内无法进行正常飞行的问题或者无法正常定点、自动、跟随等需要GPS信号支持的飞行模式下的高精度飞行问题。

本发明提供的无人机GPS模块BCI电磁效应等效替代试验系统和方法，利用GPS增强转发装置，为屏蔽室内的待测无人机GPS模块提供GPS信号，待测无人机GPS模块通过位于屏蔽室内的第二GPS接收天线接收GPS发射天线转发的GPS信号；通过调整室外的第一GPS接收天线和GPS增强器的运动状态，可以在固定无人机整机不动而仅螺旋桨旋转的情况下，实现在室内也可对正常飞行状态的无人机进行BCI电磁效应测试的目的，即达到了无人机室外飞行状态室内等效模拟的效果，解决了现有方法测试时因待测无人机固定而导致的飞行状态无法室内模拟的问题，满足室外GPS静态悬停和动态飞行电磁效应的室内BCI电磁效应试验的在线实时标准测试需求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种无人机GPS模块BCI电磁效应等效替代试验系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种无人机GPS模块BCI电磁效应等效替代试验系统的试验方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的无人机GPS模块BCI电磁效应测试静态干扰的原理示意图；

图4为本发明实施例提供的无人机GPS模块BCI电磁效应测试动态干扰的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种GPS增强转发装置，包括：位于屏蔽室外的第一GPS接收天线和GPS信号增强器，以及位于屏蔽室内的GPS发射天线；所述第一GPS接收天线、所述GPS信号增强器和所述GPS发射天线依次相连接。可选地，所述GPS信号增强器和所述GPS发射天线通过同轴线缆（例如SMA同轴线缆）连接。

本发明实施例提供的一种GPS增强转发装置，通过将位于屏蔽室外的第一GPS接收天线接收到的卫星信号经过GPS增强器进行GPS信号增强，然后通过同轴线缆连接位于屏蔽室内的GPS发射天线，利用室内的GPS发射天线，为屏蔽室内的待测无人机GPS模块提供GPS信号，解决了由于室内GPS信号弱，无人机在室内无法正常飞行的问题或者无法进行正常定点、自动、跟随等需要GPS信号支持的飞行模式下的高精度飞行问题。

如图1所示，本发明实施例还提供一种无人机GPS模块BCI电磁效应等效替代试验系统，包括：上述的GPS增强转发装置和BCI测试装置：其中，

所述BCI测试装置包括：均位于屏蔽室内的信号发生器、功率放大器、定向耦合器、注入探头、监测探头、功率计和第二GPS接收天线；所述信号发生器、所述功率放大器、所述定向耦合器、所述注入探头、待测无人机GPS模块和所述监测探头依次相连接，且所述功率放大器、所述定向耦合器、所述注入探头和所述监测探头还分别与所述功率计相连接；待测无人机GPS模块还连接第二GPS接收天线和无人机飞控模块，所述无人机飞控模块连接PC端，所述第二GPS接收天线用于接收所述GPS发射天线的GPS信号。

具体地，第一GPS接收天线在屏蔽室外接收GPS信号，然后通过GPS信号增强器进行信号增强，最后通过GPS发射天线为屏蔽室内提供GPS信号。信号发生器产生干扰信号，通过功率放大器放大，然后经定向耦合器从注入探头耦合进入待测无人机GPS模块；监测探头监测实际耦合进入待测无人机GPS模块的干扰信号；功率计对注入探头、监测探头、定向耦合器、功率放大器进行监测；待测无人机GPS模块与第二GPS接收天线连接，通过第二GPS接收天线接收GPS发射天线的GPS信号；待测无人机GPS模块与无人机飞控模块相连，飞控模块与PC端相连，待测无人机GPS模块传输GPS信号到飞控模块，飞控模块对GPS信号进行处理，记录待测无人机GPS模块的无人机效应数据信息，PC端可安装Mission Planner软件，利用Mission Planner软件通过飞控模块获取无人机效应数据信息，并对无人机参数进行监测。在飞控模块和PC端之间还连接有磁环，磁环可防止信号发生器产生的干扰信号通过线缆耦合进入PC端。无人机飞控模块和PC端相连接，使得PC端可以实时在线获取无人机效应数据信息；可选地，无人机飞控模块和PC端之间通过数传模块（例如USB数据线）相连。

本发明提供的无人机GPS模块BCI电磁效应等效替代试验系统，利用GPS增强转发装置，为屏蔽室内的待测无人机GPS模块提供GPS信号，待测无人机GPS模块通过位于屏蔽室内的第二GPS接收天线接收GPS发射天线转发的GPS信号；通过调整室外的第一GPS接收天线和GPS增强器的运动状态，可以在固定无人机整机不动而仅螺旋桨旋转的情况下，实现在室内也可对正常飞行状态的无人机进行BCI电磁效应测试的目的，即达到了无人机室外飞行状态室内等效模拟的效果，解决了现有方法测试时因待测无人机固定而导致的飞行状态无法室内模拟的问题，满足室外GPS静态悬停和动态飞行电磁效应的室内BCI电磁效应标准测试需求。

如图2所示，本发明实施例还提供一种无人机GPS模块BCI电磁效应的试验系统的试验方法，包括以下步骤：

S201：校准无人机GPS模块BCI电磁效应等效替代试验系统；本步骤的目的在于确保和提高后续步骤测得的无人机效应数据信息的准确性；对室内GPS模块的校准主要是通过对GPS增强转发装置上电，将第一GPS接收天线置于室外，GPS发射天线置于室内，测试无人机是否能正确接收GPS信号；对BCI测试装置的校准在IEC 62132-3、ISO 11452-4、GJB151B-2013等电磁效应标准中均有规定，此处不再赘述；

S202：固定GPS发射天线和第二GPS接收天线的运动状态不变，调整第一GPS接收天线和GPS信号增强器的运动状态，所述运动状态包括但不限于：静态悬停、直线飞行和矩形轨迹飞行；

S203：设置信号发生器输出的干扰信号参数，所述干扰信号参数包括但不限于：频率、幅度和干扰等级；

S204：使信号发生器输出干扰信号，干扰信号依次经功率放大器、定向耦合器后，从注入探头耦合进入待测无人机GPS模块，利用功率计分别记录干扰信号在功率放大器处、定向耦合器处、注入探头处以及监测探头处的功率信息；

在实际试验过程中，可先从无人机系统分离GPS模块，GPS模块连接有GPS模块数据线，然后按照BCI测试要求，将GPS模块数据线置入注入探头及监测探头中，实现GPS模块、注入探头和监测探头的连接，如图3所示。

S205：利用无人机飞控模块记录飞行日志和待测无人机GPS模块的无人机效应数据信息；

S206：PC端根据所述功率信息、飞行日志和无人机效应数据信息分析待测无人机GPS模块的BCI电磁效应；

S207：调整所述干扰等级，重复步骤S202至步骤S206。

由上内容可知：本发明提供的试验方法，通过利用信号发生器产生干扰信号，干扰信号经过注入探头耦合注入GPS模块，然后，利用监测探头对实际耦合进入数据线的电流进行监测，监测有效耦合电流值；并利用功率计记录不同位置处的干扰信号的功率信息；最后，利用PC端对无人机GPS模块、飞控模块进行实时监测及数据采集；调整干扰信号参数、第一GPS接收天线和GPS信号增强器的运动状态，重复上述过程，最终完成无人机GPS模块BCI电磁效应试验测试和分析。相比于传统试验方法，本发明可以在固定无人机整机不动而仅螺旋桨旋转的情况下，实现在室内也可对正常飞行状态的无人机进行BCI电磁效应测试的目的，即达到了无人机室外飞行状态室内等效模拟的效果，解决了现有方法测试时因待测无人机固定而导致的飞行状态无法室内模拟的问题，满足室外GPS静态悬停和动态飞行电磁效应的室内BCI电磁效应标准测试需求。

作为一种可实施方式，本发明提供又一种无人机GPS模块BCI电磁效应等效替代试验系统，在本发明实施例中，BCI测试模块的各设备的设备信息见表1。选取的GPS信号增强器的参数如下：工作频率：1575.42MHz（±10MHz）；增益：50dB（±2dB）；端口驻波：<1.5；接口形式：SMA-K；工作电压：AC 220V；工作温度：-40℃—+85℃。

表1 BCI测试模块中的各设备信息

设备名	型号	品牌	频率参数
				信号发生器	SMB100A	R&S	9kHz~6GHz
功率放大器	BSA0101-100D	BONN	100kHz~1GHz
				注入探头	F-140A-1	FCC	100kHz~1GHz
监视探头	F-65A	FCC	100kHz~1GHz
				功率计	NRP-Z91	R&S	9kHz~6GHz

待测无人机GPS模块的设备参数如表2所示。无人机飞控模块具有如下特点：支持多轴（450、500、550、650等）多旋翼、固定翼、直升机、模型车；自带高精度陀螺仪、指南针罗盘、气压计等；其中，气压计的参数为：型号为用微型高度计模块MS5607-02BA；输出为24位数字输出；量程为10～1200mbar；工作温度范围为-40℃～85℃；精确度为25℃,750mbar时-1.5～+1.5mbar；供电电源为1.8 V～ 3.6 V。

表2GPS模块的设备参数

参数名称	性能指标
		工作电压	DC5V
搜星数量	最多26个
		精度	0.4米
体积	54mm*15mm
		重量	30g
定位更新率	最高10Hz

图3为无人机GPS模块BCI电磁效应测试静态干扰的原理示意图。无人机GPS模块与无人机飞控模块通过GPS模块数据线相连，而信号源（内部集成信号发生器、功率放大器和定向耦合器）输出的干扰信号通过环绕在无人机GPS模块数据线上的注入探头耦合进入无人机GPS模块以及无人机飞控模块；监测探头同样环绕在GPS模块数据线上，将部分干扰信号耦合到功率计，功率计测量注入到无人机GPS模块中干扰信号的功率。

在测试静态干扰的试验过程中，室外的第一GPS接收天线和GPS信号增强器保持静止状态，对室内的GPS模块通过GPS模块数据线进行BCI注入试验。

类似地，图4为无人机GPS模块BCI电磁效应测试动态干扰的原理示意图，图4所示的电路连接与图3相同，二者的区别在于：测试动态干扰的试验过程中，室外的第一GPS接收天线和GPS信号增强器并不是静止状态，而是需要调整第一GPS接收天线和GPS信号增强器的运动状态，通过移动室外的第一GPS接收天线和GPS信号增强器实现室内无人机动态飞行状态模拟，对室内GPS模块通过GPS模块数据线进行BCI注入试验。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种无人机GPS模块BCI电磁效应等效替代试验系统，其特征在于，包括：GPS增强转发装置和BCI测试装置：其中，

所述GPS增强转发装置包括：位于屏蔽室外的第一GPS接收天线和GPS信号增强器，以及位于屏蔽室内的GPS发射天线；所述第一GPS接收天线、所述GPS信号增强器和所述GPS发射天线依次相连接；

所述BCI测试装置包括：均位于屏蔽室内的信号发生器、功率放大器、定向耦合器、注入探头、监测探头、功率计和第二GPS接收天线；所述信号发生器、所述功率放大器、所述定向耦合器、所述注入探头、待测无人机GPS模块和所述监测探头依次相连接，且所述功率放大器、所述定向耦合器、所述注入探头和所述监测探头还分别与所述功率计相连接；待测无人机GPS模块还连接第二GPS接收天线和无人机飞控模块，所述无人机飞控模块连接PC端，所述第二GPS接收天线用于接收所述GPS发射天线的GPS信号；其中，所述注入探头和所述监测探头均环绕在待测无人机GPS模块数据线上；

其中，通过固定GPS发射天线和第二GPS接收天线的运动状态不变，调整第一GPS接收天线和GPS信号增强器的运动状态，模拟无人机的正常飞行状态。

2.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述GPS信号增强器和所述GPS发射天线通过同轴线缆连接。

3.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述无人机飞控模块和所述PC端之间通过数传模块相连。

4.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述无人机飞控模块和所述PC端之间还设置有防止干扰信号耦合进入所述PC端的磁环。

5.基于权利要求1至4任一所述的无人机GPS模块BCI电磁效应等效替代试验系统的试验方法，其特征在于，包括：

步骤1：校准无人机GPS模块BCI电磁效应等效替代试验系统；

步骤2：固定GPS发射天线和第二GPS接收天线的运动状态不变，调整第一GPS接收天线和GPS信号增强器的运动状态；

步骤3：设置信号发生器输出的干扰信号参数，所述干扰信号参数包括：干扰等级；

步骤4：使信号发生器输出干扰信号，干扰信号依次经功率放大器、定向耦合器后，从注入探头耦合进入待测无人机GPS模块，利用功率计分别记录干扰信号在功率放大器处、定向耦合器处、注入探头处以及监测探头处的功率信息；

步骤5：利用无人机飞控模块记录飞行日志和待测无人机GPS模块的无人机效应数据信息；

步骤6：PC端根据所述功率信息、飞行日志和无人机效应数据信息分析待测无人机GPS模块的BCI电磁效应；

步骤7：调整所述干扰等级，重复步骤2至步骤6。

Images