Способ измерения максимальной плотности потока энергии электромагнитного поля в точках окрестности оси главного излучения антенны сотовой связи при помощи беспилотного летательного аппарата вертолётного типа
METHOD FOR MEASUREMENT OF MAXIMUM DENSITY OF ENERGY FLOW OF ELECTROMAGNETIC FIELD AT POINTS IN VICINITY OF AXIS OF MAIN EMISSION OF CELLULAR COMMUNICATION ANTENNA, USING UNMANNED AERIAL VEHICLE OF HELICOPTER TYPE

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области измерений в радиотехнике. Основным техническим результатом предложения является возможность определения максимальных величин плотности потока энергии электромагнитного поля (ППЭ ЭП) антенны, установленной на вышке сотовой связи, и пространственной экспозиции соответствующих точек, в которых максимальные величины ППЭ ЭП имеют место. Практически максимальные величины ППЭ ЭП антенны расположены не на расчетной оси главного излучения антенны, а в ее окрестности, что определяется влиянием отраженного излучения от элементов окружающей среды - подстилающей поверхности, строений и др., а также конструктивными недочетами, возникающими при разработке и монтаже антенны [Классен В.И., Просверкин И.А. Измерение параметров крупноапертурных ФАР с помощью беспилотного летательного аппарата // Радиотехника, 2014 №4]. Определение фактических максимальных величин ППЭ ЭП антенны и пространственной экспозиции точек, в которых эти величины имеют место, обеспечивает выявление и контроль биологически опасных уровней и зон ППЭ ЭП.
Известен способ измерения плотности ППЭ ЭП антенн, расположенных на высотных башнях, который реализуется с помощью наземных анализаторов поля [//WWW.electronpribor.ru.] (первый аналог). Уровень ППЭ ЭП этих антенн на высоте расположения анализатора поля определяется непосредственно, а на больших высотах определяется расчетным путем с использованием теоретически известной характеристики диаграммы направленности антенны. Недостатки этого способа заключаются в том, что при его использовании в силу отсутствия адекватных математических моделей ЭП антенны исключается возможность достоверных расчетов ППЭ ЭП в ее ближней и средней зонах и, кроме того, при расчетах ППЭ ЭП не учитывается влияние отраженного излучения и конструктивных недочетов, возникающих при разработке и монтаже антенны.
Известен способ измерения параметров излучения антенн с помощью беспилотного летательного аппарата (БПЛА) [Классен В.И., Просверкин И.А. Измерение параметров крупноапертурных ФАР с помощью беспилотного летательного аппарата // Радиотехника, 2014 №4.] (второй аналог). В качестве БПЛА используется программно-управляемая модель самолета, несущего, в частности, измеритель мощности излучаемого сигнала. БПЛА облетает предварительно намеченные точки измерений в зоне излучения антенны с требуемыми периодичностью и пространственными интервалами. В ходе полета производится измерение навигационных параметров движения БПЛА и собственно ППЭ ЭП излучаемого сигнала в этих предварительно намеченных точках. Недостатком этого способа является отсутствие возможности целенаправленного измерения максимальных величин ППЭ ЭП и пространственной экспозиции соответствующих этим величинам точек. Кроме того, использование при измерениях ППЭ ЭП БПЛА самолетного типа, не обладающего достаточно высокой маневренностью, не обеспечивает измерение ППЭ ЭП антенн сотовой связи, имеющих узкую (до 16 град) диаграмму направленности в вертикальной плоскости, в предварительно намеченных точках.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ измерения ППЭ ЭП антенны, в котором с помощью БПЛА вертолетного типа происходит измерение ППЭ ЭП в дальней зоне антенны [патент РФ /262/2626561] (прототип). Измерительная система содержит радиотехнический блок, автопилот, навигационную систему и вычислитель. В процессе измерений БПЛА совершает облеты зоны излучения исследуемой антенны по траекториям, представляющим собой окружности с центрами, расположенными на расчетной оси главного излучения антенны и удаленными от ее центра на расстояния, удовлетворяющие условию дальней зоны исследуемой антенны. Однако, известный способ (прототип) не обеспечивает определение максимальных величин ППЭ ЭП в точках дальней зоны, расположенных в окрестности расчетной оси главного излучения, и пространственную экспозицию этих точек. Кроме того, использование в процессе измерений круговых облетов зоны излучения исследуемой антенны по маршрутам, расположенным только в дальней зоне, не обеспечивает также определение максимальных величин ППЭ ЭП в ближней и средней зонах антенны.
Таким образом, можно сделать вывод, что все известные способы не обеспечивают измерений величин ППЭ ЭП в точках, где эти величины достигают максимальных значений, то есть в точках, расположенных в окрестности расчетной оси главного излучения. Не обеспечивают они и пространственную экспозицию этих точек во всех зонах излучения исследуемой антенны. Это существенно затрудняет решение задачи выявления и контроля биологически опасных уровней и зон ППЭ ЭП исследуемой антенны.
0
1,0
0
1,0
1,0
1,0
1
1,1
1,0
1,1
1,j
1,t
1,t
1,t
1,t-1
2,0
1,t-1
0
1,t-1
0
i-1,t-1
i,0
i,t
i,t
i,t
i,t-1
i,t-1
i
s,t-1
s,t-1
Техническим результатом предложения является измерение максимальных величин ППЭ ЭП в точках, расположенных в окрестности расчетной оси главного излучения антенны, и определение их пространственной экспозиции во всех зонах исследуемой антенны для обнаружения и контроля биологически опасных уровней ППЭ ЭП в соответствии, например, с действующими правовыми и нормативными документами Госстандарта и Госкомэпиднадзора России. При этом обеспечивается высокая точность измерений ППЭ ЭП за счет их осуществления в точках, в которых имеют место большие величины измеряемых ППЭ ЭП и, следовательно, сравнительно большие отношения сигнал/шум. Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения ППЭ ЭП антенны сотовой связи при помощи БПЛА вертолетного типа с установленными на нем радиотехническим блоком, автопилотом, навигационной системой и вычислителем, в соответствии с которым осуществляют облет зоны излучения антенны, измеряют ППЭ ЭП в точках на траекториях движения БПЛА и одновременно определяют координаты этих точек в моменты измерений, дополнительно в память вычислителя БПЛА вносят информацию об углах ориентации относительно вертикали места и направления меридиана расчетной оси главного излучения антенны, проходящей через центр антенны b, осуществляют перелет БПЛА в расположенную на расчетной оси главного излучения антенны расчетную опорную точку e плоскости первого цикла поисковых перелетов, перпендикулярной оси be, измеряют величину p(e) - ППЭ ЭП в точке е и проекцию вектора градиента ППЭ ЭП в этой точке на плоскость L первого цикла -  совершают первый поисковый перелет первого цикла в направлении вектора в точку е отстоящую от e на расстоянии, равном  где m – весовой коэффициент, определяющий дистанцию поискового перелета;  - модуль  определяют величину p(e) и  повторяют аналогичные процедуры поисковых j-х (j=1, 2, …, t) перелетов в этой же плоскости в точки е вплоть до точки e с ППЭ ЭП, равной р(е), для которой выполняется неравенство p(e)<p(e), совершают перелет в следующую опорную точку е, отстоящую от e вдоль линии be на величину d, определяющую расстояние между плоскостями i-х циклов поисковых перелетов (i=1, 2, …, s, где s - номер конечного цикла поисковых перелетов), повторяют процедуры поисковых перелетов, аналогичные процедуре первого цикла, в перпендикулярных линиям be плоскостях второго и последующих i-х циклов с опорными точками e в каждой плоскости вплоть до точек e с ППЭ ЭП, равными р(e), для которых выполняется неравенство p(e)<p(e), фиксируют в каждом i-м цикле p(e), i=1, 2, …, s, являющиеся максимальными величинами ППЭ ЭП в точках, расположенных в окрестности оси главного излучения антенны в плоскостях L, одновременно определяют пространственные экспозиции этих точек вплоть до точки e, в которой ППЭ ЭП, равное p(e) становится меньше величины k безопасного уровня ППЭ ЭП.
0
0
0
0
0
0
у
z
0
0
1,0
1
1,0
0
1,0
1,0
1
1
1
1,0
1,0
1
0
1,0
1,0
1
1
0
0
1,0
1,0
1
1
1,0
1
1,0
1
1,0
1
1
1
1,0
1,1
1
1
1,1
1,j
1
1,t
1,t-1
1
i,0
i
i,0
0
i,0
i,0
i
i
i
i,0
i,0
i
0
i,0
i,0
i
i
0
0
i,0
i,0
i
i
i,0
i
i,0
i
i,0
i
i
i
i,0
i,1
i
i
i,1
i,j
i
i,t
i,t-1
i
0
i,t-1
0
1,0
i,j
На чертеже (фиг.) представлена схема, иллюстрирующая предлагаемый способ измерения максимальных величин ППЭ ЭП антенны на вышке сотовой связи в точках, расположенных в окрестности расчетной оси главного излучения, и одновременного определения пространственной экспозиции этих точек. Здесь обозначены: вышка сотовой связи с укрепленной на ней антенной, центр которой - точка b; расчетная ось главного излучения антенны; bxyz - географическая система координат с началом в точке b (ось bx направлена на восток, ось by - на север, ось bz - по вертикали места от центра Земли); ψ, ψ - углы между расчетной осью главного излучения антенны и осями by, bz соответственно; е - опорная точка первого цикла поисковых перелетов; L - плоскость первого цикла поисковых перелетов, содержащая опорную точку e и перпендикулярная отрезку be; exyz - система координат с началом в опорной точке e (ось ey направлена вдоль отрезка be, ось ez - лежит в плоскости L на линии ее пересечения с вертикальной плоскостью, содержащей ось bz и отрезок be, ось ex лежит в плоскости L и составляет с осями ey и ez правую тройку);  - единичные вектора по соответствующим осям трехгранника exyz; m - весовой коэффициент, определяющий дистанцию поискового перелета;  - компонента вектора градиента ППЭ ЭП в плоскости первого цикла поисковых перелетов в опорной точке e;  - модуль компоненты вектора  е - конечная точка первого поискового перелета в плоскости L;  - компонента в плоскости L вектора градиента ППЭ ЭП в точке e; e (j=1, 2, …, t) - конечная точка j -го перелета в плоскости L; e, e - соответственно граничная точка перелетов и точка максимальной величины ППЭ ЭП в плоскости L первого цикла поисковых перелетов; e - опорная точка i-го цикла поисковых перелетов (i=1, 2, …, s, где s - номер конечного цикла поисковых перелетов); L - плоскость i-го цикла поисковых перелетов, содержащая опорную точку e и перпендикулярная отрезку be; exyz - система координат с началом в опорной точке e (ось ey направлена вдоль отрезка be, ось ez - лежит в плоскости L на линии ее пересечения с вертикальной плоскостью, содержащей ось bz и отрезок be, ось ex лежит в плоскости L и составляет с осями ey и ez правую тройку);  - единичные вектора по соответствующим осям трехгранника exyz;  компонента вектора градиента ППЭ ЭП в плоскости i-го цикла поисковых перелетов в точке e;  - модуль компоненты вектора  e - конечная точка первого поискового перелета в плоскости L;  - компонента в плоскости L вектора градиента ППЭ ЭП в точке e; e (j=1, 2, …, t) - конечная точка j -го цикла в плоскости L; e, e - соответственно граничная точка перелетов и точка максимальной величины ППЭ ЭП в плоскости L; d - линейный параметр, определяющий расстояние между плоскостями поисковых перелетов вдоль направления be. Расстояние be определяется габаритными размерами БПЛА и выбирается таким образом, чтобы исключить его столкновение с антенной. Компонента вектора  ППЭ ЭП антенны и ее модуль в плоскости i-го цикла поисковых перелетов БПЛА в конечной точке e j-го перелета имеют следующий вид:
0
1,0
z
у
1,0
1
1,0
1
1
1
1,0
1,0
1
1,0
1,0
1,0
1
1,0
1
1,0
1
1,1
1,0
1,1
1,j
1,t
1,t
1,t
1,t-1
1,t-1
1
2,0
1,t-1
0
1,t-1
i,0
i,t
i,t
i,t
i,t-1
i,t-1
i,t-1
s,t-1
s,t-1
Последовательность действий по измерению максимальных величин ППЭ ЭП антенны сотовой связи в точках, расположенных в окрестности расчетной оси be главного излучения, и определению пространственной экспозиции этих точек такова. Предварительно, на основе, например, паспортных данных антенны в память вычислителя БПЛА вносят информацию об угле ψ ориентации относительно вертикали места и об угле ψ ориентации относительно местного меридиана расчетной оси главного излучения антенны. Осуществляют перелет БПЛА в опорную точку e первого цикла поисковых перелетов. С помощью навигационной системы определяют ориентацию плоскости L первого цикла поисковых перелетов и ориентацию системы координат exyz в этой плоскости. Измеряют p(e) - величину ППЭ ЭП в точке e и компоненту в плоскости L вектора градиента ППЭ ЭП в этой точке;  Измерение ППЭ ЭП в точке e производится непосредственно измерителем плотности потока энергии электромагнитного поля. Измерение компоненты вектора градиента ППЭ ЭП и его модуля в плоскости поисковых перелетов осуществляется косвенно на основе соотношений (1), (2) также с использованием измерителя ППЭ ЭП. Для этого, например, из опорной точки e можно осуществлять небольшие пробные перемещения БПЛА раздельно вдоль осей ех и еz и непрерывно измерять ППЭ ЭП в процессе этих пробных перемещений, а затем в вычислителе определять соответствующие частные производные  в точке е, а также собственно проекцию вектора градиента ППЭ ЭП на плоскость L и ее модуль. Далее совершают первый поисковый перелет первого цикла в направлении вектора  в точку e, отстоящую от e на расстоянии, равном  Определяют p(e) и  повторяют аналогичные процедуры поисковых j-х (j=1, 2, …, t) перелетов в этой же плоскости в точки e вплоть до граничной точки e с ППЭ ЭП, равной p (e), для которой выполняется неравенство p(e)<p(e). Точка e и является точкой максимума ППЭ ЭП в плоскости L. Затем совершают перелет в следующую опорную точку е, отстоящую от e вдоль линии be на величину d. Повторяют процедуры поисковых перелетов, аналогичные процедуре первого цикла, в плоскостях второго и последующих i-х (i=1, 2, …, s) циклов с опорными точками e в каждой плоскости i-го цикла вплоть до точек e с ППЭ ЭП, равными p(e), для которых выполняется неравенство р(e)<p(e), фиксируя в каждом i-ом цикле величины p(e), i=1, 2, …, s. Эти величины являются максимальными величинами ППЭ ЭП в точках, расположенных в окрестности оси главного излучения антенны. Одновременно определяют пространственные экспозиции (координаты) точек e вплоть до точки e, в которой ППЭ ЭП, равное p(e), становится меньше величины k безопасного уровня ППЭ ЭП, задаваемого, например, нормативными документами Госстандарта и Госкомэпиднадзора России. На этом процесс измерения максимальных величин плотности потока энергии электромагнитного поля антенны в окрестности ее оси главного излучения и определения пространственной экспозиции точек, в которых эти максимальные величины имеют место, завершается.