三軸天線(xiàn)角度標(biāo)校方法

王永華+王萬(wàn)玉

摘 要： 三軸天線(xiàn)系統(tǒng)主要用于對(duì)低軌衛(wèi)星的全空域無(wú)盲區(qū)跟蹤。對(duì)于斜轉(zhuǎn)臺(tái)三軸天線(xiàn)系統(tǒng)，已有的方位?俯仰座架的誤差模型及標(biāo)校方法已不適用。依據(jù)三軸天線(xiàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析研究了三軸天線(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)誤差，提出了三軸天線(xiàn)系統(tǒng)誤差修正的數(shù)學(xué)模型和標(biāo)校的具體方法，并結(jié)合三軸天線(xiàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。該標(biāo)校方法已應(yīng)用于實(shí)際工程中，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞： 斜轉(zhuǎn)臺(tái)； 三軸天線(xiàn)； 誤差模型； 角度標(biāo)校

中圖分類(lèi)號(hào)： TN820?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）13?0081?04

Angle calibration method of tri?axis antenna

WANG Yong?hua1， WANG Wan?yu2

（1. No. 39 Research Institute， China Electronics Technology Group Corporation， Xian 710065， China；

2. Institute of Remote Sensing and Digital Earth， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100094， China）

Abstract：Tri?axis antenna system is mainly used to track the low earth orbit satellites in the whole airspace without blind zone. The existing error model and calibration method of azimuth?elevation pedestal are not suitable for tri?axis antenna system with tilt turntable. Based on the characteristics of the tri?axis antenna system， the errors of tri?axis antenna system are analyzed， and a mathematical model of error correction and some calibration methods for tri?axis antenna system are presented in this paper. The tri?axis antenna system was verified in combination with its detected data in experiment. The calibration method has been used in practical engineering， and good results have been achieved.

Keywords： tilt turntable； tri?axis antenna； error model； angle calibration

0 引 言

為滿(mǎn)足遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收天線(xiàn)系統(tǒng)對(duì)低軌快速目標(biāo)的全空域無(wú)盲區(qū)過(guò)頂跟蹤要求，天線(xiàn)座架一般采用三軸天線(xiàn)。目前投入使用的大口徑S/X雙頻段三軸遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收天線(xiàn)系統(tǒng)波束寬度窄，天線(xiàn)系統(tǒng)各項(xiàng)誤差導(dǎo)致天線(xiàn)在不同仰角尤其高仰角時(shí)的指向精度無(wú)法滿(mǎn)足快速可靠捕獲衛(wèi)星的技術(shù)需求，造成衛(wèi)星數(shù)據(jù)的丟失。因此天線(xiàn)系統(tǒng)投入使用前必須經(jīng)過(guò)細(xì)致、精確的標(biāo)定，以提高系統(tǒng)的指向精度，確保系統(tǒng)快速可靠的捕獲跟蹤目標(biāo)。

對(duì)于斜轉(zhuǎn)臺(tái)三軸天線(xiàn)系統(tǒng)，由于斜轉(zhuǎn)臺(tái)第三軸的特殊性，原有的方位?俯仰型座架的誤差模型及標(biāo)校方法已不適用。本文從實(shí)際工程出發(fā)，結(jié)合轉(zhuǎn)臺(tái)式三軸天線(xiàn)的特點(diǎn)，提出了斜轉(zhuǎn)臺(tái)三軸天線(xiàn)系統(tǒng)誤差修正的數(shù)學(xué)模型和標(biāo)校的具體方法。

1 斜轉(zhuǎn)臺(tái)三軸天線(xiàn)系統(tǒng)誤差分析

1.1 三軸天線(xiàn)坐標(biāo)變換

轉(zhuǎn)臺(tái)式三軸天線(xiàn)座主要用于對(duì)低軌過(guò)境衛(wèi)星的全空域無(wú)盲區(qū)跟蹤。根據(jù)過(guò)境衛(wèi)星的軌道高度，目標(biāo)對(duì)地面接收天線(xiàn)系統(tǒng)的速度、加速度要求，以及伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，合理地設(shè)計(jì)傾斜軸的傾角[θ，]一般傾斜軸的傾角為7°。目標(biāo)在天線(xiàn)測(cè)量坐標(biāo)系內(nèi)的角位置用[Ac，][Ec，][Tc]表示，在大地坐標(biāo)系的角位置用[Az，][El]表示。角坐標(biāo)的定義如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)臺(tái)式三軸天線(xiàn)坐標(biāo)定義

測(cè)量系方位角[Ac：]定義為天線(xiàn)機(jī)械軸在斜轉(zhuǎn)臺(tái)平面的投影與斜轉(zhuǎn)臺(tái)中心和高點(diǎn)連線(xiàn)之間的夾角，順時(shí)針為正；

測(cè)量系俯仰角[Ec：]定義為天線(xiàn)電軸與斜轉(zhuǎn)臺(tái)平面之間的夾角，向上為正；

傾斜軸方位角[Tc：]定義為斜轉(zhuǎn)臺(tái)高低兩點(diǎn)連線(xiàn)在水平面投影與大地真北之間的夾角，高點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)正北為零度，順時(shí)針為正；

大地系方位角[Az：]天線(xiàn)電軸在大地水平面投影與真北方向之間的夾角，順時(shí)針為正；

大地系俯仰角[El：]定義為天線(xiàn)電軸與大地水平面之間的夾角，向上為正。

大地極坐標(biāo)系與測(cè)量系極坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換公式為：

[cosEl?cosAzsinElcosEl?cosAz=cosTc0-sinTc010sinTc0cosTc×cosθ-sinθ0sinθ-sinθ0001×cosEc?cosAcsinEccosEc?sinAc]

1.2 三軸天線(xiàn)誤差項(xiàng)

從測(cè)量跟蹤天線(xiàn)的工作過(guò)程看，目標(biāo)、電磁波傳播的空間、天線(xiàn)和饋線(xiàn)、跟蹤接收機(jī)、伺服系統(tǒng)、天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備、數(shù)據(jù)傳遞、顯示以及記錄設(shè)備都是天線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的組成部分。這些部分都可能給角度測(cè)量帶來(lái)誤差。根據(jù)誤差產(chǎn)生的來(lái)源和性質(zhì)，可以分為隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差。隨機(jī)誤差可以用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行計(jì)算和分析，通過(guò)平滑濾波得到抑制。系統(tǒng)誤差是重復(fù)測(cè)試均保持同一數(shù)值，或按某一定規(guī)律變化的誤差分量，是需要進(jìn)行修正的。

轉(zhuǎn)臺(tái)式三軸天線(xiàn)其實(shí)質(zhì)為方位?俯仰型座架安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)的傾斜面上，其誤差項(xiàng)與方位?俯仰型座架基本一致，但斜轉(zhuǎn)臺(tái)三軸天線(xiàn)第三軸的引入，其誤差項(xiàng)又有特殊性。三軸天線(xiàn)誤差及標(biāo)定項(xiàng)包括：

（1） 第三軸傾斜度標(biāo)定；

（2） 第三軸傾斜最大值對(duì)應(yīng)最高點(diǎn)位置標(biāo)定；

（3） 第三軸大盤(pán)不水平度；

（4） 方位俯仰軸不正交度誤差；

（5） 機(jī)械軸和電軸偏差；

（6） 軸角編碼器零位誤差；

（7） 角定向靈敏度；

（8） 重力下垂誤差；

（9） 動(dòng)態(tài)滯后誤差。

因方位?俯仰+斜轉(zhuǎn)臺(tái)三軸天線(xiàn)實(shí)質(zhì)為方位?俯仰型座架，天線(xiàn)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中各軸系誤差符合測(cè)量系方位?俯仰型天線(xiàn)座的變化規(guī)律，其誤差修正項(xiàng)均以測(cè)量系為基準(zhǔn)，但重力下垂誤差始終是以大地系為參考的。

2 誤差模型

對(duì)于高精度天線(xiàn)系統(tǒng)，需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)校。通過(guò)建立系統(tǒng)誤差模型，給出系統(tǒng)誤差的定量描述，再通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整來(lái)完成系統(tǒng)誤差修正。

根據(jù)三軸天線(xiàn)的誤差項(xiàng)及誤差規(guī)律，參考文獻(xiàn)[1]各誤差產(chǎn)生機(jī)理，其誤差模型如式（2）和式（3）所示：[Az=Ac+A0+θMsin（Ac-AM）tgEc+δtgEc+Kz+ΔUAμA?secEc] （2）

[Ez=Ec+E0+θMcos（Ac-AM）+Kn+ΔUEμE+ΔEg?cosEc+ΔEd] （3）

式中各符號(hào)含義為：[Az]為目標(biāo)方位角真值；[Ac]為設(shè)備方位角測(cè)量值；[A0]為設(shè)備方位角零位誤差；[θM]為天線(xiàn)座大盤(pán)不水平的最大值；[AM]為天線(xiàn)座大盤(pán)最大不水平角所處的方位角；[δ]為設(shè)備方位軸與俯仰軸不正交度；[Kz]為機(jī)電軸不匹配引起的方位誤差；[ΔUA]為設(shè)備對(duì)目標(biāo)自跟蹤時(shí)，方位誤差電壓；[μA]為方位支路誤差定向靈敏度；[Ez]為目標(biāo)俯仰角真值；[Ec]為俯仰角測(cè)量值；[E0]為俯仰角零值；[T0]為天線(xiàn)第三軸角度零值；[Kn]為機(jī)電軸不匹配引起的俯仰誤差；[ΔUE]為設(shè)備對(duì)目標(biāo)自跟蹤時(shí)，俯仰誤差電壓；[μE]為俯仰支路誤差定向靈敏度；[ΔEg]為重力下垂引起的俯仰誤差；[ΔEd]為電波折射誤差。

3 標(biāo)校及修正方法

常用的天線(xiàn)系統(tǒng)標(biāo)校有星體標(biāo)校和常規(guī)標(biāo)校。這里從保證精度，操作使用方便考慮提出了較為實(shí)用的常規(guī)標(biāo)校結(jié)合文獻(xiàn)[2]衛(wèi)星跟蹤標(biāo)校的方法。

3.1 第三軸傾斜度標(biāo)定

天線(xiàn)的第三軸理論設(shè)計(jì)為7°傾斜，但由于各項(xiàng)加工及裝配誤差的存在，傾斜面的最大傾角不一定是7°理論值，如標(biāo)定不準(zhǔn)確會(huì)引起測(cè)量系與大地系角度轉(zhuǎn)換誤差。

該項(xiàng)誤差采用測(cè)角儀進(jìn)行精確標(biāo)定，也可利用天線(xiàn)自動(dòng)跟蹤S頻段同步衛(wèi)星，天線(xiàn)第三軸轉(zhuǎn)動(dòng)180°以上，其傾斜軸的高點(diǎn)、低點(diǎn)分別指向同步衛(wèi)星，記錄天線(xiàn)俯仰測(cè)量系角度數(shù)據(jù)，其最大、最小值的一半即為傾斜面的角度值。

3.2 第三軸傾斜對(duì)應(yīng)最高點(diǎn)位置標(biāo)定

天線(xiàn)系統(tǒng)裝配完成后，測(cè)量系方位[Az]為0°時(shí)，天線(xiàn)的機(jī)械軸應(yīng)與傾斜面對(duì)應(yīng)最大傾斜量值對(duì)應(yīng)的高點(diǎn)、低點(diǎn)連線(xiàn)一致。如最高點(diǎn)位置（刻線(xiàn)）標(biāo)定有偏差也會(huì)引起大地系方位、俯仰角度轉(zhuǎn)換為測(cè)量系三軸角度的誤差，影響天線(xiàn)指向精度。天線(xiàn)座加工完成后，通過(guò)檢測(cè)在第三軸基座標(biāo)定出最高點(diǎn)位置，同時(shí)對(duì)應(yīng)的方位轉(zhuǎn)盤(pán)上，也做好明顯標(biāo)志，兩個(gè)標(biāo)志（或刻線(xiàn)）對(duì)應(yīng)時(shí)，天線(xiàn)測(cè)量系方位角度為0°。

三軸天線(xiàn)在塔基安裝時(shí)天線(xiàn)傾斜面的最高點(diǎn)應(yīng)對(duì)準(zhǔn)正北方向，此時(shí)測(cè)量系第三軸的角度應(yīng)為0°，但實(shí)際中還會(huì)存在系統(tǒng)誤差，在進(jìn)行第三軸角度零值標(biāo)定時(shí)進(jìn)一步精確標(biāo)定。

3.3 大盤(pán)不水平度調(diào)整及標(biāo)定

天線(xiàn)系統(tǒng)裝配完成后，利用合像水平儀檢測(cè)第三軸轉(zhuǎn)盤(pán)的水平度，如偏差太大，進(jìn)行天線(xiàn)座水平度調(diào)整，一般調(diào)整到10″以?xún)?nèi)即可，對(duì)遙感接收天線(xiàn)，該項(xiàng)誤差引入誤差較小，可不進(jìn)行修正。

3.4 機(jī)電偏差的標(biāo)定

對(duì)方位?俯仰型座架，天線(xiàn)機(jī)械軸和電軸偏差隨著仰角變化引入的方位誤差，符合正割變化規(guī)律，但對(duì)斜轉(zhuǎn)臺(tái)三軸天線(xiàn)系統(tǒng)，其機(jī)電偏差在測(cè)量系角度符合正割變化規(guī)律，因此需在測(cè)量系進(jìn)行修正。在編碼器精度保證的前提下，采用正倒鏡方法，測(cè)量出機(jī)電偏差誤差項(xiàng)系數(shù)。

3.5 軸角編碼器零位標(biāo)定

編碼器零值標(biāo)校實(shí)質(zhì)是對(duì)測(cè)量系方位、俯仰、第三軸角度零值進(jìn)行標(biāo)定。天線(xiàn)系統(tǒng)自跟蹤穩(wěn)定正常后，利用標(biāo)校塔信標(biāo)對(duì)天線(xiàn)各軸進(jìn)行精確的角度標(biāo)定，需要提供標(biāo)校塔信標(biāo)喇叭相對(duì)于天線(xiàn)三軸中心的大地系的方位、俯仰角度數(shù)據(jù)。標(biāo)校方法如下：

（1） 方位角度零值

天線(xiàn)機(jī)械軸與傾斜面高、低點(diǎn)連線(xiàn)在水平面平行后，調(diào)整零值使測(cè)量系方位角度為0.000°，即完成了測(cè)量系方位零值的標(biāo)定。

（2） 第三軸角度零值

在測(cè)量系方位角度為0.000°時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)天線(xiàn)第三軸和俯仰軸，使天線(xiàn)電軸對(duì)準(zhǔn)標(biāo)校塔信標(biāo)喇叭，從頻譜儀上檢測(cè)此時(shí)信號(hào)電平最大，跟蹤接收機(jī)輸出誤差電壓為[UA=]0 V，[UE=]0 V。將第三軸角度值與大地系理論值比較，如有偏差，將第三軸角度值調(diào)整為大地系的理論值，即完成了第三軸零值的標(biāo)定。

（3） 俯仰角度零值

俯仰角度零值是以水平面為參考，在不考慮重力下垂影響的情況下，天線(xiàn)電軸在水平狀態(tài)下，俯仰大地系角度為0°（測(cè)量系為7°），天線(xiàn)朝天時(shí)大地系角度為90°（測(cè)量系為97°）。

在測(cè)量系方位角度為0.000°時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)天線(xiàn)第三軸和俯仰軸，使天線(xiàn)電軸對(duì)準(zhǔn)標(biāo)校塔信標(biāo)喇叭，從頻譜儀上檢測(cè)此時(shí)信號(hào)電平最大，跟蹤接收機(jī)輸出誤差電壓為0 V。將ACU界面上俯仰角度值與理論大地系值比較，如有偏差將俯仰角度值調(diào)整為大地系理論俯仰角度值，即完成了俯仰角度零值的標(biāo)定。

角度零值也可以采用太陽(yáng)跟蹤標(biāo)定和同步衛(wèi)星標(biāo)定的方法實(shí)現(xiàn)，采用幾種方法相結(jié)合綜合標(biāo)定的方法相互驗(yàn)證，再經(jīng)實(shí)際衛(wèi)星跟蹤檢驗(yàn)。

3.6 角定向靈敏度標(biāo)定

跟蹤接收機(jī)的定向靈敏度、交叉耦合、誤差帶寬等指標(biāo)，直接影響天線(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的跟蹤性能。定向靈敏度需經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確的標(biāo)定，才能通過(guò)記錄的跟蹤接收機(jī)誤差電壓對(duì)動(dòng)態(tài)滯后進(jìn)行修正。

跟蹤接收機(jī)輸出誤差電壓按要求一般為：

X波段：800 mV/mil；S波段：500 mV/mil；交叉耦合滿(mǎn)足：≤[15]。

跟蹤接收機(jī)的定向靈敏度一般是在中等電平情況下對(duì)信標(biāo)喇叭天線(xiàn)方位、俯仰分別偏開(kāi)零點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整標(biāo)定，使其符合要求。應(yīng)用時(shí)，伺服系統(tǒng)環(huán)路參數(shù)按實(shí)際的定向靈敏度進(jìn)行歸一化處理。

3.7 重力下垂標(biāo)定

天線(xiàn)在重力作用下會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形，包括主反射體變形、饋源位移、天線(xiàn)副反射面位移等，這些結(jié)構(gòu)變形都會(huì)產(chǎn)生電軸偏移，在俯仰上引起測(cè)角誤差。對(duì)大口徑窄波束天線(xiàn)，如12 m X頻段，波束寬度只有0.2°，由于重力下垂誤差的影響，會(huì)帶來(lái)天線(xiàn)在高、低仰角指向造成偏差，輸出的測(cè)角數(shù)據(jù)也包含重力下垂誤差。

重力下垂誤差可采用常規(guī)的正倒鏡跟蹤方法解算，或跟蹤高精度星歷的低軌衛(wèi)星、跟蹤太陽(yáng)對(duì)低仰角、高仰角測(cè)量數(shù)據(jù)與預(yù)報(bào)值進(jìn)行比對(duì)解算。

重力下垂標(biāo)定可以采用正倒鏡自跟蹤的方法進(jìn)行。步驟如下：

（1） 標(biāo)校塔信標(biāo)喇叭對(duì)天線(xiàn)三軸中心大地測(cè)量值俯仰角為[ETD；]

（2） 天線(xiàn)測(cè)量系方位[Az測(cè)量=]0°，轉(zhuǎn)動(dòng)天線(xiàn)第三軸和俯仰軸使天線(xiàn)電軸對(duì)準(zhǔn)標(biāo)校塔信標(biāo)喇叭，第三軸待機(jī)，從頻譜儀上檢測(cè)此時(shí)信號(hào)電平最大，跟蹤接收機(jī)輸出誤差電壓為0。記錄此時(shí)天線(xiàn)大地系俯仰角度[Ez；]

（3） 天線(xiàn)第三軸不動(dòng)，方位轉(zhuǎn)動(dòng)180°，俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)到約180-[Ez]位置，調(diào)整天線(xiàn)方位及俯仰軸使天線(xiàn)電軸對(duì)準(zhǔn)標(biāo)校塔信標(biāo)喇叭，從頻譜儀上檢測(cè)此時(shí)信號(hào)電平最大，跟蹤接收機(jī)輸出誤差電壓為0，此時(shí)方位極性與正鏡對(duì)塔時(shí)相反，記錄此時(shí)俯仰大地系角度數(shù)據(jù)[Ed；]

（4） 計(jì)算公式如下：

[ΔEg=-12Ez-Ed+180°+ETD] （4）

3.8 動(dòng)態(tài)滯后修正

動(dòng)態(tài)滯后誤差是在自跟蹤狀態(tài)下由于伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性不夠引起，通常遙感數(shù)據(jù)接收天線(xiàn)系統(tǒng)需要提供一定精度的測(cè)角數(shù)據(jù)，對(duì)高仰角衛(wèi)星，動(dòng)態(tài)滯后誤差是較大的誤差項(xiàng)，通過(guò)對(duì)實(shí)際跟蹤測(cè)量系角度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)滯后修正并平滑處理后再進(jìn)行坐標(biāo)變換上報(bào)。

4 工程應(yīng)用結(jié)果分析

在某12 m S/X雙頻段三軸天線(xiàn)系統(tǒng)上經(jīng)過(guò)常規(guī)標(biāo)校、同步星標(biāo)校、跟蹤太陽(yáng)角度標(biāo)校后，其全空域指向精度能夠滿(mǎn)足X頻段直接捕獲要求，修正后的測(cè)角精度也有了明顯的提高。

例：2012年12月21日實(shí)際跟蹤TERA衛(wèi)星，天線(xiàn)最大跟蹤仰角為73°，沒(méi)有進(jìn)行修正的方位角度誤差曲線(xiàn)如圖2，圖3所示，最大值有0.35°，超出了天線(xiàn)的波束寬度。經(jīng)過(guò)修正后的角度誤差如圖4，圖5所示，其角度誤差達(dá)到了0.01°以?xún)?nèi)。

圖2 沒(méi)有進(jìn)行修正的方位測(cè)角誤差曲線(xiàn)

圖3 沒(méi)有進(jìn)行修正的俯仰測(cè)角誤差曲線(xiàn)

對(duì)系統(tǒng)經(jīng)誤差修正后，進(jìn)行了40多圈次多顆低軌衛(wèi)星跟蹤驗(yàn)證，在沒(méi)有進(jìn)行指向修正時(shí)，天線(xiàn)程序跟蹤誤差較大，無(wú)法全程有效接收數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)修正后，可實(shí)現(xiàn)程序跟蹤有效接收數(shù)據(jù)。

圖4 經(jīng)過(guò)修正后的方位測(cè)角誤差曲線(xiàn)

圖5 經(jīng)過(guò)修正后的俯仰測(cè)角誤差曲線(xiàn)

5 結(jié) 論

本文根據(jù)方位?俯仰+斜轉(zhuǎn)臺(tái)三軸天線(xiàn)的工作原理、誤差項(xiàng)特點(diǎn)，完善了以往三軸天線(xiàn)標(biāo)校方法的不足，提出了三軸天線(xiàn)誤差修正模型及標(biāo)校方法，并在實(shí)際工程中得到了應(yīng)用，取得了良好的效果，對(duì)斜轉(zhuǎn)臺(tái)三軸天線(xiàn)角度標(biāo)校及誤差修正具有借鑒及指導(dǎo)意義。

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[5] 王萬(wàn)玉，張寶全，陳剛.俯仰/方位座架軸系誤差分析及標(biāo)校[C]//中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間探測(cè)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)第十九次學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（下冊(cè)）.北京：中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間探測(cè)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，2006：150?153.

[6] 李娜，魏帥.901H天線(xiàn)構(gòu)成與角度標(biāo)校[J].黑龍江氣象，2011（3）：29?30.

角度零值也可以采用太陽(yáng)跟蹤標(biāo)定和同步衛(wèi)星標(biāo)定的方法實(shí)現(xiàn)，采用幾種方法相結(jié)合綜合標(biāo)定的方法相互驗(yàn)證，再經(jīng)實(shí)際衛(wèi)星跟蹤檢驗(yàn)。

3.6 角定向靈敏度標(biāo)定

跟蹤接收機(jī)的定向靈敏度、交叉耦合、誤差帶寬等指標(biāo)，直接影響天線(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的跟蹤性能。定向靈敏度需經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確的標(biāo)定，才能通過(guò)記錄的跟蹤接收機(jī)誤差電壓對(duì)動(dòng)態(tài)滯后進(jìn)行修正。

跟蹤接收機(jī)輸出誤差電壓按要求一般為：

X波段：800 mV/mil；S波段：500 mV/mil；交叉耦合滿(mǎn)足：≤[15]。

跟蹤接收機(jī)的定向靈敏度一般是在中等電平情況下對(duì)信標(biāo)喇叭天線(xiàn)方位、俯仰分別偏開(kāi)零點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整標(biāo)定，使其符合要求。應(yīng)用時(shí)，伺服系統(tǒng)環(huán)路參數(shù)按實(shí)際的定向靈敏度進(jìn)行歸一化處理。

3.7 重力下垂標(biāo)定

天線(xiàn)在重力作用下會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形，包括主反射體變形、饋源位移、天線(xiàn)副反射面位移等，這些結(jié)構(gòu)變形都會(huì)產(chǎn)生電軸偏移，在俯仰上引起測(cè)角誤差。對(duì)大口徑窄波束天線(xiàn)，如12 m X頻段，波束寬度只有0.2°，由于重力下垂誤差的影響，會(huì)帶來(lái)天線(xiàn)在高、低仰角指向造成偏差，輸出的測(cè)角數(shù)據(jù)也包含重力下垂誤差。

重力下垂誤差可采用常規(guī)的正倒鏡跟蹤方法解算，或跟蹤高精度星歷的低軌衛(wèi)星、跟蹤太陽(yáng)對(duì)低仰角、高仰角測(cè)量數(shù)據(jù)與預(yù)報(bào)值進(jìn)行比對(duì)解算。

重力下垂標(biāo)定可以采用正倒鏡自跟蹤的方法進(jìn)行。步驟如下：

（1） 標(biāo)校塔信標(biāo)喇叭對(duì)天線(xiàn)三軸中心大地測(cè)量值俯仰角為[ETD；]

（2） 天線(xiàn)測(cè)量系方位[Az測(cè)量=]0°，轉(zhuǎn)動(dòng)天線(xiàn)第三軸和俯仰軸使天線(xiàn)電軸對(duì)準(zhǔn)標(biāo)校塔信標(biāo)喇叭，第三軸待機(jī)，從頻譜儀上檢測(cè)此時(shí)信號(hào)電平最大，跟蹤接收機(jī)輸出誤差電壓為0。記錄此時(shí)天線(xiàn)大地系俯仰角度[Ez；]

（3） 天線(xiàn)第三軸不動(dòng)，方位轉(zhuǎn)動(dòng)180°，俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)到約180-[Ez]位置，調(diào)整天線(xiàn)方位及俯仰軸使天線(xiàn)電軸對(duì)準(zhǔn)標(biāo)校塔信標(biāo)喇叭，從頻譜儀上檢測(cè)此時(shí)信號(hào)電平最大，跟蹤接收機(jī)輸出誤差電壓為0，此時(shí)方位極性與正鏡對(duì)塔時(shí)相反，記錄此時(shí)俯仰大地系角度數(shù)據(jù)[Ed；]

（4） 計(jì)算公式如下：

[ΔEg=-12Ez-Ed+180°+ETD] （4）

3.8 動(dòng)態(tài)滯后修正

動(dòng)態(tài)滯后誤差是在自跟蹤狀態(tài)下由于伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性不夠引起，通常遙感數(shù)據(jù)接收天線(xiàn)系統(tǒng)需要提供一定精度的測(cè)角數(shù)據(jù)，對(duì)高仰角衛(wèi)星，動(dòng)態(tài)滯后誤差是較大的誤差項(xiàng)，通過(guò)對(duì)實(shí)際跟蹤測(cè)量系角度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)滯后修正并平滑處理后再進(jìn)行坐標(biāo)變換上報(bào)。

4 工程應(yīng)用結(jié)果分析

在某12 m S/X雙頻段三軸天線(xiàn)系統(tǒng)上經(jīng)過(guò)常規(guī)標(biāo)校、同步星標(biāo)校、跟蹤太陽(yáng)角度標(biāo)校后，其全空域指向精度能夠滿(mǎn)足X頻段直接捕獲要求，修正后的測(cè)角精度也有了明顯的提高。

例：2012年12月21日實(shí)際跟蹤TERA衛(wèi)星，天線(xiàn)最大跟蹤仰角為73°，沒(méi)有進(jìn)行修正的方位角度誤差曲線(xiàn)如圖2，圖3所示，最大值有0.35°，超出了天線(xiàn)的波束寬度。經(jīng)過(guò)修正后的角度誤差如圖4，圖5所示，其角度誤差達(dá)到了0.01°以?xún)?nèi)。

圖2 沒(méi)有進(jìn)行修正的方位測(cè)角誤差曲線(xiàn)

圖3 沒(méi)有進(jìn)行修正的俯仰測(cè)角誤差曲線(xiàn)

對(duì)系統(tǒng)經(jīng)誤差修正后，進(jìn)行了40多圈次多顆低軌衛(wèi)星跟蹤驗(yàn)證，在沒(méi)有進(jìn)行指向修正時(shí)，天線(xiàn)程序跟蹤誤差較大，無(wú)法全程有效接收數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)修正后，可實(shí)現(xiàn)程序跟蹤有效接收數(shù)據(jù)。

圖4 經(jīng)過(guò)修正后的方位測(cè)角誤差曲線(xiàn)

圖5 經(jīng)過(guò)修正后的俯仰測(cè)角誤差曲線(xiàn)

5 結(jié) 論

本文根據(jù)方位?俯仰+斜轉(zhuǎn)臺(tái)三軸天線(xiàn)的工作原理、誤差項(xiàng)特點(diǎn)，完善了以往三軸天線(xiàn)標(biāo)校方法的不足，提出了三軸天線(xiàn)誤差修正模型及標(biāo)校方法，并在實(shí)際工程中得到了應(yīng)用，取得了良好的效果，對(duì)斜轉(zhuǎn)臺(tái)三軸天線(xiàn)角度標(biāo)校及誤差修正具有借鑒及指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 樓禹錫.雷達(dá)精度分析[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1979.

[2] 陳允芳，賈乃華.衛(wèi)星測(cè)控手冊(cè)[M].北京：科學(xué)出版社，1992.

[3] 仇芝.脈沖雷達(dá)衛(wèi)星標(biāo)定方法的一種工程實(shí)現(xiàn)研究[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)，2010（5）：31?33.

[4] 李連升.雷達(dá)伺服系統(tǒng)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1983.

[5] 王萬(wàn)玉，張寶全，陳剛.俯仰/方位座架軸系誤差分析及標(biāo)校[C]//中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間探測(cè)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)第十九次學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（下冊(cè)）.北京：中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間探測(cè)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，2006：150?153.

[6] 李娜，魏帥.901H天線(xiàn)構(gòu)成與角度標(biāo)校[J].黑龍江氣象，2011（3）：29?30.

角度零值也可以采用太陽(yáng)跟蹤標(biāo)定和同步衛(wèi)星標(biāo)定的方法實(shí)現(xiàn)，采用幾種方法相結(jié)合綜合標(biāo)定的方法相互驗(yàn)證，再經(jīng)實(shí)際衛(wèi)星跟蹤檢驗(yàn)。

3.6 角定向靈敏度標(biāo)定

跟蹤接收機(jī)的定向靈敏度、交叉耦合、誤差帶寬等指標(biāo)，直接影響天線(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的跟蹤性能。定向靈敏度需經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確的標(biāo)定，才能通過(guò)記錄的跟蹤接收機(jī)誤差電壓對(duì)動(dòng)態(tài)滯后進(jìn)行修正。

跟蹤接收機(jī)輸出誤差電壓按要求一般為：

X波段：800 mV/mil；S波段：500 mV/mil；交叉耦合滿(mǎn)足：≤[15]。

跟蹤接收機(jī)的定向靈敏度一般是在中等電平情況下對(duì)信標(biāo)喇叭天線(xiàn)方位、俯仰分別偏開(kāi)零點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整標(biāo)定，使其符合要求。應(yīng)用時(shí)，伺服系統(tǒng)環(huán)路參數(shù)按實(shí)際的定向靈敏度進(jìn)行歸一化處理。

3.7 重力下垂標(biāo)定

天線(xiàn)在重力作用下會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形，包括主反射體變形、饋源位移、天線(xiàn)副反射面位移等，這些結(jié)構(gòu)變形都會(huì)產(chǎn)生電軸偏移，在俯仰上引起測(cè)角誤差。對(duì)大口徑窄波束天線(xiàn)，如12 m X頻段，波束寬度只有0.2°，由于重力下垂誤差的影響，會(huì)帶來(lái)天線(xiàn)在高、低仰角指向造成偏差，輸出的測(cè)角數(shù)據(jù)也包含重力下垂誤差。

重力下垂誤差可采用常規(guī)的正倒鏡跟蹤方法解算，或跟蹤高精度星歷的低軌衛(wèi)星、跟蹤太陽(yáng)對(duì)低仰角、高仰角測(cè)量數(shù)據(jù)與預(yù)報(bào)值進(jìn)行比對(duì)解算。

重力下垂標(biāo)定可以采用正倒鏡自跟蹤的方法進(jìn)行。步驟如下：

（1） 標(biāo)校塔信標(biāo)喇叭對(duì)天線(xiàn)三軸中心大地測(cè)量值俯仰角為[ETD；]

（2） 天線(xiàn)測(cè)量系方位[Az測(cè)量=]0°，轉(zhuǎn)動(dòng)天線(xiàn)第三軸和俯仰軸使天線(xiàn)電軸對(duì)準(zhǔn)標(biāo)校塔信標(biāo)喇叭，第三軸待機(jī)，從頻譜儀上檢測(cè)此時(shí)信號(hào)電平最大，跟蹤接收機(jī)輸出誤差電壓為0。記錄此時(shí)天線(xiàn)大地系俯仰角度[Ez；]

（3） 天線(xiàn)第三軸不動(dòng)，方位轉(zhuǎn)動(dòng)180°，俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)到約180-[Ez]位置，調(diào)整天線(xiàn)方位及俯仰軸使天線(xiàn)電軸對(duì)準(zhǔn)標(biāo)校塔信標(biāo)喇叭，從頻譜儀上檢測(cè)此時(shí)信號(hào)電平最大，跟蹤接收機(jī)輸出誤差電壓為0，此時(shí)方位極性與正鏡對(duì)塔時(shí)相反，記錄此時(shí)俯仰大地系角度數(shù)據(jù)[Ed；]

（4） 計(jì)算公式如下：

[ΔEg=-12Ez-Ed+180°+ETD] （4）

3.8 動(dòng)態(tài)滯后修正

動(dòng)態(tài)滯后誤差是在自跟蹤狀態(tài)下由于伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性不夠引起，通常遙感數(shù)據(jù)接收天線(xiàn)系統(tǒng)需要提供一定精度的測(cè)角數(shù)據(jù)，對(duì)高仰角衛(wèi)星，動(dòng)態(tài)滯后誤差是較大的誤差項(xiàng)，通過(guò)對(duì)實(shí)際跟蹤測(cè)量系角度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)滯后修正并平滑處理后再進(jìn)行坐標(biāo)變換上報(bào)。

4 工程應(yīng)用結(jié)果分析

在某12 m S/X雙頻段三軸天線(xiàn)系統(tǒng)上經(jīng)過(guò)常規(guī)標(biāo)校、同步星標(biāo)校、跟蹤太陽(yáng)角度標(biāo)校后，其全空域指向精度能夠滿(mǎn)足X頻段直接捕獲要求，修正后的測(cè)角精度也有了明顯的提高。

例：2012年12月21日實(shí)際跟蹤TERA衛(wèi)星，天線(xiàn)最大跟蹤仰角為73°，沒(méi)有進(jìn)行修正的方位角度誤差曲線(xiàn)如圖2，圖3所示，最大值有0.35°，超出了天線(xiàn)的波束寬度。經(jīng)過(guò)修正后的角度誤差如圖4，圖5所示，其角度誤差達(dá)到了0.01°以?xún)?nèi)。

圖2 沒(méi)有進(jìn)行修正的方位測(cè)角誤差曲線(xiàn)

圖3 沒(méi)有進(jìn)行修正的俯仰測(cè)角誤差曲線(xiàn)

對(duì)系統(tǒng)經(jīng)誤差修正后，進(jìn)行了40多圈次多顆低軌衛(wèi)星跟蹤驗(yàn)證，在沒(méi)有進(jìn)行指向修正時(shí)，天線(xiàn)程序跟蹤誤差較大，無(wú)法全程有效接收數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)修正后，可實(shí)現(xiàn)程序跟蹤有效接收數(shù)據(jù)。

圖4 經(jīng)過(guò)修正后的方位測(cè)角誤差曲線(xiàn)

圖5 經(jīng)過(guò)修正后的俯仰測(cè)角誤差曲線(xiàn)

5 結(jié) 論

本文根據(jù)方位?俯仰+斜轉(zhuǎn)臺(tái)三軸天線(xiàn)的工作原理、誤差項(xiàng)特點(diǎn)，完善了以往三軸天線(xiàn)標(biāo)校方法的不足，提出了三軸天線(xiàn)誤差修正模型及標(biāo)校方法，并在實(shí)際工程中得到了應(yīng)用，取得了良好的效果，對(duì)斜轉(zhuǎn)臺(tái)三軸天線(xiàn)角度標(biāo)校及誤差修正具有借鑒及指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 樓禹錫.雷達(dá)精度分析[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1979.

[2] 陳允芳，賈乃華.衛(wèi)星測(cè)控手冊(cè)[M].北京：科學(xué)出版社，1992.

[3] 仇芝.脈沖雷達(dá)衛(wèi)星標(biāo)定方法的一種工程實(shí)現(xiàn)研究[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)，2010（5）：31?33.

[4] 李連升.雷達(dá)伺服系統(tǒng)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1983.

[5] 王萬(wàn)玉，張寶全，陳剛.俯仰/方位座架軸系誤差分析及標(biāo)校[C]//中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間探測(cè)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)第十九次學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（下冊(cè)）.北京：中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間探測(cè)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，2006：150?153.

[6] 李娜，魏帥.901H天線(xiàn)構(gòu)成與角度標(biāo)校[J].黑龍江氣象，2011（3）：29?30.