CN108168504B - 一种基于拟合球心法的天线旋转中心标校方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于拟合球心法的天线旋转中心标校方法，该方法首先设置控制点，构建工程控制网，获得大地坐标和大地方位角；然后在天线上布设标志点，控制天线的姿态按照设定角度变化，获得天线在不同姿态下的标识点的坐标；最后根据天线不同姿态下标识点的坐标，采用拟合球心法得到天线的旋转中心。本发明的天线旋转中心标校方法的测量精度较高，能够达到亚毫米级。在此基础上可精确标定上行阵天线相位中心之间的相对位置关系，从而完成载波相位标校，实现信号载波对齐。

Description

一种基于拟合球心法的天线旋转中心标校方法

技术领域

本发明属于天线组阵技术领域，具体涉及一种基于拟合球心法的天线旋转中心标校方法。

背景技术

天线组阵技术是随着人类探索外层空间的历程而逐步发展起来的，是未来深空通信中的重要发展方向之一。深空通信等技术的发展对天线性能的要求也越来越高，尤其是要求天线的等效口径越来也大，但是，由于其结构和重量极其庞大，驱动伺服非常困难。天线组阵技术是利用多个天线接收来自同一个深空探测器的下行信号或者向同一个深空探测器发射上行信号，通过信号合成提高信号的信噪比，实现数据的上下行高速传输。相比单个天线，天线组阵具有提升系统性能、增强可操作性、降低系统研制成本和提高系统运行灵活性等明显优势。

上行组阵是利用地面上分布的多个发射天线组成发射阵列，对同一目标发射信号，并通过调整各个发射信号的时延、相位，使各个发射信号在目标处能够实现同相合成，从而增强深空探测器接收信号的信噪比。因此，上行天线组阵技术的研究与应用具有重要的现实价值。但是如何完成载波相位标校，如何实现信号载波对齐是上行天线组阵的需要解决的技术难题。

天线相心变化受到多种因素的影响。对于同一天线，由于受到重力变形和加工精度等因素的影响，不同方位、俯仰角下的天线相心可能不同；对于不同天线，同一方位、俯仰角度引入的相位滞后也会不同，不同方位角、俯仰角下天线相位中心的准确性也会不同；天线的机械和温度特性的差异以及其他环境因素也会造成相位误差。为了精确标定上行阵天线相位中心之间的相对位置关系，首先需要对精确标定各天线的旋转中心。

《北京测绘》2006年第1期公开了作者为陈廷武、李敬东的《大型天线几何旋转中心的测定方法》，该方法使得天线绕垂直轴旋转，每旋转15度，获得一组数据，拟合出天线的竖直轴；以同样的方法控制天线绕水平轴旋转，每旋转10度，获得一组数据，拟合出天线的水平轴。水平轴和垂直轴的交点便为天线的旋转中心。该标校方法获得天线旋转中心的精度较低、且不够准确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于拟合球心法的天线旋转中心标校方法，用以解决现有技术中对于天线旋转中心标定不准确的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明提供了一种基于拟合球心法的天线旋转中心标校方法，包括如下步骤：

设置控制点，构建工程控制网，获得大地坐标和大地方位角；

在天线上布设标志点，控制天线的姿态变化，获得天线在不同姿态下的标识点的坐标；

对于其中一个标志点，对该标志点在不同姿态下的坐标进行球拟合，得到该标志点对应的拟合球心坐标；

根据每个标志点对应的拟合球心坐标，得到天线的旋转中心。

进一步地，求取每个标志点对应的拟合球心坐标的平均值，该平均值为天线的旋转中心。

进一步地，采用GNSS网来获得大地坐标和大地方位角。

进一步地，所述控制天线的姿态变化，获得天线在不同姿态下的标识点的坐标包括：控制天线的方位角不变，俯仰角在设定范围内变化，得到在该方位角下天线不同的姿态；进而得到在不同方位角下天线不同的姿态；从而得到天线不同的姿态。

进一步地，天线的方位角分别从0°至360°，俯仰角从0°至90°等间隔变化，得到天线不同的姿态。

进一步地，所述获得天线在不同姿态下的标识点的坐标包括：

构建工业摄影测量系统和全站仪测量系统；

采用工业摄影测量系统拍摄标志点，得到标志点在工业摄影测量坐标系下的坐标；

在天线工装上布设公共点，根据公共点得到全站仪坐标系和工业摄影测量坐标系的关系；

根据该关系，将在工业摄影测量系统坐标系下的标志点坐标转换到全站仪坐标系中，得到天线在不同姿态下的标识点的坐标。

进一步地，所述根据公共点得到全站仪坐标系和工业摄影测量坐标系的关系包括：

分别采用全站仪测量系统和工业摄影测量系统对公共点进行测量；

将工业摄影测量系统测量公共点所得的结果，转换到全站仪坐标系中，得到测量转换结果；

若测量转换结果不满足精度要求，则重新测量；

根据满足精度要求的测量转换结果，得到全站仪坐标系和工业摄影测量坐标系的关系。

进一步地，所述对该标志点在不同姿态下的坐标进行球拟合，得到该标志点对应的拟合球心坐标包括：

建立球面方程，将标志点坐标看作观测值，半径、球心看作未知数，以所有标志点到拟合球面的几何距离平方和最小为准则，对球面方程线性化后通过最小二乘法，求得标志点对应的拟合球心坐标。

本发明的有益效果：

本发明为了获得精准的天线旋转中心，以大地坐标和大地方位角为基准，来获得各个标志点的坐标，根据这些大量的坐标，采用拟合球心法来得到天线的旋转中心。这种方法简单可靠，拟合球心法获得的旋转中心精度能够达到亚毫米级。在此基础上可精确标定上行阵天线相位中心之间的相对位置关系，从而完成载波相位标校，实现信号载波对齐。

进一步地，构建GNSS网来获得天线的大地坐标和大地方位角，由于GNSS具有测量速度快，不受通视、天气等条件的限制，自动化程度高，受人为测量误差的影响小，能够进行连续测量等优点，故使得通过该系统获得的大地坐标和大地方位角更加准确与精准，在此基础上得到的天线旋转中心更加准确。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是工程控制网示意图；

图3是测量墩示意图；

图4是标志点分布示意图；

图5是工装布设示意图；

图6是同心球心拟合示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。

为了精确获取天线旋转中心在大地空间直角坐标系中的坐标，并高精度标校上行阵天线旋转中心之间的相对位置关系，本发明提出了一种基于拟合球心法的天线旋转中心标校方法，该方法的主要流程如图1所示。

下面以某实验场地内的4台φ3m的上行阵天线组阵为例，来介绍本发明的标校方法。

首先，由于工程控制网的建立是确保获得高精度天线旋转中心的基础，故先设置控制点，构建工程控制网，获得大地坐标和大地方位角。展开来讲：

1、设计工程控制网网形并修建测量墩。

如图2所示，天线T1至天线T3组成上行阵天线组阵。根据工程的具体需求，结合实验场地内4台φ3m天线的分布，并考虑实际地形、地质条件、测量方案等，修建了4个带有强制对中装置的高精度测量墩，即J001、J002、J003和J004，每个测量墩的示意图如图3所示。每个测量墩即为1个控制点，这4个控制点(J001～J004)构成了天线组阵标校的工程控制网。

2、通过构建GNSS网建立大地坐标与大地方位角基准。

GNSS具有测量速度快，不受通视、天气等条件的限制，自动化程度高，受人为测量误差的影响小，能够进行连续测量等优点。故在该实施例中，采用GNSS进行工程控制网测量，以获取高精度的大地坐标和大地方位角。

按照GPS控制测量中的C级测量技术要求施测。GPS测量方案采用J001—J002—J004和J002—J03—J004两个闭合环进行，每个环至少连续测量4个小时；长基线J002—J004至少连续观测12小时。

以闭环J001—J002—J004为例，介绍GPS测量的具体步骤：

1)在J001、J002和J004测量墩上安置GPS天线；

2)测量天线高；

3)连接好天线、接收机和电源，打开接收机并设置测量模式、天线型号、采样间隔和卫星截止高度角等参数；

4)新建工程文件，并开始测量；

5)定时检查记录仪器的工作状态；

6)当观测时间满足要求后即可结束测量，保存测量得到的原始观测数据。

利用数据处理软件LGO(LEICA Geo Office Combined)把GPS测量得到的原始观测数据的格式转换为rinex格式；采用Gamit10.50和Globk5.19I软件，以BJFS、SHAO、LHAZ三个IGS基准站的GPS观测数据及其大地坐标和运动速度计算控制点J002和J004点的大地坐标。局域网数据处理采用LEICA GEO office8.4软件，以控制点J004点高精度计算结果为控制基准，计算其他各控制点的坐标及方位基准数据。

GPS观测数据处理后可以得到高精度的大地坐标和大地方位角，为后续结果向大地坐标系的转换提供了基础。

3、通过全站仪观测构建高精度的三维控制网。

利用全站仪，来建立相对精度达到亚毫米级的边角控制网。测量实施参照《国家三角测量规范》(GB/T 17942—2000)、精密工程测量规范(GBT 15314-1994)中相关测量要求进行。并且，采用精密棱镜配合全站仪建立工程控制网。

以测站J001为例说明全站仪控制网测量的具体步骤：

1)架设仪器；

2)量取全站仪仪器高和棱镜高；

3)选择零方向；

4)采用方向观测法，多测回获取水平角和垂直角；

5)进行获取斜距；

6)检查测量数据是否超限。

将全站仪观测结果导入到控制网平产软件中进行处理，得到三维控制网控制点的坐标及精度。

然后，将工业摄影测量系统和全站仪测量系统进行联合测量，在每台天线上布设标志点，控制每台天线的姿态按照设定角度变化，获得每台天线不同姿态下的标识点的坐标。展开来讲：

对每台天线分别在方位为60°、180°和300°的位置，俯仰从10°至80°每隔10°进行摄影测量，以获取天线面板上大量标识点的坐标。

使用工业摄影测量系统必须配合摄影测量标志，由于每个天线由八块相同的扇形面板组成，故每块面板的标志布设方案相同。在每块面板上共均匀布设18个普通测量标志和1个编码标志，测量标志分布情况如图4所示。为了把工业摄影测量坐标系引入全站仪测量坐标系，需要测量公共点。公共点借助工装交替布设在天线面板边缘的内外侧，另在副面的外端面布设一个公共点。工装的分布如图5所示。

以天线T1为例，介绍测量的具体步骤：

1)按照工业摄影测量标志布设方案，在天线面板上布设测量标志和工装；

2)在合适的测量墩上架设全站仪；

3)调整天线至方位角60°、俯仰角10°的位置，把球棱镜全站仪可视范围内的工装上，用全站仪测量其坐标；

4)保持天线位置不变，在全站仪测量的公共点的靶座上安装摄影测量工装；

5)利用工业摄影测量系统对天线面板上分布的标志点进行测量；

6)保持天线方位角为60°不变，俯仰从10°至80°每隔10°重复步骤3)—步骤5)进行测量；

7)将天线转至方位角180°和300°，重复步骤3)—步骤5)进行测量；

8)将工业摄影测量系统测量公共点所得的结果，转换到全站仪坐标系中，得到测量转换结果；若测量转换结果不满足精度要求，则重新测量；根据满足精度要求的测量转换结果，得到全站仪坐标系和工业摄影测量坐标系的关系。

最后，根据每台天线不同姿态下标识点的坐标，采用拟合球心法得到每台天线的旋转中心。

拟合球心法，根据每台天线的每个标识点在不同姿态下的坐标，对于其中一个标识点，对该标识点在不同姿态下的坐标进行球拟合，得到该标志点对应的球心坐标；求取每个标志点对应的球心坐标的平均值，得到该台天线的旋转中心；进而得到每台天线的旋转中心。具体的：

1、通过工业摄影测量系统和全站仪测量系统进行联合测量，获取24个不同姿态下天线面板上标识点在全站仪测量坐标系下的坐标。

2、每个标识点拟合球心在24个姿态下都有对应的坐标，将这些同名点进行球拟合，如图6所示。球面方程可表示成：

f＝(x-x₀)²+(y-y₀)²+(z-z₀)²-r²

将标识点坐标看作观测值，将半径、球心坐标看作未知参数，以所有点到拟合球面的几何距离平方和最小为准则，对球面方程线性化后通过非线性最小二乘的方法求解得到拟合球心坐标。

3、取所有拟合球心坐标的平均值作为旋转中心。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种基于拟合球心法的天线旋转中心标校方法，其特征在于，包括如下步骤：

设置控制点，构建工程控制网，获得大地坐标和大地方位角；

在天线上布设标志点，控制天线的姿态变化，获得天线在不同姿态下的标识点的坐标；

对于其中一个标志点，对该标志点在不同姿态下的坐标进行球拟合，得到该标志点对应的拟合球心坐标；

根据每个标志点对应的拟合球心坐标，得到天线的旋转中心；

所述控制天线的姿态变化，获得天线在不同姿态下的标识点的坐标包括：控制天线的方位角不变，俯仰角在设定范围内变化，得到在该方位角下天线不同的姿态；进而得到在不同方位角下天线不同的姿态；从而得到天线不同的姿态；

天线的方位角分别从0°至360°，俯仰角从0°至90°等间隔变化，得到天线不同的姿态。

2.根据权利要求1所述的基于拟合球心法的天线旋转中心标校方法，其特征在于，求取每个标志点对应的拟合球心坐标的平均值，该平均值为天线的旋转中心。

3.根据权利要求1所述的基于拟合球心法的天线旋转中心标校方法，其特征在于，采用GNSS网来获得大地坐标和大地方位角。

4.根据权利要求1所述的基于拟合球心法的天线旋转中心标校方法，其特征在于，所述获得天线在不同姿态下的标识点的坐标包括：

构建工业摄影测量系统和全站仪测量系统；

采用工业摄影测量系统拍摄标志点，得到标志点在工业摄影测量坐标系下的坐标；

在天线工装上布设公共点，根据公共点得到全站仪坐标系和工业摄影测量坐标系的关系；

根据该关系，将在工业摄影测量系统坐标系下的标志点坐标转换到全站仪坐标系中，得到天线在不同姿态下的标识点的坐标。

5.根据权利要求4所述的基于拟合球心法的天线旋转中心标校方法，其特征在于，所述根据公共点得到全站仪坐标系和工业摄影测量坐标系的关系包括：

分别采用全站仪测量系统和工业摄影测量系统对公共点进行测量；

将工业摄影测量系统测量公共点所得的结果，转换到全站仪坐标系中，得到测量转换结果；

若测量转换结果不满足精度要求，则重新测量；

根据满足精度要求的测量转换结果，得到全站仪坐标系和工业摄影测量坐标系的关系。

6.根据权利要求1所述的基于拟合球心法的天线旋转中心标校方法，其特征在于，所述对该标志点在不同姿态下的坐标进行球拟合，得到该标志点对应的拟合球心坐标包括：

建立球面方程，将标志点坐标看作观测值，半径、球心看作未知数，以所有标志点到拟合球面的几何距离平方和最小为准则，对球面方程线性化后通过最小二乘法，求得标志点对应的拟合球心坐标。

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