CN113624197A - 一种基于无人机平台的测控天线大盘不水平度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机平台的测控天线大盘不水平度测量方法，采用无人机挂载测控设备信标及无人机RTK模块，被测量天线绕方位轴旋转一周，计算得被测量天线实际电轴指向所形成的平面与当地大地水平面之间的夹角，即为天线大盘不水平度。本发明的测量方法具有测量设备简单，测量手法简单易行，测量速度快的优点。

Description

一种基于无人机平台的测控天线大盘不水平度测量方法

技术领域

本发明专利属于航天测量与控制技术领域，涉及一种基于无人机平台的测控天线大盘不水平度测量方法。

背景技术

地面测控设备天线大盘不水平的水平程度如何，对其为探测目标进行准确定向有直接影响。如果天线大盘达到理想水平程度，则天线大盘的法线方向与大地水平面的铅垂线方向完全重合，但实际上两者之间都有一个夹角。一般用该夹角来反映天线大盘的水平程度之优劣，并称之为大盘不水平度。大盘不水平的定义：方位轴的指向与水平地面垂直方向的夹角。方位轴垂直于水平面的程度，用方位轴与当地水平面法线的夹角(锐角)表示。相关的技术规范对天线座水平度数值的要求十分严格，不能大于60″，表明地面测控设备天线的指向误差值对大盘不水平度数值应该是极为敏感的。

通常地面测控设备天线仰角读数在45°以下，大盘不水平引起的方向定位误差不会大于大盘不水平度自身的数值；当仰角读数大于45°后，大盘不水平引起的方向定位误差将迅速增大。尤其在接近天顶的空间区域，大盘不水平引起的方向定位误差可达大盘不水平度数值本身的百倍以上。

传统大盘不水平度测量方法是：在天线座大盘平台上放置合象水平仪，固定天线仰角，转动天线方位角，每隔15°分别记录一次方位轴角编码器和合象水平仪的数据，直至天线旋转一周；整理数据，从中找出大盘水平最大倾斜方位和最大倾斜量，为提高标定精度，用最小二乘法对测量数据拟合求出最大倾斜方位和最大倾斜量。

现有的大盘不水平度测量方法复杂、完成一次测量时间过长。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无人机平台的测控天线大盘不水平度测量方法，解决现有技术中存在的测量方法复杂的问题。

本发明一种基于无人机平台的测控天线大盘不水平度测量方法所采用的技术方案，其特征在于，采用无人机挂载测控设备信标及无人机RTK模块，被测量天线绕方位轴旋转一周，计算得到被测量天线实际电轴指向所形成的平面与当地大地水平面之间的夹角，即为天线大盘不水平度。

具体包括如下步骤：

步骤1、首先以地面测控设备天线机械旋转中心为原点，按待测方位角和俯仰角、以及天线近场和仰角高度的距离限制，计算无人机水平往返、垂直递增递减飞行的位置，方位向按X°间隔设置

个待测方位角

俯仰向按Y°间隔从5°到45°设置

个待测俯仰角

步骤2、利用无人机挂载测控设备信标和RTK模块，飞至天线方位向0°、俯仰向5°、距离R₀的位置，并在此位置做水平往返、垂直递增递减飞行，水平、垂直方向的飞行距离为Mm，应答机、雷达载荷记录接收地面测控设备信号的包络大小，同时GNSS-RTK将数据发送至地面载车的显控与数据处理分***；

步骤3、设置俯仰向为5°，地面测控设备天线方位向以X°为步进距离，从0°开始持续步进，重复上述步骤2的测量过程，直至天线方位向步进至(360-X)°；

步骤4、地面测控设备天线俯仰向以Y°为步长，从5°开始持续步进，每步进一次均重复步骤2和步骤3的测量过程，直至天线俯仰向45°；

步骤5、根据GNSS-RTK数据计算无人机每个位置到天线旋转中心距离，以R₀的3σ置信区间剔除距离误差较大信号的包络值，按照RTK精度的3倍选取合适的信号包络阈值，在剩余的数据中剔除小于阈值的数据；

步骤6、通过数据处理，计算得到天线俯仰向5°到45°时实际大盘圆平面与大地水平面之间的夹角θ_θ5、θ_θ5+Y…θ_θ45，；

步骤7、将步骤6计算得到的实际大盘圆平面与大地水平面之间的夹角取均值

即为大盘不水平度的角度值。

步骤1中，X°的取值范围在0°到360°之间，优选的取值为10°到36°中可将360°等分的值；所述的步骤1中，Y°的取值范围在0°到40°之间，优选的取值范围为3°到10°。

步骤6中，数据处理的具体步骤为：

列出俯仰向为5°时，所有方位向数据的位置数据：

经过天线旋转中心为原点的实际大盘圆平面公式为：

式中，x₀、y₀、z₀为天线旋转中心坐标，R₀为天线旋转中心到无人机的距离，A_θ5、B_θ5、C_θ5、D_θ5为俯仰角5°时圆平面系数；

大地水平面在以天线旋转中心为原点的坐标系下的表达式为：

A_T(x-x₀)+B_T(y-y₀)+C_T(z-z₀)＝0，

大地水平面与俯仰向5°时实际大盘圆平面之间的夹角为：

θ_θ5＝arccos(A_θ5A_T+B_θ5B_T+C_θ5C_T+D_θ5D_T)，

式中D_T＝-A_Tx₀-B_Ty₀-C_Tz₀，A_T、B_T、C_T、D_T为大地水平面系数，

平面的定位为：与固定点(x₀,y₀,z₀)的连线垂直于向量(A，B，C)的所有点的集合，表达式为A(x-x₀)+B(y-y₀)+C(z-z₀)＝0，(A,B,C)代表了平面的法向量，即平面的垂直方向，表达式可变形为Ax+By+Cz-Ax₀-By₀-Cz₀＝0，A,B,C,D＝-Ax₀-By₀-Cz₀为平面系数，地球上任意位置的大地水平面系数为可测的固定值。

即等效获得俯仰向5°时方位轴的指向与水平地面垂直方向的夹角；

步骤7中，数据处理的具体公式为：θ_θ5+jY＝arccos(A_θ5+jYA_T+B_θ5+jYB_T+C_θ5+jYC_T+D_{θ5+ jY}D_T)。

本发明的用益效果为：一种基于无人机平台的测控天线大盘不水平度测量方法，对比现有的测控天线大盘不水平度测量方法，具有测量器具简单，测量方法简便易行，测量速度快的优点。

附图说明

图1为本发明的一种基于无人机平台的测控天线大盘不水平度测量方法的测量示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例一：

以R₀＝3km，方位向按22.5°间隔，从0°到360°，俯仰向按5°间隔，从5°到45°为实施例，本发明的一种基于无人机平台的测控天线大盘不水平度测量方法，按照以下步骤实施：

步骤1、首先以地面测控设备天线机械旋转中心为原点，按待测方位角和俯仰角，以及天线近场和仰角高度的距离限制，计算无人机水平往返、垂直递增递减飞行的位置，方位向按22.5°间隔设置16个待测方位角A_Wi，i＝1,2…16，俯仰向按5°间隔从5°-45°设置9个待测俯仰角E_Wj，j＝1,2…9。

步骤2、地面测控设备天线转至方位向0°、俯仰向5°，启动工作。无人机平台带RTK模块，挂载测控应答机飞至方位向0°、俯仰向5°、距离R₀位置，并在此位置做水平往返、垂直递增递减飞行，水平、垂直方向飞行距离为50m，应答机、雷达载荷记录接收地面测控设备信号的包络大小，同时GNSS-RTK将数据发送至载车上的显控与数据处理分***。

步骤3、地面测控设备天线改变方位向角度转至方位向22.5°、俯仰向5°重复上述步骤2的试验过程，直至方位向337.5°，再重复上述步骤2的测量过程。

步骤4、地面测控设备天线改变俯仰向角度直至45°，重复上述步骤2和步骤3的测量过程。

步骤5、根据GNSS-RTK数据计算无人机每个位置到天线旋转中心距离，以R₀的3σ置信区间剔除距离误差较大的信号的包络值，按照RTK精度的3倍选取合适的信号包络阈值，在剩余的数据中剔除掉小于阈值的数据。

步骤6、选取俯仰向为5°，所有方位向数据的位置数据：

经过天线旋转中心为原点的实际大盘圆平面公式为：

式中，x₀、y₀、z₀为天线旋转中心坐标，R₀为天线旋转中心到无人机的距离，A_θ5、B_θ5、C_θ5、D_θ5为俯仰角5°时圆平面系数，可根据最小二乘法拟合求得。

若大地水平面在以天线旋转中心为原点的坐标系下的表达式为：

A_T(x-x₀)+B_T(y-y₀)+C_T(z-z₀)＝0

则大地水平面与俯仰向5°时实际大盘圆平面之间的夹角为：

θ_θ5＝arccos(A_θ5A_T+B_θ5B_T+C_θ5C_T+D_θ5D_T)

式中D_T＝-A_Tx₀-B_Ty₀-C_Tz₀，A_T、B_T、C_T、D_T为大地水平面系数。

平面的定位为：与固定点(x₀,y₀,z₀)的连线垂直于向量(A，B，C)的所有点的集合，表达式为A(x-x₀)+B(y-y₀)+C(z-z₀)＝0，(A,B,C)代表了平面的法向量，即平面的垂直方向，表达式可变形为Ax+By+Cz-Ax₀-By₀-Cz₀＝0，A,B,C,D＝-Ax₀-By₀-Cz₀为平面系数，地球上任意位置的大地水平面系数为可测的固定值。

可等效获得俯仰向5°时方位轴的指向与水平地面垂直方向的夹角。

步骤7、改变选取俯仰向角度Y的数据重复以上数据处理过程，具体公示为：θ_θ5+jY＝arccos(A_θ5+jYA_T+B_θ5+jYB_T+C_θ5+jYC_T+D_θ5+jYD_T)，获得俯仰向角度5°到45°情况下大地水平面与实际大盘圆平面之间的夹角θ_θ5、θ_θ10…θ_θ45，再取均值θ_D＝(θ_θ5+θ_θ10+…θ_θ45)/9即可作为大盘不水平度的角度值。

实施例二：

以R₀＝4km，方位向按36°间隔，从0°到360°，俯仰向按4°间隔，从5°到45°为实施例，本发明的一种基于无人机平台的测控天线大盘不水平度测量方法，按照以下步骤实施：

步骤1、首先以地面测控设备天线机械旋转中心为原点，按待测方位角和俯仰角，以及天线近场和仰角高度的距离限制，计算无人机水平往返、垂直递增递减飞行的位置，方位向按36°间隔设置10个待测方位角A_Wi，i＝1,2…10，俯仰向按4°间隔从5°-45°设置11个待测俯仰角E_Wj，j＝1,2…11。

步骤2、利用无人机挂载测控设备信标和RTK模块，飞至天线方位向0°、俯仰向5°、距离4km的位置，并在此位置做水平往返、垂直递增递减飞行，水平、垂直方向的飞行距离为40m，应答机或雷达载荷记录接收地面测控设备信号的包络大小，同时GNSS-RTK将数据发送至地面载车的显控与数据处理分***；

步骤3、设置俯仰向为5°，地面测控设备天线方位向以36°从0°开始持续步进，重复上述步骤2的测量过程，直至天线方位向步进至324°；

步骤4、地面测控设备天线俯仰向以4°步进，每步进一次均重复步骤2和步骤3的测量过程，直至天线俯仰向45°；

步骤5、根据GNSS-RTK数据计算无人机每个位置到天线旋转中心距离，以R₀的3σ置信区间剔除距离误差较大的信号的包络值，按照RTK精度的3倍选取合适的信号包络阈值，在剩余的数据中剔除掉小于阈值的数据。

步骤6、列出俯仰向为5°时，所有方位向数据的位置数据：

经过天线旋转中心为原点的实际大盘圆平面公式为：

式中，x₀、y₀、z₀为天线旋转中心坐标，R₀为天线旋转中心到无人机的距离，A_θ5、B_θ5、C_θ5、D_θ5为俯仰角5°时圆平面系数；

大地水平面在以天线旋转中心为原点的坐标系下的表达式为：

A_T(x-x₀)+B_T(y-y₀)+C_T(z-z₀)＝0，

大地水平面与俯仰向5°时实际大盘圆平面之间的夹角为：

θ_θ5＝arccos(A_θ5A_T+B_θ5B_T+C_θ5C_T+D_θ5D_T)，

式中D_T＝-A_Tx₀-B_Ty₀-C_Tz₀，A_T、B_T、C_T、D_T为大地水平面系数。

平面的定位为：与固定点(x₀,y₀,z₀)的连线垂直于向量(A，B，C)的所有点的集合，表达式为A(x-x₀)+B(y-y₀)+C(z-z₀)＝0，(A,B,C)代表了平面的法向量，即平面的垂直方向，表达式可变形为Ax+By+Cz-Ax₀-By₀-Cz₀＝0，A,B,C,D＝-Ax₀-By₀-Cz₀为平面系数，地球上任意位置的大地水平面系数为可测的固定值。

即等效获得俯仰向5°时方位轴的指向与水平地面垂直方向的夹角；

步骤7、改变选取俯仰向角度的数据重复以步骤6的数据处理过程，具体公示为：θ_θ5+jy＝arccos(A_θ5+jYA_T+B_θ5+jYB_T+C_θ5+jYC_T+D_θ5+jYD_T)，获得俯仰向角度5°到45°情况下大地水平面与实际大盘圆平面之间的夹角θ₅、θ₉…θ₄₅，再取均值θ_D＝(θ_θ5+θ_θ9+…θ_θ45)/11即可作为大盘不水平度的角度值。

实施例三：

以R₀＝5km，方位向按12°间隔，从0°到360°，俯仰向按8°间隔，从5°到45°为实施例，本发明的一种基于无人机平台的测控天线大盘不水平度测量方法，按照以下步骤实施：

步骤1、首先以地面测控设备天线机械旋转中心为原点，按待测方位角和俯仰角，以及天线近场和仰角高度的距离限制，计算无人机水平往返、垂直递增递减飞行的位置，方位向按12°间隔设置30个待测方位角A_Wi，i＝1,2…30，俯仰向按8°间隔从5°到45°设置6个待测俯仰角E_Wj，j＝1,2…6。

步骤2、利用无人机挂载测控设备信标和RTK模块，飞至天线方位向0°、俯仰向5°、距离5km的位置，并在此位置做水平往返、垂直递增递减飞行，水平、垂直方向的飞行距离为80m，应答机、雷达载荷记录接收地面测控设备信号的包络大小，同时GNSS-RTK将数据发送至地面载车的显控与数据处理分***；

步骤3、设置俯仰向为5°，地面测控设备天线方位向以12°从0°开始持续步进，重复上述步骤2的测量过程，直至天线方位向步进至348°；

步骤4、地面测控设备天线俯仰向以8°步进，每步进一次均重复步骤2和步骤3的测量过程，直至天线俯仰向45°；

步骤5、根据GNSS-RTK数据计算无人机每个位置到天线旋转中心距离，以R₀的3σ置信区间剔除距离误差较大的信号的包络值，按照RTK精度的3倍选取合适的信号包络阈值，在剩余的数据中剔除掉小于阈值的数据。

步骤6、列出俯仰向为5°时，所有方位向数据的位置数据：

经过天线旋转中心为原点的实际大盘圆平面公式为：

式中，x₀、y₀、z₀为天线旋转中心坐标，R₀为天线旋转中心到无人机的距离，A_θ5、B_θ5、C_θ5、D_θ5为俯仰角5°时圆平面系数；

大地水平面在以天线旋转中心为原点的坐标系下的表达式为：

A_T(x-x₀)+B_T(y-y₀)+C_T(z-z₀)＝0，

大地水平面与俯仰向5°时实际大盘圆平面之间的夹角为：

θ_θ5＝arccos(A_θ5A_T+B_θ5B_T+C_θ5C_T+D_θ5D_T)，

式中D_T＝-A_Tx₀-B_Ty₀-C_Tz₀，A_T、B_T、C_T、D_T为大地水平面系数。

平面的定位为：与固定点(x₀,y₀,z₀)的连线垂直于向量(A，B，C)的所有点的集合，表达式为A(x-x₀)+B(y-y₀)+C(z-z₀)＝0，(A,B,C)代表了平面的法向量，即平面的垂直方向，表达式可变形为Ax+By+Cz-Ax₀-By₀-Cz₀＝0，A,B,C,D＝-Ax₀-By₀-Cz₀为平面系数，地球上任意位置的大地水平面系数为可测的固定值。

即等效获得俯仰向5°时方位轴的指向与水平地面垂直方向的夹角；

步骤7、改变选取俯仰向角度的数据重复以步骤6的数据处理过程，具体公示为：θ_θ5+jy＝arccos(A_θ5+jYA_T+B_θ5+jYB_T+C_θ5+jYC_T+D_θ5+jYD_T)，获得俯仰向角度5°到45°情况下大地水平面与实际大盘圆平面之间的夹角θ₅、θ₁₃…θ₄₅，再取均值θ_D＝(θ_θ5+θ_θ13+…θ_θ45)/6即可作为大盘不水平度的角度值。

实施例四：

以R₀＝8km，方位向按30°间隔，从0°到360°，俯仰向按10°间隔，从5°到45°为实施例，本发明的一种基于无人机平台的测控天线大盘不水平度测量方法，按照以下步骤实施：

步骤1、首先以地面测控设备天线机械旋转中心为原点，按待测方位角和俯仰角，以及天线近场和仰角高度的距离限制，计算无人机水平往返、垂直递增递减飞行的位置，方位向按30°间隔设置12个待测方位角A_Wi，i＝1,2…12，俯仰向按10°间隔从5°到45°设置4个待测俯仰角E_Wj，j＝1,2…4。

步骤2、利用无人机挂载测控设备信标和RTK模块，飞至天线方位向0°、俯仰向5°、距离R₀的位置，并在此位置做水平往返、垂直递增递减飞行，水平、垂直方向的飞行距离为80m，应答机、雷达载荷记录接收地面测控设备信号的包络大小，同时GNSS-RTK将数据发送至地面载车的显控与数据处理分***；

步骤3、设置俯仰向为5°，地面测控设备天线方位向以30°从0°开始持续步进，重复上述步骤2的测量过程，直至天线方位向步进至330°；

步骤4、地面测控设备天线俯仰向以8°步进，每步进一次均重复步骤2和步骤3的测量过程，直至天线俯仰向45°；

步骤5、根据GNSS-RTK数据计算无人机每个位置到天线旋转中心距离，以R₀的3σ置信区间剔除距离误差较大的信号的包络值，按照RTK精度的3倍选取合适的信号包络阈值，在剩余的数据中剔除掉小于阈值的数据。

步骤6、列出俯仰向为5°时，所有方位向数据的位置数据：

经过天线旋转中心为原点的实际大盘圆平面公式为：

式中，x₀、y₀、z₀为天线旋转中心坐标，R₀为天线旋转中心到无人机的距离，A_θ5、B_θ5、C_θ5、D_θ5为俯仰角5°时圆平面系数；

大地水平面在以天线旋转中心为原点的坐标系下的表达式为：

A_T(x-x₀)+B_T(y-y₀)+C_T(z-z₀)＝0，

大地水平面与俯仰向5°时实际大盘圆平面之间的夹角为：

θ_θ5＝arccos(A_θ5A_T+B_θ5B_T+C_θ5C_T+D_θ5D_T)，

式中D_T＝-A_Tx₀-B_Ty₀-C_Tz₀，A_T、B_T、C_T、D_T为大地水平面系数。

平面的定位为：与固定点(x₀,y₀,z₀)的连线垂直于向量(A，B，C)的所有点的集合，表达式为A(x-x₀)+B(y-y₀)+C(z-z₀)＝0，(A,B,C)代表了平面的法向量，即平面的垂直方向，表达式可变形为Ax+By+Cz-Ax₀-By₀-Cz₀＝0，A,B,C,D＝-Ax₀-By₀-Cz₀为平面系数，地球上任意位置的大地水平面系数为可测的固定值。

即等效获得俯仰向5°时方位轴的指向与水平地面垂直方向的夹角；

步骤7、改变选取俯仰向角度的数据重复以步骤6的数据处理过程，具体公示为：θ_θ5+jy＝arccos(A_θ5+jYA_T+B_θ5+jYB_T+C_θ5+jYC_T+D_θ5+jYD_T)，获得俯仰向角度5°到45°情况下大地水平面与实际大盘圆平面之间的夹角θ₅、θ₁₅…θ₄₅，再取均值θ_D＝(θ_θ5+θ_θ15+…θ_θ45)/4即可作为大盘不水平度的角度值。

Claims (5)

1.一种基于无人机平台的测控天线大盘不水平度测量方法，其特征在于，采用无人机挂载测控设备信标及无人机RTK模块，被测量天线绕方位轴旋转一周，计算得到被测量天线实际电轴指向所形成的平面与当地大地水平面之间的夹角，即为天线大盘不水平度。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1、首先以地面测控设备天线机械旋转中心为原点，按待测方位角和俯仰角、以及天线近场和仰角高度的距离限制，计算无人机水平往返、垂直递增递减飞行的位置，方位向按X°间隔设置

个待测方位角A_Wi，

俯仰向按Y°间隔从5°到45°设置

个待测俯仰角E_Wj，

步骤2、利用无人机挂载测控设备信标和RTK模块，飞至天线方位向0°、俯仰向5°、距离R₀的位置，并在此位置做水平往返、垂直递增递减飞行，水平、垂直方向的飞行距离为Mm，应答机、雷达载荷记录接收地面测控设备信号的包络大小，同时GNSS-RTK将数据发送至地面载车的显控与数据处理分***；

步骤3、设置俯仰向为5°，地面测控设备天线方位向以X°为步进距离，从0°开始持续步进，重复上述步骤2的测量过程，直至天线方位向步进至(360-X)°；

步骤4、地面测控设备天线俯仰向以Y°为步长，从5°开始持续步进，每步进一次均重复步骤2和步骤3的测量过程，直至天线俯仰向45°；

步骤5、根据GNSS-RTK数据计算无人机每个位置到天线旋转中心距离，以R₀的3σ置信区间剔除距离误差较大信号的包络值，按照RTK精度的3倍选取合适的信号包络阈值，在剩余的数据中剔除小于阈值的数据；

步骤6、通过数据处理，计算得到天线俯仰向5°到45°时实际大盘圆平面与大地水平面之间的夹角θ_θ5、θ_θ5+Y…θ_θ45，；

步骤7、将步骤6计算得到的实际大盘圆平面与大地水平面之间的夹角取均值

即为大盘不水平度的角度值。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述的步骤1中，X°的取值范围在0°到360°之间，优选的取值为10°到36°中可将360°等分的值；所述的步骤1中，Y°的取值范围在0°到40°之间，优选的取值范围为3°到10°。

4.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述的步骤6中，数据处理的具体步骤为：

列出俯仰向为5°时，所有方位向数据的位置数据：

经过天线旋转中心为原点的实际大盘圆平面公式为：

式中，x₀、y₀、z₀为天线旋转中心坐标，R₀为天线旋转中心到无人机的距离，A_θ5、B_θ5、C_θ5、D_θ5为俯仰角5°时圆平面系数；

大地水平面在以天线旋转中心为原点的坐标系下的表达式为：

A_T(x-x₀)+B_T(y-y₀)+C_T(z-z₀)＝0，

大地水平面与俯仰向5°时实际大盘圆平面之间的夹角为：

θ_θ5＝arccos(A_θ5A_T+B_θ5B_T+C_θ5C_T+D_θ5D_T)，

式中D_T＝-A_Tx₀-B_Ty₀-C_Tz₀，A_T、B_T、C_T、D_T为大地水平面系数，

即等效获得俯仰向5°时方位轴的指向与水平地面垂直方向的夹角。

5.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述的步骤7中，数据处理的具体公式为：θ_θ5+jY＝arccos(A_θ5+jYA_T+B_θ5+jYB_T+C_θ5+jYC_T+D_θ5+jYD_T)。

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