射電望遠(yuǎn)鏡天線的指向精度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹艷東，張 旭

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

射電望遠(yuǎn)鏡天線與其他類型天線最主要的區(qū)別是口徑大、采用程序引導(dǎo)的開(kāi)環(huán)跟蹤方式。對(duì)建造者而言，需要一些特殊的設(shè)計(jì)和調(diào)整手段保證天線的高精度指向要求，同時(shí)也需要適當(dāng)?shù)臏y(cè)量方法測(cè)量出天線的指向精度，以客觀衡量建造完成后的天線指向能力。

傳統(tǒng)測(cè)量天線的指向精度有信標(biāo)塔法、衛(wèi)星法和經(jīng)緯儀法［1］。信標(biāo)塔和衛(wèi)星法只能測(cè)量天線在某1個(gè)或某幾個(gè)位置的指向能力，經(jīng)緯儀法測(cè)出的是天線機(jī)械軸的指向性［2］。這些測(cè)量方法只適合小口徑天線的測(cè)量標(biāo)定，對(duì)于射電望遠(yuǎn)鏡天線而言，已經(jīng)無(wú)法精確滿足測(cè)量要求。

針對(duì)射電天文望遠(yuǎn)鏡的特點(diǎn)和傳統(tǒng)測(cè)量方法的局限性，本文設(shè)計(jì)了采用射電星法的天線指向精度測(cè)量系統(tǒng)，借助于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算、存儲(chǔ)和處理能力，方便、快捷、高效地完成天線指向精度的測(cè)量。

1 測(cè)量原理

掃描和跟蹤是指向精度測(cè)量的基本過(guò)程，下面以方位軸掃描為例描述測(cè)量原理。

在測(cè)量時(shí)，控制天線俯仰執(zhí)行跟蹤、方位以高于射電星的運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，天線所接收的射電星信號(hào)功率P隨時(shí)間T的變化如圖1所示。

圖1 掃描過(guò)程

在掃描過(guò)程中，信號(hào)接收功率最大為P1，即認(rèn)為t2時(shí)刻天線精確指向了射電星，此時(shí)可以讀出天線方位實(shí)際角度A0，根據(jù)信號(hào)最大時(shí)刻t2可以計(jì)算出天線方位理論角度A1，通過(guò)計(jì)算實(shí)際角度和理論角度之差，即可得出天線方位的指向誤差。

對(duì)不同天區(qū)、不同仰角的指向誤差進(jìn)行測(cè)量，即可得到多組指向誤差數(shù)據(jù)。采用均方根法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)，即可得出天線的指向精度。

天線方位(俯仰)單軸的指向精度為:

式中，σPA(E)為方位(俯仰)指向精度;ΔA(ΔE)i為方位(俯仰)指向測(cè)量誤差;n為測(cè)量次數(shù)。

天線總的指向精度為:

式中，σP為天線總的指向精度;σPA為方位指向精度;σPE為俯仰指向精度。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

射電望遠(yuǎn)鏡天線指向精度測(cè)量系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)控制的測(cè)量、記錄和處理系統(tǒng)，由硬件和軟件2個(gè)部分組成。硬件部分主要負(fù)責(zé)信號(hào)的接收和轉(zhuǎn)換，軟件則執(zhí)行整個(gè)測(cè)量過(guò)程的控制以及數(shù)據(jù)的記錄和處理。

2.1 硬件組成

根據(jù)測(cè)量需要，系統(tǒng)硬件主要由天伺饋分系統(tǒng)、信號(hào)傳輸處理分系統(tǒng)和測(cè)量控制分系統(tǒng)［4，5］3個(gè)分系統(tǒng)組成。系統(tǒng)組成及接口關(guān)系如圖2所示。

圖2 硬件組成

天伺饋分系統(tǒng)主要由天線和饋源、方位和俯仰驅(qū)動(dòng)、伺服控制計(jì)算機(jī)組成。天線和饋源是電磁波的接收和轉(zhuǎn)換裝置，負(fù)責(zé)將接收的電磁波轉(zhuǎn)換為同頻高頻功率信號(hào)［1］。方位和俯仰驅(qū)動(dòng)是天線的轉(zhuǎn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，伺服控制計(jì)算機(jī)是天線轉(zhuǎn)動(dòng)和位置閉環(huán)的控制機(jī)構(gòu)。

信號(hào)傳輸處理分系統(tǒng)由低噪聲放大器、下變頻器和功率計(jì)組成。由于天線所接收的信號(hào)微弱，為了減少傳輸損耗，從饋源輸出的X波段射頻信號(hào)首先經(jīng)放大器放大后進(jìn)入下變頻器，下變頻器將信號(hào)變換為L(zhǎng)頻段信號(hào)送入功率計(jì)。功率計(jì)能對(duì)所輸入帶內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行譜密度分析和處理，通過(guò)USB接口輸出信號(hào)功率值，供測(cè)量計(jì)算機(jī)記錄和處理使用。

測(cè)量控制分系統(tǒng)由測(cè)量計(jì)算機(jī)和時(shí)碼器組成。時(shí)碼器通過(guò)IRIG-B接口輸出精確的協(xié)調(diào)世界時(shí)給測(cè)量計(jì)算機(jī)和天線控制計(jì)算機(jī)。測(cè)量計(jì)算機(jī)有3項(xiàng)主要功能:①坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，即根據(jù)射電星赤經(jīng)、赤緯坐標(biāo)值和當(dāng)前時(shí)間計(jì)算得出天線的理論目標(biāo)角度［3］;② 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口控制天線執(zhí)行測(cè)量過(guò)程;③進(jìn)行測(cè)量過(guò)程的數(shù)據(jù)記錄和后續(xù)的分析和處理。

2.2 軟件組成

測(cè)量控制分系統(tǒng)中的測(cè)量軟件是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的核心。一方面利用時(shí)間和射電星坐標(biāo)值計(jì)算天線目標(biāo)角度，發(fā)送給天線控制計(jì)算機(jī)引導(dǎo)天線跟蹤，另一方面實(shí)時(shí)查詢功率計(jì)解調(diào)出的信號(hào)強(qiáng)度，同時(shí)將天線角度和信號(hào)強(qiáng)度信息以文件方式保存到磁盤中。按照結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，指向精度測(cè)量軟件共分為4個(gè)模塊:狀態(tài)采集和記錄、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、指向控制和數(shù)據(jù)處理。其中狀態(tài)采集和記錄模塊由天線、時(shí)間、功率信息采集和記錄3個(gè)單元組成;坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊由章動(dòng)歲差改正、恒星時(shí)計(jì)算和地平角度計(jì)算3個(gè)單元組成;指向控制由跟蹤、偏開(kāi)、掃描3個(gè)單元組成，數(shù)據(jù)處理模塊由數(shù)據(jù)提取和指向精度計(jì)算2個(gè)單元組成。指向精度測(cè)量軟件組成如圖3所示。

圖3 軟件組成

3 測(cè)量過(guò)程和結(jié)果分析

指向精度的測(cè)量分為誤差測(cè)量和數(shù)據(jù)處理2個(gè)步驟，這2個(gè)過(guò)程都由測(cè)量計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制完成。

在誤差測(cè)量開(kāi)始前，人工選定好測(cè)量所使用的射電星、設(shè)定好掃描寬度和掃描周期等參數(shù)后，即可控制測(cè)量計(jì)算機(jī)自動(dòng)執(zhí)行掃描。在天線掃描過(guò)程中，測(cè)量計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集功率計(jì)的功率值、天線的方位和俯仰角度、當(dāng)前UTC時(shí)間并以100 ms的周期實(shí)時(shí)保存到指定文件中。

掃描結(jié)束后，計(jì)算機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)數(shù)據(jù)處理功能，在記錄的數(shù)據(jù)文件中查找功率極值來(lái)確定天線精確對(duì)準(zhǔn)射電星的時(shí)刻和天線實(shí)際指向角度，再根據(jù)對(duì)準(zhǔn)時(shí)間和射電星坐標(biāo)計(jì)算天線的理論目標(biāo)角度。實(shí)際指向角度和理論目標(biāo)角度做差，得出一組指向誤差數(shù)據(jù)，保存到誤差數(shù)據(jù)文件中。

通過(guò)選取合適的射電星和時(shí)間，可以測(cè)得天線在不同天區(qū)、不同仰角下的指向誤差數(shù)據(jù)［6］。在經(jīng)過(guò)大量的誤差測(cè)量和數(shù)據(jù)積累后，就可以采用式(1)和式(2)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法準(zhǔn)確得出天線的指向精度。

在國(guó)內(nèi)的50 m和40 m口徑射電望遠(yuǎn)鏡中，運(yùn)行該方法對(duì)指向精度進(jìn)行了測(cè)量。50 m天線選用3C405、3C144和3C273B三個(gè)射電星測(cè)得了180組指向誤差數(shù)據(jù)，計(jì)算得出指向精度為16.8"，與設(shè)計(jì)理論值19"基本吻合。40 m天線選用 DA193、3C274和3C461三個(gè)射電星測(cè)得了120組指向誤差數(shù)據(jù)，計(jì)算得出指向精度為30.5"，與設(shè)計(jì)理論值30"基本吻合。測(cè)量結(jié)果表明該測(cè)試系統(tǒng)和方法正確、可信。

4 結(jié)束語(yǔ)

射電天文望遠(yuǎn)鏡天線有其獨(dú)特的工作特點(diǎn)，基于射電星的測(cè)量方法和測(cè)試系統(tǒng)很好地解決了傳統(tǒng)指向精度測(cè)量方法不全面、不準(zhǔn)確的弊端。該系統(tǒng)采用的自然天體—射電星作為輻射源的方法，可以取代遙感、測(cè)控類天線通過(guò)信標(biāo)塔進(jìn)行標(biāo)校和測(cè)試的傳統(tǒng)方法，也可以廣泛應(yīng)用到中、大口徑的衛(wèi)星通信、遙感、測(cè)控天線的指向精度測(cè)量和初始角度標(biāo)定工作中，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

［1］沈民誼，蔡振遠(yuǎn).衛(wèi)星通信天線、饋源、跟蹤系統(tǒng)［M］.北京:人民郵電出版社，1993.

［2］程景全.天文望遠(yuǎn)鏡原理和設(shè)計(jì)［M］.北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

［3］馬文章.球面天文學(xué)［M］.北京:北京師范大學(xué)出版社，1995.

［4］ ROHLFS K，WILSON T L.Tools of Radio Astronomy［M］.New York:Third Revised and Enlarged Edition.Springer-Verlag Berlin Heidelberg，2000.

［5］ LENA P， LEBRUN F， MIGNARD F.Observational Astrophysics［M］.New York:SecondRevisedand Enlarged Edition. Springer - Verlag Berlin Heidelberg，1998.

［6］王小強(qiáng)，秦順友.利用仙后座A測(cè)量16m天線G/T值及誤差分析［J］. 無(wú)線電工程，2009，39(11):50-52.