一种射电望远镜指向实时修正方法与流程

本发明涉及射电望远镜指向修正方法，尤其涉及一种射电望远镜指向实时修正方法。

背景技术：

射电望远镜观测目标时的实际指向位置相对于观测目标的理论位置的偏差称为指向误差。射电望远镜的电轴和机械轴有严格的正交性和一致性要求，但由于大气折射、望远镜的制造和装配误差、重力、风载和温度载荷效应等多种因素影响，会造成望远镜指向误差。指向精度是衡量射电望远镜性能的重要指标之一，其优劣不仅影响望远镜的单点观测效率，还会影响成图观测的准确度。在影响望远镜指向精度的因素中，绝大多数具有特殊规律和重复性特点，可以利用建立的指向模型进行修正，但也有一些因素具有随机变化的特点，如齿隙和结构中的迟滞效应，温度和风等，无法用参数模型精确描述，此类因素会产生的较大的指向误差，极大影响望远镜的性能。

目前，现有技术中也具有修正望远镜的指向以消除指向误差的方法，例如：

[1]Ott M,Witzel A,Quirenbach A,et al.An updated list of radio flux density calibrators[J].Astronomy&Astrophysics,1994,284:331-339；

[2]Kong Deqing,Wang Songgen,Wang Jinqing,et al.A new calibration model for pointing a radio telescope that considers nonlinear errors in the azimuth axis[J].Research in Astronomy and Astrophysics,2014,14(6):733-740.4；

[3]张巨勇.大型射电天线结构力学分析与误差研究[D].北京:中国科学院国家天文台,2006；

[4]姜正阳,孔德庆,张洪波,等.考虑轨道不平度的射电望远镜指向修正方法[J].天文研究与技术,2015,12(4):417-423；

[5]虞林峰,王锦清,赵融冰,等.TM65m射电望远镜指向模型的建立[J].天文学报,2015,56(2):165-177。

然而，现有技术中的这些方法仍然具有如下缺点：

(1)在方位和俯仰坐标系下进行扫描，导致在高仰角上时方位运行速度过快，从而影响指向误差计算，并且不支持实时修正。

(2)在全俯仰和全方位上建立的指向模型是拟合结果，在一些方位角和俯仰角上有较大的误差。

(3)仅考虑方位轴和轨道不平度造成的指向误差，没有考虑其它因素对指向误差的影响。

(4)仅提出基于最小二乘向量机的天线指向误差模型，该模型在核函数和控制参数选择、综合环境影响因素的实验验证方面需进一步研究。

为此，期望获得一种射电望远镜指向实时修正方法，以实时修正射电望远镜指向误差，同时克服以上大部分缺点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种射电望远镜指向实时修正方法，该射电望远镜指向实时修正方法可用于射电望远镜指向的实时修正，以实时消除指向误差。

根据上述发明目的，本发明提出了一种射电望远镜指向实时修正方法，其包括以下步骤：

控制射电望远镜对一射电源在赤经方向和赤纬方向各进行至少一次扫描以获取赤经扫描数据和赤纬扫描数据，其中赤经扫描数据包括在赤经方向扫描下的赤经数据及其相应的射电源功率数据，赤纬扫描数据包括在赤纬方向扫描下的赤纬数据及其相应的射电源功率数据；

基于线性函数和高斯函数构建用于描述所述赤经扫描数据的第一参数化模型其中，x₁为所述赤经数据，y₁为x₁相应的射电源功率数据，参数k₁为基线斜率，参数b₁为基线常数，参数a₁为高斯函数幅度，参数m₁为赤经方向的指向误差，参数n为高斯函数半功率波束宽度；

基于线性函数和高斯函数构建用于描述所述赤纬扫描数据的第二参数化模型其中，x₂为所述赤纬数据，y₂为x₂相应的射电源功率数据，参数k₂为基线斜率，参数b₂为基线常数，参数a₂为高斯函数幅度，参数m₂为赤纬方向的指向误差，参数n为高斯函数半功率波束宽度；

将赤经扫描数据代入所述第一参数化模型，并指定k₁、b₁、a₁、n以及m₁的初值；将赤纬扫描数据代入所述第二参数化模型，并指定k₂、b₂、a₂、n以及m₂的初值；基于代入赤经扫描数据的第一参数化模型和代入赤纬扫描数据的第二参数化模型采用最小二乘拟合算法计算参数m₁和参数m₂，以得到赤经方向的指向误差和赤纬方向的指向误差；

通过坐标转换将赤经方向的指向误差和赤纬方向的指向误差换算到方位方向和俯仰方向的指向误差，再基于方位方向和俯仰方向上的指向误差来控制射电望远镜，以消除所述的指向误差。

本发明所述的射电望远镜指向实时修正方法，其可用于射电望远镜指向的实时修正，以实时消除指向误差。其原理是：分别在赤经方向和赤纬方向对一射电源进行扫描，当射电望远镜存在指向误差时，赤经扫描数据和赤纬扫描数据在统一的坐标系下是存在差异的。若能消除该差异，即可消除指向误差。因此考虑基于线性函数和高斯函数构建用于描述所述赤经扫描数据和赤纬扫描数据的参数化模型，该参数化模型中包含描述赤经方向的指向误差和赤纬方向的指向误差的参数。由于对统一的坐标系下的赤经扫描数据和赤纬扫描数据进行拟合可以消除所述差异，通过采用拟合方法求得赤经方向的指向误差和赤纬方向的指向误差的参数，再通过坐标转换将赤经方向的指向误差和赤纬方向的指向误差换算到方位方向和俯仰方向的指向误差，该参数即表征了射电望远镜的指向误差。基于该参数可以控制射电望远镜进行实时的指向修正，以实时消除所述指向误差。

进一步地，本发明所述的射电望远镜指向实时修正方法中，在获取赤经扫描数据和赤纬扫描数据之后还对该赤经扫描数据和赤纬扫描数据进行数据预处理。

更进一步地，上述射电望远镜指向实时修正方法中，所述数据预处理包括去背景、定标、校准、插值中的一种或多种处理。

更进一步地，上述射电望远镜指向实时修正方法中，基于所述数据预处理得到以相应的天线方向图表征的赤经扫描数据和赤纬扫描数据。

上述方案中，通过数据预处理，可以提高最终求取的指向误差的准确度和精确度。所述天线方向图即所述赤经扫描数据和赤纬扫描数据经数据预处理得到的在坐标系中体现的曲线图。

进一步地，本发明所述及上述的射电望远镜指向实时修正方法中，参数a₁采用y₁最大值，参数a₂采用y₂最大值。

上述方案中，参数a₁采用y₁最大值，参数a₂采用y₂最大值是为了减小拟合误差。在天线方向图中体现为参数a₁和参数a₂采用天线方向图的峰值。

进一步地，本发明所述及上述的射电望远镜指向实时修正方法中，参数n采用估计的半功率波束宽度，其计算方法如下式：

$n=1.2\×\frac{\mathrm{\λ}}{D},$

其中，λ为所述射电源的波长，D为所述射电望远镜的直径。

进一步地，本发明所述及上述的射电望远镜指向实时修正方法中，所述扫描的扫描长度大于半功率波束宽度的四倍。

进一步地，本发明所述及上述的射电望远镜指向实时修正方法中，所述赤经方向和赤纬方向上的扫描长度均为500角秒，扫描速度均为10角秒/秒。

上述方案中，可以同时考虑扫描长度和扫描速度，扫描速度不宜过快，也不宜过慢。

本发明所述的射电望远镜指向实时修正方法具有以下优点和有益效果：

(1)可实现指向实时修正，以实时消除指向误差。

(2)由于赤经和赤纬构成的天球坐标系与射电望远镜方位和俯仰的地平坐标系存在一个旋转角度，因此在赤经和赤纬方向的扫描可以解决在方位和俯仰坐标系下的高仰角扫描时，方位运行速度过快问题，提高射电望远镜在高俯仰角上的指向精度。

(3)基本适用于所有因素造成的指向误差。

附图说明

图1为本发明所述的射电望远镜指向实时修正方法在一种实施方式下的流程示意图。

图2为本发明所述的射电望远镜指向实时修正方法在一种实施方式下的在赤经方向和赤纬方向上的扫描轨迹示意图。

图3为本发明所述的射电望远镜指向实时修正方法在一种实施方式下的修正指向前以相应的天线方向图表征的赤经扫描数据和赤纬扫描数据示意图。

图4为本发明所述的射电望远镜指向实时修正方法在一种实施方式下的修正指向后以相应的天线方向图表征的赤经扫描数据和赤纬扫描数据示意图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的射电望远镜指向实时修正方法做进一步的详细说明。

图1示意了本发明所述的射电望远镜指向实时修正方法在一种实施方式下的流程。图2示意了本发明所述的射电望远镜指向实时修正方法在一种实施方式下的在赤经方向和赤纬方向上的扫描轨迹，其中，横坐标RA/arcsec表示赤经数据，单位角秒，纵坐标DEC/arcsec表示赤纬数据，单位角秒。图3示意了本发明所述的射电望远镜指向实时修正方法在一种实施方式下的修正指向前以相应的天线方向图表征的赤经扫描数据和赤纬扫描数据，其中，横坐标RA or DEC/arcsec表示赤经数据和赤纬数据共用，单位角秒，纵坐标Ta/K表示射电源功率数据，单位开尔文。图4示意了本发明所述的射电望远镜指向实时修正方法在一种实施方式下的修正指向后以相应的天线方向图表征的赤经扫描数据和赤纬扫描数据，其中，横坐标RA or DEC/arcsec表示赤经数据和赤纬数据共用，单位角秒，纵坐标Ta/K表示射电源功率数据，单位开尔文。

如图1所示，结合参考图2-图3，该实施方式下的射电望远镜指向实时修正方法包括以下步骤：

步骤110：实施该步骤需要准备Ku波段接收机以及连续谱天文终端(通常射电望远镜均配备高性能Ku波段接收机和连续谱终端)。为消除接收机的增益波动和系统温度变化，该步骤中的Ku波段接收机具备周期性定标信号注入功能。选择流量强(大于3央斯基)、致密的连续谱点源作为射电源，在天气晴好的条件下，开启Ku波段接收机的周期性定标信号，控制射电望远镜按照图1所示的轨迹对一射电源在赤经方向(图1中线段A)和赤纬方向(图1中线段B)各进行一次扫描观测并记录扫描的赤经数据和赤纬数据，同时采用Ku波段接收机接收扫描到的射电信号，并由天文终端记录射电信号的功率值，这样就获取了赤经扫描数据和赤纬扫描数据，其中赤经扫描数据包括在赤经方向扫描下的赤经数据及其相应的射电源功率数据，赤纬扫描数据包括在赤纬方向扫描下的赤纬数据及其相应的射电源功率数据。该步骤中，赤经方向和赤纬方向上的扫描长度均为500角秒，扫描速度均为10角秒/秒，连续谱终端积分时间为0.2秒，赤经方向和赤纬方向上的扫描全部完成的时间约为1分钟。该步骤中的观测频率为15.75GHz，观测带宽为500MHz。

步骤120：在获取赤经扫描数据和赤纬扫描数据之后还对该赤经扫描数据和赤纬扫描数据进行数据预处理，该数据预处理包括去背景、定标、校准以及插值处理。如图2所示，基于该数据预处理得到以相应的天线方向图表征的赤经扫描数据(图2中曲线C)和赤纬扫描数据(图2中曲线D)。从图2可以看出，沿着赤经方向和赤纬方向扫描得到的天线方向图有较大差异，表明射电望远镜指向存在误差，此指向误差主要由温度以及指向模型的误差造成。

步骤130：基于线性函数和高斯函数构建用于描述所述赤经扫描数据的第一参数化模型其中，x₁为所述赤经数据，y₁为x₁相应的射电源功率数据，参数k₁为基线斜率，参数b₁为基线常数，参数a₁为高斯函数幅度，参数m₁为赤经方向的指向误差，参数n为高斯函数半功率波束宽度；

基于线性函数和高斯函数构建用于描述所述赤纬扫描数据的第二参数化模型其中，x₂为所述赤纬数据，y₂为x₂相应的射电源功率数据，参数k₂为基线斜率，参数b₂为基线常数，参数a₂为高斯函数幅度，参数m₂为赤纬方向的指向误差，参数n为高斯函数半功率波束宽度；

将赤经扫描数据代入所述第一参数化模型，并指定k₁、b₁、a₁、n以及m₁的初值；将赤纬扫描数据代入所述第二参数化模型，并指定k₂、b₂、a₂、n以及m₂的初值；基于代入赤经扫描数据的第一参数化模型和代入赤纬扫描数据的第二参数化模型采用最小二乘拟合算法计算参数m₁和参数m₂，以得到赤经方向的指向误差和赤纬方向的指向误差；

该步骤中，参数a₁和参数a₂采用相应天线方向图的峰值，参数n采用估计的半功率波束宽度，其计算方法如下式：

$n=1.2\×\frac{\mathrm{\λ}}{D},$

其中，λ为所述射电源的波长，D为所述射电望远镜的直径。

步骤140：基于上述赤经方向的指向误差和赤纬方向的指向误差控制射电望远镜修正指向，以消除上述指向误差。该步骤中，先将赤经方向和赤纬方向的指向误差转换为方位和俯仰方向的指向误差，再将该方位和俯仰方向的指向误差代入到射电望远镜控制软件中相应的指向修正程序的参数中，控制射电望远镜进行指向修正，以消除指向误差。

至此上述实施方式下的射电望远镜指向实时修正方法的步骤结束。在上述步骤完成后，控制射电望远镜重复步骤110和步骤120，以检验指向误差消除效果。扫描结果如图3所示，表征赤经扫描数据的天线方向图(图3中曲线E)和表征赤纬扫描数据的天线方向图(图3中曲线F)基本一致，表明上述实施例的方法实时修正了射电望远镜的指向，并且有效实时消除了指向误差。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。