65 m射電望遠(yuǎn)鏡方位軸和俯仰軸正交度測量

鄧　勇，李宗春，張萬才，李　叢，楊　振

(1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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65 m射電望遠(yuǎn)鏡方位軸和俯仰軸正交度測量

鄧勇1，李宗春1，張萬才2，李叢1，楊振1

(1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要根據(jù)65 m天線軸系關(guān)系的高精度安裝要求，利用高精度全站儀TDA5005獲取65 m天線轉(zhuǎn)動過程中的點(diǎn)位信息，采用3種不同方式求取天線的方位軸和俯仰軸，比對分析3種方式求解2軸正交度的優(yōu)缺點(diǎn)，合理選擇正確的軸系表達(dá)方式。結(jié)果表明，65 m天線的方位和俯仰軸關(guān)系滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了天線整體安裝測量的準(zhǔn)確性和嚴(yán)密性，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞射電望遠(yuǎn)鏡；方位軸；俯仰軸；軸系關(guān)系；正交度

0引言

上海天文臺φ65 m射電望遠(yuǎn)鏡(以下簡稱65 m天線)是一臺亞洲最大、國際先進(jìn)的全天線可轉(zhuǎn)動的大型射電望遠(yuǎn)鏡，它可以精確跟蹤高軌地球衛(wèi)星、探月衛(wèi)星和深空探測器，共有8個(gè)接收波段，包括了目前航天工程上常用的下行信號的波段(S、X和Ka)。在航天工程的應(yīng)用中，它可以為探月2期和3期工程、火星探測及其他深空探測工程做出更大貢獻(xiàn)，也將在天體測量學(xué)、天體物理學(xué)以及行星無線電科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的研究工作中擔(dān)任重要的角色[1-3]。65 m天線允許在方位和俯仰2個(gè)方向轉(zhuǎn)動，在方位方向上主要依靠6組(每組2個(gè))滾輪在軌道面上滾動，其旋轉(zhuǎn)軸稱為方位軸；在俯仰方向上主要靠俯仰大齒輪驅(qū)動俯仰機(jī)構(gòu)軸承轉(zhuǎn)動，其旋轉(zhuǎn)軸稱為俯仰軸。

65 m天線在安裝時(shí)首先要保證滾輪旋轉(zhuǎn)軌道水平。其軌道直徑42 m，要求水平度優(yōu)于±0.5 mm，在實(shí)際調(diào)整中調(diào)至優(yōu)于±0.2 mm，這樣保證天線方位轉(zhuǎn)動時(shí)方位軸不出現(xiàn)擺動，俯仰軸保持水平。天線設(shè)計(jì)時(shí)要求俯仰軸嚴(yán)格水平，方位軸鉛垂并與俯仰軸相交。天線軸系的正交度是評判天線性能的一個(gè)重要指標(biāo)[4]。天線的軸系關(guān)系需要在天線安裝過程中的每一步通過測量手段保證，天線安裝完成后需要對其方位俯仰軸軸系關(guān)系進(jìn)行測量，以評判天線的建造質(zhì)量，并為后續(xù)應(yīng)用提供幫助[5]。

本文分析了3種方法求解天線方位軸及俯仰軸的正確性、可靠性以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，最終采用大圓軸線來代表天線的方位軸和俯仰軸，并通過數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證此方法的可行性及可靠性。

1測量方案

65 m天線的方位軸及俯仰軸采用Leica TDA5005型全站儀配合1.5 in球棱鏡進(jìn)行測量。由于視場的影響，儀器不能在同一位置同時(shí)獲取天線方位軸和俯仰軸，故而在天線周圍圍墻立柱穩(wěn)定的地方較為均勻粘貼10個(gè)球棱鏡靶座，用作統(tǒng)一測量坐標(biāo)系。公共點(diǎn)的布設(shè)位置及儀器的擺放位置如圖1所示，全站儀架設(shè)在位置1時(shí)測量天線的俯仰軸，在位置2時(shí)測量天線的方位軸。

圖1　公共點(diǎn)及儀器平面位置示意

如圖2所示，在天線俯仰大齒輪外側(cè)及爬梯側(cè)俯仰軸承附近各粘貼一個(gè)靶座，天線俯仰范圍從0°～90°，當(dāng)天線俯仰旋轉(zhuǎn)時(shí)測量這2個(gè)靶座會得到大小2段圓弧，測量大齒輪處的靶座得到大圓弧，測量爬梯側(cè)俯仰軸承附近的靶座得到小圓弧，通過這2段圓弧得到天線的俯仰軸。

圖2　方位軸、俯仰軸測量靶座布設(shè)位置示意

在方位滾輪箱體上桁架內(nèi)側(cè)及A字梁中段各粘貼一個(gè)靶座，天線方位可360°旋轉(zhuǎn)，當(dāng)天線方位旋轉(zhuǎn)時(shí)測量這2個(gè)靶座會得到大小2個(gè)圓，測量方位滾輪箱體上桁架內(nèi)側(cè)的靶座得到大圓，測量A字梁中段的靶座得到小圓，通過這2個(gè)圓弧到天線的方位軸[6-7]。

測量時(shí)將全站儀放置于圖1中的位置1處，天線俯仰每轉(zhuǎn)動10°采集一個(gè)點(diǎn)，形成半徑分別為12.352 m和2.978 m的2個(gè)1/4圓，測量周圍圍墻上布設(shè)的公共點(diǎn)。將儀器搬至天線底部軌道內(nèi)側(cè)(圖1中的位置2)，測量圍墻上的公共點(diǎn)，公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換把坐標(biāo)系恢復(fù)至在位置1時(shí)的測量坐標(biāo)系下，讓天線方位轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)動20°采集一個(gè)點(diǎn)，形成半徑分別為18.215 m和14.639 m的2個(gè)圓。

2數(shù)據(jù)分析

方位軸及俯仰軸測量時(shí)需布設(shè)2個(gè)測站，需進(jìn)行公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換將2個(gè)測站的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系中。公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換結(jié)果如圖3所示，轉(zhuǎn)換精度為1.329 mm。

圖3　公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換結(jié)果

由于現(xiàn)場條件的限制，公共點(diǎn)圍墻立柱離測站較遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)距離有136 m左右，公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換精度為1.329 mm，對坐標(biāo)軸方位指向的最大影響為2.02″，故可認(rèn)為對坐標(biāo)系恢復(fù)的點(diǎn)位及坐標(biāo)系方向的影響可以忽略。天線的方位及俯仰各測了2個(gè)圓，可以采用以下3種方式進(jìn)行分析。

2.1方位俯仰軸系關(guān)系處理方式

2.1.1用兩圓心連線代表天線軸系

將俯仰軸和方位軸測量時(shí)得到的2個(gè)圓弧以圓擬合的形式處理，得到圓心坐標(biāo)，分別將兩圓心的連線作為天線的方位俯仰軸[8]。兩軸線距離計(jì)算結(jié)果和兩軸線正交度計(jì)算結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖4　兩軸線距離計(jì)算結(jié)果

圖5　兩軸線正交度計(jì)算結(jié)果

這種方式得到的俯仰軸與水平面的夾角為0.000 01°，俯仰軸水平。從圖4和圖5可知，兩軸的空間距離為5.684 mm，不正交度為0.000 44°(1.584″)。

2.1.2采用圓錐擬合代表天線軸系

將俯仰軸和方位軸測量時(shí)得到的2個(gè)圓弧以圓錐擬合的形式處理，將圓錐軸線分別作為天線的方位俯仰軸。兩軸線距離計(jì)算結(jié)果和兩軸線正交度計(jì)算結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖6　兩軸線距離計(jì)算結(jié)果

圖7　兩軸線正交度計(jì)算結(jié)果

這種方式得到的俯仰軸與水平面的夾角為0.009 18°(33.048″)，俯仰軸在大齒輪處稍低。從圖6和圖7可知，兩軸的空間距離為5.923 mm，不正交度為0.008 79°(31.644″)。

2.1.3利用大圓法線代表天線軸系

將俯仰軸和方位軸測量時(shí)得到的2個(gè)大的圓以圓擬合的形式處理，將大圓圓擬合得到的軸線分別作為天線的方位俯仰軸。兩軸線距離計(jì)算結(jié)果和兩軸線正交度計(jì)算結(jié)果分別如圖8和圖9所示。

圖8　兩軸線距離計(jì)算結(jié)果

圖9　兩軸線正交度計(jì)算結(jié)果

這種方式得到的俯仰軸與水平面的夾角為0.000 09°，俯仰軸水平。從圖8和圖9可知，兩軸的空間距離為7.652 mm，不正交度為0.00049°(1.764″)。

2.2結(jié)果分析

從上面結(jié)果可知，采用不同的處理方式會得到不同的結(jié)果，俯仰軸的大小圓分別為半徑12.352 m和2.978 m的1/4圓，測量時(shí)儀器距離天線中心60 m左右，被測點(diǎn)比儀器中心高35 m左右，小圓半徑太小且只有1/4圓，測量誤差對小圓的形狀及圓心位置會產(chǎn)生較大影響，故而采用方式一時(shí)小圓圓心的不準(zhǔn)確會直接影響兩圓心連線的直線方向。方式2小圓的點(diǎn)位測量的誤差對圓錐的形狀影響很大，進(jìn)而影響圓錐的軸線方向。

分別求取3種方式各自得到的俯仰軸兩兩之間的夾角，采用方式1和方式2分別得到的俯仰軸的夾角為0.011 55°(41.58″)，采用方式1和方式3分別得到的俯仰軸的夾角為0.006 73°(24.23″)，采用方式2和方式3分別得到的俯仰軸的夾角為0.009 10°(32.76″)，可以看出采用3種方式求取的俯仰軸之間差別很大，主要原因是受到小的1/4圓的影響所致。

綜上分析，65 m天線的方位軸和俯仰軸正交度分析應(yīng)用方式3，即利用大圓法線代表天線軸系進(jìn)行計(jì)算，最終結(jié)果為俯仰軸水平，兩軸的空間距離為7.652 mm，不正交度為0.000 49°(1.764″)。兩軸的空間距離是由于天線的機(jī)械特性產(chǎn)生的，根據(jù)測量結(jié)果可以進(jìn)行改正。俯仰軸的水平度及兩軸的正交度進(jìn)一步驗(yàn)證了天線整體安裝測量的準(zhǔn)確性、嚴(yán)密性。

3結(jié)束語

65 m射電望遠(yuǎn)鏡的軸系關(guān)系是天線建設(shè)的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，軸系關(guān)系的不正確對天線的電氣特性將會產(chǎn)生巨大影響。天線的軸系關(guān)系需要在天線安裝過程中的每一步通過測量的手段來保證，本文利用高精度全站儀TDA5005獲取65 m天線轉(zhuǎn)動過程中的點(diǎn)位信息，分析了3種不同方式求取天線的方位俯仰軸的優(yōu)缺點(diǎn)，最終采用大圓軸線來代表天線的方位軸和俯仰軸。最終結(jié)果表明，65 m天線的方位俯仰軸系滿足指標(biāo)要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了天線整體安裝測量的準(zhǔn)確性、嚴(yán)密性。

參考文獻(xiàn)

[1]程景全.天文望遠(yuǎn)鏡原理和設(shè)計(jì)[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

[2]李宗春，李廣云.天線幾何量測量理論及其應(yīng)用[M].北京：測繪出版社，2009.

[3]李干.大型天線安裝測量與面型數(shù)據(jù)處理若干問題研究[D].鄭州：信息工程大學(xué)，2012.

[4]鄧勇，李宗春，李干，等.65 m射電望遠(yuǎn)鏡滾輪安裝調(diào)整測量[C]∥全國工程測量2012技術(shù)研討交流會論文集，2012：112-115.

[5]金超，張旺，趙均紅.全站儀在天線測量中的應(yīng)用[J].無線電工程，2005，35(10)：45-46，50.

[6]李廣云.非正交系坐標(biāo)測量系統(tǒng)原理及進(jìn)展[J].測繪信息與工程，2003，28(1)：4-l0.

[7]李廣云，李宗春.工業(yè)測量系統(tǒng)原理與應(yīng)用[M].北京：測繪出版社，2011.

[8]張萬才，陳宏輝.一種旋轉(zhuǎn)面天線的測量方法[J].無線電通信技術(shù)，2006，32(5)：39-40.

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.18

收稿日期：2016-04-06

基金項(xiàng)目：國家國際科技合作專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2012DFB00120)。

中圖分類號P111.44

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號1003-3106(2016)07-0067-04

作者簡介

鄧勇男，(1983—)，碩士，講師。主要研究方向：精密工程測量、測繪儀器和變形監(jiān)測等方面。

李宗春男，(1973—)，博士，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：精密工程測量、測繪儀器、變形監(jiān)測和工業(yè)測量等方面。

Measurement of 65 m Antenna Azimuth Axis and Elevation Axis Orthogonality

DENG Yong1,LI Zong-chun1,ZHANG Wan-cai2,LI Cong1,YANG Zhen1

(1.InstituteofGeographicSpaceInformation,InformationEngineeringUniversity,ZhengzhouHe’nan450052,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractAccording to the high precision installation requirement for the relationship between 65 m antenna axes,a high precision total station TDA5005 is used to obtain the 65 m antenna turning point in the process of rotation.Three different ways are used to calculate the antenna azimuth axis and elevation axis.The three ways are compared for their advantages and disadvantages in resolving the orthogonality of the two axes,and the correct expression of shafting is properly selected.The final results show that the relationship between the 65 m antenna azimuth axis and elevation axis meets the demand of design specification,which further verifies the accuracy and preciseness of the overall antenna installation and achieves good effect.

Key wordsradio telescope;azimuth axis;elevation axis;shafting relationship;orthogonality

引用格式：鄧勇,李宗春,張萬才,等.65 m射電望遠(yuǎn)鏡方位軸和俯仰軸正交度測量[J].無線電工程,2016,46(7):67-70.