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,本文詳細介紹了有標校塔和沒有標校塔兩種情況下,三軸天線角度零值標校的方法與步驟,為工程實踐提供理論依據(jù)。
關鍵詞:三軸天線;角度零值;天線標校
中圖分類號:TN830 文獻標識碼: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,角度零值標定的精度對于可靠捕獲衛(wèi)星至關重要。但在安裝現(xiàn)場,要準確標定三軸天線的角度零值有一定的技術難度,其根本原因是由于傾斜軸的存在,天線方位零值很難標定。特別是安裝現(xiàn)場沒有標校塔時,天線角度零值標定就更加困難。下面分別給出在有標校塔和沒有標校塔兩種情況下,三軸天線角度零值標校的解決方案。
2 極坐標系的定義
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。假設傾斜軸的傾角是θ,目標在天線測量坐標系內(nèi)的角位置用Ac、Ec、Tc表示,在地平極坐標系的角位置用Az、El示。各個角坐標的定義如圖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)大地極坐標系和測量系極坐標系的定義,測量坐標系通過兩次坐標旋轉(zhuǎn)就與大地坐標系重合,其相互關系可用式(1)表示的數(shù)學模型表示。
由式(2)可以得到:
sin El=sinθcosEc cosAc+cosθsinEc(2)
3 借助標校塔標定三軸天線角度零值
三軸天線角度零值現(xiàn)場標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、俯仰軸的光學零值要初步標定,然后,按照如下步驟標定角度零值。
(1)驅(qū)動天線方位到方位光學零位位置,方位角度標定為零;
(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,對準信標;用天線方位軸、俯仰軸跟蹤信標;
(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°(取決于信標的高度),找到信標,天線方位保持在180°,俯仰軸單軸自跟蹤信標,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Ac、Ec,按式(2)計算信標的大地仰角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)動天線方位到達新的零點位置,重復(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、俯仰軸的零值標定就完成了;
(9)用方位軸、俯仰軸跟蹤信標,緩慢調(diào)整傾斜軸位置,使方位編碼器輸出為零,查閱標校塔的大地方位角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,當安裝現(xiàn)場沒有標校塔時,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)角度零值的標定。用太陽標定角度零值,比用標校塔標定要復雜一些。
(1)驅(qū)動天線方位位置到方位光學零位位置,方位角度標定為零。
(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,查閱當前時刻太陽的仰角,標定俯仰零值。測量系的俯仰角度El等于當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行方位零值的修正。
(5)驅(qū)動天線方位到達新的零點位置,重復(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定方法在某三軸天線安裝現(xiàn)場進行了應用,標校效率很高,大約在1h左右就可以完成,效果良好。借助標校塔標定三軸天線角度零值時,無法檢驗傾斜軸傾角θ的準確性,但利用太陽標定三軸天線角度零值時,如果需要,可以進一步檢驗傾斜軸傾角θ的準確性。表1是一組利用太陽循環(huán)兩次標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,利用太陽標校角度零值操作起來會更方便一些。
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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,中國電子科技集團公司第三十九研究所測控事業(yè)部高工,從事雷達系統(tǒng)及伺服控制工作。