CN117008174A - 一种基于gnss的测控天线不正交度测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种基于GNSS的测控天线不正交度测量方法及装置，包括：利用无人机挂载测控应答机和GNSS‑RTK测量设备，并控制无人机移动至目标悬停位置；基于挂载的测控应答机，在测控天线不同俯仰角方向、获取信号最大值，以确定实际的天线电轴指向；以及根据GNSS‑RTK测量设备测量的无人机位置数据、采用最小二乘法拟合出天线电轴指向旋转一周所形成的平面；计算拟合的天线电轴指向旋转一周所形成的平面、与大盘圆平面之间夹角的余角，以获得方位轴与俯仰轴之间的夹角。本申请实施例提出了测控天线不正交度测量方法，能够满足航天测控天线不正交度指标测量要求。

Description

一种基于GNSS的测控天线不正交度测量方法及装置
技术领域
本申请涉及航天测量与控制技术领域，尤其涉及一种基于GNSS的测控天线不正交度测量方法及装置。
背景技术
方位-俯仰型航天测控天线设计时要求俯仰轴严格水平，方位轴铅垂并与俯仰轴相交。天线轴系的正交度是评判测控设备跟踪精度及天线性能的一个重要指标。方位、俯仰轴不正交，即俯仰轴不垂直于方向轴，称为正交性误差。方位轴与俯仰轴不正交度，用两轴间夹角的余角表示。在测控天线工作过程中，动态变形较严重及受风、高速转动或其它振动产生的较大抖动，是不正交度的主要误差源。方位轴和俯仰轴不正交度主要引起测控天线方位角误差，需要定期进行测量以修正天线跟踪角度误差。
现有的测控天线不正交度测量方法需要在天线测量工装上用卡兰安装框式水平仪，使水平仪的横向水泡处于中央。测量方法是：1）在框式水平仪平面放置合像水平仪，调节合像水平仪旋钮，记录合像水平仪数值。2）天线方位角旋转45°后记录合像水平仪数值，继续在每隔45°的点上停留，在方位上共均匀测量8个点的合像水平仪数值。3）相差180°的两个点的合像水平仪读数值记做C0和C180，用式
计算出4组正交度误差值，δ为正交度值、C0为0°方向上的测量值、C180为180°方向上的测量值。4）4组正交度测量值中的最大值即为该测控天线的正交度值。现有的天线不正交度方法主要在天线安装完成后以检测天线机械装配精度是否满足设计指标要求，天线投入使用后需要停机人工放置水平仪，影响工作效率且相对操作复杂。
发明内容
本申请实施例采用无人机平台搭载测控应答机和GNSS-RTK测量设备，提供一种基于GNSS的测控天线不正交度测量方法及装置，满足航天测控天线不正交度指标测量要求。
本申请实施例提供一种基于GNSS的测控天线不正交度测量方法，包括：
利用无人机挂载测控应答机和GNSS-RTK测量设备，并控制无人机移动至目标悬停位置，其中所述目标悬停位置满足空间距离应大于远场距离要求；
基于挂载的测控应答机，在测控天线不同俯仰角方向、获取信号最大值，以确定实际的天线电轴指向；以及
根据GNSS-RTK测量设备测量的无人机位置数据、采用最小二乘法拟合出天线电轴指向旋转一周所形成的平面；
计算拟合的天线电轴指向旋转一周所形成的平面、与大盘圆平面之间夹角的余角，以获得方位轴与俯仰轴之间的夹角。
可选的，所述目标悬停位置是以地面测控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来确定的，且所述目标悬停位置满足空间距离应大于远场距离要求，所述远场距离满足：
其中L为待测天线点位与无人机在地面投影点位的直线距离，D为天线直径，/>为波长。
可选的，基于挂载的测控应答机，在测控天线不同俯仰角方向、获取信号最大值，以确定实际的天线电轴指向包括：
地面待测测控天线转至初始位置，以及控制无人机移动至与所述初始位置相应的距离位置处，并在此位置做水平往返、垂直递增递减飞行，水平、垂直方向飞行指定距离，利用测控应答机接收地面测控设备信号的包络大小，以及通过GNSS-RTK测量设备将数据发送至地面；
逐步调整待测测控天线的俯仰向、方位向的角度，重复执行测量。
可选的，还包括根据GNSS-RTK测量设备测量的GNSS-RTK数据计算无人机每个位置到天线旋转中心距离，并基于的置信区间剔除距离误差超过阈值的信号的包络值，以获得无人机位置数据。
可选的，采用最小二乘法拟合的天线电轴指向旋转一周所形成的平面满足：
式中，、/>、/>为天线旋转中心坐标，/>为天线旋转中心到无人机的距离，/>、、/>、/>为方位向圆平面系数。
可选的，计算拟合的天线电轴指向旋转一周所形成的平面、与大盘圆平面之间夹角的余角满足：
其中，/>、/>、/>、/>为俯仰向圆平面系数。
可选的，还包括基于获得的方位轴与俯仰轴之间的夹角等效获得两轴不正交度。
本申请实施例还提出一种基于GNSS的测控天线不正交度测量装置，包括无人机控制台及数据处理终端，所述无人机控制台及数据处理终端包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述的基于GNSS的测控天线不正交度测量方法的步骤。
本申请实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述的基于GNSS的测控天线不正交度测量方法的步骤。
本申请实施例采用无人机平台搭载测控应答机和GNSS-RTK测量设备，提出了一种基于GNSS的测控天线不正交度测量方法，满足航天测控天线不正交度指标测量要求。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本申请实施例的测控天线不正交度测量方法的基本流程示意；
图2为本申请实施例的测控天线不正交度测量示意。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本申请实施例提供一种基于GNSS的测控天线不正交度测量方法，如图1所示，包括如下步骤：
在步骤S101中，利用无人机挂载测控应答机和GNSS-RTK测量设备，并控制无人机移动至目标悬停位置，其中所述目标悬停位置满足空间距离应大于远场距离要求。一些具体示例中，所述目标悬停位置满足空间距离应大于远场距离要求，所述远场距离满足：
其中L为待测天线点位与无人机在地面投影点位的直线距离，D为天线直径，/>为波长。
根据方位轴与俯仰轴不正交度的定义，两轴之间的夹角又可等效为方位轴垂直平面与俯仰轴垂直平面之间的夹角。与俯仰轴垂直的平面为测控天线绕俯仰轴旋转时，实际的天线电轴指向旋转一周形成的平面。本申请实施例在步骤S102中，基于挂载的测控应答机，在测控天线不同俯仰角方向、获取信号最大值，以确定实际的天线电轴指向。
在步骤S103中，根据GNSS-RTK测量设备测量的无人机位置数据、采用最小二乘法拟合出天线电轴指向旋转一周所形成的平面。
在步骤S104中，计算拟合的天线电轴指向旋转一周所形成的平面、与大盘圆平面之间夹角的余角，以获得方位轴与俯仰轴之间的夹角。
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。另外，在一些具体示例中选择测量的俯仰角范围为5°-45°、135°-175°，间隔10°、每个方位角下共测量10个位置；方位角的设置为间隔45°，共8个方位角位置，从而不使地面发射杂波从天线的第一副瓣进入接收***，保证仰角大于等于5°。
本申请实施例采用无人机平台搭载测控应答机和GNSS-RTK测量设备，提出了一种基于GNSS的测控天线不正交度测量方法，满足航天测控天线不正交度指标测量要求。
在一些实施例中，所述目标悬停位置是以地面测控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来确定的。具体的限制例如距离，俯仰向拟按10°间隔从5°-45°、135°-175°设置10个待测俯仰角/>；方位向按45°间隔设置8个待测方位角/>，从而计算出。
在一些实施例中，基于挂载的测控应答机，在测控天线不同俯仰角方向、获取信号最大值，以确定实际的天线电轴指向包括：
地面待测测控天线(测控设备天线)转至初始位置，以及控制无人机移动至与所述初始位置相应的距离位置处，并在此位置做水平往返、垂直递增递减飞行，水平、垂直方向飞行指定距离，利用测控应答机接收地面测控设备信号的包络大小，以及通过GNSS-RTK测量设备将数据发送至地面。
逐步调整待测测控天线的俯仰向、方位向的角度，重复执行测量。
如图2所示，一些示例性的测量流程如下，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，分别挂载测控应答机载荷飞至方位向0°、俯仰向5°、距离位置，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将数据发送至地面的数据处理***。
待测测控天线改变俯仰向角度转至俯仰向15°、方位向不变，重复上述试验过程，直至俯仰向45°；再转至俯仰向135°-175°，重复上述测量过程。待测测控天线改变方位向角度至45°，重复上述测量过程，直至315°为止。即在每个方位向角度下，转动到所有10个俯仰向角度，重复测量过程。
在一些实施例中，还包括根据GNSS-RTK测量设备测量的GNSS-RTK数据计算无人机每个位置到天线旋转中心距离，并基于的置信区间剔除距离误差超过阈值的信号的包络值，以获得无人机位置数据。例如以/>的/>置信区间剔除距离误差较大的信号的包络值。选取合适的信号的包络阈值，在剩余的数据中剔除掉小于阈值的数据，从而获得无人机位置数据。
一些示例中，选取方位向0°俯仰向所有数据的位置数据：
在一些实施例中，采用最小二乘法拟合的天线电轴指向旋转一周所形成的平面满足：
式中/>、/>、/>、为天线旋转中心坐标，/>为天线旋转中心到无人机的距离，/>、/>、/>、/>为圆平面系数。
在一些实施例中，计算拟合的天线电轴指向旋转一周所形成的平面、与大盘圆平面之间夹角的余角满足：
其中，、/>、/>、/>为俯仰向圆平面系数。
在一些实施例中，还包括基于获得的方位轴与俯仰轴之间的夹角等效获得两轴不正交度。
本申请实施例还提出一种基于GNSS的测控天线不正交度测量方法的实施案例，本示例中，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，分别挂载测控应答机载荷飞至方位向0°、俯仰向5°、距离位置，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将数据发送至地面的数据处理***。
待测测控天线改变俯仰向角度转至俯仰向15°、方位向不变，重复上述试验过程，直至俯仰向45°；再转至俯仰向135°-175°，重复上述测量过程。待测测控天线改变方位向角度至45°，重复上述测量过程，直至315°为止。即在每个方位向角度下，转动到所有10个俯仰向角度，重复测量过程。
经过天线旋转中心为原点的与俯仰轴垂直的平面公式为：
式中，、/>、/>为天线旋转中心坐标，/>、/>、/>、/>为方位向0°时的圆平面系数，可由最小二乘法拟合求得。
由俯仰角5°时大盘圆平面系方程为：
则方位向0°时俯仰轴垂直平面与俯仰向5°时大盘圆平面之间的夹角为：
可等效获得方位向0°时俯仰轴的指向与方位轴的夹角的余角，即方位轴与俯仰轴不正交度。
改变选取方位向角度的数据重复以上数据处理过程，获得方位向角度45°到315°情况下方位轴与俯仰轴不正交度，8组正交度测量值中的最大值即为该测控天线的正交度值。
本申请的方法利用无人机搭载的测控应答机和GNSS-RTK测量设备，采用GNSS多基线测量方法精确测量出无人机飞行距离、角度、速度数据，并改进天线不正交度计算公式，提出了一种基于GNSS的测控天线不正交度测量方法，能够满足航天测控天线不正交度指标测量要求。
本申请实施例还提出一种基于GNSS的测控天线不正交度测量装置，包括无人机控制台及数据处理终端，所述无人机控制台及数据处理终端包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述的基于GNSS的测控天线不正交度测量方法的步骤。
本申请实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述的基于GNSS的测控天线不正交度测量方法的步骤。
需要说明的是，在本申各实施例中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质（如ROM/RAM、磁碟、光盘）中，包括若干指令用以使得一台终端（可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述的方法。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本申请的保护之内。

Claims (9)

1.一种基于GNSS的测控天线不正交度测量方法，其特征在于，包括：
利用无人机挂载测控应答机和GNSS-RTK测量设备，并控制无人机移动至目标悬停位置，其中所述目标悬停位置满足空间距离应大于远场距离要求；
基于挂载的测控应答机，在测控天线不同俯仰角方向、获取信号最大值，以确定实际的天线电轴指向；以及
根据GNSS-RTK测量设备测量的无人机位置数据、采用最小二乘法拟合出天线电轴指向旋转一周所形成的平面；
计算拟合的天线电轴指向旋转一周所形成的平面、与大盘圆平面之间夹角的余角，以获得方位轴与俯仰轴之间的夹角。
2.如权利要求1所述的基于GNSS的测控天线不正交度测量方法，其特征在于，所述目标悬停位置是以地面测控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来确定的，且所述目标悬停位置满足空间距离应大于远场距离要求，所述远场距离满足：
其中L为待测天线点位与无人机在地面投影点位的直线距离，D为天线直径，为波长。
3.如权利要求1所述的基于GNSS的测控天线不正交度测量方法，其特征在于，基于挂载的测控应答机，在测控天线不同俯仰角方向、获取信号最大值，以确定实际的天线电轴指向包括：
地面待测测控天线转至初始位置，以及控制无人机移动至与所述初始位置相应的距离位置处，并在此位置做水平往返、垂直递增递减飞行，水平、垂直方向飞行指定距离，利用测控应答机接收地面测控设备信号的包络大小，以及通过GNSS-RTK测量设备将数据发送至地面；
逐步调整待测测控天线的俯仰向、方位向的角度，重复执行测量。
4.如权利要求3所述的基于GNSS的测控天线不正交度测量方法，其特征在于，还包括根据GNSS-RTK测量设备测量的GNSS-RTK数据计算无人机每个位置到天线旋转中心距离，并基于的置信区间剔除距离误差超过阈值的信号的包络值，以获得无人机位置数据。
5.如权利要求4所述的基于GNSS的测控天线不正交度测量方法，其特征在于，采用最小二乘法拟合的天线电轴指向旋转一周所形成的平面满足：
式中，/>、/>、/>为天线旋转中心坐标，/>为天线旋转中心到无人机的距离，/>、/>、/>、/>为方位向圆平面系数。
6.如权利要求5所述的基于GNSS的测控天线不正交度测量方法，其特征在于，计算拟合的天线电轴指向旋转一周所形成的平面、与大盘圆平面之间夹角的余角满足：
其中，/>、/>、/>、/>为俯仰向圆平面系数。
7.如权利要求1所述的基于GNSS的测控天线不正交度测量方法，其特征在于，还包括基于获得的方位轴与俯仰轴之间的夹角等效获得两轴不正交度。
8.一种基于GNSS的测控天线不正交度测量装置，其特征在于，包括无人机控制台及数据处理终端，所述无人机控制台及数据处理终端包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的基于GNSS的测控天线不正交度测量方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的基于GNSS的测控天线不正交度测量方法的步骤。
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