CN116929289A - 一种天线姿态快速测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天线姿态快速测量系统及方法；解决通过射电扫描测量，通过扫描校准源以确定最强信号位置，再与理论目标位置进行比较得到指向偏差的测量方法，存在占用望远镜观测时间的问题，测量系统包括数据处理单元、立体标定单元、至少两个探测器测量单元以及多个目标标志物单元；目标标志物单元设置在待测天线系统的天线主反射面背面；探测器测量单元设置在待测天线系统的周侧外；立体标定单元设置在待测天线系统的天线主反射面的中心正下方；任一相邻两个探测器测量单元存在视场交汇区，且视场交汇区内至少有一个目标标志物单元，所有视场交汇区内，目标标志物单元的总数≥3；数据处理单元与探测器测量单元电连接；本发明还提出测量方法。

Description

一种天线姿态快速测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种天线姿态测量系统及使用该测量系统的测量方法，可应用于各类天线系统姿态快速测量研究领域。

背景技术

随着望远镜口径和观测频率不断提高，为了保证灵敏度和分辨率，要求天线在工作过程中具有较高的面形精度和指向精度，其中指向精度是一个十分重要的参数，决定了望远镜是否能够准确的对准观测目标，并进行有效的观测。

天线指向精度主要是通过射电扫描测量，通过扫描校准源以确定最强信号位置，再与理论目标位置进行比较得到指向偏差。该方法可以完全确定天线波束指向位置与方位、俯仰轴角编码器（又称旋变）确定的机械轴指向位置的偏差，但需要占用望远镜的观测时间，是一种指向校准的方法。现今数十米甚至上百米口径的天线都在世界范围内运行或是建造中，这些天线对指向精度要求极高，在观测过程中，微小的结构误差都可能导致指向精度无法满足要求，进而无法达到预期目标，这将极大限制大天线在高频工作的有效时间。为此，有必要开发快速且不影响望远镜正常观测的指向测量系统，为实现大口径高频段望远镜全工况指向闭环控制提供可行方案。

发明内容

本发明的目的是解决现有通过射电扫描测量，通过扫描校准源以确定最强信号位置，再与理论目标位置进行比较得到指向偏差的测量方法，存在占用望远镜观测时间的技术问题，而提出一种天线姿态快速测量系统及方法。

本发明的构思如下：

每一套探测器测量单元通过对立体标定单元的测量确定自身的位置，相邻探测器测量单元通过测量待测天线系统的天线主反射面背面的位于视场交汇区内的目标标志物单元，利用近景摄影测量原理确定目标标志物单元空间位置，最后根据所有探测器测量单元获得的目标标志物单元的空间位置，拟合出待测天线系统的姿态。

为了实现上述发明目的，完成上述发明构思，本发明所采用的技术方案如下：

一种天线姿态快速测量系统，其特殊之处在于：

包括数据处理单元、立体标定单元、至少两个探测器测量单元以及多个目标标志物单元；所述目标标志物单元设置在待测天线系统的天线主反射面背面，且随着待测天线系统一起运动；所述探测器测量单元设置在待测天线系统的周侧外，用于实时监测目标标志物单元的位置；所述立体标定单元设置在待测天线系统的天线主反射面的中心正下方，用于标定探测器测量单元；

每个所述探测器测量单元的视场覆盖立体标定单元和部分目标标志物单元，以及部分目标标志物单元的运动范围；任一相邻两个探测器测量单元存在视场交汇区，且视场交汇区内至少有一个目标标志物单元，所有视场交汇区内，目标标志物单元的总数≥3；

所述数据处理单元与探测器测量单元电连接，用于接收并处理探测器测量单元拍摄的图片，获得待测天线系统的姿态信息。

进一步地，所述目标标志物单元为球形结构。

进一步地，构成所述目标标志物单元的球形结构，通过设置在待测天线系统背部桁架上的支撑杆结构进行支撑。

进一步地，所述立体标定单元包括至少4个中心点不共面的标定目标。

进一步地，所述标定目标为球形结构。

进一步地，所述探测器测量单元包括至少一套测量探测器。

进一步地，所述视场交汇区内至少有三个目标标志物单元，所述测量探测器为相机。

进一步地，所述探测器测量单元的数量为十二个或六个，且在待测天线系统的周侧外圆周均布。

本发明还提出一种天线姿态快速测量方法，使用上述一种天线姿态快速测量系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1：定义立体标定单元中的任一中心点为基点，并基于基点获得立体标定单元其余中心点的空间位置信息；

步骤2：所有探测器测量单元采集立体标定单元的空间信息，并基于近景摄影测量原理解算出自身相对立体标定单元基点的相对空间三维位置；

步骤3：相邻探测器测量单元采集视场交汇区内的目标标志物单元的信息，利用近景摄影测量原理通过坐标转换得到目标标志物单元基于立体标定单元基点的空间三维坐标；

步骤4：将步骤2中所有目标标志物单元的三维坐标进行基于理论曲面的拟合，得到基于立体标定单元的待测天线系统姿态信息，完成对待测天线系统天线姿态的快速测量。

进一步地，所述步骤2具体为：

所有探测器测量单元采集立体标定单元的空间信息，并基于近景摄影测量原理以及步骤1中其余中心点的空间位置信息，解算出探测器测量单元相对立体标定单元基点的相对空间三维位置。

本发明的有益效果：

1、本发明中，可以根据天线的转动姿态确定探测器测量单元的分布方式，有利于实现探测器测量单元视场区域的最优分配，也有利于实现不同待测天线系统姿态下的快速测量，并且可以根据待测天线系统的口径和转动幅度确定探测器测量单元的数量，可快速扩展测量方案应用对象和场景；如：若待测天线系统为固定天线或转动幅度较小，则仅需数套固定的探测器测量单元，即可完成测量，若待测天线系统的转动幅度为360°，则需要在待测天线系统的圆周方向布置探测器测量单元。

2、本发明中，圆周阵列设置的探测器测量单元通过标定同一立体标定单元，不仅可以快速实现自身内方位参数和外方位参数标定，还可以统一整个天线姿态测量系统空间测量坐标系，稳定测量精度。

3、本发明中，立体标定单元中标定目标呈空间分布，有利于探测器测量单元提高标定精度。

4、本发明中，标定目标和目标标志物单元选用球形结构，确保不同位置的探测器测量单元捕获到的标定目标和目标标志物单元具有一致的空间坐标，确保在不同位置以及不同视场下，探测器测量单元的标定精度以及测量精度。

5、本发明中，所需的待测天线系统姿态信息仅需要有限个目标标志物单元的空间位置即可拟合，因此，当待测天线系统姿态发生变化时，只要部分探测器测量单元视场能够捕获一定的目标标志物单元信息即可拟合出待测天线系统的姿态，有利于实现快速和准确测量。

6、待测天线系统往往由较为复杂的背架上若干桁架进行支撑，本发明中，可通过支撑杆结构将球形的目标标志物单元伸出桁架便于为探测器测量单元捕获，且不影响识别精度。

附图说明

图1为本发明天线姿态快速测量系统实施例中，探测器测量单元圆周分布示意图；

图2为本发明天线姿态快速测量系统实施例中，待测天线系统姿态一的测量原理图；

图3为本发明天线姿态快速测量系统实施例中，待测天线系统姿态二的测量原理图；

图4为本发明天线姿态快速测量系统实施例中，立体标定单元的结构示意图；

附图标号说明：

1、立体标定单元；11、标定目标；2、探测器测量单元；3、目标标志物单元；4、待测天线系统；5、天线主反射面；6、视场交汇区。

具体实施方式

本发明提出一种天线姿态快速测量系统，如图1-图3所示，包括数据处理单元、立体标定单元1、多个探测器测量单元2以及多个目标标志物单元3。

各单元的设置方式如下：

每一个探测器测量单元2包括一套测量探测器，测量探测器为相机。

如图4所示，立体标定单元1包括4个中心点不共面的标定目标11，这些标定目标11相对位置稳定且确定，具备确定的特征标识，比如大小尺寸具有明显差异；标定目标11可为球形结构。

目标标志物单元3具备确定的特征标识，多个目标标志物单元3通过支撑杆结构支撑在待测天线系统4的天线背部的桁架上，且位于待测天线系统4的天线主反射面5背面，可以随着待测天线系统4一起运动，即目标标志物单元3具有与待测天线系统4同样的运动姿态，目标标志物单元3伸出天线背部的桁架，确保目标标志物单元3表面特征被探测器测量单元2所捕获，目标标志物单元3为球形结构。

根据待测天线系统4的口径与转动幅度设置探测器测量单元2的数量及位置（可根据待测天线系统4的空间尺寸，选择探测器测量单元2的视场或是选择多相机阵列；多相机阵列相对位置稳定且确定），在本实施例中，待测天线系统4的转动幅度为360°，所以，六个或十二个探测器测量单元2安装在待测天线系统4周侧外的地基上，且沿圆周均匀设置，立体标定单元1设置在待测天线系统4天线主反射面5背面的中心正下方地基上，即位于圆周设置的多个探测器测量单元2的圆心处。

每一个探测器测量单元2所包括的相机视场能够同时覆盖立体标定单元1和部分目标标志物单元3以及目标标志物单元3对应的运动范围，相邻两个探测器测量单元2的视场存在视场交汇区6，视场交汇区6内包括至少一个目标标志物单元3（当待测天线系统4的姿态发生改变时，能够确保也有至少三个目标标志物单元3被探测器测量单元2所捕获），在本实施例中，所有视场交汇区6内至少存在六个目标标志物单元3（其原理为：通过多个不共心不共面的目标标志物单元3，进行基于理论曲面的拟合，所拟合得到的曲面具有与待测天线系统4一样的姿态，所以，可以用拟合的曲面表征待测天线系统4的姿态），数据处理单元与所有探测器测量单元2电连接，控制探测器测量单元2同时拍摄图片，并接收探测器测量单元2拍摄的图片信息，并对图片信息进行处理，获得探测器测量单元2相对于立体标定单元1的空间位置信息，以及目标标志物单元3相对于立体标定单元1的空间位置信息，并对目标标志物单元3的空间位置信息进行基于理论曲面的拟合，得到基于立体标定单元1坐标系下的待测天线系统4的姿态信息。

本发明的工作原理如下：

在大口径待测天线系统地基圆周上建立若干探测器测量单元2，若干探测器测量单元2组成的相机组网对设置在天线主反射面5背面若干球形目标标志物单元3进行实时监测，当待测天线系统4开始工作，其姿态变化以及受环境影响导致天线主反射面5形状发生变形时，天线姿态快速测量系统能够快速获得球形目标标志物单元3基于立体标定单元1（大地坐标系下）的空间三维坐标，然后拟合出待测天线系统4的姿态信息并进行反馈，最终实现待测天线系统4的姿态闭环控制，提高望远镜的指向控制精度。

在其他实施例中，待测天线系统4的转动幅度可小于360°，此时在待测天线系统4的转动范围内所对应的位置，设置相应数量的探测器测量单元2，保证探测器测量单元2的充分使用，节约资源。

本发明还提出一种天线姿态快速测量方法，采用上述一种天线姿态快速测量系统，包括以下步骤：

步骤1：提前标定探测器测量单元2的内方位参数，定义立体标定单元1中的任一中心点为基点，建立三维坐标系，并获取立体标定单元1中，每个标定目标11的空间位置信息，所述中心点可以是任一个标定目标11的中心，也可以是任意两个或三个或四个标定目标11之间的中心；

步骤2：所有探测器测量单元2采集立体标定单元1的图片信息，根据所拍摄的图片信息，并基于单目相机标定原理以及步骤1中每个标定目标11的空间位置信息，解算出探测器测量单元2相对立体标定单元1基点的相对空间三维位置（探测器测量单元2的外方位参数），建立基于立体标定单元1坐标系的探测器测量单元2的空间位置分布；

步骤3：控制所有探测器测量单元2同时拍摄图片，获得待测天线系统4同一姿态下不同方位的图片，相邻探测器测量单元2捕捉视场交汇区6内待测天线系统4上未被遮挡的目标标志物单元3，利用近景摄影测量原理通过坐标转换得到这些目标标志物单元3基于立体标定单元1坐标系的空间三维坐标；

步骤4：将所有能够获得的目标标志物单元3的三维坐标进行基于理论曲面的拟合，得到基于立体标定单元1坐标系的待测天线系统4的姿态信息，完成对待测天线系统4天线姿态的快速测量。

Claims (10)

1.一种天线姿态快速测量系统，其特征在于：

包括数据处理单元、立体标定单元(1)、至少两个探测器测量单元(2)以及多个目标标志物单元(3)；所述目标标志物单元(3)设置在待测天线系统(4)的天线主反射面(5)背面，且随着待测天线系统(4)一起运动；所述探测器测量单元(2)设置在待测天线系统(4)的周侧外，用于实时监测目标标志物单元(3)的位置；所述立体标定单元(1)设置在待测天线系统(4)的天线主反射面(5)的中心正下方，用于标定探测器测量单元(2)；

每个所述探测器测量单元(2)的视场覆盖立体标定单元(1)和部分目标标志物单元(3)，以及部分目标标志物单元(3)的运动范围；任一相邻两个探测器测量单元(2)存在视场交汇区(6)，且视场交汇区(6)内至少有一个目标标志物单元(3)，所有视场交汇区(6)内，目标标志物单元(3)的总数≥3；

所述数据处理单元与探测器测量单元(2)电连接，用于接收并处理探测器测量单元(2)拍摄的图片，获得待测天线系统(4)的姿态信息。

2.根据权利要求1所述的一种天线姿态快速测量系统，其特征在于：

所述目标标志物单元(3)为球形结构。

3.根据权利要求2所述的一种天线姿态快速测量系统，其特征在于：

构成所述目标标志物单元(3)的球形结构，通过设置在待测天线系统(4)背部桁架上的支撑杆结构进行支撑。

4.根据权利要求2所述的一种天线姿态快速测量系统，其特征在于：

所述立体标定单元(1)包括至少4个中心点不共面的标定目标(11)。

5.根据权利要求4所述的一种天线姿态快速测量系统，其特征在于：

所述标定目标(11)为球形结构。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种天线姿态快速测量系统，其特征在于：

所述探测器测量单元(2)包括至少一套测量探测器。

7.根据权利要求6所述的一种天线姿态快速测量系统，其特征在于：

所述视场交汇区(6)内至少有三个目标标志物单元(3)，所述测量探测器为相机。

8.根据权利要求7所述的一种天线姿态快速测量系统，其特征在于：

所述探测器测量单元(2)的数量为十二个或六个，且在待测天线系统(4)的周侧外圆周均布。

9.一种天线姿态快速测量方法，使用权利要求1-8任一所述的一种天线姿态快速测量系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：定义立体标定单元(1)中的任一中心点为基点，并基于基点获得立体标定单元(1)其余中心点的空间位置信息；

步骤2：所有探测器测量单元(2)采集立体标定单元(1)的空间信息，并基于近景摄影测量原理解算出自身相对立体标定单元(1)基点的相对空间三维位置；

步骤3：相邻探测器测量单元(2)采集视场交汇区(6)内的目标标志物单元(3)的信息，利用近景摄影测量原理通过坐标转换得到目标标志物单元(3)基于立体标定单元(1)基点的空间三维坐标；

步骤4：将步骤2中所有目标标志物单元(3)的三维坐标进行基于理论曲面的拟合，得到基于立体标定单元(1)的待测天线系统(4)姿态信息，完成对待测天线系统(4)天线姿态的快速测量。

10.根据权利要求9所述的一种天线姿态快速测量方法，其特征在于：所述步骤2具体为：

所有探测器测量单元(2)采集立体标定单元(1)的空间信息，并基于近景摄影测量原理以及步骤1中其余中心点的空间位置信息，解算出探测器测量单元(2)相对立体标定单元(1)基点的相对空间三维位置。