CN103185566B - 一种反射面天线波束指向的测试装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种反射面天线波束指向的测试装置及其测试方法，所述的反射面天线固定于天线支架上，包括有：电子经纬仪和天线基准镜，其特征在于，该装置还包括有光学望远镜；所述的光学望远镜平行于反射面天线机械轴固定于天线支架上；所述的发射天线旁边放置一靶标；该测试装置，用于通过光学测量方法和天线远场方向图测试相结合，精确测量反射面天线的电轴和机械轴夹角。该方法利用光学望远镜平行于反射面天线机械轴固定于天线支架上，并在所述的发射天线旁边放置一靶标，最终通过光学测量方法和天线远场方向图测试相结合，精确测量反射面天线的电轴和机械轴夹角。本发明可以解决精确测试星载天线电轴机械轴指向问题，具有准确、普适性强等优点。
Description
技术领域
本发明属航空航天、天线测量、电子的技术领域，特别涉及一种反射面天线波束指向的测试装置及其测试方法，尤其适用于星载可展开天线。
背景技术
目前，微波载荷频率已经达到毫米波、亚毫米波甚至太赫兹频段，对电轴指向精度提出极高的要求，迫切需要精确测试电轴机械轴指向夹角的方法。
反射面天线机械轴主要由反射面形状、形面精度以及安装支架等共同确定。对于正馈抛物面天线，在精度要求不高时往往会把天线安装法兰面法向作为天线机械轴，但这样会带来很大误差。反射面天线由于形面加工水平限制，尤其是星载大口径复合材料抛物面天线，其加工工艺十分复杂，往往采用铝蜂窝夹芯结构来降低天线重量，加工完成后反射面和理想抛物面有较大差别，需要在反射面上粘贴感光靶点，再通过两台电子经纬仪测试各个靶点的坐标，由坐标变换和形面拟合得到真实的反射面形状，拟合得到的抛物面焦距和理想抛物面会有一定的差别，而机械轴指向和理想抛物面轴向也不会完全重合。当反射面天线偏馈时以及采用毫米波以上频率时必须采用拟合出的实际抛物面形状才能得到天线的准确机械轴，而可展开结构天线机械轴测试则更为复杂，需要在天线安装支架和抛物面上各安装一个立方镜来标校反射面和支架的展开对应关系。
对于反射面天线的电轴测试，采用单纯的方向图测试是比较简单的，有远场、近场、紧缩场测试等方法。但测试电轴指向时需要较高精度角度分辨率的转台，可以测试出电轴相对于转台俯仰面和方位面的指向角度。一般精度要求时测试出来的电轴指向仅仅是电轴相对于转台的指向。虽然电轴指向定义为天线辐射最大电平方向，但是由于射频信号的稳定性、转台的角分辨率等因素限制，直接测试最大电平有很大的随机误差。因此，一般采用电平最大值附近相同电平值多次平均的办法消除随机误差。
以往测试星载天线电轴机械轴夹角时往往简单的把测试转台平面等效为天线安装面，缺乏有效的光学测试仪器来测试彼此之间的安装角度，精度难以保证，况且对于安装面法向和机械轴指向不一致时这种方法是不可行的，因此，目前星载天线波束指向的测试缺乏有效手段。
发明内容
本发明的目的在于，由于目前星载天线波束指向测试精度较低，迫切需要一种能精确测试电轴机械轴指向夹角的方法，从而提供一种反射面天线波束指向的测试装置及其测试方法。
本发明方法主要综合天线方向图测量和光学测量方法，利用天线远场测量结合光学仪器测试星载天线波束指向的测试方法，可以采用望远镜在远场测试相结合测试出准确的天线波束指向，海洋二号卫星载荷校正辐射计观测天线波束指向的测试表明该方法的有效和准确性。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种反射面天线波束指向的测试装置，其中，待测的反射面天线固定于天线支架上，包括有：电子经纬仪和天线基准镜，用于测量得到天线机械轴，其特征在于，该装置还包括有光学望远镜、发射天线和靶标；所述的光学望远镜平行于反射面天线机械轴固定于天线支架上；在发射天线旁边放置一靶标；该测试装置，用于通过光学测量方法和天线远场方向图测试相结合，精确测量反射面天线的电轴和机械轴夹角。
为实现上述的另一发明目的，本发明还提供了一种反射面天线波束指向的测试方法，该方法利用光学望远镜平行于待测的反射面天线机械轴固定于天线支架上，并在发射天线旁边放置一靶标，最终通过光学测量方法和天线远场方向图测试相结合，精确测量反射面天线的电轴和机械轴夹角；所述的方法包括步骤：
1)测试天线机械轴的步骤，将机械轴标校到位于天线支架的天线基准镜上；
2)天线机械轴与光学望远镜的平行校准的步骤；
3)电轴和机械轴远场测试的步骤；
首先，采用电平最大值附近取相同电平多次平均的办法确定天线电轴指向，并记录转台读数，当转动天线转台找到该点时，保持天线转台不动；
其次，用光学望远镜观测发射塔靶标，将光学望远镜的光轴线调整到发射源区对应的点，该点在靶标的下方，得到天线电轴在天线俯仰平面的夹角θx和在天线水平平面的夹角θy；
最后，进一步得到电轴和机械轴之间的夹角。
本发明的优点在于，本发明的测试装置和测试方法提出了远场测试结合光学测试相结合的新方法，可以解决精确测试星载天线电轴机械轴指向问题，彻底解决了高精度航天器天线波束指向的测试问题。该方法具有准确、普适性强等优点，在现有一般精度的转台上都可以适用，并且该方法可以推广到一般天线波束指向测试。
附图说明
图1是本发明的反射面天线波束指向的测试装置的结构示意图。
附图标识
1、反射面天线2、天线支架3、光学望远镜
具体实施方式
为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的实施步骤做进一步的描述。
如图1所示，将光学望远镜和被测天线安装支架简单固定，将望远镜轴线调整至与天线机械轴的平行校准，并在保持平行的状态下将望远镜和被测天线严格固定。测量光学望远镜轴线中心点到天线口径面水平距离和垂直距离。在发射天线旁边放置一靶标，量出发射天线和靶标之间的准确距离以及发射天线和待测天线的距离。
1、反射面机械轴测试
反射面天线机械轴主要由反射面形状、形面精度以及安装支架等共同确定。对于正馈抛物面天线，在精度要求不高时往往会把天线安装法兰面法向作为天线机械轴，但这样会带来很大误差。反射面天线由于形面加工水平限制，尤其是星载大口径复合材料抛物面天线，其加工工艺十分复杂，往往采用铝蜂窝夹芯结构来降低天线重量，加工完成后反射面和理想抛物面有较大差别，需要在反射面上粘贴感光靶点，再通过两台电子经纬仪测试各个靶点的坐标，由坐标变换和形面拟合得到真实的反射面形状，拟合得到的抛物面焦距和理想抛物面会有一定的差别，而机械轴指向和理想抛物面轴向也不会完全重合。当反射面天线偏馈时以及采用毫米波以上频率时必须采用拟合出的实际抛物面形状才能得到天线的准确机械轴。可展开结构天线机械轴测试则更为复杂，需要在天线安装支架和抛物面上各安装一个立方镜来标校反射面和支架的展开对应关系。
2、反射面天线的电轴测试
单纯的方向图测试是比较简单的，有远场、近场、紧缩场测试等方法。但测试电轴指向时需要较高精度角度分辨率的转台，可以测试出电轴相对于转台俯仰面和方位面的指向角度。一般精度要求时测试出来的电轴指向仅仅是电轴相对于转台的指向。虽然电轴指向定义为天线辐射最大电平方向，但是由于射频信号的稳定性、转台的角分辨率等因素限制，直接测试最大电平有很大的随机误差。因此一般采用电平最大值附近相同电平值多次平均的办法消除随机误差。
3、电轴机械轴夹角测试
3.1天线机械轴测试
3.1.1天线机械轴与天线基准镜的校准
星载可展开天线采用电子经纬仪的光学方法进行测量校准。坐标原点位于天线抛物反射面的焦点，在天线测试坐标系中可以测出天线基准镜与天线机械轴之间的三维数据。经过数据处理，可以得到天线基准镜坐标系的三轴在天线测试坐标系中的方向余弦，即基准镜三轴的余弦夹角关系。然后对测试数据进行坐标变换和拟合得到实际抛物面方程、焦距和实际天线的机械轴，将机械轴标校到位于天线支架的立方镜上。
坐标系(Xc，Yc，Zc)定义为天线的测试坐标系，该坐标系与总体接口数据单定义的天线坐标系(X，Y，Z)是旋转和平移的关系，在天线未安装到安装基板之前，以天线边缘参考基准镜作为参考坐标系(Xb，Yb，Zb),用电子经纬仪测量系统可以测得天线基准镜三轴相对于参考坐标系的方向角度关系。天线边缘参考基准镜坐标系的三轴定义分别为：+Zb轴所垂直的面为参考基准镜面对卫星舱板的面，+Xb轴所垂直的面为参考基准镜的外侧面，+Yb轴满足坐标系右手定则。
可以得出天线基准镜三轴在测试坐标系(Xc，Yc，Zc)中的方向余弦关系式：
exj＝cos(αxj_c)i+cos(βxj_c)j+cos(γxj_c)k
eyj＝cos(αyj_c)i+cos(βyj_c)j+cos(γyj_c)k(1)
ezj＝cos(αzj_c)i+cos(βzj_c)j+cos(γzj_c)k
3.1.2天线机械轴与光学望远镜的平行校准
3.2电轴和机械轴远场测试
采用电平最大值附近取相同电平多次平均的办法确定天线电轴指向并记录转台读数，当转动天线转台找到该点时，保持天线转台不动，用光学望远镜观测发射塔靶标，这时望远镜光轴线在发射源区对应的点在固定靶标点的右下方，由此可以得到天线电轴在天线俯仰平面的夹角θx和在天线水平平面的夹角θy。
电轴扫描先水平面后俯仰面时，则电轴单位矢量的方向余弦为：
e＝sin(θx)i+sin(θy)cos(θx)j+cos(θx)cos(θy)k
＝cos(αe)i+cos(βe)j+cos(γe)k(2)
电轴扫描先俯仰面后水平面时，则电轴单位矢量的方向余弦为：
e＝sin(θx)cos(θy)i+sin(θy)j+cos(θx)cos(θy)k
＝cos(αe)i+cos(βe)j+cos(γe)k(3)
将(3)式与(1)或者(2)和(1)式点乘就可以得到天线电轴在天线基准镜坐标系中的方向余弦关系：
e·exj＝cos(αe_xj)
e·eyj＝cos(βe_yj)(4)
e·ezj＝cos(γe_zj)
在此基础上可以得到电轴和机械轴之间的夹角。
4、海洋二号校正辐射计可展开天线波束指向的远场测试
海洋二号校正辐射计可展开天线工作频率属于毫米波(37GHz)，波束指向测试要求很高，这里采用远场测试方法。
采用3.1和3.2节所述的方法进行天线机械轴、电轴测试，测试出天线反射面形面按最小二乘拟合计算的均方根误差为0.044毫米，反射面焦距和设计焦距的误差为0.72毫米，反射面轴线和安装底板平面法线夹角89.9493度(设计值90度)，均达到了很高的精度。电轴和机械轴夹角是0.039度，完全满足设计要求。
本发明方法主要综合天线方向图测量和光学测量方法，利用天线远场测量结合光学仪器测试星载天线波束指向的测试方法，可以采用望远镜在远场测试相结合测试出准确的天线波束指向，海洋二号卫星载荷校正辐射计观测天线波束指向的测试表明该方法的有效和准确性。
本发明针对星载微波天线准确波束测试需求，研究了远场测试结合光学测试方法。利用天线远场方向图测试方法和光学测量方法测量了海洋二号校正辐射计毫米波可展开天线的电轴和机械轴夹角，多次测试结果显示测试精度满足毫米波天线高精度波束指向要求。该方法不仅仅对星载天线，对其他天线来说也完全可以采用该方法准确测试波束指向。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种反射面天线波束指向的测试装置，其中，待测的反射面天线固定于天线支架上，包括有：电子经纬仪和天线基准镜，用于测量得到天线机械轴，其特征在于，该装置还包括有光学望远镜、发射天线和靶标；
所述的光学望远镜平行于反射面天线机械轴固定于天线支架上；
在发射天线旁边放置一靶标；
该测试装置，用于通过光学测量方法和天线远场方向图测试相结合，精确测量反射面天线的电轴和机械轴夹角。
2.一种反射面天线波束指向的测试方法，该方法利用光学望远镜平行于待测的反射面天线机械轴固定于天线支架上，并在发射天线旁边放置一靶标，最终通过光学测量方法和天线远场方向图测试相结合，精确测量反射面天线的电轴和机械轴夹角；所述的方法包括步骤：
1)测试天线机械轴的步骤，将机械轴标校到位于天线支架的天线基准镜上；
2)天线机械轴与光学望远镜的平行校准的步骤；
3)电轴和机械轴远场测试的步骤；
首先，采用电平最大值附近取相同电平多次平均的办法确定天线电轴指向，并记录转台读数，当转动天线转台找到该点时，保持天线转台不动；
其次，用光学望远镜观测发射塔靶标，将光学望远镜的光轴线调整到发射源区对应的点，该点在靶标的下方，得到天线电轴在天线俯仰平面的夹角θx和在天线水平平面的夹角θy；
最后，进一步得到电轴和机械轴之间的夹角。
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