三軸天線數(shù)字化標(biāo)校方法

余慶豐，黃祖軍，李玉廣，戴戴強(qiáng)

（中國人民解放軍總參謀部61764部隊(duì)，海南 三亞 572000）

三軸天線數(shù)字化標(biāo)校方法

余慶豐，黃祖軍，李玉廣，戴戴強(qiáng)

（中國人民解放軍總參謀部61764部隊(duì)，海南 三亞 572000）

針對天線系統(tǒng)跟蹤精度低的問題，提出三軸天線數(shù)字化標(biāo)校方法。通過分析三軸天線指向角度記錄信息，制作誤差曲線，并根據(jù)誤差曲線的走向?qū)ふ移渲械臄?shù)學(xué)規(guī)律，進(jìn)行數(shù)字化標(biāo)校，實(shí)現(xiàn)降低天線系統(tǒng)誤差的目的。測試結(jié)果表明，該方法較好地實(shí)現(xiàn)了誤差補(bǔ)償功能，提高了天線系統(tǒng)跟蹤精度。

三軸天線；角度誤差；數(shù)字化標(biāo)校；跟蹤精度

0 引 言

為消除天線的過頂盲區(qū)，達(dá)到過頂跟蹤的目的，采用三軸天線座是最有效的途徑之一［1］。三軸天線自上而下由天線反射體、俯仰軸系組合、方位軸系組合、第三軸系組合，以及驅(qū)動(dòng)減速裝置、匯流裝置及安全保護(hù)裝置等組成，是比較常見的衛(wèi)星跟蹤天線［2］。三軸天線是星地通信鏈路的重要組成部分，其捕獲衛(wèi)星的精準(zhǔn)度影響數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性。從測量跟蹤天線的工作過程看，目標(biāo)、電磁波傳播的空間、天線和饋線、跟蹤接收機(jī)、伺服系統(tǒng)、天線轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備、數(shù)據(jù)傳遞、顯示及記錄設(shè)備都是天線測量系統(tǒng)的組成部分，這些部分都可能給角度測量帶來誤差［3］。誤差會(huì)直接影響天線的精度和通信數(shù)據(jù)的誤碼率。

三軸天線的誤差影響因素很多，主要包括零位誤差、大盤不水平、電機(jī)軸不匹配、重力下垂引起的俯仰誤差、電波折射誤差等［4-5］。無論是哪一種誤差，最終都會(huì)表現(xiàn)為天線定位不準(zhǔn)，測量角度與實(shí)際角度產(chǎn)生偏差。三軸天線零位誤差、大盤水平度和光電軸匹配度降低、重力下垂等因素引起的方位誤差和俯仰誤差，造成天線系統(tǒng)數(shù)字引導(dǎo)跟蹤精度低，導(dǎo)致天線在個(gè)別位置的指向精度無法滿足穩(wěn)定可靠捕獲衛(wèi)星的技術(shù)需求，影響衛(wèi)星數(shù)據(jù)正常通信［2］。為有效解決問題，本文提出三軸天線數(shù)字化標(biāo)校方法。該方法具有補(bǔ)償方位角和俯仰角指向誤差的功能，提高天線系統(tǒng)跟蹤精度，確保衛(wèi)星數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠跟蹤通信。

1 三軸天線角度誤差修正模型

1.1 設(shè)計(jì)思路

對三軸天線的指向角度信息記錄文件進(jìn)行分析，并分析三軸天線角度誤差曲線特點(diǎn)和誤差影響因子，形成三軸天線數(shù)字化標(biāo)校方法。該方法主要是對角度信息進(jìn)行補(bǔ)償，使補(bǔ)償后的新角度信息對星精度更高，滿足三軸天線快速可靠捕獲衛(wèi)星的技術(shù)需求。

1.2 方位誤差數(shù)字化標(biāo)校

1.2.1 方位誤差曲線特點(diǎn)。分析三軸天線方位指向誤差曲線可發(fā)現(xiàn)，誤差與天線角度信息有一定的關(guān)系。經(jīng)過5 0圈次的誤差曲線分析發(fā)現(xiàn)，方位角速度越大，誤差偏移量越大，相關(guān)性的大小與一些天線的系統(tǒng)誤差因素有關(guān)，如圖1所示。

圖1 50圈次的三軸天線方位誤差曲線和方位角速度曲線

1.2.2 方位誤差補(bǔ)償方法。由1.2.1可知，方位誤差與方位角速度存在相關(guān)關(guān)系，系數(shù)為Ka。建立方位誤差數(shù)字化標(biāo)校模型為：

其中，A'n為第n秒的方位修正后的角度，An為第n秒的方位引導(dǎo)值，Ka為方位角速度對誤差曲線的影響系數(shù)，C為偏移量。

計(jì)算50圈次的Ka值和C值，進(jìn)一步分析可發(fā)現(xiàn)，K a與傾斜軸角度和最高俯仰角度有關(guān)。

（1）當(dāng)最高俯仰角度小于某度時(shí)，Ka=0，C=-0.05。

（2）當(dāng)最高俯仰角度大于某度時(shí)，當(dāng)?shù)谌S處于某范圍內(nèi)時(shí)，Ka=-0.118，C=-0.05；當(dāng)?shù)谌S處于某范圍內(nèi)時(shí)，Ka=0.103，C=-0.05；當(dāng)?shù)谌S處于某范圍內(nèi)時(shí)，Ka=-0.183，C=-0.05。

（3）其他圈次均取Ka=0，C=0。

1.3 俯仰誤差數(shù)字化標(biāo)校

1.3.1 俯仰誤差曲線特點(diǎn)。分析三軸天線俯仰的指向誤差曲線可發(fā)現(xiàn)，誤差與天線角度信息有一定的關(guān)系。對50圈次的誤差曲線分析發(fā)現(xiàn)，誤差曲線的共同點(diǎn)是俯仰軸的誤差曲線左端是左高右低近似直線，右端是左低右高，即表示俯仰角度越低，正誤差越大，而中間部位與方位角速度直接關(guān)聯(lián)，俯仰誤差曲線左右兩端進(jìn)行補(bǔ)償，使其恢復(fù)水平，如圖2所示。

圖2 50圈次的三軸天線俯仰誤差曲線和俯仰角速度曲線

1.3.2 俯仰誤差模型。由1.3.1可知，俯仰誤差與俯仰角速度存在相關(guān)關(guān)系，系數(shù)為Ke1。50圈次的三軸天線俯仰誤差曲線減去俯仰角速度影響之后的誤差曲線，如圖3所示。

圖3 50圈次的三軸天線俯仰誤差曲線減去俯仰角速度影響之后的誤差曲線

排除俯仰角速度的影響之后，誤差曲線變成一個(gè)近似拋物線的曲線，采用拋物線去擬合，依拋物線的中點(diǎn)上俯仰最大角度所對應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)建立俯仰誤差模型為：

其中，En為第n秒的俯仰角度，A為俯仰最高對應(yīng)的n值（可在eph文件中查詢），Ke1為俯仰角速度對誤差曲線的影響系數(shù)，Ke2取值為1或0（分別代表誤差曲線中有沒有包含拋物線曲線），A，B，C均為拋物線的參數(shù)。

觀察50圈次的拋物線（排除了俯仰角速度影響的誤差曲線）之后，形狀和特征點(diǎn)基本一致，A由數(shù)字引導(dǎo)文件中的俯仰最大角度對應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)確定，Ke2的取值為1或0。

計(jì)算50圈次的系數(shù)。對Ke1值變化曲線進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，K e1與第三軸角度和最高俯仰角度有關(guān)。

（1）當(dāng)最高俯仰角度小于某度時(shí)，Ke1=0，Ke2=0，B=0，C=0.106。

（2）當(dāng)最高俯仰角度大于某度時(shí)，A可查閱數(shù)字引導(dǎo)文件中俯仰角度最大的點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)間，B=0.18，C=-0.03。當(dāng)?shù)谌S處于某范圍內(nèi)時(shí)，Ke1=-0.162，Ke2= 1；當(dāng)?shù)谌S處于某范圍內(nèi)時(shí)，Ke1=0.113，Ke2=1；當(dāng)?shù)谌S處于某范圍內(nèi)時(shí)，Ke1=-0.254，Ke2=1；當(dāng)?shù)谌S處于某范圍內(nèi)時(shí)，Ke1=0，Ke2=1；第三軸處于某范圍內(nèi)時(shí)，Ke1=0，Ke2=1。

（3）其他圈次均取Ke1=0，Ke2=0，B=0，C=0。

1.4 角度誤差修正模型

綜合1.2和1.3所述，三軸天線角度誤差補(bǔ)償模型可表示為：

其中，T為天線第三軸角度，A'n為第n秒的方位補(bǔ)償后的角度，An為第n秒的方位引導(dǎo)值，Ka為方位角速度對方位誤差曲線的影響系數(shù)（關(guān)于天線第三軸角度和俯仰角度的函數(shù)），C為偏移量；En'為第n秒的俯仰補(bǔ)償后的角度，En為第n秒的俯仰引導(dǎo)值，A為俯仰最高對應(yīng)的n值（可在eph文件中查詢），Ke1為俯仰角速度對俯仰誤差曲線的影響系數(shù)（關(guān)于天線第三軸角度和俯仰角度的函數(shù)），Ke2取值為1或0（分別代表誤差曲線中有沒有包含拋物線曲線），B，C均為拋物線的參數(shù)。

2 測 試

2.1 單圈次誤差修正測試

以單圈次為例進(jìn)行補(bǔ)償修正，方位誤差和俯仰誤差均得到了較大程度的改善。單圈次的三軸天線方位和俯仰修正前后誤差曲線比較如圖4～圖5所示。

2.2 多圈次誤差修正測試

圖4 單圈次的三軸天線方位修正前后誤差曲線比較

以35圈次為例進(jìn)行補(bǔ)償修正，均取得比較好的修正效果，誤差值均呈現(xiàn)較大幅度的降低。最大俯仰角度為橫坐標(biāo)，誤差值為縱坐標(biāo)，對35圈次的三軸天線方位修正前后最大絕對誤差進(jìn)行比較，修正后最大絕對誤差平均降低了45.6%，修正效果比較明顯（見圖6）；對35圈次的三軸天線方位修正前后平均絕對誤差進(jìn)行比較，修正后平均絕對誤差平均降低了52.2%，修正效果比較明顯（見圖7）；對35圈次的三軸天線俯仰修正前后最大絕對誤差進(jìn)行比較，修正后最大絕對誤差平均降低了61.3%，修正效果比較明顯（見圖8）；對35圈次的三軸天線俯仰修正前后平均絕對誤差進(jìn)行比較，修正后平均絕對誤差平均降低了61.5%，修正效果比較明顯（見圖9）。

圖5 單圈次的三軸天線俯仰修正前后誤差曲線比較

圖6 35圈次的三軸天線方位修正前后最大絕對誤差比較

圖7 35圈次的三軸天線方位修正前后平均絕對誤差比較

圖8 35圈次的三軸天線俯仰修正前后最大絕對誤差比較

測試結(jié)果表明，三軸天線數(shù)字化標(biāo)校方法能較好地實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償功能，補(bǔ)償后其方位和俯仰角度誤差大幅度下降，最大絕對誤差和平均絕對誤差均降低了4 5%以上，補(bǔ)償效果顯著，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

3 結(jié) 論

由于零位誤差、大盤不水平、電機(jī)軸不匹配、重力下垂引起的俯仰誤差、電波折射誤差等因素導(dǎo)致天線系統(tǒng)的對星精度降低，導(dǎo)致一些天線無法全程對衛(wèi)星進(jìn)行可靠的跟蹤，個(gè)別位置可能出現(xiàn)丟星現(xiàn)象。因此，提高天線系統(tǒng)指向角度對星的精準(zhǔn)度有著重要的意義。對于三軸天線系統(tǒng)，提高天線系統(tǒng)的對星精度常見的方法是星體標(biāo)校和常規(guī)標(biāo)校等。本文提出的三軸天線數(shù)字化標(biāo)校方法與常見的方法不同，通過分析三軸天線指向角度記錄信息，制作誤差曲線，并根據(jù)曲線的走向，尋找其中的數(shù)學(xué)規(guī)律，進(jìn)行數(shù)字化標(biāo)校，實(shí)現(xiàn)降低天線系統(tǒng)誤差的目的。該方法可較好地實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償功能，應(yīng)用前景廣闊，對其他天線系統(tǒng)誤差補(bǔ)償具有借鑒及指導(dǎo)意義。

圖9 35圈次的三軸天線俯仰修正前后平均絕對誤差比較

［1］卓普輝.有關(guān)天線過頂跟蹤的探討［J］.電子機(jī)械工程，2010，26（3）:43-45.

［2］張臘梅.某地面雷達(dá)天線座設(shè)計(jì)［J］.電子機(jī)械工程，2007，23（5）:27-30.

［3］王永華，王萬玉.三軸天線角度標(biāo)校方法［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（13）:81-84.

［4］王萬玉，張寶全，陳剛.俯仰/方位座架軸系誤差分析及標(biāo)校［C］//中國空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間探測專業(yè)委員會(huì)第十九次學(xué)術(shù)會(huì)議論文集:下冊.北京:中國空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間探測委員會(huì)，2006:150-153.

［5］王晶.某型雷達(dá)更換天線座底盤誤差分析［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（15）:60-62.

［責(zé)任編輯：吳志榮］

Digital Calibration Method of Three-axis Antenna

YU Qingfeng， HUANG Zujun， LI Yuguang， DAI Qiang （61764 Forces of the General Staff Department of the Chinese People's Liberation Army， Sanya， 572000， China）

Digital calibration method of three-axis antenna is recommended considering the low tracking precision of antenna system.It is discussed that error curves can be worked out by analyzing the pointing angle records of the three-axis antenna.And by analyzing the error curve， mathematical rule can be figured out and then the digital calibration can be made in order to diminish errors in antenna system.Test results reveal that this method helps realize the error compensation quite well and improve the tracking precision of antenna system.

Three-axis antenna； Angle errors； Digital calibration； Tracking precision

10.13669/j.cnki.33-1276/z.2016.062

TN820.4

A

1671-4326（2016）03-0057-04

2016-06-04

余慶豐（1988—），男，廣東惠來人，中國人民解放軍總參謀部61764部隊(duì)工程師，碩士；

黃祖軍（1982—），男，湖南郴州人，中國人民解放軍總參謀部61764部隊(duì)工程師；

李玉廣（1983—），男，天津人，中國人民解放軍總參謀部61764部隊(duì)工程師，碩士；

戴戴強(qiáng)（1985—），男，湖南長沙人，中國人民解放軍總參謀部61764部隊(duì)助理工程師，碩士.