CN112556636B - 一种利用卫星提供的gps数据标校接收天线的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用卫星提供的GPS数据标校接收天线的方法，包括步骤：数据预处理，匹配卫星位置与天线接收时间；将接收站经纬度坐标转换为地面站坐标，计算实际方位俯仰角；计算实际跟踪方位角和实际跟踪俯仰角的误差；通过跟踪匹配消除星地时间误差，给出跟踪误差，将处理后的卫星数据与接收天线跟踪数据进行时间匹配和插值处理。本发明的方法整合接收系统和卫星提供的能力，通过挖掘星地数据内在的联系，发掘系统资源，将天线座架标定测试的复杂技术过程，通过事后数据处理，转变成日常工作，解决存在的痛点。

Description

一种利用卫星提供的GPS数据标校接收天线的方法

技术领域

本发明涉及卫星领域，具体来说，涉及一种利用卫星提供的GPS数据标校接收天线的方法。

背景技术

39所研制的701H天线是气象卫星接收的主力装备，该型号在国内为接轨接收系统广泛装备，大型天线座架标定一直是天线安装测试，设备验收及日常运行维护中的痛点。主要表现为如下几点：

1.受限于站址周边地理条件，天线标校点的选择确定存在困难。

因天线自身技术特点及标校方法需求，需要在天线周边寻找多个测试点(每个象限一个最优，且标校点位置及仰角需要符合天线测量远场条件)。

2.天线测试在此仰角下需要人工手动对准目标，对准精度取决于测试人员技术水平和测试水平。

3.天线标校时间受限。传统标校方法需要厂家到场，组织人员多，过程复杂。

4.天线标校测试样本量少，测试结果存在随机误差。

5.不同时间测试结果精度和数据一致性存在瑕疵。

6.系统内各站天线座架取决于参试人员，测试精度不一致。

7.定期测试操作存在困难。

8.对长时间天线座架拜变化评估存在困难。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种利用卫星提供的GPS数据标校接收天线的方法，此测试方法对该型号具有通用性，也可用于其他类型天线。

能够解决上述问题。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种利用卫星提供的GPS数据标校接收天线的方法，包括步骤：

S1数据预处理，匹配卫星位置与天线接收时间；

S2将接收站经纬度坐标转换为地面站坐标，计算实际方位俯仰角；

S3计算实际跟踪方位角和实际跟踪俯仰角的误差；

S4通过跟踪匹配消除星地时间误差，给出跟踪误差，将处理后的卫星数据与接收天线跟踪数据进行时间匹配和插值处理。

进一步，的步骤S1具体包括：

S11计算星地距离d；

其中X_地,Y_地,Z_地为地面的坐标，X_卫，Y_卫，Z_卫为卫星的坐标；

S12计算信号到天线馈源口时间t；

t＝d/C,其中C为光速；

S13按照馈源口时间匹配卫星GPS位置数据；

S14依照接收天线时间，采用线性插值方法处理GPS数据，匹配天线记录时间的GPS卫星的位置；

其中，(x0，y0)为卫星前一时刻位置信息，(x1，y1)为下一时刻位置信息，(x,y)为目标时刻位置信息。

进一步的，步骤S2具体包括：

S21已知偏心率e，地球椭圆到中心距N，接收站高程H₀，接收站经纬度坐标(B_站,L_站)，可得出地面站坐标(X_站,Y_站,Z_站)，

X_站＝(N+H₀)·cos B_站·cos L_站

Y_站＝(N+H₀)·cos B_站·sin L_站

Z_站＝(N(1-e²)+H₀)·sin B_站；

其中，e为偏心率，N为地球椭圆到中心距，H₀为接收站高程，(B_站,L_站)为接收站经纬度坐标，(X_站,Y_站,Z_站)为出地面站坐标；

S22由卫星GPS数据可得卫星坐标(X_卫,Y_卫,Z_卫)，则可以计算测试跟踪方位角θ_测试和测试跟踪俯仰角φ_测试，完成地固坐标到测站坐标的转换；

其中，θ_测试为测试跟踪方位角，φ_测试为测试跟踪俯仰角。

进一步的，步骤S3具体包括：

S31由地面天线信息可得实际跟踪方位角θ_天线和实际跟踪俯仰角φ_天线，则实际数据与测试数据的误差δ为：

δ_方位角＝θ_天线-θ_测试

δ_俯仰角＝φ_天线-φ_测试；

其中，δ_方位角为方位角实际与测试之间的误差，δ_俯仰角为俯仰角实际与测试之间的误差。

进一步的，步骤S4具体包括：

S41采用最小二乘法对测试数据f(x)与实际数据g(x)进行拟合，消除星地时间误差，得到误差角度；

其中，f(x)为测试数据，g(x)为实际数据，δ_i为实际数据与测试数据的误差。

本发明的有益效果：本发明的方法整合接收系统和卫星提供的能力，通过挖掘星地数据内在的联系，发掘系统资源，将天线座架标定测试的复杂技术过程，通过事后数据处理，转变成日常工作，解决存在的痛点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是卫星方位与天线方位的分布示意图；

图2是卫星俯仰与天线俯仰的分布示意图；

图3是俯仰误差分布示意图；

图4是第一天线方位轴误差示意图；

图5是第二天线方位轴误差示意图；

图6是第三天线方位轴误差示意图；

图7是第四天线方位轴误差示意图；

图8是第五天线方位轴误差示意图；

图9是第六天线方位轴误差示意图；

图10是第七天线方位轴误差示意图；

图11是第八天线方位轴误差示意图；

图12是第九天线方位轴误差示意图；

图13是第十天线方位轴误差示意图；

图14是第十一天线方位轴误差示意图；

图15是第十二天线方位轴误差示意图；

图16是第十三天线方位轴误差示意图；

图17是第十四天线方位轴误差示意图；

图18是第十五天线方位轴误差示意图；

图19是第十六天线方位轴误差示意图；

图20是第十七天线方位轴误差示意图；

图21是第十八天线方位轴误差示意图；

图22是第十九天线方位轴误差示意图；

图23是第二十天线方位轴误差示意图；

图24是第二十一天线方位轴误差示意图；

图25是第二十二天线方位轴误差示意图；

图26是第二十三天线方位轴误差示意图；

图27是第二十四天线方位轴误差示意图；

图28是第二十五天线方位轴误差示意图；

图29是第二十六天线方位轴误差示意图；

图30是第二十七天线方位轴误差示意图；

图31是第二十八天线方位轴误差示意图；

图32是第二十九天线方位轴误差示意图；

图33是第三十天线方位轴误差示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-33所示，根据本发明实施例所述的一种利用卫星提供的GPS数据标校接收天线的方法，包括步骤：

S1数据预处理，匹配卫星位置与天线接收时间；

S2将接收站经纬度坐标转换为地面站坐标，计算实际方位俯仰角；

S3计算实际跟踪方位角和实际跟踪俯仰角的误差；

S4通过跟踪匹配消除星地时间误差，给出跟踪误差，将处理后的卫星数据与接收天线跟踪数据进行时间匹配和插值处理。

在本发明的一个具体实施例中，步骤S1具体包括：

S11计算星地距离d；

其中X_地,Y_地,Z_地为地面的坐标，X_卫，Y_卫，Z_卫为卫星的坐标；

S12计算信号到天线馈源口时间t；

t＝d/C,其中C为光速；

S13按照馈源口时间匹配卫星GPS位置数据；

S14依照接收天线时间，采用线性插值方法处理GPS数据，匹配天线记录时间的GPS卫星的位置；

其中，(x0，y0)为卫星前一时刻位置信息，(x1，y1)为下一时刻位置信息，(x,y)为目标时刻位置信息。

在本发明的一个具体实施例中，步骤S2具体包括：

S21已知偏心率e，地球椭圆到中心距N，接收站高程H₀，接收站经纬度坐标(B_站,L_站)，可得出地面站坐标(X_站,Y_站,Z_站)，

X_站＝(N+H₀)·cos B_站·cos L_站

Y_站＝(N+H₀)·cos B_站·sin L_站

Z_站＝(N(1-e²)+H₀)·sin B_站；

其中，e为偏心率，N为地球椭圆到中心距，H₀为接收站高程，(B_站,L_站)为接收站经纬度坐标，(X_站,Y_站,Z_站)为出地面站坐标；

S22由卫星GPS数据可得卫星坐标(X_卫,Y_卫,Z_卫)，则可以计算测试跟踪方位角θ_测试和测试跟踪俯仰角φ_测试，完成地固坐标到测站坐标的转换；

其中，θ_测试为测试跟踪方位角，φ_测试为测试跟踪俯仰角。

在本发明的一个具体实施例中，步骤S3具体包括：

S31由地面天线信息可得实际跟踪方位角θ_天线和实际跟踪俯仰角φ_天线，则实际数据与测试数据的误差δ为：

δ_方位角＝θ_天线-θ_测试

δ_俯仰角＝φ_天线-φ_测试；

其中，δ_方位角为方位角实际与测试之间的误差，δ_俯仰角为俯仰角实际与测试之间的误差。

在本发明的一个具体实施例中，步骤S4具体包括：

S41采用最小二乘法对测试数据f(x)与实际数据g(x)进行拟合，消除星地时间误差，得到误差角度；

其中，f(x)为测试数据，g(x)为实际数据，δ_i为实际数据与测试数据的误差。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。

在具体使用时，根据本发明的一种利用卫星提供的GPS数据标校接收天线的方法，本发明利用天线指向标校原理，在选定满足天线远场条件(距天线距离，仰角符合远场条件)的已知精确坐标的标校点上安装十字光学校标靶或点频信号源。在站址操作天线，利用光学望远镜瞄准光学靶标校正天线光轴和天线方位俯仰值，再利用点频信号源校正电轴进一步修正天线方位俯仰值。通过选定天线周边4象限中的3～4个同类标校点来修正天线大盘。

本发明可行性

目前风云三号卫星接收和使用的民用GPS数据C/A码，位置精度在实行SA政策时，精度标称100米，2000年美国宣布取消SA政策，位置精度在20米～40米。按照卫星过顶接收站顶最不利情况计算，卫星距离接收站830公里，GPS提供的卫星位置精度对地面站天线张角0.0028度，位置精度远小于0.02度的跟踪需求。优于满足X波段天线标校需求。如采用改正的精密GPS数据，位置精度小于米级，甚至在厘米级，完全满足天线标校要求。

A＝40米/830000米/PI*180＝0.0028度。

卫星指向稳定度指标为0.008度/秒,且数传功率稳定，综上所述，卫星是一个非常良好的跟踪测试信源。

12米口径X波段单脉冲跟踪天线本身跟踪精度为0.01度，而12米口径天线跟踪波束宽度为0.2度，需要的跟踪精度是0.02度，大于天线的跟踪精度指标，由此可见此方法满足标定天线座架要求。

工作原理

本方法用卫星本身提供的精确时间和坐标，利用单脉冲天线所具有的的跟踪性能，通过读取跟踪文件中的跟踪数据，采用一系列方法归算，计算出天线方位俯仰误差，给出天线的方位俯仰改正值。

GPS数据格式

时间格式采用J2000时间格式

风云三号提供GPS数据格式如下：

为减小天线俯仰轴与方位轴安装误差影响测量精度，数据应采用低于低于70度的自动跟踪数据。

△A＝λ/COSE

其中，△A俯仰误差对方位影响值，λ为电轴与俯仰轴不正交值，设备安装精度为小于0.01度，E为跟踪仰角。

解决问题

解决风云气象卫星接收系统大孔径天线座架安装标校问题；

解决天线定期测试过程复杂，测试工作组难以组织实施的痛点；

解决不同站点天线测试标定不一致性问题；

解决天线座架安装精度的一致性，安装准确性；

解决天线日常运行维护管理难题；

为大孔径天线座架标定提供安装标准；

为天线运行履历提供第一手资料；

为其他系统天线矫正提供方法。通过数据格式转化，可为其他系统卫星接收系统天线提供一种方法。简化测试过程，将定期工作变成常年例行工作，提高对装备的检测能力和管理能力。

星载GPS提供的位置时间精度满足X波段标校要求，精密定轨的的位置时间精度满足更高波段，如KA波段的标校精度要求，而单脉冲跟踪天线跟踪精度优于跟踪带宽的20～35分之一，满足天线标校要求，通过采用精密定轨的gps数据，此方法也可适用于KA波段天线标校。

12米天线通常在安装时，通过大地测绘，在多个标校点上提供精确坐标，通过天线光轴上的望远镜观察，得出天线方位俯仰角。天线方位角俯仰角初步装定后，在实际接收中，通过对静止星，或跟踪极轨卫星，在实际运行中再次调整电轴角度，完成天线方位角俯仰角校正。

12米天线采用单脉冲跟踪，在15度仰角以上，跟踪精度优于天线波束3DB宽度的1/30，12米天线天线波束3DB宽度0.23度，在单脉冲体制下精度为0.007度。(跟踪零深30DB时)。

星载GPS接收机提供的卫星位置精度小于20米，即使按照误差100米计算，在仰角90度时，方位俯仰精度小于0.007度，满足测试精度要求。

天线方位角矫正方法

1、利用星载gps接收机提供的时间与位置数据，计算出轨道中每个时刻测试轨道相对于地面站方位角，通过插值，计算出acu提供的跟踪数据时刻方位俯仰角。

2、根据天线acu提供的跟踪数据，在不考虑gps校时精度(误差50～100ms)时，通过计算相同时刻方位误差，得出天线0度时的安装误差。通过计算多轨数据，通过平均，得出修正安装误差数据，达到天线方位修正目的。

3、天线经过第一次调整后，在通过数据统计的方法进行更加精确修正。

通过与单脉冲跟踪的天线跟踪数据对比，数据拟合，对GPS数据插值，去除跟踪天线ACU时间误差，通过数据统计，计算出天线方位平均误差，时间误差，天线方位角误差方差，同时利用方差检测数据可靠性。并再一次修正。

4、天线校正后，利用图形指示最大误差方位。提供天线方位轴误差数据。对天线精度提供评价依据。

图4-图33中，径向和同心圆为误差角度值，单位为度`。

方位误差情况

例一：

时间误差：+125ms

平均方位误差：0.081299469062811

平均俯仰误差：0.140977877355318

方位误差方差：0.001680422005099722

俯仰误差方差：0.000917441802195

方位俯仰误差协方差：0.001463593261355

例二：

时间误差：+100ms

平均方位误差：0.067549005143626

平均俯仰误差：0.094851174541137

平均方位方差：0.000478894594142

平均俯仰方差：0.001148872244123

方位俯仰协方差：0.000031083874679

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种利用卫星提供的GPS数据标校接收天线的方法，其特征在于，包括步骤：

S1数据预处理，匹配卫星位置与天线接收时间；

步骤S1具体包括：

S11计算星地距离d：

其中X_地,Y_地,Z_地为地面的坐标，X_卫，Y_卫，Z_卫为卫星的坐标；

S12计算信号到天线馈源口时间t：

t＝d/C,其中C为光速；

S13按照馈源口时间匹配卫星GPS位置数据；

S14依照接收天线时间，采用线性插值方法处理GPS数据，匹配天线记录时间的GPS卫星的位置：

其中，(x₀，y₀)为卫星前一时刻位置信息，(x₁，y₁)为下一时刻位置信息，(x,y)为目标时刻位置信息；

S2将接收站经纬度坐标转换为地面站坐标，计算实际方位俯仰角；

S21已知偏心率e，地球椭圆到中心距L，接收站高程H₀，接收站经纬度坐标(B_站,L_站)，可得出地面站坐标(X_站,Y_站,Z_站)，

X_站＝(L+H₀)·cos B_站·cos L_站

Y_站＝(L+H₀)·cos B_站·sin L_站

Z_站＝(L(1-e²)+H₀)·sin B_站；

S22由卫星GPS数据可得卫星坐标(X_卫,Y_卫,Z_卫)，则可以计算测试跟踪方位角θ_测试和测试跟踪俯仰角φ_测试，完成地固坐标到测站坐标的转换；

S3计算实际跟踪方位角和实际跟踪俯仰角的误差；

S31由地面天线信息可得实际跟踪方位角θ_天线和实际跟踪俯仰角φ_天线，则实际数据与测试数据的误差δ为：

δ_方位角＝θ_天线-θ_测试

δ_俯仰角＝φ_天线-φ_测试；

其中，δ_方位角为方位角实际与测试之间的误差，δ_俯仰角为俯仰角实际与测试之间的误差；

S4通过跟踪匹配消除星地时间误差，给出跟踪误差，将处理后的卫星数据与接收天线跟踪数据进行时间匹配和插值处理；

步骤S4具体包括：

S41采用最小二乘法对测试数据f(x_i)与实际数据g(x_i)进行拟合，消除星地时间误差，得到误差角度；

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