CN110309555B - 一种构建三轴转台式天线角度标校模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种构建三轴转台式天线角度标校模型的方法，利用得到的三轴转台式天线的角度标校模型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，解决三轴转台式天线由于缺少角度标校模型而不能进行角度测量和测控的问题。

Description

一种构建三轴转台式天线角度标校模型的方法

技术领域

本发明涉及天线角度标校技术领域，具体为一种构建三轴转台式天线角度标校模型的方法。

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。天线轴系修正标校模型是测控系统提供高精度测角数据的关键因素之一。

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。而随着我国测控数传一体化进程的推进，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。但这样会使传统典型两轴A-E座架天线结构的轴系与大地标校的误差关系发生了变化，原有的典型两轴A-E座架天线角度标校模型就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，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，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。

针对三轴转台式天线的角度标校模型和方法，目前没有在任何刊物上发表过相同和类似的论文。

发明内容

现有三轴转台式天线主要应用于遥感及遥测，遥感及遥测系统对角度测量精度不高，因此其针对三轴转台式天线只有角度零值标校模型，即对方位、俯仰和第三轴的角度零值进行修正，精度满足不了测控需求。同时，由于三轴转台式天线有三个旋转轴，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，与现有两轴方位俯仰型座架系统相比，为满足测控精度需求，需要引入新的角度误差系数。因此本发明提出了一种新的构建三轴转台式天线角度标校模型的方法，利用得到的三轴转台式天线的角度标校模型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，解决三轴转台式天线由于缺少角度标校模型而不能进行角度测量和测控的问题。

本发明的技术方案：

所述一种构建三轴转台式天线角度标校模型的方法，其特征在于：

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。

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。借助该模型，可以解决三轴转台式天线作为测控设备的角度精度问题，实现测控与数传的统一设计，减少设备的重复建设，节约大量设备建设成本。

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

本发明提出一种构建三轴转台式天线角度标校模型的方法，下面给出具体的研究过程为：

1、标校原理

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_M sin(A_c-A_M)tgE_c+δtgE_c+K_b sec E_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。

2、构建三轴标校模型

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。

由此，可以得到三轴转台式天线角度标校模型。借助该模型，可以解决三轴转台式天线作为测控设备的角度精度问题，实现测控与数传的统一设计，减少设备的重复建设，节约大量设备建设成本。借助该模型，进一步利用射电星对三轴转台式天线进行标校，具体过程为：

选择符合三轴转台式测控天线G/T增益指标要求的射电星作为标校源，控制三轴转台式测控天线指向选择的标校源，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，一共得到N组(A_ci,E_ci,T_ci,A_zi,E_zi)，i＝1,2,…,N。

然后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。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。

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 (1)

1.一种构建三轴转台式天线角度标校模型的方法，其特征在于：

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。

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