射電望遠鏡天線的指向精度測量系統設計

曹艷東，張 旭

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

射電望遠鏡天線與其他類型天線最主要的區別是口徑大、采用程序引導的開環跟蹤方式。對建造者而言，需要一些特殊的設計和調整手段保證天線的高精度指向要求，同時也需要適當的測量方法測量出天線的指向精度，以客觀衡量建造完成后的天線指向能力。

傳統測量天線的指向精度有信標塔法、衛星法和經緯儀法［1］。信標塔和衛星法只能測量天線在某1個或某幾個位置的指向能力，經緯儀法測出的是天線機械軸的指向性［2］。這些測量方法只適合小口徑天線的測量標定，對于射電望遠鏡天線而言，已經無法精確滿足測量要求。

針對射電天文望遠鏡的特點和傳統測量方法的局限性，本文設計了采用射電星法的天線指向精度測量系統，借助于計算機強大的計算、存儲和處理能力，方便、快捷、高效地完成天線指向精度的測量。

1 測量原理

掃描和跟蹤是指向精度測量的基本過程，下面以方位軸掃描為例描述測量原理。

在測量時，控制天線俯仰執行跟蹤、方位以高于射電星的運動速度轉過一定角度，天線所接收的射電星信號功率P隨時間T的變化如圖1所示。

圖1 掃描過程

在掃描過程中，信號接收功率最大為P1，即認為t2時刻天線精確指向了射電星，此時可以讀出天線方位實際角度A0，根據信號最大時刻t2可以計算出天線方位理論角度A1，通過計算實際角度和理論角度之差，即可得出天線方位的指向誤差。

對不同天區、不同仰角的指向誤差進行測量，即可得到多組指向誤差數據。采用均方根法對這些數據進行計算統計，即可得出天線的指向精度。

天線方位(俯仰)單軸的指向精度為:

式中，σPA(E)為方位(俯仰)指向精度;ΔA(ΔE)i為方位(俯仰)指向測量誤差;n為測量次數。

天線總的指向精度為:

式中，σP為天線總的指向精度;σPA為方位指向精度;σPE為俯仰指向精度。

2 系統設計

射電望遠鏡天線指向精度測量系統基于計算機控制的測量、記錄和處理系統，由硬件和軟件2個部分組成。硬件部分主要負責信號的接收和轉換，軟件則執行整個測量過程的控制以及數據的記錄和處理。

2.1 硬件組成

根據測量需要，系統硬件主要由天伺饋分系統、信號傳輸處理分系統和測量控制分系統［4，5］3個分系統組成。系統組成及接口關系如圖2所示。

圖2 硬件組成

天伺饋分系統主要由天線和饋源、方位和俯仰驅動、伺服控制計算機組成。天線和饋源是電磁波的接收和轉換裝置，負責將接收的電磁波轉換為同頻高頻功率信號［1］。方位和俯仰驅動是天線的轉動執行機構，伺服控制計算機是天線轉動和位置閉環的控制機構。

信號傳輸處理分系統由低噪聲放大器、下變頻器和功率計組成。由于天線所接收的信號微弱，為了減少傳輸損耗，從饋源輸出的X波段射頻信號首先經放大器放大后進入下變頻器，下變頻器將信號變換為L頻段信號送入功率計。功率計能對所輸入帶內的信號進行譜密度分析和處理，通過USB接口輸出信號功率值，供測量計算機記錄和處理使用。

測量控制分系統由測量計算機和時碼器組成。時碼器通過IRIG-B接口輸出精確的協調世界時給測量計算機和天線控制計算機。測量計算機有3項主要功能:①坐標轉換，即根據射電星赤經、赤緯坐標值和當前時間計算得出天線的理論目標角度［3］;② 通過網絡接口控制天線執行測量過程;③進行測量過程的數據記錄和后續的分析和處理。

2.2 軟件組成

測量控制分系統中的測量軟件是整個測量系統的核心。一方面利用時間和射電星坐標值計算天線目標角度，發送給天線控制計算機引導天線跟蹤，另一方面實時查詢功率計解調出的信號強度，同時將天線角度和信號強度信息以文件方式保存到磁盤中。按照結構化設計方法，指向精度測量軟件共分為4個模塊:狀態采集和記錄、坐標轉換、指向控制和數據處理。其中狀態采集和記錄模塊由天線、時間、功率信息采集和記錄3個單元組成;坐標轉換模塊由章動歲差改正、恒星時計算和地平角度計算3個單元組成;指向控制由跟蹤、偏開、掃描3個單元組成，數據處理模塊由數據提取和指向精度計算2個單元組成。指向精度測量軟件組成如圖3所示。

圖3 軟件組成

3 測量過程和結果分析

指向精度的測量分為誤差測量和數據處理2個步驟，這2個過程都由測量計算機自動控制完成。

在誤差測量開始前，人工選定好測量所使用的射電星、設定好掃描寬度和掃描周期等參數后，即可控制測量計算機自動執行掃描。在天線掃描過程中，測量計算機自動采集功率計的功率值、天線的方位和俯仰角度、當前UTC時間并以100 ms的周期實時保存到指定文件中。

掃描結束后，計算機自動啟動數據處理功能，在記錄的數據文件中查找功率極值來確定天線精確對準射電星的時刻和天線實際指向角度，再根據對準時間和射電星坐標計算天線的理論目標角度。實際指向角度和理論目標角度做差，得出一組指向誤差數據，保存到誤差數據文件中。

通過選取合適的射電星和時間，可以測得天線在不同天區、不同仰角下的指向誤差數據［6］。在經過大量的誤差測量和數據積累后，就可以采用式(1)和式(2)的數理統計計算方法準確得出天線的指向精度。

在國內的50 m和40 m口徑射電望遠鏡中，運行該方法對指向精度進行了測量。50 m天線選用3C405、3C144和3C273B三個射電星測得了180組指向誤差數據，計算得出指向精度為16.8"，與設計理論值19"基本吻合。40 m天線選用 DA193、3C274和3C461三個射電星測得了120組指向誤差數據，計算得出指向精度為30.5"，與設計理論值30"基本吻合。測量結果表明該測試系統和方法正確、可信。

4 結束語

射電天文望遠鏡天線有其獨特的工作特點，基于射電星的測量方法和測試系統很好地解決了傳統指向精度測量方法不全面、不準確的弊端。該系統采用的自然天體—射電星作為輻射源的方法，可以取代遙感、測控類天線通過信標塔進行標校和測試的傳統方法，也可以廣泛應用到中、大口徑的衛星通信、遙感、測控天線的指向精度測量和初始角度標定工作中，具有重要的工程應用價值。

［1］沈民誼，蔡振遠.衛星通信天線、饋源、跟蹤系統［M］.北京:人民郵電出版社，1993.

［2］程景全.天文望遠鏡原理和設計［M］.北京:中國科學技術出版社，2003.

［3］馬文章.球面天文學［M］.北京:北京師范大學出版社，1995.

［4］ ROHLFS K，WILSON T L.Tools of Radio Astronomy［M］.New York:Third Revised and Enlarged Edition.Springer-Verlag Berlin Heidelberg，2000.

［5］ LENA P， LEBRUN F， MIGNARD F.Observational Astrophysics［M］.New York:SecondRevisedand Enlarged Edition. Springer - Verlag Berlin Heidelberg，1998.

［6］王小強，秦順友.利用仙后座A測量16m天線G/T值及誤差分析［J］. 無線電工程，2009，39(11):50-52.