三軸天線(xiàn)角度零值標(biāo)校方法

摘 要：三軸天線(xiàn)是低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站最常用的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)三軸天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文詳細(xì)介紹了有標(biāo)校塔和沒(méi)有標(biāo)校塔兩種情況下，三軸天線(xiàn)角度零值標(biāo)校的方法與步驟，為工程實(shí)踐提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：三軸天線(xiàn)；角度零值；天線(xiàn)標(biāo)校

中圖分類(lèi)號(hào)：TN830 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）33-0307-02

1 引 言

三軸天線(xiàn)是低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站最常用的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)形式，角度零值標(biāo)定的精度對(duì)于可靠捕獲衛(wèi)星至關(guān)重要。但在安裝現(xiàn)場(chǎng)，要準(zhǔn)確標(biāo)定三軸天線(xiàn)的角度零值有一定的技術(shù)難度，其根本原因是由于傾斜軸的存在，天線(xiàn)方位零值很難標(biāo)定。特別是安裝現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有標(biāo)校塔時(shí)，天線(xiàn)角度零值標(biāo)定就更加困難。下面分別給出在有標(biāo)校塔和沒(méi)有標(biāo)校塔兩種情況下，三軸天線(xiàn)角度零值標(biāo)校的解決方案。

2 極坐標(biāo)系的定義

三軸天線(xiàn)具有多種結(jié)構(gòu)形式，本文所說(shuō)的三軸天線(xiàn)特指傾斜軸可以在360°范圍內(nèi)任意轉(zhuǎn)動(dòng)的方位俯仰型天線(xiàn)。假設(shè)傾斜軸的傾角是θ，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，在地平極坐標(biāo)系的角位置用Az、El示。各個(gè)角坐標(biāo)的定義如圖1所示。

測(cè)量系方位角Ac：定義為天線(xiàn)電軸在斜轉(zhuǎn)臺(tái)平面的投影與斜轉(zhuǎn)臺(tái)高低點(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)在水平面投影與真北方向之間的夾角，順時(shí)針為正；

大地系方位角Az：定義為天線(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；

根據(jù)大地極坐標(biāo)系和測(cè)量系極坐標(biāo)系的定義，測(cè)量坐標(biāo)系通過(guò)兩次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)就與大地坐標(biāo)系重合，其相互關(guān)系可用式（1）表示的數(shù)學(xué)模型表示。

由式（2）可以得到：

sin El=sinθcosEc cosAc+cosθsinEc（2）

3 借助標(biāo)校塔標(biāo)定三軸天線(xiàn)角度零值

三軸天線(xiàn)角度零值現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定的前提條件是出廠前對(duì)斜轉(zhuǎn)臺(tái)的傾斜角θ要事先測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)安裝后對(duì)方位、俯仰軸的光學(xué)零值要初步標(biāo)定，然后，按照如下步驟標(biāo)定角度零值。

（1）驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)方位到方位光學(xué)零位位置，方位角度標(biāo)定為零；

（2）保持天線(xiàn)方位在零位置不動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)天線(xiàn)俯仰軸和傾斜軸，對(duì)準(zhǔn)信標(biāo)；用天線(xiàn)方位軸、俯仰軸跟蹤信標(biāo)；

（3）保持方位、俯仰自跟蹤，微調(diào)傾斜軸，使方位角度輸出為零；記錄俯仰角度輸出Ecz；

（4）傾斜軸保持不動(dòng)，方位旋轉(zhuǎn)180°，俯仰旋轉(zhuǎn)160～190°（取決于信標(biāo)的高度），找到信標(biāo)，天線(xiàn)方位保持在180°，俯仰軸單軸自跟蹤信標(biāo)，記錄俯仰角度輸出Ecf；

（5）根據(jù)（3）（4）的測(cè)量結(jié)果，用正倒鏡標(biāo)定算法修正俯仰角度零值，修正量見(jiàn)式（3）；

（6）天線(xiàn)系統(tǒng)恢復(fù)正鏡方式工作，方位、俯仰自跟蹤，微調(diào)傾斜軸，使方位角度輸出為零，記錄此時(shí)信標(biāo)的大地仰角E；

（7）保持方位、俯仰自跟蹤，轉(zhuǎn)動(dòng)傾斜軸，使方位角度輸出為某一角度值，例如5°。讀測(cè)量系的角度值A(chǔ)c、Ec，按式（2）計(jì)算信標(biāo)的大地仰角El（一般情況下，天線(xiàn)控制單元已經(jīng)計(jì)算好，并顯示在窗口上）。根據(jù)式（4）計(jì)算出方位零值的偏差量ΔAc并修正方位角度零值。也可以使方位在幾個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)量，得到幾個(gè)方位零值偏差量，求其平均值修正；

（8）驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)方位到達(dá)新的零點(diǎn)位置，重復(fù)（2）～（7）兩到三次，觀察E和El的差值滿(mǎn)足精度要求時(shí)，天線(xiàn)方位、俯仰軸的零值標(biāo)定就完成了；

（9）用方位軸、俯仰軸跟蹤信標(biāo)，緩慢調(diào)整傾斜軸位置，使方位編碼器輸出為零，查閱標(biāo)校塔的大地方位角Az，用Az修正傾斜軸的角度零值。

4 利用太陽(yáng)標(biāo)定三軸天線(xiàn)角度零值

用于遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收的天線(xiàn)系統(tǒng)大都配置了S頻段跟蹤鏈路，當(dāng)安裝現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有標(biāo)校塔時(shí)，可以借助于太陽(yáng)軌道精確已知的特點(diǎn)，通過(guò)跟蹤太陽(yáng)實(shí)現(xiàn)角度零值的標(biāo)定。用太陽(yáng)標(biāo)定角度零值，比用標(biāo)校塔標(biāo)定要復(fù)雜一些。

（1）驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)方位位置到方位光學(xué)零位位置，方位角度標(biāo)定為零。

（2）保持天線(xiàn)方位在零位置不動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)天線(xiàn)俯仰軸和傾斜軸，對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，并用天線(xiàn)俯仰軸和方位軸跟蹤太陽(yáng)。

（3）俯仰軸、方位軸保持跟蹤太陽(yáng)，手動(dòng)微調(diào)傾斜軸，使方位角度輸出為零，查閱當(dāng)前時(shí)刻太陽(yáng)的仰角，標(biāo)定俯仰零值。測(cè)量系的俯仰角度El等于當(dāng)前時(shí)刻太陽(yáng)的仰角減去斜轉(zhuǎn)臺(tái)的傾斜角（也可以用正倒鏡的方法標(biāo)定俯仰角度零值，由于太陽(yáng)在不斷的移動(dòng)，俯仰角度零值修正量計(jì)算公式與式（3）稍有不同）。

（4）保持天線(xiàn)俯仰軸、方位軸跟蹤太陽(yáng)，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)傾斜軸，使天線(xiàn)方位角度輸出3°左右，讀測(cè)量系的角度置Ac、Ec，查閱當(dāng)前時(shí)刻太陽(yáng)的仰角E，由式（2）計(jì)算測(cè)量到的太陽(yáng)大地仰角El，并根據(jù)式（4）計(jì)算出方位零值的偏差量。繼續(xù)調(diào)整傾斜軸，使天線(xiàn)方位輸出分別為5°、10°，讀相應(yīng)時(shí)刻測(cè)量系的角度置Ac、Ec，按同樣的方法分別計(jì)算方位零值的偏差量。計(jì)算三個(gè)方位零值偏差量的平均值進(jìn)行方位零值的修正。

（5）驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)方位到達(dá)新的零點(diǎn)位置，重復(fù)（2）、（3）、（4）兩到三次，觀察E和El的差值滿(mǎn)足精度要求時(shí)，天線(xiàn)方位、俯仰軸的零值標(biāo)定就完成了。

（6）保持方位軸、俯仰軸跟蹤太陽(yáng)，緩慢調(diào)整傾斜軸位置，使方位編碼器輸出為零，查閱當(dāng)前時(shí)刻太陽(yáng)的方位位置Az和俯仰位置El，用Az修正傾斜軸角度零值，用El校核俯仰角度零值。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章中介紹的角度零值標(biāo)定方法在某三軸天線(xiàn)安裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用，標(biāo)校效率很高，大約在1h左右就可以完成，效果良好。借助標(biāo)校塔標(biāo)定三軸天線(xiàn)角度零值時(shí)，無(wú)法檢驗(yàn)傾斜軸傾角θ的準(zhǔn)確性，但利用太陽(yáng)標(biāo)定三軸天線(xiàn)角度零值時(shí)，如果需要，可以進(jìn)一步檢驗(yàn)傾斜軸傾角θ的準(zhǔn)確性。表1是一組利用太陽(yáng)循環(huán)兩次標(biāo)定三軸天線(xiàn)角度零值后，跟蹤太陽(yáng)的數(shù)據(jù)記錄。由此可以算出用文中給出的方法標(biāo)定后的指向精度是0.006°，這樣的精度對(duì)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站足夠用了。如果天線(xiàn)控制單元軟件配置了俯仰軸和傾斜軸的跟蹤模式，利用太陽(yáng)標(biāo)校角度零值操作起來(lái)會(huì)更方便一些。

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收稿日期：2018-10-9

作者簡(jiǎn)介：潘 蒨（1973-），女，碩士，畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所測(cè)控事業(yè)部高工，從事雷達(dá)系統(tǒng)及伺服控制工作。