CN107768829A - 一种基于太阳跟踪的天线指向修正方法 - Google Patents

一种基于太阳跟踪的天线指向修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于太阳跟踪的天线指向修正方法，属于天线伺服控制技术领域。其利用太阳作为信号源，通过频谱仪所确定的太阳当前位置，与计算机利用天文学公式计算出的太阳当前理论位置进行比对计算，将整个空域内比对计算的差值存储为数据表，通过查表的方式实现对天线空间位置指向的修正。本发明能够快速准确地对天线的指向进行无塔标校，是对现有技术的一种重要改进。

Description

一种基于太阳跟踪的天线指向修正方法
技术领域
本发明涉及天线伺服控制技术领域，特别是指一种基于太阳跟踪的天线指向修正方法。
背景技术
从接收天线的工作过程看，目标、电磁波传播的空间、天线和馈线、接收机、伺服系统、天线转动设备、数据传递、显示以及记录设备都是天线测量系统的组成部分，这些部分都可能给天线测量带来误差，而角度标校误差则是影响天线指向精度的主要误差之一。而为了实现天线的精准指向和跟踪，则需要一种高效、准确、简便的天线指向修正方法。
指向修正也可称作标校，标校的目的主要是指向标定和误差校准。目前常规的标校可以对接收天线的各项误差进行标校，但需要较高的大地测量成果和标校测试场地。对于机动站和某些侦查站，往往要求设备到位展开后就能很快投入使用，对有些地方如山头受到一定限制，不能满足标校条件。因此，无塔标校成为了当前研究的热点。
目前的无塔标校主要是星体标校法，就是通过光学望远镜对北极星或星历表上的恒星，并根据天文年历计算得到恒星的真实角度，与地面测控设备测量所得到的角度值进行比对，校准天线的方位和俯仰角度。利用北极星等恒星标校，可以获得很高的标校精度，但受天气条件限制，并需要操作人员在天线上长时间观察目标。标定完成后还需对光电失配量进行进一步的标定才能最终完成对电轴的标定，标校过程较为繁琐。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种基于太阳跟踪的天线指向修正方法，其能够快速准确地对天线的指向进行无塔标校。
基于上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种基于太阳跟踪的天线指向修正方法，其应用于天线指向伺服控制系统，包括以下步骤：
(1)获取根据天线的太阳可视范围而确定的标校控制参数；
(2)控制天线指向当前太阳位置附近；
(3)使天线的第一轴向保持对太阳的跟踪，第二轴向按太阳的逆向运行方向进行扫描，扫描过程中通过频谱仪对太阳信号进行采集和比对，记录信号强度最大时的相关数据；
(4)再次控制天线指向当前太阳位置附近，然后使天线的第二轴向保持对太阳的跟踪，第一轴向按太阳的逆向运行方向进行扫描，扫描过程中通过频谱仪对太阳信号进行采集和比对，记录信号强度最大时的相关数据；
(5)对两次扫描中信号强度最大时的相关数据进行归一化处理，得到对应于某一时刻的天线修正指向；
(6)根据每一时刻的天线修正指向以及该时刻的理论太阳指向，获得对应于每一理论太阳指向的指向修正值；
(7)根据所述步骤(6)所获得的对应于每一理论太阳指向的指向修正值，依据插值法对天线的任一理论指向进行修正。
可选的，所述标校控制参数包括标校点数、采样时间间隔，以及包括中心频率、分析带宽、视频带宽、扫描带宽和扫描时间在内的频谱仪控制参数。
可选的，所述第一轴向为方位轴向，所述第二轴向为俯仰轴向，所述步骤(2)中的当前太阳位置附近为在理论太阳位置的基础上方位正向拉偏2个波束宽度的指向，所述步骤(4)中的当前太阳位置附近为在理论太阳位置的基础上俯仰正向拉偏2个波束宽度的指向。
可选的，所述步骤(3)中信号强度最大时的相关数据包括天线的指向数据以及该指向数据所对应的时刻，所述步骤(4)中信号强度最大时的采样数据包括天线的指向数据、该指向数据所对应的时刻以及该时刻所对应的太阳俯仰实时速度；所述天线的指向数据包括方位数据和俯仰数据。
可选的，所述步骤(5)中归一化处理的方式为，假设太阳以匀速进行俯仰运动，依据步骤(4)中的采样数据反推步骤(3)中信号强度最大时天线的实际俯仰角度，从而与步骤(3)所获得的信号强度最大时天线的方位数据共同构成该时刻下的天线修正指向。
可选的，所述步骤(7)中的插值法为线性插值。
从上面的叙述可以看出，本发明技术方案的有益效果在于：
1、本发明利用太阳作为信号源，其通过频谱仪确定太阳信号强度最大的位置(可视为太阳的实际位置)，并与计算机利用天文学公式计算出的太阳当前理论位置进行比对计算，从而可将整个空域内比对计算的差值存储为数据表，以实现对天线空间位置指向的修正。该方法的实现完全依靠计算机软件控制，通过程序实现整个过程控制，实施简便，性能可靠，可以极大提高天线的外场标校能力和天线的指向精度。
2、本方法利用太阳作为测试源，可以实现全频段测试，不受空间和设备硬件的限制，应用领域较广。
3、本方法可以内嵌利用天文算法对太阳位置进行高精度计算的算法，从而能够保证太阳跟踪的准确性。
总之，本方法利用太阳作为信号源，测量出天线在不同空域的指向误差，对这些误差进行数据统计处理后，得出天线指向校准模型，确定天线的指向校准角度。本方法能够通过软件控制频谱仪搜索方位、俯仰最大点，准确、可靠，且便于实施，具有成本低、控制灵活、可靠性高等优点；其对采样数据的精度要求不高，在保证指向精度的前提下即可完成指向修正，是对现有技术的一种重要改进。
附图说明
为了更加清楚地描述本专利，下面提供一幅或多幅附图，这些附图旨在对本专利的背景技术、技术原理和/或某些具体实施方案做出辅助说明。需要注意的是，这些附图可以给出也可以不给出一些在本专利文字部分已有描述且属于本领域普通技术人员公知常识的具体细节；并且，因为本领域的普通技术人员完全可以结合本专利已公开的文字内容和/或附图内容，在不付出任何创造性劳动的情况下设计出更多的附图，因此下面这些附图可以涵盖也可以不涵盖本专利文字部分所叙述的所有技术方案。此外，这些附图的具体内涵需要结合本专利的文字内容予以确定，当本专利的文字内容与这些附图中的某个明显结构不相符时，需要结合本领域的公知常识以及本专利其他部分的叙述来综合判断到底是本专利的文字部分存在笔误，还是附图中存在绘制错误。特别地，以下附图均为实例性质的图片，并非旨在暗示本专利的保护范围，本领域的普通技术人员通过参考本专利所公开的文字内容和/或附图内
容，可以在不付出任何创造性劳动的情况下设计出更多的附图，这些新附图所代表的技术方案依然在本专利的保护范围之内。
图1是本发明实施例中的一种天线指向误差数据表；
图2～4是本发明实施例中修正方法的原理图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员对本专利技术方案的理解，同时，为了使本专利的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，并使权利要求书的保护范围得到充分支持，下面以具体案例的形式对本专利的技术方案做出进一步的、更详细的说明。
一种基于太阳跟踪的天线指向修正方法，其应用于天线指向伺服控制系统，包括以下步骤：
(1)获取根据天线的太阳可视范围而确定的标校控制参数；
(2)控制天线指向当前太阳位置附近；
(3)使天线的第一轴向保持对太阳的跟踪，第二轴向按太阳的逆向运行方向进行扫描，扫描过程中通过频谱仪对太阳信号进行采集和比对，记录信号强度最大时的相关数据；
(4)再次控制天线指向当前太阳位置附近，然后使天线的第二轴向保持对太阳的跟踪，第一轴向按太阳的逆向运行方向进行扫描，扫描过程中通过频谱仪对太阳信号进行采集和比对，记录信号强度最大时的相关数据；
(5)对两次扫描中信号强度最大时的相关数据进行归一化处理，得到对应于某一时刻的天线修正指向；
(6)根据每一时刻的天线修正指向以及该时刻的理论太阳指向，获得对应于每一理论太阳指向的指向修正值；
(7)根据所述步骤(6)所获得的对应于每一理论太阳指向的指向修正值，依据插值法对天线的任一理论指向进行修正。
可选的，所述标校控制参数包括标校点数、采样时间间隔，以及包括中心频率、分析带宽、视频带宽、扫描带宽和扫描时间在内的频谱仪控制参数。
可选的，所述第一轴向为方位轴向，所述第二轴向为俯仰轴向，所述步骤(2)中的当前太阳位置附近为在理论太阳位置的基础上方位正向拉偏2个波束宽度的指向，所述步骤(4)中的当前太阳位置附近为在理论太阳位置的基础上俯仰正向拉偏2个波束宽度的指向。
可选的，所述步骤(3)中信号强度最大时的相关数据包括天线的指向数据以及该指向数据所对应的时刻，所述步骤(4)中信号强度最大时的采样数据包括天线的指向数据、该指向数据所对应的时刻以及该时刻所对应的太阳俯仰实时速度；所述天线的指向数据包括方位数据和俯仰数据。
可选的，所述步骤(5)中归一化处理的方式为，假设太阳以匀速进行俯仰运动，依据步骤(4)中的采样数据反推步骤(3)中信号强度最大时天线的实际俯仰角度，从而与步骤(3)所获得的信号强度最大时天线的方位数据共同构成该时刻下的天线修正指向。
可选的，所述步骤(7)中的插值法为线性插值。
以下为一个更具体的例子：
一种基于太阳跟踪的天线指向修正方法，该方法应用于AE座架形式的半转台天线的指向伺服控制系统中，并借助频谱仪作为信号测量设备。执行本方法前已经基本确定天线的指向，且标校人员能够根据天线的太阳可视范围向伺服控制系统输入标校控制参数。本方法的具体步骤如下：
(1)标校开始，设置标校点数和采集时间间隔，同时设置中心频率、分析带宽、视频带宽、扫描带宽、扫描时间等频谱仪控制参数。
(2)根据本地经度和纬度，计算当前时刻太阳的理论方位和理论俯仰角度，记为使方位正向拉偏2个波束宽度Bw，即天线指向的目标位置点为
(3)根据当前太阳的实际位置，使天线在俯仰轴向上对太阳进行实时跟踪，而方位轴向则以大于太阳方位8倍的速度等速逆向运行，同时通过频谱仪实时记录采样数据，7秒钟以后，结束采样并寻找信号最大点的位置及对应时刻Ti1。
(4)根据本地经度和纬度，再次计算当前时刻太阳的理论方位和理论俯仰角度，记为在理论角度的基础上，使俯仰正向拉偏2个波束宽度Bw，即天线指向的目标位置点为
(5)根据当前太阳的实际位置，使天线在方位轴向上对太阳进行实时指向跟踪，而俯仰轴向则以大于太阳俯仰8倍的速度等速逆向运行，同时通过频谱仪实时记录采样数据，7秒钟以后，结束采样并寻找信号最大点的位置及对应时刻Ti2，同时记录Ti2时刻太阳俯仰的实时速度
(6)通过归一化计算，即由位置点推算出在Ti1时刻俯仰信号最大点的位置，可以得到Ti1时刻太阳信号最大点的实际位置为
(7)计算Ti1时刻太阳位置理论值与该时刻太阳信号最大点实际位置之间的差值：
(8)重复步骤(2)～(8)共n次，得到n组理论位置、实际位置以及理论位置与实际位置之间的差值。
(9)由n组采样数据将太阳的运行轨迹划分为n-1段，在每一区间段内拟合出误差的一次曲线，则当天线的方位或俯仰指向落在第k-1和第k组采样数据所划分的区间段内时，天线的方位A或俯仰E的修正值为：
(10)特别的，当天线待修正的方位A或俯仰E指向不在任一区间段内时，则按照如下规则：
当A<A1时，ΔA＝A+ΔA1，
当A>An时，ΔA＝A+ΔAn，
当E<E1时，ΔE＝E+ΔE1，
当E>En时，ΔE＝E+ΔEn。
图1所示为根据上述方法获得的天线指向误差数据表，图2所示为一个修正原理图。图2中，弧线表示太阳的运行轨迹，则天线任意指向位置(A，E)的修正值为：
当天线待修正方位、俯仰指向位于数据表中由相邻两点构成的空间区域内时，如图2中W和W’点区域示例，则对应方位、俯仰的修正曲线见图3和4。
方位坐标值和俯仰坐标值分别对应各自的误差列表，相应地(A，E)的修正值为：
当天线待修正的方位、俯仰指向未完全位于数据表中由相邻两点构成的空间区域内时，如图2中V和V’点区域示例。以俯仰最高点对应的方位角度将方位区间分为两部分，如图1所示，方位区间1和方位区间2。在确定了区间后，当待修正方位在区间1内时，待修正俯仰选定区间1内对应俯仰角度修正信息，即左侧纵坐标轴对应数据信息；当待修正方位在区间2内时，待修正俯仰选定区间2内对应俯仰角度修正值，即右侧纵坐标轴对应数据信息。
相应地(A，E)的修正值为同上。
当天线待修正的方位、俯仰指向不在数据表内任意一行数据区间内时，在计算修正值时，则按照如下规则：
当A<A1时，ΔA＝A+ΔA1，
当A>An时，ΔA＝A+ΔAn，
当E<E1时，ΔE＝E+ΔE1，
当E>En时，ΔE＝E+ΔEn。
本发明方法中，首先需要确定标校点数和标校时间间隔，以确定误差曲线数据库的容量，进而决定天线指向修正精度的高低。其次，在每个采样点第一次扫描拉偏前均进行一次太阳位置的对准操作，减小因控制天线运行至扫描指定位置需要的动作时间而产生的位置误差。此外，在进行单轴扫描时，为提高扫描采样数据的精度，通过单轴向跟踪，等价于该轴向静止不同，另一个轴向进行扫描；在扫描的过程中，通过计算机控制频谱仪，在合适的时机采集数据样本，便于判定太阳信号的大小，利于对有效数据信息的记录。接着，将两次不同时间点进行单轴扫描得到的数据信息，通过归一化算法，转换为一个时刻的数据信息点，便于同一时刻两轴信息的同时比对。最后，通过多个标校点的测试，即可得到误差曲线数据库，从而通过查表的方式，在配置表内对应的数据信息点区间内进行插值计算，就能够获得指向修正值。
本发明利用太阳作为信号源，太阳是一个宽频带信号源，对任意频点均可以实现角度标校，其受环境影响较小。因此，利用太阳进行天线指向标校，具有广泛的应用空间。
目前应用较成功的太阳标校法，主要应用于大口径射电天文观测天线中，该标校系统较复杂，其信号接收采用高精度跟踪接收设备，成本较高，同时，其算法采用最小二乘法，将大量采样样本反向解算系统误差模型。该算法对采样样本精度要求较高，否则将无法解算出系统的误差模型。而普通天线系统设备的采样样本精度无法与大口径射电天文设备相比，其精度上的略势也导致了该方法的广泛推广。
而本发明中的太阳法标校是通过频谱信号监测仪器(诸如频谱仪等)所确定的太阳当前位置，与计算机利用天文学公式计算出的太阳当前理论位置进行比对计算，将整个空域内比对计算的差值存储为数据表，通过查表的方式实现对天线空间位置指向的修正。因此，本发明方法原理简单、便于实现，并且精度可以满足使用要求。
需要理解的是，上述对于本专利具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本专利方案而列举的个例性描述，并非暗示本专利的保护范围仅仅被限制在这些个例中，本领域普通技术人员完全可以在对本专利技术方案做出充分理解的前提下，以不付出任何创造性劳动的形式，通过对本专利所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等等方式，得到更多的具体实施方式，所有这些具体实施方式均在本专利权利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式也应在本专利的保护范围之内。
此外，出于简化叙述的目的，本专利也可能没有列举一些寻常的具体实施方案，这些方案是本领域普通技术人员在理解了本专利技术方案后能够自然而然想到的，显然，这些方案也应包含在本专利的保护范围之内。
出于简化叙述的目的，上述各具体实施方式对于技术细节的公开程度可能仅仅达到本领域技术人员可以自行决断的程度，即，对于上述具体实施方式没有公开的技术细节，本领域普通技术人员完全可以在不付出任何创造性劳动的情况下，在本专利技术方案的充分提示下，借助于教科书、工具书、论文、专利、音像制品等等已公开文献予以完成，或者，这些细节是在本领域普通技术人员的通常理解下，可以根据实际情况自行作出决定的内容。可见，即使不公开这些技术细节，也不会对本专利技术方案的公开充分性造成影响。
总之，在结合了本专利说明书对权利要求书保护范围的解释作用的基础上，任何落入本专利权利要求书涵盖范围的具体实施方案，均在本专利的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于太阳跟踪的天线指向修正方法，其特征在于，应用于天线指向伺服控制系统，包括以下步骤：
(1)获取根据天线的太阳可视范围而确定的标校控制参数；
(2)控制天线指向当前太阳位置附近；
(3)使天线的第一轴向保持对太阳的跟踪，第二轴向按太阳的逆向运行方向进行扫描，扫描过程中通过频谱仪对太阳信号进行采集和比对，记录信号强度最大时的相关数据；
(4)再次控制天线指向当前太阳位置附近，然后使天线的第二轴向保持对太阳的跟踪，第一轴向按太阳的逆向运行方向进行扫描，扫描过程中通过频谱仪对太阳信号进行采集和比对，记录信号强度最大时的相关数据；
(5)对两次扫描中信号强度最大时的相关数据进行归一化处理，得到对应于某一时刻的天线修正指向；
(6)根据每一时刻的天线修正指向以及该时刻的理论太阳指向，获得对应于每一理论太阳指向的指向修正值；
(7)根据所述步骤(6)所获得的对应于每一理论太阳指向的指向修正值，依据插值法对天线的任一理论指向进行修正。
2.根据权利要求1所述的基于太阳跟踪的天线指向修正方法，其特征在于，所述标校控制参数包括标校点数、采样时间间隔，以及包括中心频率、分析带宽、视频带宽、扫描带宽和扫描时间在内的频谱仪控制参数。
3.根据权利要求1所述的基于太阳跟踪的天线指向修正方法，其特征在于，所述第一轴向为方位轴向，所述第二轴向为俯仰轴向，所述步骤(2)中的当前太阳位置附近为在理论太阳位置的基础上方位正向拉偏2个波束宽度的指向，所述步骤(4)中的当前太阳位置附近为在理论太阳位置的基础上俯仰正向拉偏2个波束宽度的指向。
4.根据权利要求3所述的基于太阳跟踪的天线指向修正方法，其特征在于，所述步骤(3)中信号强度最大时的相关数据包括天线的指向数据以及该指向数据所对应的时刻，所述步骤(4)中信号强度最大时的采样数据包括天线的指向数据、该指向数据所对应的时刻以及该时刻所对应的太阳俯仰实时速度；所述天线的指向数据包括方位数据和俯仰数据。
5.根据权利要求4所述的基于太阳跟踪的天线指向修正方法，其特征在于，所述步骤(5)中归一化处理的方式为，假设太阳以匀速进行俯仰运动，依据步骤(4)中的采样数据反推步骤(3)中信号强度最大时天线的实际俯仰角度，从而与步骤(3)所获得的信号强度最大时天线的方位数据共同构成该时刻下的天线修正指向。
6.根据权利要求1所述的基于太阳跟踪的天线指向修正方法，其特征在于，所述步骤(7)中的插值法为线性插值。
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