CN110045339A - 球面相控阵天线的标校测算方法 - Google Patents
球面相控阵天线的标校测算方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开的一种球面相控阵天线的标校测算方法，旨在解决在球面相控阵天线测试标校中确定信标天线坐标的问题。本发明通过以下技术方案予以实现：在信标天线与测量点间设定距离测量模块、夹角测量模块，以及信标天线与X轴和Y轴的夹角计算模块、方位角和俯仰角计算模块；距离测量模块和夹角测量模块采用全站仪进行测量，得到信标天线与球面相控阵天线测量点之间的距离和夹角，信标天线与坐标轴的夹角计算模块根据测量得到的距离和夹角，计算得到信标天线与球面相控阵天线坐标轴的夹角，然后在信标天线的方位角和俯仰角计算模块中转换为信标天线的方位角和俯仰角，这样就得到了信标天线在球面相控阵天线坐标系中的坐标。
Description
技术领域
领本发明涉及一种大型相控阵天线，特别是对大型球面相控阵天线中信标天线的坐标测算，尤其是用于相控阵天线系统的标校和测试方法。
背景技术
随着对同时可以进行测控通信的飞行器目标数目和系统作用空域的要求越来越高，球面相控阵天线应运而生，可以更好的满足系统要求。球面相控阵天线作为一种新型的共形相控阵天线，球面阵面位于XY平面内，阵面几何中心为坐标原点，X方向与阵面方位向重合，Y方向与阵面距离向重合；阵面在X方向与Y方向上完全对称，坐标原点即是相位中心。由于天线的球心对外不可见，因此难以直接测量信标天线相对于球心的距离、角度，从而确定信标天线在球面阵天线中的坐标以进行测算标校。现有技术中，球面相控阵天线的标校和测试，一般采用外置信标天线的方式，需要在球面相控阵天线坐标系中确定信标天线的坐标才能进行相关的标校和测试，传统方式是采用经过大地测量的标校塔上架设信标天线，这样可以确定信标天线的方向，但是受到标校塔的限制，使用不便，并且增加了测试难度。为了解决球面阵天线的标校和测试测量场地受限、技术复杂、难以用于实际工作中的问题，本发明提出了一种球面阵天线中信标天线的坐标测算方法。
发明内容
本发明的目的是针对球面相控阵天线标校、测试过程中，信标天线难以确定坐标的问题，提供一种方便快捷，测试精度高，且测试效率高的球面相控阵天线的标校测算方法，以解决在球面相控阵天线测试标校中确定信标天线坐标的问题。
本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是：一种球面相控阵天线的标校测算方法，具有如下加特征，在信标天线与测量点间设定距离测量模块、夹角测量模块，在直角坐标系的坐标轴上设定信标天线与X轴和Y轴的夹角计算模块、信标天线的方位角和俯仰角计算模块；信标天线与测量点间的距离测量模块和夹角测量模块采用全站仪进行测量，得到信标天线与球面相控阵天线测量点之间的距离和夹角，信标天线与坐标轴的夹角计算模块根据测量得到的距离和夹角，计算得到信标天线与球面相控阵天线坐标轴的夹角，然后在信标天线的方位角和俯仰角计算模块中转换为信标天线的方位角和俯仰角，这样就得到了信标天线在球面相控阵天线坐标系中的坐标。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明选取球面相控阵天线的球心作为坐标原点O，建立球面天线直角坐标系Oxyz，使用通用仪器设备进行测量，采用全站仪测量信标天线和测量点之间的距离和角度测量，通过距离测量模块和夹角测量模块测量信标天线与各测量点两两之间的夹角，得到全站仪与球面相控阵天线测量点及信标天线之间的距离，直线间夹角计算模块对测量得到的距离和角度进行运算，就可以得到信标天线在球面相控阵天线中的坐标，不需要传统的大地测量，使用方便快捷，解决了球面相控阵天线测试标校中确定信标天线坐标的问题。
本发明利用直线间夹角计算模块计算得到一组直线之间的夹角，通过平面间夹角计算模块对三个模块的输出数据进行相关计算，得到不同平面间的夹角，方位角和仰角计算模块对距离测量模块、夹角测量模块、直线间夹角计算模块和平面间夹角计算模块的数据做处理，计算得到信标天线在坐标系中的坐标，测试精度高，并且测试效率高。
本发明可以广泛应用于球面相控阵天线系统。
附图说明
图1是本发明在球面相控阵天线直角坐标系与信标天线的位置关系示意图。
图2是本发明球面相控阵天线中信标天线的坐标测算原理框图。
为了进一步说明而不是限制本发明的上述实现方式，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施范围之中。所有这些构思应视为本技术所公开的内容和本发明的保护范围。
具体实施方式
参阅图1、图2。根据本发明，在信标天线与测量点间设定距离测量模块、夹角测量模块，在直角坐标系的坐标轴上设定信标天线与X轴和Y轴的夹角计算模块、信标天线的方位角和俯仰角计算模块；信标天线与测量点间的距离测量模块和夹角测量模块采用全站仪进行测量，得到信标天线与球面相控阵天线测量点之间的距离和夹角，信标天线与坐标轴的夹角计算模块根据测量得到的距离和夹角，计算得到信标天线与球面相控阵天线坐标轴的夹角，然后在信标天线的方位角和俯仰角计算模块中转换为信标天线的方位角和俯仰角，这样就得到了信标天线在球面相控阵天线坐标系中的坐标。
球面相控阵天线安装完成后，建立好坐标系，并采取如下步骤：在阵面上选定参考位置，利用全站仪测量信标天线与参考位置之间的距离及角度，计算信标天线在坐标系中的坐标。
(1)选取球面相控阵天线的球心作为坐标原点O，建立球面天线直角坐标系Oxyz，选取X轴与球面的交叉点作为测量点A，XOY平面与球面的相交圆周上任选一点作为测量点B，以A点为起点作玄线AB，在玄线AB上选择E、F、G共三个测量点，OE连线形成ΔOEA，以G为垂点作AB的垂线CG，相交于球面的C点，使三个测量点A、B、C都在球面上；然后以G垂点作延伸至球面的垂线GC，以形成ΔCGA，然后按照测量要求在合适的距离处架设信标天线和全站仪，使全站仪与点A、点B之间无遮挡，P点以F点为垂点，以F测量点连线P点作垂线PF，再以远离切点A的K点连线P点，在K点外的H点连线P点，形成ΔPKH。由于三个测量点A、B、C都在球面上，因此，三个测量点与球心O之间的距离均为1米(球半径)。阵元A、B、C在球面阵坐标系中的位置可以通过设计文件得到，为已知量，根据各自位置可以计算得到A、B、C测量点阵元之间的相互之间的距离，记为AB、AC、BC。
(2)距离测量模块和夹角测量模块采用全站仪测量，全站仪与点A、点B、点C、信标天线点P之间的距离，测量结果记为L1、L2、L3、L0，同时以全站仪为中心，利用全站仪测量得到的信标天线分别与点A、点B、点C三个测量点之间的夹角，记为记为θ1、θ2、θ3。
(3)距离和夹角计算模块利用以下公式计算信标天线与三个测量点之间的距离PA、PB、PC：
OA与BA之间的夹角为：
O点与AB的垂点为E，垂线为OE。
OE＝R×sin(∠OAB)＝sin(∠OAB)
AE＝R×cos(∠OAB)＝cos(∠OAB)
P点与AB的垂点为F，垂线为PF，可以计算得到：
AF＝PA×cos(∠PAB)
PF＝PA×sin(∠PAB)
则线段EF的长度为
EF＝|AE-AF|＝|cos(∠OAB)-PA×cos(∠PAB)|
C点与AB的垂线记为CG，垂点为G，有
CG＝CA×sin(∠CAB)
AG＝CA×cos(∠CAB)
则线段GF的长度为：
GF＝|AF-AG|
＝|PA×cos(∠PAB)-CA×Cos(∠CAB)|。
(4)平面间夹角计算模块利用以下公式进行计算，平面PAB与平面CAB之间的夹角记为α，则有：
平面0AB与平面CAB之间的夹角记为β，
平面PAB与平面OAB的夹角记为γ，则有γ＝α+β，则信标天线位置点P与球心之间的距离为：
信标天线位置点P在水平面面OAB的垂点为H，
PH＝PF×sinγ
FH＝PF×cosγ
OH＝OF+FH
(5)方位角和仰角计算模块利用以下公式进行计算，得到信标天线的坐标，信标天线在球面阵天线坐标系中的仰角记为有
信标天线位置点P在直线OA上的垂点记为K，
OK＝PO×cos(∠POA)，
则平面POH与XZ平面(AOC平面)之间的夹角，也就算P点的方位角θ可以计算如下：通过以上计算得到信标天线在球面阵天线坐标系中的仰角、方位角和距离，据此进行后续针对信标天线的波束形成和测量。
参阅图2。在以下描述的一个最佳实施例中，选取球面相控阵天线的球心作为坐标原点O，建立直角坐标系，选取X轴与球面的交叉点作为测量点A，XOY平面与球面的相交圆周上任选一点作为测量点B。在合适的位置架设好信标天线和全站仪，使得全站仪与点A、点B之间无遮挡。如图所示。由于三个测量点A、B、C都在球面上，因此，三个测量点与球心O之间的距离均为1米(球半径)。信标天线与测量点间的距离测量模块和角度测量模块的测量数据来自于全站仪，在球面相控阵上标记3个测量点，其中一个为坐标原点，记为点O，第二个在坐标系的X轴上，记为点A，第三个位于坐标系的Y轴上，记为点B，点A、点B与坐标原点O之间的距离都可以直接在球面相控阵天线上用测量工具测量，分别记为Lx、Ly，测量工具可以是卷尺。然后利用全站仪测量得到三个测量点A、B、O与全站仪之间的距离，分别记为L1、L2、L3，信标天线与全站仪之间的距离记为L0，全站仪测量得到的信标天线与三个测量点之间的夹角为分别记为θ1、θ2、θ3，信标天线与三个测量点之间的距离分别记为LsA、LsB、Lso，
通过如下公式可以计算得到：
信标天线与X轴和Y轴的夹角计算模块，其处理数据来自于距离测量模块，信标天线与X轴和Y轴之间的夹角为分别记为θx、θy，可以通过如下公式计算得到：
信标天线的方位角和俯仰角计算模块根据信标天线与坐标原点之间的距离以及信标天线与X轴、Y轴的夹角，计算信标天线在球面相控阵天线中的方位角和仰角，其计算数据来自信标天线与X轴和Y轴的夹角计算模块。
信标天线的方位角和俯仰角计算模块首先计算信标天线在球面相控阵天线上的投影，记为xy⊥，利用如下公式计算得到。
然后利用下式计算得到信标天线在球面相控阵中的仰角方位角
通过以上利用全站仪的测量和相关计算，得到了信标天线在球面相控阵天线坐标系中的距离、方位角、仰角，确立了信标天线在坐标系中的坐标，就可以进行基于该信标天线和球面相控阵天线的波束形成及其它处理。
在可选的实施例中，阵元A、B、C在球面阵坐标系中的位置可以通过设计文件得到，为已知量，根据各自位置可以计算得到阵元A、B、C相互之间的距离，记为AB、AB、BC。下面以一个半径为1米的球面相控阵天线为例，说明具体的测算步骤：采用信标天线与测量点间的距离测量模块、信标天线与测量点间的夹角测量模块、信标天线与坐标轴的夹角计算模块、信标天线的方位角和俯仰角计算模块构成测量、计算球面相控阵天线中信标天线的坐标测算系统，其中，信标天线与测量点间的距离测量模块采用全站仪或其他类似设备对信标天线与测量点进行测量，得到信标天线与测量点之间的距离，同时以全站仪为中心，分别测量得到信标天线和各个测量点之间的夹角，信标天线与坐标轴的夹角计算模块根据上一步测量得到的距离和夹角，计算得到信标天线与球面相控阵天线坐标轴的夹角，然后在信标天线的方位角和俯仰角计算模块中转换为信标天线的方位角和俯仰角，这样就得到了信标天线在球面相控阵天线坐标系中的坐标。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明中，天线形式、子阵数目、方向矢量、方向误差矢量等只是用于帮助理解本发明的方法及系统；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在进行传统抛物面机械天线、共性相控阵天线跟踪系统等应用场景的实施时，根据具体应用范围，其实施方式均会有改变之处，综上所述，本说明书实施例的内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种球面相控阵天线的标校测算方法，具有如下加特征，在信标天线与测量点间设定距离测量模块、夹角测量模块，在直角坐标系的坐标轴上设定信标天线与X轴和Y轴的夹角计算模块、信标天线的方位角和俯仰角计算模块；信标天线与测量点间的距离测量模块和夹角测量模块采用全站仪进行测量，得到信标天线与球面相控阵天线测量点之间的距离和夹角，信标天线与坐标轴的夹角计算模块根据测量得到的距离和夹角，计算得到信标天线与球面相控阵天线坐标轴的夹角，然后在信标天线的方位角和俯仰角计算模块中转换为信标天线的方位角和俯仰角，这样就得到了信标天线在球面相控阵天线坐标系中的坐标。
2.按权利要求1所述的球面相控阵天线的标校测算方法，其特征在于：信标天线与测量点间的距离测量模块和角度测量模块的测量数据来自于全站仪，在球面相控阵上标记3个测量点，其中一个为坐标原点，记为点O，第二个在坐标系的X轴上，记为点A，第三个位于坐标系的Y轴上，记为点B，点A、点B与坐标原点O之间的距离都可以直接在球面相控阵天线上用测量工具卷尺测量，分别记为Lx、Ly，利用全站仪测量得到三个测量点A、B、O与全站仪之间的距离，分别记为L1、L2、L3，信标天线与全站仪之间的距离记为L0，全站仪测量得到的信标天线与三个测量点之间的夹角为分别记为θ1、θ2、θ3，信标天线与三个测量点之间的距离分别记为LsA、LsB、LsO，通过如下公式计算得到：
3.按权利要求1所述的球面相控阵天线的标校测算方法，其特征在于：信标天线与X轴和Y轴的夹角计算模块，其处理数据来自于距离测量模块，信标天线与X轴和Y轴之间的夹角为分别记为θx、θy，通过如下公式计算得到：
4.按权利要求1所述的球面相控阵天线的标校测算方法，其特征在于：信标天线的方位角和俯仰角计算模块根据信标天线与坐标原点之间的距离以及信标天线与X轴、Y轴的夹角，计算信标天线在球面相控阵天线中的方位角和仰角，其计算数据来自信标天线与X轴和Y轴的夹角计算模块。
5.按权利要求3或4所述的球面相控阵天线的标校测算方法，其特征在于：信标天线的方位角和俯仰角计算模块首先计算信标天线在球面相控阵天线上的投影，记为xy⊥，利用如下公式计算得到：
然后利用下式计算得到信标天线在球面相控阵中的仰角方位角
通过以上利用全站仪的测量和相关计算，得到了信标天线在球面相控阵天线坐标系中的距离、方位角、仰角，确立了信标天线在坐标系中的坐标，就可以进行基于该信标天线和球面相控阵天线的波束形成及其它处理。
6.按权利要求1所述的球面相控阵天线的标校测算方法，其特征在于：选取球面相控阵天线的球心作为坐标原点O，建立球面天线直角坐标系Oxyz，选取X轴与球面的交叉点作为测量点A，XOY平面与球面的相交圆周上任选一点作为测量点B，以A点为起点作玄线AB，在玄线AB上选择E、F、G共三个测量点，OE连线形成△OEA，以G为垂点作AB的垂线CG，相交于球面的C点，使三个测量点A、B、C都在球面上；然后以G垂点作延伸至球面的垂线GC，以形成△CGA，然后按照测量要求在合适的距离处架设信标天线和全站仪，使全站仪与点A、点B之间无遮挡，P点以F点为垂点，以F测量点连线P点作垂线PF，再以远离切点A的K点连线P点，在K点外的H点连线P点，形成△PKH。
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