三軸天線角度零值標校方法

摘 要：三軸天線是低軌衛星數據接收站最常用的天線結構形式，根據三軸天線的結構特點，本文詳細介紹了有標校塔和沒有標校塔兩種情況下，三軸天線角度零值標校的方法與步驟，為工程實踐提供理論依據。

關鍵詞：三軸天線；角度零值；天線標校

中圖分類號：TN830 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）33-0307-02

1 引 言

三軸天線是低軌衛星數據接收站最常用的天線結構形式，角度零值標定的精度對于可靠捕獲衛星至關重要。但在安裝現場，要準確標定三軸天線的角度零值有一定的技術難度，其根本原因是由于傾斜軸的存在，天線方位零值很難標定。特別是安裝現場沒有標校塔時，天線角度零值標定就更加困難。下面分別給出在有標校塔和沒有標校塔兩種情況下，三軸天線角度零值標校的解決方案。

2 極坐標系的定義

三軸天線具有多種結構形式，本文所說的三軸天線特指傾斜軸可以在360°范圍內任意轉動的方位俯仰型天線。假設傾斜軸的傾角是θ，目標在天線測量坐標系內的角位置用Ac、Ec、Tc表示，在地平極坐標系的角位置用Az、El示。各個角坐標的定義如圖1所示。

測量系方位角Ac：定義為天線電軸在斜轉臺平面的投影與斜轉臺高低點連線之間的夾角，順時針為正；

測量系俯仰角Ec：定義為天線電軸與斜轉臺平面之間的夾角，向上為正；

傾斜軸方位角Tc：定義為斜轉臺高低兩點連線在水平面投影與真北方向之間的夾角，順時針為正；

大地系方位角Az：定義為天線電軸在大地水平面投影與真北方向之間的夾角，順時針為正；

大地系俯仰角El：定義為天線電軸與大地水平面之間的夾角，向上為正；

根據大地極坐標系和測量系極坐標系的定義，測量坐標系通過兩次坐標旋轉就與大地坐標系重合，其相互關系可用式（1）表示的數學模型表示。

由式（2）可以得到：

sin El=sinθcosEc cosAc+cosθsinEc（2）

3 借助標校塔標定三軸天線角度零值

三軸天線角度零值現場標定的前提條件是出廠前對斜轉臺的傾斜角θ要事先測量，現場安裝后對方位、俯仰軸的光學零值要初步標定，然后，按照如下步驟標定角度零值。

（1）驅動天線方位到方位光學零位位置，方位角度標定為零；

（2）保持天線方位在零位置不動，轉動天線俯仰軸和傾斜軸，對準信標；用天線方位軸、俯仰軸跟蹤信標；

（3）保持方位、俯仰自跟蹤，微調傾斜軸，使方位角度輸出為零；記錄俯仰角度輸出Ecz；

（4）傾斜軸保持不動，方位旋轉180°，俯仰旋轉160～190°（取決于信標的高度），找到信標，天線方位保持在180°，俯仰軸單軸自跟蹤信標，記錄俯仰角度輸出Ecf；

（5）根據（3）（4）的測量結果，用正倒鏡標定算法修正俯仰角度零值，修正量見式（3）；

（6）天線系統恢復正鏡方式工作，方位、俯仰自跟蹤，微調傾斜軸，使方位角度輸出為零，記錄此時信標的大地仰角E；

（7）保持方位、俯仰自跟蹤，轉動傾斜軸，使方位角度輸出為某一角度值，例如5°。讀測量系的角度值Ac、Ec，按式（2）計算信標的大地仰角El（一般情況下，天線控制單元已經計算好，并顯示在窗口上）。根據式（4）計算出方位零值的偏差量ΔAc并修正方位角度零值。也可以使方位在幾個不同位置進行測量，得到幾個方位零值偏差量，求其平均值修正；

（8）驅動天線方位到達新的零點位置，重復（2）～（7）兩到三次，觀察E和El的差值滿足精度要求時，天線方位、俯仰軸的零值標定就完成了；

（9）用方位軸、俯仰軸跟蹤信標，緩慢調整傾斜軸位置，使方位編碼器輸出為零，查閱標校塔的大地方位角Az，用Az修正傾斜軸的角度零值。

4 利用太陽標定三軸天線角度零值

用于遙感衛星數據接收的天線系統大都配置了S頻段跟蹤鏈路，當安裝現場沒有標校塔時，可以借助于太陽軌道精確已知的特點，通過跟蹤太陽實現角度零值的標定。用太陽標定角度零值，比用標校塔標定要復雜一些。

（1）驅動天線方位位置到方位光學零位位置，方位角度標定為零。

（2）保持天線方位在零位置不動，轉動天線俯仰軸和傾斜軸，對準太陽，并用天線俯仰軸和方位軸跟蹤太陽。

（3）俯仰軸、方位軸保持跟蹤太陽，手動微調傾斜軸，使方位角度輸出為零，查閱當前時刻太陽的仰角，標定俯仰零值。測量系的俯仰角度El等于當前時刻太陽的仰角減去斜轉臺的傾斜角（也可以用正倒鏡的方法標定俯仰角度零值，由于太陽在不斷的移動，俯仰角度零值修正量計算公式與式（3）稍有不同）。

（4）保持天線俯仰軸、方位軸跟蹤太陽，緩慢轉動傾斜軸，使天線方位角度輸出3°左右，讀測量系的角度置Ac、Ec，查閱當前時刻太陽的仰角E，由式（2）計算測量到的太陽大地仰角El，并根據式（4）計算出方位零值的偏差量。繼續調整傾斜軸，使天線方位輸出分別為5°、10°，讀相應時刻測量系的角度置Ac、Ec，按同樣的方法分別計算方位零值的偏差量。計算三個方位零值偏差量的平均值進行方位零值的修正。

（5）驅動天線方位到達新的零點位置，重復（2）、（3）、（4）兩到三次，觀察E和El的差值滿足精度要求時，天線方位、俯仰軸的零值標定就完成了。

（6）保持方位軸、俯仰軸跟蹤太陽，緩慢調整傾斜軸位置，使方位編碼器輸出為零，查閱當前時刻太陽的方位位置Az和俯仰位置El，用Az修正傾斜軸角度零值，用El校核俯仰角度零值。

5 結束語

文章中介紹的角度零值標定方法在某三軸天線安裝現場進行了應用，標校效率很高，大約在1h左右就可以完成，效果良好。借助標校塔標定三軸天線角度零值時，無法檢驗傾斜軸傾角θ的準確性，但利用太陽標定三軸天線角度零值時，如果需要，可以進一步檢驗傾斜軸傾角θ的準確性。表1是一組利用太陽循環兩次標定三軸天線角度零值后，跟蹤太陽的數據記錄。由此可以算出用文中給出的方法標定后的指向精度是0.006°，這樣的精度對遙感衛星數據接收站足夠用了。如果天線控制單元軟件配置了俯仰軸和傾斜軸的跟蹤模式，利用太陽標校角度零值操作起來會更方便一些。

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收稿日期：2018-10-9

作者簡介：潘 蒨（1973-），女，碩士，畢業于西北工業大學，中國電子科技集團公司第三十九研究所測控事業部高工，從事雷達系統及伺服控制工作。