王迎節(jié),楊社年,聶 磊,趙繼偉

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081;2.中國人民解放軍91039部隊,北京 102401)

0 引言

天線跟蹤和控制是衛(wèi)星通信地球站的重要組成部分,天線跟蹤和控制的準(zhǔn)確程度直接關(guān)系到通信質(zhì)量,而其準(zhǔn)確程度是靠嚴(yán)格的技術(shù)要求和適宜的測量方法來保證的。目前普遍采用的測試和計算方法是依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11299.15-1989《衛(wèi)星通信地球站無線電設(shè)備測量方法第三部分 分系統(tǒng)組合測量,第五節(jié)天線跟蹤和控制》。但是,標(biāo)準(zhǔn)中給出的定義和其測試計算方法在意義上不盡相同,值得商榷。

1 測量和計算方法

天線跟蹤精度的定義：衛(wèi)星通信地球站天線對衛(wèi)星實施自動跟蹤后,地球站天線波束中心軸(電軸)的指向與應(yīng)有的地球站天線波束中心指向之間的角度差。

指向精度定義：衛(wèi)星通信地球站天線波束中心軸(電軸)指向衛(wèi)星后,天線波束中心軸的指向(角度讀出設(shè)備指示值)與應(yīng)有的地球站天線波束中心指向之間的角度差。

跟蹤精度測量有光學(xué)經(jīng)緯儀法和電平跌落法2種,二者基本原理相同。下面以光學(xué)經(jīng)緯儀法為例進(jìn)行介紹。其測量步驟如下：

①天線控制系統(tǒng)以手動工作方式將天線對準(zhǔn)衛(wèi)星,使接收電平指示裝置所指示的信號(或?qū)ьl信號)為最大?；蛘哂米愿櫡绞礁櫺l(wèi)星使接收信標(biāo)信號(或?qū)ьl信號)為最大。此時認(rèn)為天線波束中心已對準(zhǔn)衛(wèi)星;

②將光學(xué)經(jīng)緯儀對準(zhǔn)遠(yuǎn)方光學(xué)目標(biāo),使光學(xué)固定目標(biāo)處于光學(xué)經(jīng)緯儀十字中心,讀出并記下光學(xué)經(jīng)緯儀的方位角(或仰角)的讀數(shù)X0i;

④重復(fù)上述步驟n次得到一組偏差角ΔXi數(shù)據(jù);

⑤用式(1)求出天線的方位跟蹤精度或仰角跟蹤精度σTE。

2 精確度分析

根據(jù)天線跟蹤精度和天線指向精度的定義可以知道,所謂跟蹤精度,就是地球站天線對衛(wèi)星實施自動跟蹤后,地球站天線波束中心軸(電軸)相對于某一參照點的角度值和天線精確對準(zhǔn)衛(wèi)星或信號塔時波束中心軸(電軸)相對于某一參照點的角度值之差。值得注意的是,天線跟蹤精度是2個角度值的差值,這一點是討論的基礎(chǔ)。

如圖 1所示,天線電軸指向衛(wèi)星或信號塔與天線自動跟蹤后的電軸指向之間的夾角 θ就是自動跟蹤誤差,θ值越小跟蹤誤差越小θ值大則跟蹤誤差就大。由式(1)和式(2)計算出的 σTA和 σT與跟蹤精度定義不完全一致。σTA和 σT表征的是跟蹤的重復(fù)性或者說跟蹤的離散度,它只反映了跟蹤精度的一個方面。

圖1 天線跟蹤示意圖

θ表示的是天線跟蹤的系統(tǒng)誤差,系統(tǒng)誤差用來表征天線跟蹤的準(zhǔn)確度(目前大都稱正確度),系統(tǒng)誤差愈小表明天線跟蹤的精確度愈高。σT表示的是天線跟蹤的隨機誤差,隨機誤差用來表征天線跟蹤的精密度,在多次測量中,如果所得結(jié)果相當(dāng)一致,離散甚小,隨機誤差就小,那么其測量結(jié)果就可以說是相當(dāng)精密的,測量的精密度愈高,則表明測量的重復(fù)性愈高。天線跟蹤精度及精確度(目前大都稱準(zhǔn)確度)可用式(3)來表示。

通過以上分析可以看出,由式(1)計算出的σTA和由式(2)計算出的 σT只是測量精度及精確度的一部分,是天線跟蹤的精密度。

圖2以射擊為例來說明準(zhǔn)確度(正確度)、精密度、精確度即精度(準(zhǔn)確度)之間的關(guān)系。

4) 雖然紙地膜能夠完全降解，但是紙地膜加工過程中必然使用一些化學(xué)助劑以增強紙地膜的機械性能、降解性能和生物性能等，比如涂布助劑所使用的水溶性脂類、醇類、植物或動物油脂和人工合成纖維等，這些化學(xué)材料的生物降解性及其對土壤環(huán)境體系的影響有待于進(jìn)一步研究。

圖2 準(zhǔn)確度、精密度和精確度示意圖

圖2(a)靶上的著彈點既分散又偏離,這就是不精確即精度低,作為天線跟蹤精度的測量就是跟蹤既不準(zhǔn)確分散度又大,即跟蹤精度差;圖2(b)靶上的著彈點互相很靠近,但都偏在一邊,這就是精密度較好但不準(zhǔn)確。圖2(c)著彈點較分散,但就總體而言卻大致都圍繞靶心,那么這就是準(zhǔn)確但不精密。圖2(b)和圖2(c)著彈點都不精確,也就是說測量精確度都不高。圖2(d)著彈點互相很靠近,而且又都很接近靶心,既準(zhǔn)確分散度又好,表明精度高。

以上是從誤差理論來進(jìn)行分析的,用不確定度理論分析,按照國家計量技術(shù)規(guī)范JJF1059-1999《測量不確定度評定與表示》和國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB3756-1999《測量不確定度表示及評定》的規(guī)定,由式(1)計算出的 σTA和由式(2)計算出的 σTE,只是測量結(jié)果θ的A類測量不確定度分量。

3 改進(jìn)的測量和計算方法

3.1 改進(jìn)的測量和計算方法

為了敘述方便,假定天線控制系統(tǒng)的角度顯示裝置讀數(shù)精度足夠準(zhǔn)確,經(jīng)光學(xué)經(jīng)緯儀精確校準(zhǔn)。建議改進(jìn)的測量及計算方法如下：

①以手動工作方式將天線對準(zhǔn)目標(biāo)(衛(wèi)星或信號塔),使接收電平指示裝置所指示信號為最大;

②讀取天線控制系統(tǒng)角度顯示裝置的方位角(或仰角)讀數(shù)X0;

③用手控方式將天線方位(或仰角)隨機向左(上)或向右(下)偏離某一角度(該角度應(yīng)小于天線控制系統(tǒng)的截獲范圍),然后將天線控制系統(tǒng)置于自動跟蹤狀態(tài),天線對衛(wèi)星目標(biāo)實施自動跟蹤。當(dāng)天線控制系統(tǒng)的跟蹤進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后,在天線控制系統(tǒng)角度顯示裝置上讀出并記下方位角(或仰角)讀數(shù)Xi;

④在較短時間內(nèi)(若指向目標(biāo)為衛(wèi)星,則在該時間內(nèi)衛(wèi)星漂移引起的誤差可以忽略)重復(fù)步驟③n次得到一組Xi數(shù)據(jù);

⑤用式(4)求出天線的方位跟蹤準(zhǔn)確度或仰角跟蹤準(zhǔn)確度：

則天線跟蹤準(zhǔn)確度為：

實際測量時,如果天線控制系統(tǒng)角度顯示裝置精度不能滿足測試要求,應(yīng)采用光學(xué)經(jīng)緯儀或電子經(jīng)緯儀進(jìn)行測量。直接用經(jīng)緯儀測量出地球站天線對衛(wèi)星實施自動跟蹤后,地球站天線波束中心軸(電軸)指向的角度值和天線精確對準(zhǔn)衛(wèi)星或信號塔時波束中心軸(電軸)指向的角度值的差值Δ Xi=Xi-X0i,進(jìn)行n次測量得到一組ΔXi數(shù)據(jù),則天線的方位跟蹤精度或仰角跟蹤準(zhǔn)確度可用式(6)求出。

用式(5)得出天線跟蹤準(zhǔn)確度。

用式(7)求出天線方位跟蹤準(zhǔn)確度或仰角跟蹤準(zhǔn)確度的測量值Δ的標(biāo)準(zhǔn)差。

3.2 不確定度分析

當(dāng)用經(jīng)緯儀進(jìn)行測量時,不確定度的主要來源為測量標(biāo)準(zhǔn)差,其他因素可以忽略不計。則式(7)可求出天線方位跟蹤準(zhǔn)確度或仰角跟蹤準(zhǔn)確度的測量不確定度 uTA和 uTE。

天線跟蹤準(zhǔn)確度的測量不確定度為：

取包含因子k=2,則擴展不確定度為：U=2u。

測試結(jié)果應(yīng)按JJF1059-1999《測量不確定度評定與表示》第8章“測量不確定度的報告與表示”或GJB3756-1999《測量不確定度表示及評定》的5.7條“測量結(jié)果的最終表達(dá)形式”規(guī)定的方法表示。

4 結(jié)束語

目前天線跟蹤精度通用的測量方法已經(jīng)沿用多年,在衛(wèi)星通信地球站天線跟蹤測試中起到了積極的作用。隨著衛(wèi)星通信的不斷發(fā)展,需要在測量領(lǐng)域不斷地去探索,去研究。

[1]GB/T11299.15-1989衛(wèi)星通信地球站無線電設(shè)備測量方法第三部分分系統(tǒng)組合測量第五節(jié)天線跟蹤和控制[S].

[2]JJF1059-1999測量不確定度評定與表示[S].

[3]GJB3756-1999測量不確定度表示及評定[S].

[4]銀秋華,周志華,杜彪.縱槽波紋喇叭的模式算法[J].無線電工程,2006,36(1)：42-44.