CN110308746B - 一种适用于三轴转台式测控天线的星体标校方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种适用于三轴转台式测控天线的星体标校方法，借助射电星作为观测对象，通过三轴标校模型建立三轴转台式天线的角度标校方法，获得三轴转台式天线的角度误差修正系数，对三轴转台式天线进行测角数据修正，可使三轴转台式天线的角度测量数据的精度满足系统测控的精度要求。本发明还可以解决传统标校塔远程距离不满足需求的问题，对于满足建设条件的，则可以省去标校塔建设成本，从系统建设上，可减少土地占用和测控系统的建设成本。

Description

一种适用于三轴转台式测控天线的星体标校方法

技术领域

本发明涉及天线角度标校技术领域，具体为一种适用于三轴转台式测控天线的星体标校方法。

背景技术

航天器在轨飞行，需要测控系统对航天器实施轨道测量和飞行控制，目前，我国的轨道测量主要通过地面测量系统实现。地面测量设备通过对航天器进行跟踪以获取目标的速度、距离和角度，其中角度数据主要由天线系统的跟踪数据(角度数据)并根据天线轴系修正标校模型对天线系统编码器采集的原始角度数据进行修正，得到目标相对于测量点的方位和俯仰角度值，作为目标的大地测量值，参与目标的测定轨计算。而天线轴系修正标校模型中的误差修正参数需要经过测控天线的标校才能获得。

典型两轴A-E座架天线结构形式如图1所示，这种传统的方位俯仰座架式测控天线为了获得满足测控要求的测角数据，已建立有两轴天线下的角度标校模型并有相应的标校方法。而随着我国卫星测控与遥感卫星数据接收一体化多功能站的需求，同一台天线系统既要有较高的测量精度，又要有全空域高精度跟踪的需求，目前投入建设的测控设备需具备测控及数传两种模式，传统的单一测控功能设备或者单一数传功能的设备已经不适应现有的航天器测控和天地数据传输需求。新研测控数传一体化设备需同时具备数传和测控能力，因此需要三轴转台式天线来实现全弧段的数传数据接收，同时具备满足对航天器角度测量的测控能力。

三轴转台式天线的结构模式如图2所示，三轴转台式天线是在传统的两轴天线上在方位基座下增加了一个斜转台，这个斜转台可为方位基座以及方位基座上的俯仰平台提供7度倾角，用于抵消A-E座架在某些位置上的仰角，通过降低天线跟踪目标时的仰角，减小跟踪速度和加速度，可实现对目标的全弧段跟踪，保证遥测、数传数据的接收，这种结构形式的天线在遥感卫星数据接收站大量的使用，可以实现对任意轨道倾角的卫星全空域无盲区高精度跟踪。但这种三轴转台式天线相比于传统典型两轴A-E座架天线结构更为复杂，由于第三轴结构安装及旋转特点，轴角度测量数据与测站地平坐标系的方位角、俯仰角存在非线性变换关系，标校参数引入了由第三轴斜转台引入的误差修正参数，标定难度较两轴天线大幅提高，原有的典型两轴A-E座架天线角度标校模型和标校方法已不再适用于三轴转台式天线。

目前国内在遥测、遥感领域已采用了三轴转台式天线，形成了12米、7.3米的系列化产品。但是原有用于遥测、遥感领域的三轴转台式天线的轴系标校模型精度远达不到测控需求，而且传统三轴角度标校只对太阳、月亮进行初步的标定，然后借助低轨卫星进行角度的定点误差修正，保证对目标信号的接收强度满足信号传输需求即可，对天线零值修正模型提供的精度低于测控需求，与之匹配的标校方法也不能满足三轴天线应用于测控领域的新需求。

因此迫切需要针对新的三轴转台式天线构建新的角度标校模型和标校方法，实现三轴转台式天线的角度标校，满足三轴天线实现精确角度测量和卫星控制的需求。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种适用于三轴转台式测控天线的星体标校方法，借助射电星作为观测对象，通过三轴标校模型建立三轴转台式天线的角度标校方法，获得三轴转台式天线的角度误差修正系数，对三轴转台式天线进行测角数据修正，可使三轴转台式天线的角度测量数据的精度满足系统测控的精度要求。

本发明的技术方案为：

所述一种适用于三轴转台式测控天线的星体标校方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：选择标校源：

在天球中选择位置精确已知，且满足三轴转台式测控天线G/T增益指标的若干射电星作为标校源；

对于某一射电星而言，G/T值通过以下公式计算：

其中k为波尔兹曼常数，Y因子采用公式

计算，P₁为三轴转台式测控天线对射电星的测量值，P₂为三轴转台式测控天线对冷空的测量值，φ(f)为射电星在测试频率f上的辐射通量密度，λ为工作波长，K₁,K₂,K₃分别为大气衰减修正系数、射电星角扩展修正系数和射电星通量密度随时间而变的修正系数；

步骤2：控制三轴转台式测控天线指向选择的标校源进行扫描，得到天线对应于最大功率值的天线系统方位角测量值A_c、天线系统俯仰角测量值E_c以及第三轴角度测量值T_c，并得到此时标校源的方位角真值A_z和俯仰角真值E_z；

步骤3：重复步骤2，获得N组(A_ci,E_ci,T_ci,A_zi,E_zi)，i＝1,2,…,N；

步骤4：建立三轴转台式天线角度标校模型：

所建立的大地坐标系下的三轴转台式天线角度标校模型为：

其中A_z为目标方位角真值，E_z为目标俯仰角真值，δ为天线方位轴与俯仰轴的不正交度，θ_M为天线座大盘不水平的最大值，A_M为天线座大盘不水平的最大值所处的方位角，X，Y，Z为大地坐标系与测量坐标系的转换矩阵变量：

T为第三轴角度真值，θ为第三轴倾斜角真值，第三轴的误差模型为：

T＝T_c+T₀

θ＝θ₀+Δθ

T_c为第三轴角度读数，T₀为第三轴零值误差，θ₀是为第三轴倾斜角理论值，Δθ为第三轴倾斜角误差；

而A^#和E^#为测量坐标系下天线系统方位角和俯仰角的测量真值：

A^#＝A_c+A₀+δtgE_c+K_bsecE_c

E^#＝E_c+E₀+E_gcosE+E_dcotE

式中A_c为天线系统方位角测量值，A₀为天线系统方位角零位误差，E_c为天线系统俯仰角测量值，E₀为天线系统俯仰角零位误差，E_g为重力下垂引起的俯仰误差系数，K_b为天线电轴与俯仰轴不匹配引起的方位误差，E_d为大气折射率，E＝E_c+θ₀cosA_c；

步骤5：给三轴转台式天线角度标校模型中的待求解系数设定初值；所述待求解系数为：天线方位轴与俯仰轴的不正交度δ、天线座大盘不水平的最大值θ_M、天线座大盘不水平的最大值所处的方位角A_M、第三轴零值误差T₀、第三轴倾斜角误差天线Δθ、系统方位角零位误差A₀、天线系统俯仰角零位误差E₀，重力下垂引起的俯仰误差系数E_g，天线电轴与俯仰轴不匹配引起的方位误差K_b，大气折射率E_d；

并定义指标函数：

其中

和

为将步骤2得到的N组(A_ci,E_ci,T_ci,A_zi,E_zi)中的A_ci,E_ci,T_ci以及三轴转台式天线自身的第三轴倾斜角理论值θ₀带入三轴转台式天线角度标校模型，计算得到的目标方位角修正真值和目标俯仰角修正真值；

以三轴转台式天线角度标校模型中的待求解系数为优化变量，对指标函数进行优化求解，得到满足指标要求的待求解系数，从而得到满足指标要求的三轴转台式天线角度标校模型。

进一步的优选方案，所述一种适用于三轴转台式测控天线的星体标校方法，其特征在于：N≥10。

进一步的优选方案，所述一种适用于三轴转台式测控天线的星体标校方法，其特征在于：步骤3中通过对N个不同标校源进行扫描测量，得到N组(A_ci,E_ci,T_ci,A_zi,E_zi)。

进一步的优选方案，所述一种适用于三轴转台式测控天线的星体标校方法，其特征在于：步骤3中通过在N个不同时刻对单个标校源进行扫描测量，得到N组(A_ci,E_ci,T_ci,A_zi,E_zi)。

进一步的优选方案，所述一种适用于三轴转台式测控天线的星体标校方法，其特征在于：采用N.-M.单形直接法对指标函数进行优化求解。

有益效果

本发明针对三轴转台式天线的三个旋转轴，引入新的角度误差系数，构建了准确且精度满足要求的三轴转台式天线角度标校模型，进而实现了三轴转台式天线的星体标校，还可以解决传统标校塔远程距离不满足需求的问题，对于满足建设条件的，则可以省去标校塔建设成本，从系统建设上，可减少土地占用和测控系统的建设成本。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：典型两轴A-E座架天线结构示意图；

图2：三轴转台式天线结构形式及三轴斜转台结构示意图。

具体实施方式

三轴转台式测控天线的星体标校方法首先是选择合适的射电星作为位置基准，天线波束指向射电星，采集射电星测量数据，求取测量位置与理论位置的差别，根据误差模型，解算出误差模型系数，完成标校。

具体包括以下步骤：

步骤1：选择标校源：

射电标校源选择时应具有以下条件：在天球上的位置精确已知，并在天球上有较均匀的分布和较大的分布区域、附近没有其它较强的射电源或银河背景辐射、对被测天线的主波束而言可看作点源、流量及流量变化率在较宽的频段内已知、已知其偏振特性、对被测天线来说，有足够的信噪比，即满足三轴转台式测控天线G/T增益指标要求。

对于某一射电星而言，G/T值通过以下公式计算：

其中k为波尔兹曼常数，Y因子采用公式

计算，P₁为三轴转台式测控天线对射电星的测量值，P₂为三轴转台式测控天线对冷空的测量值，φ(f)为射电星在测试频率f上的辐射通量密度，λ为工作波长，K₁,K₂,K₃分别为大气衰减修正系数、射电星角扩展修正系数和射电星通量密度随时间而变的修正系数。

通过计算G/T值，判断射电星是否满足三轴转台式测控天线增益指标要求，若满足，则可以作为标校源。

步骤2：控制三轴转台式测控天线指向选择的标校源，并实时引导天线进行十字扫描，配合标校数据采集和数据分析，得到天线对应于最大功率值的天线系统方位角测量值A_c、天线系统俯仰角测量值E_c以及第三轴角度测量值T_c，并得到此时标校源的方位角真值A_z和俯仰角真值E_z。

三轴转台式测控天线的三轴应满足正负180度运动范围，扫描前三轴需提前置位，具体流程为：直接引导天线进行十字扫描的过程为：

1、选择标校源；

2、天线第三轴首先置位到航节点位置(航节点位置指天线命令角度的方位角度，如果当前方位命令角度大于180度，则航节点位置设置为当前方位命令角度-360度)，到位后在此位置作十字扫描，并记录数据；

3、保持当前标校源不变，天线第三轴在航节点位置的基础上正向偏开20度，到位后在此位置作十字扫描，并记录数据；

4、保持当前标校源不变，天线第三轴在航节点位置的基础上负向偏开20度，到位后在此位置作十字扫描，并记录数据。

步骤3：重复步骤2，获得N组(A_ci,E_ci,T_ci,A_zi,E_zi)，i＝1,2,…,N；由于后续模型中具有10个待确定参数，所以N≥10。这里可以通过对N个不同标校源进行扫描测量，得到N组(A_ci,E_ci,T_ci,A_zi,E_zi)，也可以通过在N个不同时刻对单个标校源进行扫描测量，得到N组(A_ci,E_ci,T_ci,A_zi,E_zi)。

步骤4：建立三轴转台式天线角度标校模型。

由于机械加工和调整精度的限制，测控天线轴系、编码器安装等总存有微小的系统误差，它包含方位轴倾斜误差、俯仰轴与方位轴的不垂直度、准直误差、编码器偏差、水平调整误差等，从而使得天线的指向与实际方向存在偏差。由于系统误差的特点主要是在测量结果中表现出某些必然性，当测量条件确定后，系统误差在客观上就是一个恒定值或是一个固定的函数关系。

对于方位俯仰型天线座的误差模型，前人做了大量的研究工作，取得了很好的效果，大地坐标系下的角度误差修正模型为：

A_z＝A_c+A₀+θ_Msin(A_c-A_M)tgE_c+δtgE_c+K_bsecE_c

E_z＝E_c+E₀+θ_Mcos(A_c-A_M)+E_gcosE_c+E_dcotE_c

其中A_z为目标方位角真值，A_c为天线系统方位角测量值，A₀为天线系统方位角零位误差，θ_M为天线座大盘不水平的最大值，A_M为天线座大盘不水平的最大值所处的方位角，δ为天线方位轴与俯仰轴的不正交度，K_b为天线电轴与俯仰轴不匹配引起的方位误差，E_z为目标俯仰角真值，E_c为天线系统俯仰角测量值，E₀为天线系统俯仰角零位误差，E_g为重力下垂引起的俯仰误差系数，E_d为大气折射率。

三轴转台式天线与传统的方位俯仰型两轴天线相比，最大差异表现在两个方面：第一、天线三轴中心(三轴中心指天线方位轴、俯仰轴和电轴交点，下同)位置在测站地平坐标系里随第三轴的角度位置移动，标定距离零值和角度零值时要需要考虑这种特殊性。其次，天线有三个旋转轴，轴角度测量数据与测站地平坐标系的方位角、俯仰角存在非线性变换关系，引入了新的角度误差系数。

根据三轴转台式天线结构式特点，大地坐标系下的三轴转台式天线角度标校模型为：

其中A_z为目标方位角真值，E_z为目标俯仰角真值，δ为天线方位轴与俯仰轴的不正交度，θ_M为天线座大盘不水平的最大值，A_M为天线座大盘不水平的最大值所处的方位角，X，Y，Z为大地坐标系与测量坐标系的转换矩阵变量：

T为第三轴角度真值，θ为第三轴倾斜角真值，第三轴的误差模型为：

T＝T_c+T₀

θ＝θ₀+Δθ

T_c为第三轴角度读数，T₀为第三轴零值误差，θ₀是为第三轴倾斜角理论值，Δθ为第三轴倾斜角误差；T_c为天线第三轴码盘直接输出的测量值。

而A^#和E^#为测量坐标系下天线系统方位角和俯仰角的测量真值，即在不考虑第三轴结构误差条件下的测量真值，可以表示为：

A^#＝A_c+A₀+δtgE_c+K_bsecE_c

E^#＝E_c+E₀+E_gcosE+E_dcotE

式中A_c为天线系统方位角测量值，A₀为天线系统方位角零位误差，E_c为天线系统俯仰角测量值，E₀为天线系统俯仰角零位误差，E_g为重力下垂引起的俯仰误差系数，K_b为天线电轴与俯仰轴不匹配引起的方位误差，E_d为大气折射率，E＝E_c+θ₀cosA_c。其中A_c和E_c为天线方位俯仰码盘直接输出的测量值。

步骤5：给三轴转台式天线角度标校模型中的待求解系数设定初值；所述待求解系数为：天线方位轴与俯仰轴的不正交度δ、天线座大盘不水平的最大值θ_M、天线座大盘不水平的最大值所处的方位角A_M、第三轴零值误差T₀、第三轴倾斜角误差天线Δθ、系统方位角零位误差A₀、天线系统俯仰角零位误差E₀，重力下垂引起的俯仰误差系数E_g，天线电轴与俯仰轴不匹配引起的方位误差K_b，大气折射率E_d；

并定义指标函数：

其中

和

为将步骤2得到的N组(A_ci,E_ci,T_ci,A_zi,E_zi)中的A_ci,E_ci,T_ci以及三轴转台式天线自身的第三轴倾斜角理论值θ₀带入三轴转台式天线角度标校模型，计算得到的目标方位角修正真值和目标俯仰角修正真值；

以三轴转台式天线角度标校模型中的待求解系数为优化变量，对指标函数进行优化求解，得到满足指标要求的待求解系数，从而得到满足指标要求的三轴转台式天线角度标校模型。

本实施例中，在10个待求解系数的定义域中，根据工程经验选取一组待求解系数初值，记为X0。然后根据规则生成另外10组误差系数，记做Xi(i＝1、2、3、…10)，接下来可以根据N.-M.单形直接法直接法求解指标函数，当指标值达到天线指向精度的指标后，就得到满足指标要求的待求解系数，从而得到满足指标要求的三轴转台式天线角度标校模型。通过该标校模型就可以对三轴转台式天线实际测量的三轴角度进行修正，得到高精度的目标方位俯仰角度值。

采用本发明提出的三轴转台式天线标校方法，借助射电星作为观测对象，通过三轴标校模型获得三轴转台式天线的角度误差修正系数，对三轴转台式天线进行测角数据修正，可使三轴转台式天线的角度测量数据的精度满足系统测控的精度要求。同时可以实现三轴转台式天线作为测控与数传设备的统一设计，减少设备的重复建设，节约大量设备建设成本。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种适用于三轴转台式测控天线的星体标校方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：选择标校源：

在天球中选择位置精确已知，且满足三轴转台式测控天线G/T增益指标的射电星作为标校源；

对于某一射电星而言，G/T值通过以下公式计算：

其中k为波尔兹曼常数，Y因子采用公式

计算，P₁为三轴转台式测控天线对射电星的测量值，P₂为三轴转台式测控天线对冷空的测量值，φ(f)为射电星在测试频率f上的辐射通量密度，λ为工作波长，K₁,K₂,K₃分别为大气衰减修正系数、射电星角扩展修正系数和射电星通量密度随时间而变的修正系数；

步骤2：控制三轴转台式测控天线指向选择的标校源进行扫描，得到天线对应于最大功率值的天线系统方位角测量值A_c、天线系统俯仰角测量值E_c以及第三轴角度测量值T_c，并得到此时标校源的方位角真值A_z和俯仰角真值E_z；

步骤3：重复步骤2，获得N组(A_ci,E_ci,T_ci,A_zi,E_zi)，i＝1,2,…,N；

步骤4：建立三轴转台式天线角度标校模型：

所建立的大地坐标系下的三轴转台式天线角度标校模型为：

其中A_z为目标方位角真值，E_z为目标俯仰角真值，δ为天线方位轴与俯仰轴的不正交度，θ_M为天线座大盘不水平的最大值，A_M为天线座大盘不水平的最大值所处的方位角，X，Y，Z为大地坐标系与测量坐标系的转换矩阵变量：

T为第三轴角度真值，θ为第三轴倾斜角真值，第三轴的误差模型为：

T＝T_c+T₀

θ＝θ₀+Δθ

T_c为第三轴角度读数，T₀为第三轴零值误差，θ₀是为第三轴倾斜角理论值，Δθ为第三轴倾斜角误差；

而A^#和E^#为测量坐标系下天线系统方位角和俯仰角的测量真值：

A^#＝A_c+A₀+δtgE_c+K_bsecE_c

E^#＝E_c+E₀+E_gcosE+E_dcotE

式中A_c为天线系统方位角测量值，A₀为天线系统方位角零位误差，E_c为天线系统俯仰角测量值，E₀为天线系统俯仰角零位误差，E_g为重力下垂引起的俯仰误差系数，K_b为天线电轴与俯仰轴不匹配引起的方位误差，E_d为大气折射率，E＝E_c+θ₀cosA_c；

步骤5：给三轴转台式天线角度标校模型中的待求解系数设定初值；所述待求解系数为：天线方位轴与俯仰轴的不正交度δ、天线座大盘不水平的最大值θ_M、天线座大盘不水平的最大值所处的方位角A_M、第三轴零值误差T₀、第三轴倾斜角误差天线Δθ、系统方位角零位误差A₀、天线系统俯仰角零位误差E₀，重力下垂引起的俯仰误差系数E_g，天线电轴与俯仰轴不匹配引起的方位误差K_b，大气折射率E_d；

并定义指标函数：

其中

和

为将步骤2得到的N组(A_ci,E_ci,T_ci,A_zi,E_zi)中的A_ci,E_ci,T_ci以及三轴转台式天线自身的第三轴倾斜角理论值θ₀带入三轴转台式天线角度标校模型，计算得到的目标方位角修正真值和目标俯仰角修正真值；

以三轴转台式天线角度标校模型中的待求解系数为优化变量，对指标函数进行优化求解，得到满足指标要求的待求解系数，从而得到满足指标要求的三轴转台式天线角度标校模型。

2.根据权利要求1所述一种适用于三轴转台式测控天线的星体标校方法，其特征在于：N≥10。

3.根据权利要求1所述一种适用于三轴转台式测控天线的星体标校方法，其特征在于：步骤3中通过对N个不同标校源进行扫描测量，得到N组(A_ci,E_ci,T_ci,A_zi,E_zi)。

4.根据权利要求1所述一种适用于三轴转台式测控天线的星体标校方法，其特征在于：步骤3中通过在N个不同时刻对单个标校源进行扫描测量，得到N组(A_ci,E_ci,T_ci,A_zi,E_zi)。

5.根据权利要求1所述一种适用于三轴转台式测控天线的星体标校方法，其特征在于：采用N.-M.单形直接法对指标函数进行优化求解。

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