一种空间二维高频天线指向精度地面标定方法、设备及介质与流程

本发明属于航天器系统，具体涉及一种应用于卫星上、工作在q/v波段的空间二维高频天线，特别是涉及一种空间二维高频天线指向精度地面标定方法、设备及介质。

背景技术：

1、卫星高频通信具有覆盖范围广、传输距离远、通信容量大、传输质量好、组网灵活迅速和保密性高等众多优点，已成为当今极具竞争力的通信手段。随着卫星通信网络快速发展，大容量、高速率、超宽带的服务需求不断增加，q/v频段的高速率天线将成为未来高通量卫星主要通信频段，其成本低、终端小型化的特点将促使其在全球宽带卫星通信系统建设、运营以及与地面通信系统融合应用的过程中占据越来越大的比重。

2、星间高频通信作为通信重要环节，要求天线具备极高的指向精度，同时具备自动跟踪功能并保持稳定性，而高指向精度是天线实现其高增益、高性能的必要前提。因此，在天线地面研制阶段，对高频星间通信天线的指向精度进行测试，成为天线性能测试必不可少的重要环节。

3、目前，已有多种空间天线指向精度测量方法。通过激光跟踪仪或相机等测量在天线表面布置的特征测量点，能够拟合出天线的机械指向，但由于天线电指向与机械指向之间存在误差，该方法不能满足电指向精度测量要求。通过高精度两轴转台与自准直仪能够测量天线的指向精度，但该方法同样没有考虑电指向与机械指向之间的误差，无法应用于电指向精度测量。通过平面场与经纬仪测试系统相结合，能够完成天线电指向测量，但由于平面场测量时间较长，且对于任意两轴角度组合，都需要通过平台场测量天线电轴指向，导致该方法效率较低。此外，目前大多数测试方法没有考虑地面重力对测量精度的影响，导致测量结果精度低，参考性有限。

4、因此，本发明提出一种空间二维高频天线指向精度地面标定方法，该方法可以在重力卸载的情况下对任意角度二维天线指向精度进行标定，具有精度高、操作简单、效率高、适合推广的特点。

技术实现思路

1、本发明目的是为了克服现有技术中的不足之处，提出了一种空间二维高频天线指向精度地面标定方法、设备及介质。本发明所述方法可以卸载地球重力对天线变形的影响，以较高的精度标定天线指向误差。

2、本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种空间二维高频天线指向精度地面标定方法，所述标定方法分两部分进行；第一部分：在微波暗室环境标定电轴指向与棱镜坐标系关系，在微波暗室，采用平面近场测试系统标定天线电轴矢量和天线棱镜坐标系之间的关系；第二部分：在洁净室标定天线棱镜坐标系和基准棱镜之间的关系，将四台经纬仪分为两组，建立测量站，分别建立驱动器基准棱镜坐标系和天线棱镜坐标系。

3、进一步地，在第一部分中，矢网提供一路本振经过功分器与放大器分别给到发射端和接收端的扩频模块，另一路射频信号经过放大器给到发射端的扩频模块，经过扩频模块倍频后，由探头/天线发出；探头/天线接收并进入接收端扩频模块，两个扩频模块混频后，得到两路中频信号，两路中频信号为实际采集的信号。

4、进一步地，测试时，首先将天线和工装安装在暗场中，扫描仪复位；其次，开启扫描架，使探头移动形成一个扫描平面，测试系统按照采样步进在扫描架的每采样点发送一个ttl脉冲给rtc实时控制器，在rtc接收到扫描架的脉冲后，给矢网发送高电平触发信号，矢网采集数据同时返回低电平触发信号，完成采样测量；随后，通过对采集到的近场数据进行fft变换即可得到天线的远场方向图，电轴测量系统将天线安装状态电轴位置解算，并输出 az、 el两个角度；最后，架设高精度的经纬仪，建立测量站，标定天线棱镜坐标系与扫描仪坐标系的物理关系。

5、进一步地，扫描仪的物理坐标系通过经纬仪对靶标点标定建立，之后，将转换矩阵 rx输出。

6、进一步地，天线电轴矢量在天线棱镜坐标系中的表示由下式表示

7、(1)

8、其中，为天线棱镜坐标系下的电轴矢量，，，为 x，y，z轴三个方向的坐标，通过下式计算得到：

9、(2)

10、其中，为3×3旋转变换矩阵，为平移变换矩阵，为靶标运动坐标系中的指向向量，定义齐次变换矩阵，齐次变换矩阵里同时包含了旋转和平移变换矩阵：

11、(3)

12、此处忽略平移变换矩阵，仅考虑角度关系，天线电轴矢量表示为：

13、(4)。

14、进一步地，天线整体为悬臂结构，试验时，卸载重力对天线结构变形。

15、进一步地，标定方法采用天线正、反标定的方式，天线俯仰轴 α、方位轴角度 β时，天线分别进行正向安装和反向安装，测量这两种安装状态时基准棱镜坐标系与天线棱镜坐标系之间的转换矩阵 m1和 m2；实验时，天线在达到指定角度后，保持通电状态，即使用保持力矩将天线位置固定。

16、进一步地，对标定数据进行解算；

17、以俯仰角、方位角为[ 0 , 0 ]作为基准，按照以下公式计算指向精度：

18、(5)

19、(6)

20、(7)

21、(8)

22、其中，、分别为正、反安装时天线在基准棱镜坐标系中的指向；为卸载重力后的天线指向；、为过渡矩阵；、为基准棱镜坐标系和天线棱镜坐标系两个坐标系转换矩阵； α、β分别为天线俯仰角度和方位轴角度；为 α、β时的指向精度偏差，为当俯仰角为 α、方位角为 β时，指向向量在基准棱镜坐标系的测量结果，为当俯仰角为0、方位角为0时，指向向量在基准棱镜坐标系的测量结果；为当俯仰角为 α、方位角为 β时，指向向量在基准棱镜坐标系的理论计算结果，为当俯仰角为0、方位角为0时，指向向量在基准棱镜坐标系的理论计算结果。

23、本发明提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种空间二维高频天线指向精度地面标定方法的步骤。

24、本发明提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种空间二维高频天线指向精度地面标定方法的步骤。

25、与现有方法相比，本发明方法具有有益效果：

26、本发明提出一种空间二维高频天线指向精度地面标定方法。通过光学标定与远场测试相结合的方法，获得天线的指向精度。该方法可消除地球重力对天线引起的变形影响，天线接近太空失重状态。该方法不受天线姿态及转角限制，可以较高精度（测量精度优于0.015°）实现任意俯仰角、方位角度下的测量。标定方法简单可行，易于实现，具有普适性。