用于修正三轴天线指向的方法和装置与流程

本发明一般地涉及无线电测控技术领域。更具体地，本发明涉及一种用于修正三轴天线指向的方法和装置。

背景技术：

目前，我国测控型卫星地面站一般采用两轴型卡塞格伦式抛物面天线，如图1(a)所示，该类型天线的重要特点是有比较成熟的标校方法，基于误差模型完成测角、测距、测速等数据校准，获得很高的测量精度，用于卫星的测定轨任务。但考虑到卫星测控主要工作于s频段，天线波束较宽，且两轴型天线的测量系和地平系二者是同一坐标系原点，因此利用相对精确的卫星轨道根数预报地平系下的天线指向角度，通过正割补偿即可得到测量系下的天线控制角度，从而保证天线的程序跟踪或数字跟踪要求。

近年来，随着地面站对测控与数传多功能一体化建设需求的提出，三轴抛物面天线成为可行的工程解决方案，该类型天线是在两轴天线的方位/俯仰轴基础上增加一个第三轴，即倾斜轴组合，工程上一般通过将两轴天线座架安装在一个可在水平面180°范围内转动、具有固定倾角的楔形转台上实现，如图1(b)所示。三轴天线的重要特点是通过第三轴倾斜避免了卫星过顶情况，满足了高速数传信号对连续跟踪与接收的要求。

然而，对于三轴天线而言，其测量系和地平系的原点不统一，同时考虑到高速数传接收任务一般工作在更高频段，例如x频段和ka频段，此时天线波束很窄，约为s频段的1/4～1/12，因此简单的正割补偿已无法满足三轴天线对高精度指向修正的要求，使得天线控制误差增大，导致目标偏离天线的3db波束，进而影响信号的正常接收，甚至是丢失信号。

根据现有文献中定义的抛物面天线角度误差模型，指向修正中由于模型自身包含测量系下的修正角度，且为该角度的三角函数，即求解公式实际为超越方程，使得模型无法直接解算。常规的超越方程解算方法则由于解算过程比较复杂，实时性较难保证，无法适用于连续的跟踪。

技术实现要素：

针对上述一个或多个技术问题，本发明面向高频段三轴天线指向修正问题，通过合理等效近似、提出实时在线递推的解决方案，满足了全空域实时和高精度的跟踪要求。

在一个方面中，本发明提供一种用于修正三轴天线指向的方法，包括：

根据轨道预报提供的测站地平系下目标位置并通过坐标变换，获得设备地平系下天线所设置的指向角度和设备测量系下天线引导角度的近似值；

通过修正计算，获得天线引导角度的近似值在设备地平系下的对应指向角度；以及

通过递推计算，并利用天线引导角度的近似值在设备地平系下的对应指向角度，获得设备地平系下天线所设置的指向角度在设备测量系下天线引导角度的精确值。

在一个实施例中，若天线的第三轴中心点定义o’点，天线的方位、俯仰轴、电轴等三轴的中心点定义为o”点，过o’点的垂线与过o”点的水平面之间的交点定义为o点，那么，测站地平系是以o点为原点的地平系，设备地平系是以o”点为原点的地平系，设备测量系则是以o”点为原点的坐标系，其具体定义如下所述：

●基本面：通过o”点且与三轴天线斜转台平行的平面；

●x轴：通过三轴中心指向基本面最高点方向；

●y轴：通过三轴中心的基本面法线方向，向上为正；

●z轴：与x、y轴成右手定则。

在一个实施例中，其中根据轨道预报提供的测站地平系下目标位置并通过坐标变换，获得设备地平系下天线所设置的指向角度包括通过下式(1)～(4)获得设备地平系下天线所设置的指向角度ag和eg：

t＝tc+t0(3)

θ＝θ0+δθ(4)

其中，[x、y、z]是根据轨道预报提供的测站地平系下的目标位置，[xg，yg，zg]是设备地平系下的目标位置；θ0和tc分别为o’o”在测站地平系下理论的倾斜角(即o’o”与o’o的夹角)和方位角，θ和t和分别为o’o”在测站地平系下实际的倾斜角和方位角，t0为t和tc之间的对应误差(即第三轴o’o”方位角零值误差)，δθ为θ和θ0之间的对应误差(即第三轴o’o”倾斜角零值误差)；t0和δθ通过事先标定获得，以便得到倾斜角和方位角的真值，即θ和t；h为o’o”的设计加工长度。

在一个实施例中，其中获得设备测量系下天线引导角度的近似值包括通过下式(5)～(6)来获得设备测量系下天线引导角度的近似值ac和ec：

其中，rc是三轴中心到目标的距离，ec天线电轴在设备测量系下的俯仰角，即天线电轴与基本面的夹角(向上为正)，ac是天线电轴在设备测量系下的方位角，天线电轴在基本面投影与x轴的夹角(顺时针为正)。

在一个实施例中，其中通过修正计算，获得天线引导角度的近似值在设备地平系下的对应指向角度包括：

通过下式(7)～(11)，获得天线引导角度的近似值ac和ec在设备地平系下的对应指向角度az和ez：

a^#＝ac+a0+δtgec+kbsecec(7)

e^#＝ec+e0+egcose+edcote(8)

az＝az+θmsin(az-am)*tanel(10)

ez＝el+θmcos(az-am)(11)式中，e＝ec+θ0cosac

其中，a0为天线系统方位角零位误差，e0是天线系统俯仰角零位误差，δ为天线方位轴与俯仰轴的不正交度，eg是重力下垂引起的俯仰误差系数，kb电轴与俯仰轴不匹配引起的方位误差，θm是天线座大盘不水平的最大值，am是天线座大盘不水平的最大值所处的方位角，ed是大气折射修正后的残差，上述系数通过事先标定获得，以便完成具体的修正计算；a^#和e^#分别为设备测量系下ac和ec对应修正方位/俯仰角零值误差、轴系误差后的天线电轴指向角；az和el分别为设备地平系下a^#和e^#对应修正第三轴方位角和倾斜角后的天线电轴指向角。

在一个实施例中，其中递推计算，并利用天线引导角度的近似值在设备地平系下的对应指向角度，获得设备地平系下天线所设置的指向角度在设备测量系下天线引导角度的精确值包括：

利用az和ez、以及ac和ec进行近似替换，通过下式(12)～(16)，获得设备地平系下天线所设置的指向角度ag和eg在设备测量系下天线引导角度的精确值acrg和ecrg：

abg＝ag-θmsin(az-am)*tanez(12)

ebg＝eg-θmcos(az-am)(13)

acrg＝acg-a0-δtgec-kbsecec(15)

ecrg＝ecg-e0-egcosel-rdcotel(16)

其中，abg和ebg分别为设备地平系下ag和eg对应引入大盘不水平误差后天线电轴引导角，ecg和acg分别为设备测量系下abg和ebg对应引入第三轴方位角和倾斜角后的天线电轴引导角。

在另一个方面中，本发明提供一种用于修正三轴天线指向的装置，包括：

处理器，

存储器，包括存储可由处理器执行的计算机指令，当所述计算机指令由所述处理器运行时，使得所述装置执行以下的操作：

根据轨道预报提供的测站地平系下目标位置并通过坐标变换，获得设备地平系下天线所设置的指向角度和设备测量系下天线引导角度的近似值；

通过修正计算，获得天线引导角度的近似值在设备地平系下的对应指向角度；以及

通过递推计算，并利用天线引导角度的近似值在设备地平系下的对应指向角度，获得设备地平系下天线所设置的指向角度在设备测量系下天线引导角度的精确值。

在另一个方面中，本发明提供一种计算机可读存储介质，包括用于修正三轴天线指向的计算机程序，当所述计算机程序由一个或多个处理器运行时，执行以下的操作：

根据地平系下目标位置并通过坐标变换，获得测量系下天线引导角度的近似值和地平系下天线所设置的指向角度；

通过修正计算，获得天线引导角度的近似值在地平系下的实际指向角度；以及

通过递推计算，获得地平系下天线所设置的指向角度在测量系下天线引导角度的精确值。

利用本发明的三轴天线高精度指向修正方法，能够满足高频段卫星测控及数传任务中，数字跟踪或程序跟踪对高精度指向的应用需求。

利用本发明的方案，保证了三轴天线高频段工作条件下实时、高精度地完成程序跟踪或数字跟踪。

附图说明

通过阅读仅作为示例提供并且参考附图进行的以下描述，将更好地理解本发明及其优点，其中：

图1(a)是示出现有技术的两轴型天线；

图1(b)是示出现有技术的三轴型天线；

图2是示出根据本发明实施例的定义三轴天线坐标原点的示意图；

图3是示出根据本发明实施例的用于修正三轴天线指向的方法的流程图；

图4是示出根据本发明实施例的利用x频段进行射电跟踪的接收电平结果；以及

图5是示出根据本发明实施例的利用x频段进行射电源扫描时的接收电平结果。

具体实施方式

本发明的技术方案总体上提供了一种三轴天线指向修正方法，结合实际工程物理含义对指向修正里的中间变量进行了合理可行的近似，提出了实时在线递推法的指向误差修正方法，完成了待解变量超越方程的实时解算，保证了三轴天线高频段工作条件下实时、高精度地完成程序跟踪或数字跟踪。

下面将从本发明的原理出发，并且相应地结合附图和图表来描述本发明的技术方案。

由于指向修正方法需要建立在给定坐标系和误差系数的基础上，因此下文将首先介绍三轴天线的相关基础定义，然后再阐述具体等指向修正方案。

1、三轴天线坐标系及误差系数定义

图2示出了三轴天线简化后的模型及对应等坐标系原点，其中，o’点为第三轴中心点，o”点为三轴中心点，即天线的方位、俯仰轴、电轴等三轴的中心点，o点为过o’点的垂线与过o”点的水平面之间的交点。据此定义，测站地平系是以o点为原点的地平系，设备地平系是以o”点为原点的地平系；在上述两个坐标系中，直角坐标和极坐标的定义与常规地平系保持一致。设备测量系则是以o”点为原点的坐标系，其具体定义如下所述：

●基本面：通过o”点且与三轴天线斜转台平行的平面；

●x轴：通过三轴中心指向基本面最高点方向；

●y轴：通过三轴中心的基本面法线方向，向上为正；

●z轴：与x、y轴成右手定则；

●斜距rc：三轴中心到目标的距离；

●方位角ac：天线电轴在基本面投影与xc轴的夹角，顺时针为正；

●俯仰角ec：天线电轴与基本面的夹角，向上为正。

在图2中，tc为第三轴的方位角(对应于第三轴在大地水平面的投影与正北方向的夹角)，θ0为第三轴的倾斜角(对应于第三轴o’o”与o’o的夹角)，h为第三轴的长度。工程上，θ0一般为固定倾斜角，在天线安装后保持不变。

基于文献中两轴根据误差系数的定义、并结合工程经验，三轴天线误差系数为[a0、θm、am、δ、kb、e0、eg、ed、to、δθ]，其中，a0表示天线系统方位角零位误差，θm表示天线座大盘不水平的最大值，am表示天线座大盘不水平的最大值所处的方位角，δ表示天线方位轴与俯仰轴的不正交度，kb表示电轴与俯仰轴不匹配引起的方位误差，e0表示天线系统俯仰角零位误差，eg表示重力下垂引起的俯仰误差系数，ed表示大气折射修正后的残差，to表示第三轴方位角零值误差，δθ表示第三轴倾斜角零值误差。上述系数通过事先标定获得，以便完成具体的修正计算。

2、三轴天线指向修正方法

为便于指向修正方法的表述，首先提出如下定义：

●ag和eg：数引/程引工作方式中，设备地平系下的方位设置角度和俯仰设置角度；

●acrg和ecrg：数引/程引工作方式中，设备测量系下的电轴方位引导角度和俯仰引导角度。

指向修正的目标就是根据数引或程引工作方式中，天线在设备地平系下所设置的指向位置ag和eg，通过计算得到天线在设备测量系下应设置的指向角度acrg和ecrg，即天线的精确控制量，引导天线指向预定位置。

下面将结合图3来描述本发明的修正过程。

图3是示出根据本发明实施例的用于修正三轴天线指向的方法的流程图。如图所示，在步骤s301中，根据轨道预报提供的测站地平系下目标位置并通过坐标变换，获得设备地平系下天线所设置的指向角度和设备测量系下天线引导角度的近似值。在步骤s302中，通过修正计算，获得天线引导角度的近似值在设备地平系下的对应指向角度。在步骤s303中，通过递推计算，并利用天线引导角度的近似值在设备地平系下的对应指向角度，获得设备地平系下天线所设置的指向角度在设备测量系下天线引导角度的精确值。

下面将在图3所示步骤的基础上对具体的操作步骤进行详细的描述。

步骤一：初始计算，得到天线引导角度的近似值

通过初始计算，基于数字引导工作模式下，中心向设备提供的测站地平系下目标位置[x、y、z]，根据式(1)～(4)所示的坐标变换，得到设备地平系下天线所设置的指向角度ag和eg：

t＝tc+t0(3)

θ＝θ0+δθ(4)

其中，[xg，yg，zg]是设备地平系下的目标位置；θ和t和分别为o’o”在测站地平系下实际的倾斜角和方位角，为对应的理论值与误差系数之和。

在不考虑三轴天线的误差系数的条件下，根据式(5)～(6)所示的坐标变换，直接得到设备测量系下天线引导角度的近似值ac和ec：

其中，rc是三轴中心到目标的距离。

步骤二：修正计算，得到天线实际指向角度

通过修正计算，得到天线引导角度的近似值ac和ec在设备地平系下的对应指向角度az和ez，用于步骤三中相关变量的等效近似，具体过程如式(7)～(11)所示：

a^#＝ac+a0+δtgec+kbsecec(7)

e^#＝ec+e0+egcose+edcote(8)

az＝az+θmsin(az-am)*tanel(10)

ez＝el+θmcos(az-am)(11)式中，e＝ec+θ0cosac。其中，a^#和e^#分别为设备测量系下ac和ec对应修正方位/俯仰角零值误差、轴系误差后的天线电轴指向角；az和el分别为设备地平系下a^#和e^#对应修正第三轴方位角和倾斜角后的天线电轴指向角。

步骤三：递推计算，得到天线引导角度的精确值

通过递推计算，得到ag和eg在设备测量系下天线引导角度的精确值acrg和ecrg，依据抛物面天线的角度误差模型具体过程如式(12)～(16)所示：

abg＝ag-θmsin(abg-am)*tanebg(12)

ebg＝eg+θmcos(abg-am)(13)

acrg＝acg-a0-δ.tgecrg-kbsececrg(15)

ecrg＝ecg-eo-egcose-edcote(16)

式中，e＝ecrg+θ0cosacrg。其中，abg和ebg分别为设备地平系下ag和eg对应引入大盘不水平误差后天线电轴引导角，ecg和acg分别为设备测量系下abg和ebg对应引入第三轴方位角和倾斜角后的天线电轴引导角。

经分析可知，式(12)和(13)是abg和ebg超越方程，式(15)和(16)是acrg和ecrg超越方程，它们均无法直接求解。考虑到天线当前近似指向ac和ec是基于ag和eg在不考虑天线角度误差的基础上，直接进行坐标变换得到的，因此步骤二中所得指向数据应该近似等于式(7)～(11)中引入误差系数后所得相应的指向数据。因此，根据物理定义的一致性，分别用az和ez替代abg和ebg，用ac和ec替代acrg和ecrg，且考虑el与e近似相等，将他们分别替换等式右侧对应的变量，使得超越方程简化为一般等式，即式(17)～(20)所示：

abg＝ag-θmsin(az-am)*tanez(17)

ebg＝eg-θmcos(az-am)(18)

acrg＝acg-a0-δtgec-kbsecec(19)

ecrg＝ecg-e0-egcosel-edcotel(20)

至此，计算得到测量系下的天线引导角度acrg和ecrg。同时，根据数引模式下每一点的轨道预报值，利用分别利用上述步骤完成实时递推计算，从而控制天线实时随动目标，完成天线的数字跟踪或程序跟踪。

通过上述的描述，可以理解的是本发明基于常规抛物面天线的角度误差模型，面对指向误差修正中所面临的超越方程解算问题，结合实际工程物理含义对中间变量进行了合理、可行的近似，提出了实时在线递推的三轴天线指向误差修正方法，实现了各修正变量直接计算，从而保证了实时、高精度完成三轴天线高频段工作条件下的数字跟踪或程序跟踪。

下面将结合具体的工程场景来进一步描述本发明的实施方案。可以理解本发明的方案主要包括三轴天线主要指标设计和三轴天线指向误差修正，并对修正后的指向误差进行验证。

1、三轴天线主要指标设计

本小节主要依据三轴天线的方案设计，提出三轴天线的主要指标，作为工程实施的边界条件，同时本发明在此仅列举与角度误差标校相关的参数设计，具体如下：

a)天线形式：抛物面天线。

b)天线口径：12m。

c)工作频率：x频段，7750mhz～9000mhz。

d)3db波束宽度：0.22×(1±10％)°，f0＝8.00ghz。

e)第三轴倾斜角θ：7°。

f)第三轴o’o”长度：3759.7mm；

g)三轴天线误差系数[a0、θm、am、δ、kb、e0、eg、ed、to、δθ]：[-0.307、-0.012、69.889、-0.003、0.173、0.001、-0.015、-0.005、0.121、0.131]

2、三轴天线指向误差修正

基于本发明所提技术方案，三轴天线指向误差修正的主要步骤如下：

第一步：天线工作模式设置为数字引导，由设备接收中心提供的地平系下目标位置[x、y、z]t＝t0～t，其中t为目标位置对应的时刻，t0为跟踪起始时间，t为跟踪结束时间。采取一定的内插算法，例如线性插值，得到天线所需更新率的预报位置[x、y、z]i，i表示第i个预报点；

第二步：根据技术方案中所述的修正方案得到每个[x、y、z]i对应的天线引导角度[acrg、ecrg]i；

第三步：分别利用[acrg、ecrg]i引导天线完成数字跟踪。

3、天线指向修正精度验证

本发明利用对射电星的实际跟踪来验证所提指向修正方法的有效性及精度，选用仙后座作为跟踪的射电源。具体过程包括：在天线控制设备中首先加载三轴天线十项误差系数；然后根据上述修正过程，分别引导天线对射电星进行数字跟踪，依次对比采取指向修正和不采取指向修正情况下的接收电平变化量；最后，以修正后的跟踪位置，分别进行方位俯仰方向的对称扫描，对比接收电平变化量。

数字跟踪时的测试结果如图4所示，其中横坐标为时间轴，纵坐标为天线接收电平，23∶10∶30～23∶10∶52之间为未采取指向修正的接收电平，23∶10∶55～23∶12∶10之间为采取指向修正后的接收电平。根据接收电平情况，指向修正后明显高于未修正情况，因此可以认为指向修正精度提升效果明显。

在数字跟踪基础上，以指向修正数据为中心，分别进行方位轴和俯仰轴扫描，扫描范围为±0.1°。测试结果如图5所示，其中，横纵坐标轴的定义与数字跟踪一致，23∶15∶20～23∶15∶50之间为方位轴扫描情况下的接收电平，23∶15∶55～23∶16∶10为方位扫描回零后、指向修正位置时的接收电平，23∶16∶20～23∶16∶50之间为俯仰轴扫描情况下的接收电平。根据测试结果可以发现所，对应最大接收电平与指向修正后的接收电平相当，从而进一步证明修正后的天线指向已准确指向目标位置，即验证了天线指向的高精度。

虽然本发明所实施的方式如上，但所述内容只是为便于理解本发明而采用的实施例，并非用以限定本发明的范围和应用场景。任何本发明所述技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。