CN113340326A - 一种适用于三轴天线的外测数据修正方法 - Google Patents

一种适用于三轴天线的外测数据修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于三轴天线的外测数据修正方法,通过坐标系转换,分别在测量系和地平系下对天伺馈产生的实时测量角度值及测控基带产生的实时测距值进行误差修正,最后将修正后的三轴天线外测数据统一转换为地平系测量值送往测控中心,解决了三轴天线斜转台带来的误差影响,实现了三轴天线对卫星的高精度全空域跟踪。

Description

一种适用于三轴天线的外测数据修正方法
技术领域
本发明属于航天测量与控制技术领域,涉及一种适用于三轴天线的外测数据修正方法。
背景技术
测运控综合设备主要用于低轨卫星的高精度跟踪和遥感卫星的数据接收。带有斜转台的三轴天线是测运控综合设备目前主要采用的天线结构,通过第三轴斜转台可以实现天线对任意轨道倾角卫星的全空域无盲区的高精度跟踪。但第三轴误差项对外测数据精度影响较大,因此在设备正常跟踪后,需要对外测数据进行误差修正,才能向测控中心发送。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于三轴天线的外测数据修正方法,解决了现有技术中存在的误差项对外测数据精度影响较大的问题。
本发明所采用的技术方案是,一种适用于三轴天线的外测数据修正方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1、测量系下误差项修正;第三轴误差修正;
步骤2、利用测量系下修正后的方位角、俯仰角、第三轴方位角和第三轴倾斜角进行坐标系转换;
步骤3、利用步骤2转换的坐标进行地平系下误差项修正;
步骤4、利用修正的地平系下误差项进行坐标转换;利用转换后的坐标进行测距数据实时修正,完成三轴天线的外测数据修正。
本发明的特点还在于:
步骤1中测量系下误差项修正具体按照以下实施:利用公式(1-1)和(1-2)对天线当前测得的方位角和俯仰角进行轴角编码器零值误差、方位与俯仰轴不正交误差、电轴与俯仰轴不正交误差和天线重力下垂误差修正,得到测量系下修正后的方位角A#和俯仰角E#为:
A#=Ac+A0+δ.tgEc+Kb secEc (1-1)
E#=Ec+E0+Eg cos E (1-2)
式中:
E=Ec0cos Ac
其中:Ac为天线当前方位角测量值;Ec为天线当前俯仰角测量值;A0为轴角编码器方位角零值误差;E0为轴角编码器俯仰角零值误差;δ为天线方位轴与俯仰轴的不正交度;Kb为天线电轴与俯仰轴不正交引起的方位误差;Eg为重力下垂引起的俯仰误差系数;θ0是斜转台倾斜角理论值。
步骤1中第三轴误差修正具体按照以下实施:利用公式(1-3)、(1-4)对天线在当前位置的第三轴方位角误差和第三轴倾斜角误差进行修正,得到修正后的第三轴方位角T和第三轴倾斜角θ为:
T=Tc+T0 (1-3)
θ=θ0+△θ (1-4)
其中:Tc是斜转台方位角编码器读数;T0是斜转台方位角零值误差;θ0是斜转台倾斜角理论值;△θ是斜转台倾斜角误差。
步骤2具体按照以下实施:用公式(1-5)进行测量系坐标到测站地平系坐标转换;把测量系下修正后的方位角A#、俯仰角E#、第三轴方位角T和第三轴倾斜角θ带入坐标变换表达式,得到天线当前指向在测站地平系坐标下的方位角Az和俯仰角El为:
Figure BDA0003137983270000031
步骤3具体按照以下实施:在测站地平系下进行大盘不水平误差修正和大气折射误差修正,得到天线当前指向在测站地平系下修正后的方位角Az和俯仰角Ez为:
Az=Az+θM sin(Az-AM)*tan El (1-6)
Ez=El+θM cos(Az-AM)+Ed cot El (1-7)
其中:θM为天线座大盘不水平的最大值,AM为天线座大盘不水平的最大值所处的方位角,Ed为大气折射率。
步骤4具体按照以下实施:Az、Ez是目标在测站地平系以三轴中心O″为原点的角度真值,要得到地平坐标系以O点为统一原点的角度真值,需要进行一次坐标平移变换,且需要实时的测距信息R;在地平系坐标下将Az、Ez坐标原点O″平移到坐标原点O,得到以O为坐标原点修正后的测站地平系的测角值Agz和Egz为:
Figure BDA0003137983270000032
Figure BDA0003137983270000033
Figure BDA0003137983270000034
其中:Az为目标在测站地平系下以三轴中心O″为原点的方位角,Ez为目标在测站地平系下以三轴中心O″为原点的俯仰角,R为三轴中心到目标的距离,T为第三轴方位角,θ为第三轴的倾斜角,h为三轴中心到斜转台中心的直线距离;
方位角Agz和俯仰角Egz即为误差修正后天伺馈发送给中心的测量角度值;
在修正过程中,测控基带需要向天伺馈实时送出测距信息R,天伺馈需要向测控基带实时发送测角信息Az、Ez,完成三轴天线的外测数据修正。
步骤4中实时的测距信息R的修正方法为:在修正过程中,天伺馈向测控基带实时送出目标在地平系以三轴中心O″为原点修正后的方位角Az、俯仰角Ez和第三轴方位角T;基带按公式(1-11)得到修正后的测站地平直角坐标系:
Figure BDA0003137983270000041
其中:θ为斜转台的倾角,h为三轴中心到斜转台中心的直线距离,R为基带实时测量的三轴中心O″的测距值;
则测控基带发送给中心的修正后的测距数据R#为:
Figure BDA0003137983270000042
本发明的有益效果是:本发明一种适用于三轴天线的外测数据修正方法,解决了现有技术中存在的误差项对外测数据精度影响较大的问题。与方位俯仰两轴天线相比,三轴天线由于斜转台的影响,无法在同一坐标系下完成所有误差项的修正。通过坐标系转换,分别在测量系和地平系下对天伺馈产生的实时测量角度值和测控基带分***产生的实时测距值进行误差修正,最后将修正后的三轴天线外测数据转换为地平系测量值送往测控中心。可以提高三轴天线的外测数据精度,解决第三轴斜转台带来的误差影响,进一步提高航天测控***的卫星定轨精度,实现对卫星的高精度跟踪。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种适用于三轴天线的外测数据修正方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1、测量系下误差项修正;第三轴误差修正;
步骤1中测量系下误差项修正具体按照以下实施:利用公式(1-1)和(1-2)对天线当前测得的方位角和俯仰角进行轴角编码器零值误差、方位与俯仰轴不正交误差、电轴与俯仰轴不正交误差和天线重力下垂误差修正,得到测量系下修正后的方位角A#和俯仰角E#为:
A#=Ac+A0+δ.tgEc+Kb secEc (1-1)
E#=Ec+E0+Eg cos E (1-2)
考虑到第三轴斜转台倾斜角(7°)较小,式中:
E=Ec0cos Ac
其中:Ac为天线当前方位角测量值;Ec为天线当前俯仰角测量值;A0为轴角编码器方位角零值误差;E0为轴角编码器俯仰角零值误差;δ为天线方位轴与俯仰轴的不正交度;Kb为天线电轴与俯仰轴不正交引起的方位误差;Eg为重力下垂引起的俯仰误差系数;θ0是斜转台倾斜角理论值。
步骤1中第三轴误差修正具体按照以下实施:利用公式(1-3)、(1-4)对天线在当前位置的第三轴方位角误差和第三轴倾斜角误差进行修正,得到修正后的第三轴方位角T和第三轴倾斜角θ为:
T=Tc+T0 (1-3)
θ=θ0+△θ (1-4)
其中:Tc是斜转台方位角编码器读数;T0是斜转台方位角零值误差;θ0是斜转台倾斜角理论值;△θ是斜转台倾斜角误差。
步骤2、利用测量系下修正后的方位角、俯仰角、第三轴方位角和第三轴倾斜角进行坐标系转换;。三轴天线由于斜转台的影响,所有的误差修正项无法在同一个坐标系下完成修正,误差修正过程中需要进行坐标系转换。
步骤2具体按照以下实施:用公式(1-5)进行测量系坐标标(坐标原点为天线方位轴、俯仰轴和电轴中心点O″)到测站地平系坐标转换(坐标原点仍为天线三轴中心O″);把测量系下修正后的方位角A#、俯仰角E#、第三轴方位角T和第三轴倾斜角θ带入坐标变换表达式,得到天线当前指向在测站地平系坐标下的方位角Az和俯仰角El为:
Figure BDA0003137983270000061
步骤3、利用步骤2转换的坐标进行地平系下误差项修正;
步骤3具体按照以下实施:在测站地平系下进行大盘不水平误差修正和大气折射误差修正,得到天线当前指向在测站地平系下修正后的方位角Az和俯仰角Ez为:
Az=Az+θM sin(Az-AM)*tan El (1-6)
Ez=El+θM cos(Az-AM)+Ed cot El (1-7)
其中:θM为天线座大盘不水平的最大值,AM为天线座大盘不水平的最大值所处的方位角,Ed为大气折射率。
步骤4、利用修正的地平系下误差项进行坐标转换;利用转换后的坐标进行测距数据实时修正,完成三轴天线的外测数据修正。
步骤4具体按照以下实施:Az、Ez是目标在测站地平系以三轴中心O″(方位轴、俯仰轴和电轴中心点)为原点的角度真值,要得到地平坐标系以O点(测角、测距坐标原点)为统一原点的角度真值,需要进行一次坐标平移变换,且需要实时的测距信息R;在地平系坐标下将Az、Ez坐标原点O″平移到坐标原点O,得到以O为坐标原点修正后的测站地平系的测角值Agz和Egz为:
Figure BDA0003137983270000071
Figure BDA0003137983270000072
Figure BDA0003137983270000073
其中:Az为目标在测站地平系下以三轴中心O″为原点的方位角,Ez为目标在测站地平系下以三轴中心O″为原点的俯仰角,R为三轴中心到目标的距离,T为第三轴方位角,θ为第三轴的倾斜角,h为三轴中心到斜转台中心的直线距离;
方位角Agz和俯仰角Egz即为误差修正后天伺馈发送给中心的测量角度值;
在修正过程中,测控基带需要向天伺馈实时送出测距信息R,天伺馈需要向测控基带实时发送测角信息Az、Ez,完成三轴天线的外测数据修正。
步骤4中实时的测距信息R的修正方法为:在修正过程中,天伺馈向测控基带实时送出目标在地平系以三轴中心O″(即方位轴、俯仰轴和电轴中心点)为原点修正后的方位角Az、俯仰角Ez和第三轴方位角T;基带按公式(1-11)得到修正后的测站地平直角坐标系:
Figure BDA0003137983270000081
其中:θ为斜转台的倾角,h为三轴中心到斜转台中心的直线距离,R为基带实时测量的三轴中心O″的测距值;
则测控基带发送给中心的修正后的测距数据R#为:
Figure BDA0003137983270000082
本发明一种适用于三轴天线的外测数据修正方法,适用于带有斜转台的三轴天线的外测数据修正。该方法可以提高三轴天线的外测数据精度,进一步提高航天测控***的卫星定轨精度。针对第三轴斜转台造成的三轴天线外测数据误差项无法在同一坐标系下修正的问题,通过坐标系转换,分别在测量系和地平系下对天伺馈产生的实时测量角度值及测控基带产生的实时测距值进行误差修正,最后将修正后的三轴天线外测数据统一转换为地平系测量值送往测控中心,解决了三轴天线斜转台带来的误差影响,实现了三轴天线对卫星的高精度全空域跟踪。
本发明一种适用于三轴天线的外测数据修正方法,解决了现有技术中存在的误差项对外测数据精度影响较大的问题。与方位俯仰两轴天线相比,三轴天线由于斜转台的影响,无法在同一坐标系下完成所有误差项的修正。通过坐标系转换,分别在测量系和地平系下对天伺馈产生的实时测量角度值和测控基带分***产生的实时测距值进行误差修正,最后将修正后的三轴天线外测数据转换为地平系测量值送往测控中心。可以提高三轴天线的外测数据精度,解决第三轴斜转台带来的误差影响,进一步提高航天测控***的卫星定轨精度,实现对卫星的高精度跟踪。

Claims (7)

1.一种适用于三轴天线的外测数据修正方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施:
步骤1、测量系下误差项修正;第三轴误差修正;
步骤2、利用测量系下修正后的方位角、俯仰角、第三轴方位角和第三轴倾斜角进行坐标系转换;
步骤3、利用步骤2转换的坐标进行地平系下误差项修正;
步骤4、利用修正的地平系下误差项进行坐标转换;利用转换后的坐标进行测距数据实时修正,完成三轴天线的外测数据修正。
2.根据权利要求1所述的一种适用于三轴天线的外测数据修正方法,其特征在于,所述步骤1中测量系下误差项修正具体按照以下实施:利用公式(1-1)和(1-2)对天线当前测得的方位角和俯仰角进行轴角编码器零值误差、方位与俯仰轴不正交误差、电轴与俯仰轴不正交误差和天线重力下垂误差修正,得到测量系下修正后的方位角A#和俯仰角E#为:
A#=Ac+A0+δ.tgEc+KbsecEc (1-1)
E#=Ec+E0+EgcosE (1-2)
式中:
E=Ec0cosAc
其中:Ac为天线当前方位角测量值;Ec为天线当前俯仰角测量值;A0为轴角编码器方位角零值误差;E0为轴角编码器俯仰角零值误差;δ为天线方位轴与俯仰轴的不正交度;Kb为天线电轴与俯仰轴不正交引起的方位误差;Eg为重力下垂引起的俯仰误差系数;θ0是斜转台倾斜角理论值。
3.根据权利要求2所述的一种适用于三轴天线的外测数据修正方法,其特征在于,所述步骤1中第三轴误差修正具体按照以下实施:利用公式(1-3)、(1-4)对天线在当前位置的第三轴方位角误差和第三轴倾斜角误差进行修正,得到修正后的第三轴方位角T和第三轴倾斜角θ为:
T=Tc+T0 (1-3)
θ=θ0+△θ (1-4)
其中:Tc是斜转台方位角编码器读数;T0是斜转台方位角零值误差;θ0是斜转台倾斜角理论值;△θ是斜转台倾斜角误差。
4.根据权利要求3所述的一种适用于三轴天线的外测数据修正方法,其特征在于,所述步骤2具体按照以下实施:用公式(1-5)进行测量系坐标到测站地平系坐标转换;把测量系下修正后的方位角A#、俯仰角E#、第三轴方位角T和第三轴倾斜角θ带入坐标变换表达式,得到天线当前指向在测站地平系坐标下的方位角Az和俯仰角El为:
Figure FDA0003137983260000021
5.根据权利要求4所述的一种适用于三轴天线的外测数据修正方法,其特征在于,所述步骤3具体按照以下实施:在测站地平系下进行大盘不水平误差修正和大气折射误差修正,得到天线当前指向在测站地平系下修正后的方位角Az和俯仰角Ez为:
Az=Az+θMsin(Az-AM)*tanEl (1-6)
Ez=El+θMcos(Az-AM)+EdcotEl (1-7)
其中:θM为天线座大盘不水平的最大值,AM为天线座大盘不水平的最大值所处的方位角,Ed为大气折射率。
6.根据权利要求5所述的一种适用于三轴天线的外测数据修正方法,其特征在于,所述步骤4具体按照以下实施:Az、Ez是目标在测站地平系以三轴中心O″为原点的角度真值,要得到地平坐标系以O点为统一原点的角度真值,需要进行一次坐标平移变换,且需要实时的测距信息R;在地平系坐标下将Az、Ez坐标原点O″平移到坐标原点O,得到以O为坐标原点修正后的测站地平系的测角值Agz和Egz为:
Figure FDA0003137983260000031
Figure FDA0003137983260000032
Figure FDA0003137983260000033
其中:Az为目标在测站地平系下以三轴中心O″为原点的方位角,Ez为目标在测站地平系下以三轴中心O″为原点的俯仰角,R为三轴中心到目标的距离,T为第三轴方位角,θ为第三轴的倾斜角,h为三轴中心到斜转台中心的直线距离;
方位角Agz和俯仰角Egz即为误差修正后天伺馈发送给中心的测量角度值;
在修正过程中,测控基带需要向天伺馈实时送出测距信息R,天伺馈需要向测控基带实时发送测角信息Az、Ez,完成三轴天线的外测数据修正。
7.根据权利要求6所述的一种适用于三轴天线的外测数据修正方法,其特征在于,所述步骤4中实时的测距信息R的修正方法为:在修正过程中,天伺馈向测控基带实时送出目标在地平系以三轴中心O″为原点修正后的方位角Az、俯仰角Ez和第三轴方位角T;基带按公式(1-11)得到修正后的测站地平直角坐标系:
Figure FDA0003137983260000041
其中:θ为斜转台的倾角,h为三轴中心到斜转台中心的直线距离,R为基带实时测量的三轴中心O″的测距值;
则测控基带发送给中心的修正后的测距数据R#为:
Figure FDA0003137983260000042
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