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

關(guān)鍵詞：三軸天線；角度零值；天線標(biāo)校

中圖分類號：TN830 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）33-0307-02

1 引 言

三軸天線是低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站最常用的天線結(jié)構(gòu)形式，角度零值標(biāo)定的精度對于可靠捕獲衛(wèi)星至關(guān)重要。但在安裝現(xiàn)場，要準(zhǔn)確標(biāo)定三軸天線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，天線方位零值很難標(biāo)定。特別是安裝現(xiàn)場沒有標(biāo)校塔時，天線角度零值標(biāo)定就更加困難。下面分別給出在有標(biāo)校塔和沒有標(biāo)校塔兩種情況下，三軸天線角度零值標(biāo)校的解決方案。

2 極坐標(biāo)系的定義

三軸天線具有多種結(jié)構(gòu)形式，本文所說的三軸天線特指傾斜軸可以在360°范圍內(nèi)任意轉(zhuǎn)動的方位俯仰型天線。假設(shè)傾斜軸的傾角是θ，目標(biāo)在天線測量坐標(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。各個角坐標(biāo)的定義如圖1所示。

測量系方位角Ac：定義為天線電軸在斜轉(zhuǎn)臺平面的投影與斜轉(zhuǎn)臺高低點連線之間的夾角，順時針為正；

測量系俯仰角Ec：定義為天線電軸與斜轉(zhuǎn)臺平面之間的夾角，向上為正；

傾斜軸方位角Tc：定義為斜轉(zhuǎn)臺高低兩點連線在水平面投影與真北方向之間的夾角，順時針為正；

大地系方位角Az：定義為天線電軸在大地水平面投影與真北方向之間的夾角，順時針為正；

大地系俯仰角El：定義為天線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)系和測量系極坐標(biāo)系的定義，測量坐標(biāo)系通過兩次坐標(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)定三軸天線角度零值

三軸天線角度零值現(xiàn)場標(biāo)定的前提條件是出廠前對斜轉(zhuǎn)臺的傾斜角θ要事先測量，現(xiàn)場安裝后對方位、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)動天線方位到方位光學(xué)零位位置，方位角度標(biāo)定為零；

（2）保持天線方位在零位置不動，轉(zhuǎn)動天線俯仰軸和傾斜軸，對準(zhǔn)信標(biāo)；用天線方位軸、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，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，修正量見式（3）；

（6）天線系統(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，記錄此時信標(biāo)的大地仰角E；

（7）保持方位、俯仰自跟蹤，轉(zhuǎn)動傾斜軸，使方位角度輸出為某一角度值，例如5°。讀測量系的角度值A(chǔ)c、Ec，按式（2）計算信標(biāo)的大地仰角El（一般情況下，天線控制單元已經(jīng)計算好，并顯示在窗口上）。根據(jù)式（4）計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不同位置進(jìn)行測量，得到幾個方位零值偏差量，求其平均值修正；

（8）驅(qū)動天線方位到達(dá)新的零點位置，重復(fù)（2）～（7）兩到三次，觀察E和El的差值滿足精度要求時，天線方位、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 利用太陽標(biāo)定三軸天線角度零值

用于遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收的天線系統(tǒng)大都配置了S頻段跟蹤鏈路，當(dāng)安裝現(xiàn)場沒有標(biāo)校塔時，可以借助于太陽軌道精確已知的特點，通過跟蹤太陽實現(xiàn)角度零值的標(biāo)定。用太陽標(biāo)定角度零值，比用標(biāo)校塔標(biāo)定要復(fù)雜一些。

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

（2）保持天線方位在零位置不動，轉(zhuǎn)動天線俯仰軸和傾斜軸，對準(zhǔn)太陽，并用天線俯仰軸和方位軸跟蹤太陽。

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

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

（5）驅(qū)動天線方位到達(dá)新的零點位置，重復(fù)（2）、（3）、（4）兩到三次，觀察E和El的差值滿足精度要求時，天線方位、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，緩慢調(diào)整傾斜軸位置，使方位編碼器輸出為零，查閱當(dāng)前時刻太陽的方位位置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

文章中介紹的角度零值標(biāo)定方法在某三軸天線安裝現(xiàn)場進(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)定三軸天線角度零值時，無法檢驗傾斜軸傾角θ的準(zhǔn)確性，但利用太陽標(biāo)定三軸天線角度零值時，如果需要，可以進(jìn)一步檢驗傾斜軸傾角θ的準(zhǔn)確性。表1是一組利用太陽循環(huán)兩次標(biāo)定三軸天線角度零值后，跟蹤太陽的數(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°，這樣的精度對遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站足夠用了。如果天線控制單元軟件配置了俯仰軸和傾斜軸的跟蹤模式，利用太陽標(biāo)校角度零值操作起來會更方便一些。

參考文獻(xiàn)

[1]郭 良，李華芳.衛(wèi)星通信手冊[M].人民郵電出版社，1991.

[2]劉嘉興.飛行器測控與信息傳輸技術(shù)[M].國防工業(yè)出版社，2011，10.

[3]樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].國防工業(yè)出版社，2016，7.

[4]張子旭.自動控制系統(tǒng)分析與設(shè)計[M].陜西：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1997，4.

[5]劉 浩，韓 晶.MATLABR2014a完全自學(xué)一本通[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015，1.

[6]凡國龍，張錄健.測控與通信，2017，41（156）：10～16.

[7]夏福娣.防空導(dǎo)彈制導(dǎo)雷達(dá)伺服系統(tǒng)[M].北京：宇航出版社，1996：266～275.

收稿日期：2018-10-9

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