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        用于GPS 天線相位中心檢測(cè)的時(shí)間同步自動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置*

        2021-03-23 09:24:26趙立軍李文一程昱博蘇國(guó)營(yíng)劉承宇史永明
        電子器件 2021年1期
        關(guān)鍵詞:齒輪天線軸承

        趙立軍,李文一,韓 勇,程昱博,蘇國(guó)營(yíng),劉承宇,史永明,劉 浩

        (1.中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心,天津300180;2.重慶大學(xué)—辛辛那提大學(xué)聯(lián)合學(xué)院,重慶400044)

        全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)觀測(cè)作為一種重要的大地測(cè)量手段,已被廣泛應(yīng)用于地球動(dòng)力學(xué)研究和高精度地殼形變監(jiān)測(cè)[1-2]。 在野外作業(yè)地震監(jiān)測(cè)中一般使用扼流圈天線接收衛(wèi)星信號(hào)[3],將微波天線的電氣中心稱為天線相位中心(Antenna Phase Center,APC),其理論設(shè)計(jì)應(yīng)與天線幾何中心(天線參考點(diǎn),Antenna Reference Point,ARP)一致,但由于機(jī)械誤差和電磁特性等的影響,天線相位中心和幾何中心會(huì)存在一定的偏差,稱為相位中心偏移(Phase Center Offset,PCO)[4-6],研究表明該偏差可達(dá)mm 級(jí)[7]。 因此為了提高觀測(cè)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性,必須對(duì)天線的相位中心偏移進(jìn)行檢測(cè)[8-10]。

        天線相位中心檢測(cè)一般使用旋轉(zhuǎn)天線法[11-12]:將被測(cè)天線與參考天線在室外組成超短基線,參考天線固定指北,被測(cè)天線分別指北和指南各觀測(cè)一個(gè)時(shí)段,通過(guò)兩時(shí)段北、東方向上的的超短基線向量差計(jì)算天線的相位中心偏移向量。 旋轉(zhuǎn)天線法方法簡(jiǎn)單、便于操作,通過(guò)將天線架設(shè)在測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)基座上實(shí)現(xiàn)天線的旋轉(zhuǎn),因此作為標(biāo)準(zhǔn)方法被廣泛使用[13-14]。 但對(duì)于高精度地殼形變監(jiān)測(cè),該方法檢測(cè)誤差較大:

        (1)測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)基座在旋轉(zhuǎn)和鎖緊的過(guò)程中存在可達(dá)mm 級(jí)的回轉(zhuǎn)誤差,影響相位中心檢測(cè)精度;

        (2)人工旋轉(zhuǎn)基座時(shí)天線的指向角度會(huì)存在較大誤差,影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性;

        (3)天線不同指向方向的觀測(cè)數(shù)據(jù)均處在不同時(shí)段內(nèi),兩組觀測(cè)數(shù)據(jù)中本身就存在較大的觀測(cè)誤差,不同時(shí)段的多路徑效應(yīng)也存在差異。 對(duì)于人工旋轉(zhuǎn)天線的傳統(tǒng)方法,該誤差無(wú)法降低。

        圖1 架于測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)基座上的扼流圈天線

        為解決上述問(wèn)題,提高GPS 天線相位中心檢測(cè)的精度,研制了一種時(shí)間同步自動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置。 本文將分別從機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、不確定度分析等方面對(duì)該裝置進(jìn)行介紹,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析其在GPS 天線相位中心檢測(cè)中的應(yīng)用效果。

        1 裝置介紹

        1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

        利用步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)支撐軸承設(shè)計(jì)了用于GPS 天線相位中心檢測(cè)的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置,以提高被測(cè)天線旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)精度和指向精度。 裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

        圖2 自動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置裝配圖

        支撐結(jié)構(gòu)底端設(shè)計(jì)為緊固凹槽,便于與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)繪基座的連接與鎖緊,借助基座自身的水準(zhǔn)器和腳螺旋實(shí)現(xiàn)裝置的整平,圓水準(zhǔn)器整平精度優(yōu)于8′/2 mm。

        回轉(zhuǎn)支撐軸承是裝置執(zhí)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的核心部件,其具有承載能力強(qiáng)、旋轉(zhuǎn)精度高、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。 選用P5 級(jí)高精度軸承,其最大徑向間隙為0.02 mm,內(nèi)圈跳動(dòng)精度(軸向和徑向)優(yōu)于2 μm,內(nèi)環(huán)旋轉(zhuǎn)精度(內(nèi)環(huán)徑向振擺的公差)優(yōu)于4 μm,為天線旋轉(zhuǎn)提供了歸心精度和穩(wěn)定性保證。

        軸承的外圈固定在支撐結(jié)構(gòu)上,軸承內(nèi)圈與從動(dòng)齒輪、GPS 連接桿同軸心相連接。 GPS 連接桿頂端為測(cè)繪儀器美制5/8″-11 標(biāo)準(zhǔn)螺紋接頭,以固定被測(cè)天線,其底部光軸與軸承內(nèi)圈的配合間隙小于0.02 mm,連接桿加工同軸度優(yōu)于0.01 mm。 GPS 連接桿與軸承內(nèi)圈共同組成被測(cè)天線的旋轉(zhuǎn)軸,可在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下隨從動(dòng)齒輪自由旋轉(zhuǎn)。

        步進(jìn)電機(jī)使用60 型步進(jìn)電機(jī),靜扭矩為3.0 Nm,步進(jìn)角1.8°,固定在支撐結(jié)構(gòu)上。 步進(jìn)電機(jī)下端同軸連接編碼器,對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行反饋,編碼器采用增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器,分辨率為1 000脈沖/轉(zhuǎn)(即0.36°)。

        步進(jìn)電機(jī)通過(guò)其轉(zhuǎn)軸上的齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)GPS 連接桿帶動(dòng)被測(cè)天線旋轉(zhuǎn)。 主動(dòng)齒輪采用15齒鍛鋼齒輪,從動(dòng)齒輪采用120 齒尼龍齒輪,可以有效降低或防止齒面磨損、輪齒嚙合過(guò)緊、齒輪熱變形等現(xiàn)象的發(fā)生,提高裝置使用壽命和穩(wěn)定性,同時(shí)使裝置承載能力滿足GPS 扼流圈天線(最大質(zhì)量為20 kg)的需求。

        1.2 控制系統(tǒng)

        控制系統(tǒng)以單片機(jī)控制器為核心,通過(guò)IO 口發(fā)送信號(hào)至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

        步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為2 細(xì)分模式,則電機(jī)的旋轉(zhuǎn)步進(jìn)角為0.9°,通過(guò)齒輪傳動(dòng)至GPS 天線的步進(jìn)角為0.112 5°,同時(shí)通過(guò)編碼器將電機(jī)的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度反饋至單片機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)角度的閉環(huán)控制,以達(dá)到相位中心檢測(cè)所需的旋轉(zhuǎn)角度精度。

        圖3 控制系統(tǒng)框圖

        使用者通過(guò)按鍵顯示模塊可對(duì)裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作,并實(shí)時(shí)觀察裝置運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)。 運(yùn)行參數(shù)主要包括旋轉(zhuǎn)的時(shí)間序列和角度序列。 同時(shí)裝置還設(shè)置了可與電腦通信的串行接口,并規(guī)定了通信協(xié)議,使用者也可以通過(guò)PC 端應(yīng)用程序?qū)ρb置運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,程序界面如圖4 所示。

        圖4 PC 端控制程序界面

        在相位中心檢測(cè)中,由于接收GPS 觀測(cè)數(shù)據(jù)需在天線固定(不旋轉(zhuǎn))時(shí)完成,為使接收GPS 數(shù)據(jù)與天線旋轉(zhuǎn)保持一定的時(shí)間間隔,使用GPS 授時(shí)芯片實(shí)現(xiàn)裝置與GPS 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)間同步,從而控制裝置旋轉(zhuǎn)的時(shí)間,避免旋轉(zhuǎn)對(duì)GPS 接收靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響。

        GPS 授時(shí)芯片選用GPS 授時(shí)模塊采用以MT3329 衛(wèi)星定位接收芯片為核心的小型接收機(jī)和天線,通電后自動(dòng)鎖定衛(wèi)星并接收GPS 信號(hào)。 其通過(guò)串行接口連續(xù)向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)更新頻率為10 Hz。 數(shù)據(jù)指令遵循NMEA-0183 標(biāo)準(zhǔn)格式,包括全球定位數(shù)據(jù)、大地坐標(biāo)信息、UTC 時(shí)間和日期等信息,其中時(shí)間精度為0.1 μm,檢測(cè)過(guò)程中GPS天線的旋轉(zhuǎn)以此時(shí)間為基準(zhǔn)。

        采用GPS 授時(shí)芯片后,天線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和GPS 衛(wèi)星信號(hào)采集時(shí)間將被分隔,可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)天線在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的高頻率周期性連續(xù)自動(dòng)旋轉(zhuǎn),使天線各指向方向的觀測(cè)數(shù)據(jù)均在同一時(shí)段內(nèi)得到,從而有效減小多路徑效應(yīng)等觀測(cè)誤差的影響,從方法上提高天線相位中心的檢測(cè)精度。

        2 裝置不確定度分析

        GPS 天線相位中心偏差分別以偏差向量在北、東兩個(gè)方向上的投影表示,本文僅對(duì)北方向的測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定,東方向與其相同。

        天線相位中心偏差的數(shù)學(xué)模型為:

        式中:Δd 為天線相位中心偏差;DN為天線指北觀測(cè)的超短基線向量在北方向上的投影;DS為天線指南觀測(cè)的超短基線向量在北方向上的投影。

        考慮不確定度的來(lái)源主要由GPS 觀測(cè)誤差、天線整平誤差、以及裝置回轉(zhuǎn)誤差。

        (1)GPS 觀測(cè)誤差

        對(duì)于GPS 觀測(cè)數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)中各天線指向的觀測(cè)均在同一時(shí)段完成,多路徑效應(yīng)、衛(wèi)星星歷、氣象條件均保持一致,因此只考慮GPS 接收機(jī)分辨力所引入的誤差,對(duì)于差分GPS 其水平方向最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.25 mm,故其標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為:

        (2)天線整平誤差

        對(duì)于8′/2 mm 精度的水準(zhǔn)器,其天線整平誤差一般為4′,則當(dāng)天線相位中心偏移為5 mm 時(shí),其引入的最大余弦誤差為

        Δ2=L(1-cosα)=5×(1-cos4′)≈0(mm)

        故引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

        u2=0(mm)

        (3)裝置回轉(zhuǎn)誤差

        綜合考慮軸承的各項(xiàng)誤差和GPS 連接桿與軸承的同軸偏差,天線旋轉(zhuǎn)的最大同軸誤差為0.056 mm,故其標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為:

        取包含因子k =2,系統(tǒng)擴(kuò)展不確定度U =0.30 mm。

        3 相位中心檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

        利用該裝置進(jìn)行了天線相位中心檢測(cè)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為單位樓頂GPS 觀測(cè)墩,觀測(cè)墩周圍無(wú)強(qiáng)電磁信號(hào)干擾,點(diǎn)位環(huán)視高度角15°以上應(yīng)無(wú)障礙物。參考儀器與被檢儀器均為Trimble 公司的NetR9 型GPS 接收機(jī),天線均為TRI59800 型扼流圈天線。 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5 所示。

        圖5 相位中心檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

        檢測(cè)過(guò)程中,自動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置安裝在測(cè)繪儀器標(biāo)準(zhǔn)基座上,通過(guò)基座固定在GPS 觀測(cè)墩上并整平。被測(cè)GPS 天線架設(shè)裝置上,與參考GPS 設(shè)備組成距離超短基線。

        GPS 設(shè)備采樣間隔設(shè)置為30 s,高度截止角15°。 將裝置的旋轉(zhuǎn)周期定位1 min,每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)分別指向北南方向各2 次,連續(xù)觀測(cè)24 h,運(yùn)行情況如表1 所示。

        通過(guò)此方法進(jìn)行天線相位中心檢測(cè),相當(dāng)于被測(cè)天線在兩個(gè)指向方向中分別以30 s 的采樣間隔進(jìn)行觀測(cè),觀測(cè)量與傳統(tǒng)方法一致。 而通過(guò)高頻率旋轉(zhuǎn)使各方向的觀測(cè)均在同一時(shí)段內(nèi)完成,從而有效減小觀測(cè)誤差和多路徑效應(yīng)對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響。

        表1 天線旋轉(zhuǎn)時(shí)序表

        數(shù)據(jù)計(jì)算及結(jié)果:解算北南兩個(gè)指向方向下超短基線向量,通過(guò)其在北東方向上的向量偏差可以得到天線的相位中心偏移。 通過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn),該裝置和方法檢測(cè)天線相位中心的標(biāo)準(zhǔn)偏差(水平方向)優(yōu)于0.1 mm,對(duì)高精度GPS 觀測(cè)結(jié)果具有較好的修正意義。

        表2 天線相位中心偏移計(jì)算結(jié)果 單位:mm

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文根據(jù)高精度測(cè)地型GPS 天線相位中心檢測(cè)的需要,研制了一種時(shí)間同步自動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置,利用機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高被測(cè)天線的回轉(zhuǎn)精度和指向精度,使用GPS 授時(shí)芯片實(shí)現(xiàn)了被測(cè)天線按GPS 時(shí)序高頻率自動(dòng)旋轉(zhuǎn),從方法上提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

        利用該裝置進(jìn)行天線相位中心檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、重復(fù)性好、自動(dòng)化程度高,已在實(shí)際外業(yè)檢測(cè)中取得良好的應(yīng)用效果。 被測(cè)天線在高頻率自動(dòng)旋轉(zhuǎn)下其相位中心的檢測(cè)精度可達(dá)亞毫米級(jí),對(duì)高精度GPS觀測(cè)結(jié)果具有較好的修正意義。

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