CN112033349B - 天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法及系统 - Google Patents

天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法及系统 Download PDF

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CN112033349B CN202010574336.4A CN202010574336A CN112033349B CN 112033349 B CN112033349 B CN 112033349B CN 202010574336 A CN202010574336 A CN 202010574336A CN 112033349 B CN112033349 B CN 112033349B
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Abstract

本发明提供了一种天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法及系统，通过天线近场测试系统、经纬仪等测试设备，标定天线电轴坐标系与整星基准坐标系的关系，可有效消除因天线部组件加工、移相模块装配引入的天线机械轴和电轴的偏差，以及天线装星后引入的安装误差，从而实现对天线指向误差的补偿，有效提高天线指向精度。本发明具有工程实现简单、应用灵活的优点，将为星载相控阵天线的在轨应用提供设计参考和依据。

Description

天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法及系统
技术领域
本发明属于卫星数据传输技术领域，具体地，涉及一种天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法及系统。尤其地，涉及一种星载相控阵天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法。
背景技术
星载数据传输天线在卫星数传系统中占有非常重要的地位，其主要用于完成卫星数据传输系统对地面站进行波束指向和无线辐射，确保数据的星地可靠传输。随着遥感卫星领域的迅速发展，星载遥感载荷的种类及数据量急剧增加，对数据传输容量的要求越来越高，需要完成百兆比特每秒、甚至吉比特每秒的大容量载荷数据传输，因此对星载数传天线提出了高增益、高频率、宽频段的使用需求。随着相控阵天线技术的发展和不断成熟，相控阵天线以其高增益、波束快速成形、无惯性扫描等优点在卫星数据传输系统中得到了较多应用，很好的满足了高速数传的需求。
随着数据传输速率的不断提高，星载相控阵天线的口径越来越大、波束越来越窄。为了实现高EIRP定向辐射，对星载相控阵天线的指向精度提出了更高的要求。星载相控阵天线采用电扫方式，其电轴坐标系无法直接测量。当相控阵天线波束较宽时、指向精度要求不高时，可直接采用光学棱镜表征的机械轴坐标系作为电轴坐标系。但是当相控阵天线波束较窄时，
由于天线部组件加工、移相模块装配等因素影响，会引起天线机械轴坐标系和电轴坐标系的偏差，以及天线装星后引入的安装误差，都会对天线的指向精度造成较大的影响。因此，需要研究星载相控阵天线的坐标系标定及指向角度修正方法，提高天线指向精度。
在星载数据传输天线领域，根据已检索的专利，该领域研究人员针对提高星载天线指向精度和误差修正已提出多种方法。
1)《一种反射面天线波束指向的测试装置及其测试方法》201110454082.3，该发明仅实现了反射面天线的波束指向测试，且只适用于波束指向固定的天线，不能解决本发明提出的星载相控阵天线指向误差测试和补偿的问题。
2)《相控阵天线波束指向的校正装置及方法》201410159445.4，该发明方法通过对机载雷达天线单元的相位进行校正从而实现大俯仰角度下的波束精确指向，不能解决本发明提出的天线部组件加工、移相模块装配引入的天线机械轴和电轴的偏差。
3)《一种基于双线性拟合的相控阵天线波束指向误差补偿方法》201510581867.5，该发明主要是通过软件程序写入波束向误差补偿系数提高指向精度，但不能消除因天线部组件加工、移相模块装配引入的天线机械轴和电轴的偏差，以及天线装星后引入的安装误差，不能解决本发明提出的星载相控阵天线指向误差测试和补偿的问题。
专利文献CN107121124A(申请号：201710355295.8)该发明方法利用相机拍摄天线阵面从而快速获得反光标志点坐标，通过公共标志点转换至经纬仪测量系统坐标系下并拟合天线阵面法线，从而得到天线阵面法线相对于卫星坐标系的机械指向精度，该方法适用于波束指向固定的天线，且该发明仅提出消除天线机械轴相对于卫星坐标系的误差，不能消除本发明提出的星载相控阵天线机械轴和电轴的偏差。
因此，目前尚无星载相控阵天线的坐标系标定及指向角度修正方法。为了满足星载相控阵天线在轨对指向精度的要求，提出一种星载相控阵天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法，对天线指向误差进行修正，确保天线波束在轨准确指向目标。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法及系统。
根据本发明提供的一种天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法，其包括以下步骤：
步骤S1：将待测天线、天线近场测试系统、经纬仪按照预设位置进行放置；
步骤S2：在天线近场测试系统的扫描架探头上贴靶标，获取扫描架坐标系与经纬仪坐标系的空间坐标系关系，获得转移矩阵
Figure GDA0003492368540000021
步骤S3：在星载相控阵天线安装高精度光学基准镜，获取天线机械轴坐标系与经纬仪坐标系的空间坐标系关系，获得转移矩阵
Figure GDA0003492368540000022
步骤S4：以经纬仪坐标系作为中介，计算得到天线机械轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000023
步骤S5：利用天线近场测试系统对天线指向角度进行测试，得到天线电轴坐标系，通过获取多个指向矢量在扫描架坐标系中的表示，进行计算得到天线电轴坐标系，获得天线电轴坐标系与近场测试系统扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000031
步骤S6：以扫描架坐标系作为中介，得到天线电轴坐标系相对于天线机械轴坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000032
步骤S7：天线安装于整星后，通过测量天线棱镜和卫星本体棱镜关系，得到天线机械轴坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000033
步骤S8：计算得到天线电轴坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000034
步骤S9：利用转移矩阵
Figure GDA0003492368540000035
计算目标在天线电轴坐标系中的指向角度，并按此指向角度进行天线指向控制。
优选地，所述步骤S1：
将待测天线和天线近场测试系统相对放置，经纬仪设置于待测天线和天线近场测试系统之间，其中天线近场测试系统由天线扫描架和工控机组成。
优选地，所述步骤S2：
通过天线测试系统软件控制测试系统探头进行X轴和Y轴的平移，平移后采用前方交会测量法，通过经纬仪1、经纬仪2建站测量3个探头位置，获取扫描架坐标系，标定扫描架坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000036
优选地，所述步骤S3：
将光学基准镜作为天线机械轴基准，通过经纬仪1、2建站标定天线机械轴坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000037
优选地，所述步骤S4：
以经纬仪坐标系作为中介，通过已获得的扫描架坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000038
和天线机械轴坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000039
可以计算得到天线机械轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA00034923685400000310
优选地，所述步骤S5：
发送波控指令控制天线波束指向，通过天线近场测试系统测试波束指向，通过矢量运算得到天线电轴坐标系X4轴，并得到X4轴在扫描架坐标系中的矢量表示，同理可分别得到天线电轴坐标系的Y4在扫描架坐标系中的矢量表示，通过矢量运算得到天线电轴坐标系Z4轴。从而得到天线电轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000041
优选地，所述步骤S6：
以扫描架坐标系作为中介，通过已获得的天线机械轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000042
和天线电轴坐标系相对于近场测试系统扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000043
可以计算得到天线电轴坐标系相对于天线机械轴坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000044
优选地，所述步骤S7：
通过经纬仪测试天线机械坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000045
优选地，所述步骤S8：
通过
Figure GDA0003492368540000046
计算得到天线电轴坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000047
其中，
o1、o2、o3分别表示天线电轴坐标系X4轴与天线机械轴坐标系X1、Y1、Z1轴的方向余弦；
p1、p2、p3分别表示天线电轴坐标系Y4轴与天线机械轴坐标系X1、Y1、Z1轴的方向余弦；
q1、q2、q3分别表示天线电轴坐标系Z4轴与天线机械轴坐标系X1、Y1、Z1轴的方向余弦；
r1、r2、r3分别表示天线机械轴坐标系X3轴与整星基准坐标系X5、Y5、Z5轴的方向余弦；
s1、s2、s3分别表示天线机械轴坐标系Y3轴与整星基准坐标系X5、Y5、Z5轴的方向余弦；
t1、t2、t3分别表示天线机械轴坐标系Z3轴与整星基准坐标系X5、Y5、Z5轴的方向余弦。
根据本发明提供的一种天线电轴坐标系标定及指向角度修正系统，其包括以下模块：
模块S1：将待测天线、天线近场测试系统、经纬仪按照预设位置进行放置；
模块S2：在天线近场测试系统的扫描架探头上贴靶标，获取扫描架坐标系与经纬仪坐标系的空间坐标系关系，获得转移矩阵
Figure GDA0003492368540000051
模块S3：在星载相控阵天线安装高精度光学基准镜，获取天线机械轴坐标系与经纬仪坐标系的空间坐标系关系，获得转移矩阵
Figure GDA0003492368540000052
模块S4：以经纬仪坐标系作为中介，计算得到天线机械轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000053
模块S5：利用天线近场测试系统对天线指向角度进行测试，得到天线电轴坐标系，通过获取多个指向矢量在扫描架坐标系中的表示，进行计算得到天线电轴坐标系，获得天线电轴坐标系与近场测试系统扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000054
模块S6：以扫描架坐标系作为中介，得到天线电轴坐标系相对于天线机械轴坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000055
模块S7：天线安装于整星后，通过测量天线棱镜和卫星本体棱镜关系，得到天线机械轴坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000056
模块S8：计算得到天线电轴坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000057
模块S9：利用转移矩阵
Figure GDA0003492368540000058
计算目标在天线电轴坐标系中的指向角度，并按此指向角度进行天线指向控制；
所述模块S1：
将待测天线和天线近场测试系统相对放置，经纬仪设置于待测天线和天线近场测试系统之间，其中天线近场测试系统由天线扫描架和工控机组成；
所述模块S2：
通过天线测试系统软件控制测试系统探头进行X轴和Y轴的平移，平移后采用前方交会测量法，通过经纬仪1、经纬仪2建站测量3个探头位置，获取扫描架坐标系，标定扫描架坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000059
所述模块S3：
将光学基准镜作为天线机械轴基准，通过经纬仪1、2建站标定天线机械轴坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA00034923685400000510
所述模块S4：
以经纬仪坐标系作为中介，通过已获得的扫描架坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000061
和天线机械轴坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000062
可以计算得到天线机械轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000063
所述模块S5：
发送波控指令控制天线波束指向，通过天线近场测试系统测试波束指向，通过矢量运算得到天线电轴坐标系X4轴，并得到X4轴在扫描架坐标系中的矢量表示，同理可分别得到天线电轴坐标系的Y4在扫描架坐标系中的矢量表示，通过矢量运算得到天线电轴坐标系Z4轴。从而得到天线电轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000064
所述模块S6：
以扫描架坐标系作为中介，通过已获得的天线机械轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000065
和天线电轴坐标系相对于近场测试系统扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000066
可以计算得到天线电轴坐标系相对于天线机械轴坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000067
所述模块S7：
通过经纬仪测试天线机械坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000068
所述模块S8：
通过
Figure GDA0003492368540000069
计算得到天线电轴坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure GDA00034923685400000610
其中，
o1、o2、o3分别表示天线电轴坐标系X4轴与天线机械轴坐标系X1、Y1、Z1轴的方向余弦；
p1、p2、p3分别表示天线电轴坐标系Y4轴与天线机械轴坐标系X1、Y1、Z1轴的方向余弦；
q1、q2、q3分别表示天线电轴坐标系Z4轴与天线机械轴坐标系X1、Y1、Z1轴的方向余弦；
r1、r2、r3分别表示天线机械轴坐标系X3轴与整星基准坐标系X5、Y5、Z5轴的方向余弦；
s1、s2、s3分别表示天线机械轴坐标系Y3轴与整星基准坐标系X5、Y5、Z5轴的方向余弦；
t1、t2、t3分别表示天线机械轴坐标系Z3轴与整星基准坐标系X5、Y5、Z5轴的方向余弦。
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述中任一项所述的天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明通过对星载相控阵天线电轴坐标系进行标定，有效提高了天线的指向精度，具有工程实现简单、应用灵活的优点，将为星载相控阵天线的在轨应用提供设计参考和依据。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明星载相控阵天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法的步骤。
图2为本发明测试布局图。
图3为本发明标定扫描架坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵示意图。
图4为本发明标定天线机械轴坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵示意图。
图5为本发明提供的垂直方向波束扫描平视图。
图6为本发明提供的水平方向波束扫描俯视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法，其包括以下步骤：
步骤S1：将待测天线、天线近场测试系统、经纬仪按照预设位置进行放置；
步骤S2：在天线近场测试系统的扫描架探头上贴靶标，获取扫描架坐标系与经纬仪坐标系的空间坐标系关系，获得转移矩阵
Figure GDA0003492368540000081
步骤S3：在星载相控阵天线安装高精度光学基准镜，获取天线机械轴坐标系与经纬仪坐标系的空间坐标系关系，获得转移矩阵
Figure GDA0003492368540000082
步骤S4：以经纬仪坐标系作为中介，计算得到天线机械轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000083
步骤S5：利用天线近场测试系统对天线指向角度进行测试，得到天线电轴坐标系，通过获取多个指向矢量在扫描架坐标系中的表示，进行计算得到天线电轴坐标系，获得天线电轴坐标系与近场测试系统扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000084
步骤S6：以扫描架坐标系作为中介，得到天线电轴坐标系相对于天线机械轴坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000085
步骤S7：天线安装于整星后，通过测量天线棱镜和卫星本体棱镜关系，得到天线机械轴坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000086
步骤S8：计算得到天线电轴坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000087
步骤S9：利用转移矩阵
Figure GDA0003492368540000088
计算目标在天线电轴坐标系中的指向角度，并按此指向角度进行天线指向控制。
具体地，所述步骤S1：
将待测天线和天线近场测试系统相对放置，经纬仪设置于待测天线和天线近场测试系统之间，其中天线近场测试系统由天线扫描架和工控机组成。
具体地，所述步骤S2：
通过天线测试系统软件控制测试系统探头进行X轴和Y轴的平移，平移后采用前方交会测量法，通过经纬仪1、经纬仪2建站测量3个探头位置，获取扫描架坐标系，标定扫描架坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000089
具体地，所述步骤S3：
将光学基准镜作为天线机械轴基准，通过经纬仪1、2建站标定天线机械轴坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA00034923685400000810
具体地，所述步骤S4：
以经纬仪坐标系作为中介，通过已获得的扫描架坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000091
和天线机械轴坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000092
可以计算得到天线机械轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000093
具体地，所述步骤S5：
发送波控指令控制天线波束指向，通过天线近场测试系统测试波束指向，通过矢量运算得到天线电轴坐标系X4轴，并得到X4轴在扫描架坐标系中的矢量表示，同理可分别得到天线电轴坐标系的Y4在扫描架坐标系中的矢量表示，通过矢量运算得到天线电轴坐标系Z4轴。从而得到天线电轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000094
具体地，所述步骤S6：
以扫描架坐标系作为中介，通过已获得的天线机械轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000095
和天线电轴坐标系相对于近场测试系统扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000096
可以计算得到天线电轴坐标系相对于天线机械轴坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000097
具体地，所述步骤S7：
通过经纬仪测试天线机械坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000098
具体地，所述步骤S8：
通过
Figure GDA0003492368540000099
计算得到天线电轴坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure GDA00034923685400000910
其中，
o1、o2、o3分别表示天线电轴坐标系X4轴与天线机械轴坐标系X1、Y1、Z1轴的方向余弦；
p1、p2、p3分别表示天线电轴坐标系Y4轴与天线机械轴坐标系X1、Y1、Z1轴的方向余弦；
q1、q2、q3分别表示天线电轴坐标系Z4轴与天线机械轴坐标系X1、Y1、Z1轴的方向余弦；
r1、r2、r3分别表示天线机械轴坐标系X3轴与整星基准坐标系X5、Y5、Z5轴的方向余弦；
s1、s2、s3分别表示天线机械轴坐标系Y3轴与整星基准坐标系X5、Y5、Z5轴的方向余弦；
t1、t2、t3分别表示天线机械轴坐标系Z3轴与整星基准坐标系X5、Y5、Z5轴的方向余弦。
根据本发明提供的一种天线电轴坐标系标定及指向角度修正系统，其包括以下模块：
模块S1：将待测天线、天线近场测试系统、经纬仪按照预设位置进行放置；
模块S2：在天线近场测试系统的扫描架探头上贴靶标，获取扫描架坐标系与经纬仪坐标系的空间坐标系关系，获得转移矩阵
Figure GDA0003492368540000101
模块S3：在星载相控阵天线安装高精度光学基准镜，获取天线机械轴坐标系与经纬仪坐标系的空间坐标系关系，获得转移矩阵
Figure GDA0003492368540000102
模块S4：以经纬仪坐标系作为中介，计算得到天线机械轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000103
模块S5：利用天线近场测试系统对天线指向角度进行测试，得到天线电轴坐标系，通过获取多个指向矢量在扫描架坐标系中的表示，进行计算得到天线电轴坐标系，获得天线电轴坐标系与近场测试系统扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000104
模块S6：以扫描架坐标系作为中介，得到天线电轴坐标系相对于天线机械轴坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000105
模块S7：天线安装于整星后，通过测量天线棱镜和卫星本体棱镜关系，得到天线机械轴坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000106
模块S8：计算得到天线电轴坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000107
模块S9：利用转移矩阵
Figure GDA0003492368540000108
计算目标在天线电轴坐标系中的指向角度，并按此指向角度进行天线指向控制；
所述模块S1：
将待测天线和天线近场测试系统相对放置，经纬仪设置于待测天线和天线近场测试系统之间，其中天线近场测试系统由天线扫描架和工控机组成；
所述模块S2：
通过天线测试系统软件控制测试系统探头进行X轴和Y轴的平移，平移后采用前方交会测量法，通过经纬仪1、经纬仪2建站测量3个探头位置，获取扫描架坐标系，标定扫描架坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000111
所述模块S3：
将光学基准镜作为天线机械轴基准，通过经纬仪1、2建站标定天线机械轴坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000112
所述模块S4：
以经纬仪坐标系作为中介，通过已获得的扫描架坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000113
和天线机械轴坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000114
可以计算得到天线机械轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000115
所述模块S5：
发送波控指令控制天线波束指向，通过天线近场测试系统测试波束指向，通过矢量运算得到天线电轴坐标系X4轴，并得到X4轴在扫描架坐标系中的矢量表示，同理可分别得到天线电轴坐标系的Y4在扫描架坐标系中的矢量表示，通过矢量运算得到天线电轴坐标系Z4轴。从而得到天线电轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000116
所述模块S6：
以扫描架坐标系作为中介，通过已获得的天线机械轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000117
和天线电轴坐标系相对于近场测试系统扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000118
可以计算得到天线电轴坐标系相对于天线机械轴坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000119
所述模块S7：
通过经纬仪测试天线机械坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure GDA00034923685400001110
所述模块S8：
通过
Figure GDA00034923685400001111
计算得到天线电轴坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure GDA00034923685400001112
其中，
o1、o2、o3分别表示天线电轴坐标系X4轴与天线机械轴坐标系X1、Y1、Z1轴的方向余弦；
p1、p2、p3分别表示天线电轴坐标系Y4轴与天线机械轴坐标系X1、Y1、Z1轴的方向余弦；
q1、q2、q3分别表示天线电轴坐标系Z4轴与天线机械轴坐标系X1、Y1、Z1轴的方向余弦；
r1、r2、r3分别表示天线机械轴坐标系X3轴与整星基准坐标系X5、Y5、Z5轴的方向余弦；
s1、s2、s3分别表示天线机械轴坐标系Y3轴与整星基准坐标系X5、Y5、Z5轴的方向余弦；
t1、t2、t3分别表示天线机械轴坐标系Z3轴与整星基准坐标系X5、Y5、Z5轴的方向余弦。
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述中任一项所述的天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法的步骤。
下面通过优选例，对本发明进行更为具体地说明。
优选例1：
如图1所示，星载相控阵天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法，包括以下步骤：
S1、将待测天线、天线近场测试系统、经纬仪按照图2进行放置；
S2、结合图3，在天线近场测试系统的扫描架探头上贴上靶标，将近场扫描架在扫描平面内进行移动，分别移动至位置(X1、Y1)、(X1、Y2)、(X2、Y1)，通过经纬仪1、2测量，则(X1、Y1)、(X1、Y2)连线为扫描坐标系竖直轴矢量，(X1、Y1)、(X2、Y1)连线为扫描坐标系水平轴矢量，通过矢量叉乘得到另外一轴的矢量，从而获取扫描架坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000121
所述α1～γ3为扫描架坐标系X1、Y1、Z1轴与经纬仪坐标系X2、Y2、Z2轴的方向余弦，具体如下表所示。
表1扫描架坐标系与经纬仪坐标系的方向余弦
Figure GDA0003492368540000122
Figure GDA0003492368540000131
S3、结合图4，在待测天线(星载相控阵天线)安装高精度光学基准镜，安装应确保稳固，以光学棱镜坐标系作为天线机械轴坐标系，通过准直测量方法，获取光学棱镜两个坐标轴在两台经纬仪中的矢量表示，通过两台经纬仪互瞄，得到两个矢量统一在一台经纬仪中的表示，通过矢量叉乘得到另外一轴的矢量，从而获取天线机械轴坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000132
所述a1～c3为天线机械轴坐标系X3、Y3、Z3轴与经纬仪坐标系X2、Y2、Z2轴的方向余弦，具体如下表所示。
表2天线机械轴坐标系与经纬仪坐标系的方向余弦
Figure GDA0003492368540000133
S4、以经纬仪坐标系作为中介，得到天线机械轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000134
所述i1～k3为天线机械轴坐标系X3、Y3、Z3轴与天线扫描架坐标系X1、Y1、Z1轴的方向余弦，具体如下表所示。
表3天线机械轴坐标系与扫描架坐标系的方向余弦
Figure GDA0003492368540000135
S5、利用天线近场测试系统对天线指向角度进行测试。注入天线指向指令，控制相控阵天线在水平方向进行两次角度指向，近场测试系统分别进行扫描，获取天线波束在近场扫描系统中的矢量表示，两个矢量叉乘即可得到相控阵天线垂直方向电轴Y4轴。然后注入天线指向指令，控制相控阵天线在垂直方向进行两次角度指向，近场测试系统分别进行扫描，获取天线波束在近场扫描系统中的矢量表示，两个矢量叉乘即可得到相控阵天线水平方向电轴X4轴，如图6所示。最后，通过矢量运算得到天线电轴坐标系Z4轴。从而得到天线电轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000141
所述l1～n3为天线电轴坐标系X4、Y4、Z4轴与天线扫描架坐标系X1、Y1、Z1轴的方向余弦，具体如下表所示。
表4天线电轴坐标系与扫描架坐标系的方向余弦
Figure GDA0003492368540000142
S6、以扫描架坐标系作为中介，得到天线电轴坐标系相对于天线机械轴坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000143
所述o1～q3为天线电轴坐标系X4、Y4、Z4轴与天线机械轴坐标系X1、Y1、Z1轴的方向余弦，具体如下表所示。
表5天线电轴坐标系与机械轴坐标系的方向余弦
Figure GDA0003492368540000144
S7、天线安装于整星后，通过经纬仪测试天线棱镜和卫星本体棱镜关系，得到天线机械轴坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000145
所述r1～t3为天线机械轴坐标系X3、Y3、Z3轴与整星基准坐标系X5、Y5、Z5轴的方向余弦，具体如下表所示。
表6天线机械轴坐标系与整星基准坐标系的方向余弦
Figure GDA0003492368540000151
S8、通过公式1，得到天线电轴坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000152
所述公式1为：
Figure GDA0003492368540000153
S9、利用转移矩阵
Figure GDA0003492368540000154
计算目标在天线电轴坐标系中的指向角度，并按此指向角度进行天线指向控制。
本发明已经在某型号卫星相控阵数传天线中应用，经在轨测试验证表明，采用本方法对天线电轴坐标系进行标定后，提高了天线的指向精度，确保了星地数据完整、可靠传输，充分验证了该方法的正确性和可行性。
优选例2：
针对现有技术空白，本发明的目的是提供一种星载相控阵天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法，通过天线近场测试系统、经纬仪等测试设备，标定天线电轴与整星基准坐标系的关系，实现了天线电轴坐标系与整星坐标系的标定，进而实现了指向角度修正，有效提高了天线的指向精度。
本发明的技术方案是：提供了一种星载相控阵天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法，包括以下步骤。
1)将待测天线、天线近场测试系统、经纬仪按照图2进行放置；
结合图2，将待测天线和天线近场测试系统相对放置，经纬仪设置于待测天线和天线近场测试系统之间，其中天线近场测试系统由天线扫描架和工控机组成。
2)在天线近场测试系统的扫描架探头上贴上靶标，获取扫描架坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000155
结合图3，在天线近场测试系统的扫描架探头上贴上靶标，将近场扫描架在扫描平面内进行移动，分别移动至位置(X1、Y1)、(X1、Y2)、(X2、Y1)，通过经纬仪1、2测量，则(X1、Y1)、(X1、Y2)连线为扫描坐标系竖直轴矢量，(X1、Y1)、(X2、Y1)连线为扫描坐标系水平轴矢量，通过矢量叉乘得到另外一轴的矢量，从而获取扫描架坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000161
3)在星载相控阵天线安装高精度光学基准镜，获取天线机械轴坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000162
结合图4，在待测天线(星载相控阵天线)安装高精度光学基准镜，安装应确保稳固，以光学棱镜坐标系作为天线机械轴坐标系，通过准直测量方法，获取光学棱镜两个坐标轴在两台经纬仪中的矢量表示，通过两台经纬仪互瞄，得到两个矢量统一在一台经纬仪中的表示，通过矢量叉乘得到另外一轴的矢量，从而获取天线机械轴坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000163
4)以经纬仪坐标系作为中介，得到天线机械轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000164
以经纬仪坐标系作为中介，通过已获得的扫描架坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000165
和天线机械轴坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000166
可以计算得到天线机械轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000167
5)利用天线近场测试系统对天线指向角度进行测试，得到天线电轴坐标系相对于近场测试系统扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000168
利用天线近场测试系统对天线指向角度进行测试。结合图5，注入天线指向指令，控制相控阵天线在水平方向进行两次角度指向，近场测试系统分别进行扫描，获取天线波束在近场扫描系统中的矢量表示，两个矢量叉乘即可得到相控阵天线垂直方向电轴Y4轴。结合图6，注入天线指向指令，控制相控阵天线在垂直方向进行两次角度指向，近场测试系统分别进行扫描，获取天线波束在近场扫描系统中的矢量表示，两个矢量叉乘即可得到相控阵天线水平方向电轴X4轴。最后，通过矢量运算得到天线电轴坐标系Z4轴。从而得到天线电轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000169
6)以扫描架坐标系作为中介，得到天线电轴坐标系相对于天线机械轴坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000171
以扫描架坐标系作为中介，通过已获得的天线机械轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000172
和天线电轴坐标系相对于近场测试系统扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000173
可以计算得到天线电轴坐标系相对于天线机械轴坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000174
7)天线安装于整星后，得到天线机械轴坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000175
8)计算得到天线电轴坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000176
9)利用转移矩阵
Figure GDA0003492368540000177
计算目标在天线电轴坐标系中的指向角度，并按此指向角度进行天线指向控制。
优选地，所述步骤2的具体实现方式，通过天线测试系统软件控制探头进行X轴和Y轴的平移，平移后采用前方交会测量法，通过经纬仪1、经纬仪2建站测量3个探头位置，获取扫描架坐标系，得到扫描架坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000178
优选地，所述步骤3的具体实现方式，将光学基准镜作为天线机械轴基准，通过经纬仪1、2建站标定天线机械轴坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure GDA0003492368540000179
优选地，所述步骤5的具体实现方式，发送波控指令控制天线波束指向，通过天线近场测试系统测试波束指向，通过矢量运算得到天线电轴坐标系X4轴，并得到X4轴在扫描架坐标系中的矢量表示，同理可得到天线电轴坐标系的Y4轴在扫描架坐标系中矢量表示，通过矢量运算得到天线电轴坐标系Z4轴。从而得到天线电轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure GDA00034923685400001710
优选地，所述步骤7的具体实现方式，通过经纬仪测试天线机械轴坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure GDA00034923685400001711
优选地，所述步骤8具体实现方式，通过公式
Figure GDA00034923685400001712
Figure GDA00034923685400001713
计算得到天线电轴坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure GDA00034923685400001714
其中，o1、o2、o3分别表示天线电轴坐标系X4轴与天线机械轴坐标系X1、Y1、Z1轴的方向余弦；
p1、p2、p3分别表示天线电轴坐标系Y4轴与天线机械轴坐标系X1、Y1、Z1轴的方向余弦；
q1、q2、q3分别表示天线电轴坐标系Z4轴与天线机械轴坐标系X1、Y1、Z1轴的方向余弦；
r1、r2、r3分别表示天线机械轴坐标系X3轴与整星基准坐标系X5、Y5、Z5轴的方向余弦；
s1、s2、s3分别表示天线机械轴坐标系Y3轴与整星基准坐标系X5、Y5、Z5轴的方向余弦；
t1、t2、t3分别表示天线机械轴坐标系Z3轴与整星基准坐标系X5、Y5、Z5轴的方向余弦。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (11)

1.一种天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤S1：将待测天线、天线近场测试系统、经纬仪按照预设位置进行放置；
步骤S2：在天线近场测试系统的扫描架探头上贴靶标，获取扫描架坐标系与经纬仪坐标系的空间坐标系关系，获得转移矩阵
Figure FDA0003505866410000011
步骤S3：在星载相控阵天线安装高精度光学基准镜，获取天线机械轴坐标系与经纬仪坐标系的空间坐标系关系，获得转移矩阵
Figure FDA0003505866410000012
步骤S4：以经纬仪坐标系作为中介，计算得到天线机械轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000013
步骤S5：利用天线近场测试系统对天线指向角度进行测试，得到天线电轴坐标系，通过获取多个指向矢量在扫描架坐标系中的表示，进行计算得到天线电轴坐标系，获得天线电轴坐标系与近场测试系统扫描架坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000014
步骤S6：以扫描架坐标系作为中介，得到天线电轴坐标系相对于天线机械轴坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000015
步骤S7：天线安装于整星后，通过测量天线棱镜和卫星本体棱镜关系，得到天线机械轴坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000016
步骤S8：计算得到天线电轴坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000017
步骤S9：利用转移矩阵
Figure FDA0003505866410000018
计算目标在天线电轴坐标系中的指向角度，并按此指向角度进行天线指向控制。
2.根据权利要求1所述的天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法，其特征在于，所述步骤S1：
将待测天线和天线近场测试系统相对放置，经纬仪设置于待测天线和天线近场测试系统之间，其中天线近场测试系统由天线扫描架和工控机组成。
3.根据权利要求1所述的天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法，其特征在于，所述步骤S2：
通过天线测试系统软件控制测试系统探头进行X轴和Y轴的平移，平移后采用前方交会测量法，通过经纬仪1、经纬仪2建站测量3个探头位置，获取扫描架坐标系，标定扫描架坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000021
4.根据权利要求1所述的天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法，其特征在于，所述步骤S3：
将光学基准镜作为天线机械轴基准，通过经纬仪1、2建站标定天线机械轴坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000022
5.根据权利要求1所述的天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法，其特征在于，所述步骤S4：
以经纬仪坐标系作为中介，通过已获得的扫描架坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000023
和天线机械轴坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000024
可以计算得到天线机械轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000025
6.根据权利要求1所述的天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法，其特征在于，所述步骤S5：
发送波控指令控制天线波束指向，通过天线近场测试系统测试波束指向，通过矢量运算得到天线电轴坐标系X4轴，并得到X4轴在扫描架坐标系中的矢量表示，同理可分别得到天线电轴坐标系的Y4在扫描架坐标系中的矢量表示，通过矢量运算得到天线电轴坐标系Z4轴，从而得到天线电轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000026
7.根据权利要求1所述的天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法，其特征在于，所述步骤S6：
以扫描架坐标系作为中介，通过已获得的天线机械轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000027
和天线电轴坐标系相对于近场测试系统扫描架坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000028
可以计算得到天线电轴坐标系相对于天线机械轴坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000029
8.根据权利要求1所述的天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法，其特征在于，所述步骤S7：
通过经纬仪测试天线机械坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure FDA00035058664100000210
9.根据权利要求1所述的天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法，其特征在于，所述步骤S8：
通过
Figure FDA0003505866410000031
计算得到天线电轴坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000032
其中，
o1、o2、o3分别表示天线电轴坐标系X4轴与天线机械轴坐标系X1、Y1、Z1轴的方向余弦；
p1、p2、p3分别表示天线电轴坐标系Y4轴与天线机械轴坐标系X1、Y1、Z1轴的方向余弦；
q1、q2、q3分别表示天线电轴坐标系Z4轴与天线机械轴坐标系X1、Y1、Z1轴的方向余弦；
r1、r2、r3分别表示天线机械轴坐标系X3轴与整星基准坐标系X5、Y5、Z5轴的方向余弦；
s1、s2、s3分别表示天线机械轴坐标系Y3轴与整星基准坐标系X5、Y5、Z5轴的方向余弦；
t1、t2、t3分别表示天线机械轴坐标系Z3轴与整星基准坐标系X5、Y5、Z5轴的方向余弦。
10.一种天线电轴坐标系标定及指向角度修正系统，其特征在于，其包括以下模块：
模块S1：将待测天线、天线近场测试系统、经纬仪按照预设位置进行放置；
模块S2：在天线近场测试系统的扫描架探头上贴靶标，获取扫描架坐标系与经纬仪坐标系的空间坐标系关系，获得转移矩阵
Figure FDA0003505866410000033
模块S3：在星载相控阵天线安装高精度光学基准镜，获取天线机械轴坐标系与经纬仪坐标系的空间坐标系关系，获得转移矩阵
Figure FDA0003505866410000034
模块S4：以经纬仪坐标系作为中介，计算得到天线机械轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000035
模块S5：利用天线近场测试系统对天线指向角度进行测试，得到天线电轴坐标系，通过获取多个指向矢量在扫描架坐标系中的表示，进行计算得到天线电轴坐标系，获得天线电轴坐标系与近场测试系统扫描架坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000036
模块S6：以扫描架坐标系作为中介，得到天线电轴坐标系相对于天线机械轴坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000041
模块S7：天线安装于整星后，通过测量天线棱镜和卫星本体棱镜关系，得到天线机械轴坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000042
模块S8：计算得到天线电轴坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000043
模块S9：利用转移矩阵
Figure FDA0003505866410000044
计算目标在天线电轴坐标系中的指向角度，并按此指向角度进行天线指向控制；
所述模块S1：
将待测天线和天线近场测试系统相对放置，经纬仪设置于待测天线和天线近场测试系统之间，其中天线近场测试系统由天线扫描架和工控机组成；
所述模块S2：
通过天线测试系统软件控制测试系统探头进行X轴和Y轴的平移，平移后采用前方交会测量法，通过经纬仪1、经纬仪2建站测量3个探头位置，获取扫描架坐标系，标定扫描架坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000045
所述模块S3：
将光学基准镜作为天线机械轴基准，通过经纬仪1、2建站标定天线机械轴坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000046
所述模块S4：
以经纬仪坐标系作为中介，通过已获得的扫描架坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000047
和天线机械轴坐标系相对于经纬仪坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000048
可以计算得到天线机械轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000049
所述模块S5：
发送波控指令控制天线波束指向，通过天线近场测试系统测试波束指向，通过矢量运算得到天线电轴坐标系X4轴，并得到X4轴在扫描架坐标系中的矢量表示，同理可分别得到天线电轴坐标系的Y4在扫描架坐标系中的矢量表示，通过矢量运算得到天线电轴坐标系Z4轴，从而得到天线电轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure FDA00035058664100000410
所述模块S6：
以扫描架坐标系作为中介，通过已获得的天线机械轴坐标系相对于扫描架坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000051
和天线电轴坐标系相对于近场测试系统扫描架坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000052
可以计算得到天线电轴坐标系相对于天线机械轴坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000053
所述模块S7：
通过经纬仪测试天线机械坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000054
所述模块S8：
通过
Figure FDA0003505866410000055
计算得到天线电轴坐标系相对于整星基准坐标系的转移矩阵
Figure FDA0003505866410000056
其中，
o1、o2、o3分别表示天线电轴坐标系X4轴与天线机械轴坐标系X1、Y1、Z1轴的方向余弦；
p1、p2、p3分别表示天线电轴坐标系Y4轴与天线机械轴坐标系X1、Y1、Z1轴的方向余弦；
q1、q2、q3分别表示天线电轴坐标系Z4轴与天线机械轴坐标系X1、Y1、Z1轴的方向余弦；
r1、r2、r3分别表示天线机械轴坐标系X3轴与整星基准坐标系X5、Y5、Z5轴的方向余弦；
s1、s2、s3分别表示天线机械轴坐标系Y3轴与整星基准坐标系X5、Y5、Z5轴的方向余弦；
t1、t2、t3分别表示天线机械轴坐标系Z3轴与整星基准坐标系X5、Y5、Z5轴的方向余弦。
11.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至9中任一项所述的天线电轴坐标系标定及指向角度修正方法的步骤。
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