CN117723849B - 一种空间二维高频天线指向精度地面标定方法、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种空间二维高频天线指向精度地面标定方法、设备及介质。属于航天器***技术领域。所述标定方法分两部分进行；第一部分：在微波暗室环境标定电轴指向与棱镜坐标系关系，在微波暗室，采用平面近场测试***标定天线电轴矢量和天线棱镜坐标系之间的关系；第二部分：在洁净室标定天线棱镜坐标系和基准棱镜之间的关系，将四台经纬仪分为两组，建立测量站，分别建立驱动器基准棱镜坐标系和天线棱镜坐标系。本发明所述方法可以卸载地球重力对天线变形的影响，以较高的精度标定天线指向误差。

Description

一种空间二维高频天线指向精度地面标定方法、设备及介质

技术领域

本发明属于航天器***技术领域，具体涉及一种应用于卫星上、工作在Q/V波段的空间二维高频天线，特别是涉及一种空间二维高频天线指向精度地面标定方法、设备及介质。

背景技术

卫星高频通信具有覆盖范围广、传输距离远、通信容量大、传输质量好、组网灵活迅速和保密性高等众多优点，已成为当今极具竞争力的通信手段。随着卫星通信网络快速发展，大容量、高速率、超宽带的服务需求不断增加，Q/V频段的高速率天线将成为未来高通量卫星主要通信频段，其成本低、终端小型化的特点将促使其在全球宽带卫星通信***建设、运营以及与地面通信***融合应用的过程中占据越来越大的比重。

星间高频通信作为通信重要环节，要求天线具备极高的指向精度，同时具备自动跟踪功能并保持稳定性，而高指向精度是天线实现其高增益、高性能的必要前提。因此，在天线地面研制阶段，对高频星间通信天线的指向精度进行测试，成为天线性能测试必不可少的重要环节。

目前，已有多种空间天线指向精度测量方法。通过激光跟踪仪或相机等测量在天线表面布置的特征测量点，能够拟合出天线的机械指向，但由于天线电指向与机械指向之间存在误差，该方法不能满足电指向精度测量要求。通过高精度两轴转台与自准直仪能够测量天线的指向精度，但该方法同样没有考虑电指向与机械指向之间的误差，无法应用于电指向精度测量。通过平面场与经纬仪测试***相结合，能够完成天线电指向测量，但由于平面场测量时间较长，且对于任意两轴角度组合，都需要通过平台场测量天线电轴指向，导致该方法效率较低。此外，目前大多数测试方法没有考虑地面重力对测量精度的影响，导致测量结果精度低，参考性有限。

因此，本发明提出一种空间二维高频天线指向精度地面标定方法，该方法可以在重力卸载的情况下对任意角度二维天线指向精度进行标定，具有精度高、操作简单、效率高、适合推广的特点。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术中的不足之处，提出了一种空间二维高频天线指向精度地面标定方法、设备及介质。本发明所述方法可以卸载地球重力对天线变形的影响，以较高的精度标定天线指向误差。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种空间二维高频天线指向精度地面标定方法，所述标定方法分两部分进行；第一部分：在微波暗室环境标定电轴指向与棱镜坐标系关系，在微波暗室，采用平面近场测试***标定天线电轴矢量和天线棱镜坐标系之间的关系；第二部分：在洁净室标定天线棱镜坐标系和基准棱镜之间的关系，将四台经纬仪分为两组，建立测量站，分别建立驱动器基准棱镜坐标系和天线棱镜坐标系。

进一步地，在第一部分中，矢网提供一路本振经过功分器与放大器分别给到发射端和接收端的扩频模块，另一路射频信号经过放大器给到发射端的扩频模块，经过扩频模块倍频后，由探头/天线发出；探头/天线接收并进入接收端扩频模块，两个扩频模块混频后，得到两路中频信号，两路中频信号为实际采集的信号。

进一步地，测试时，首先将天线和工装安装在暗场中，扫描仪复位；其次，开启扫描架，使探头移动形成一个扫描平面，测试***按照采样步进在扫描架的每采样点发送一个TTL脉冲给RTC实时控制器，在RTC接收到扫描架的脉冲后，给矢网发送高电平触发信号，矢网采集数据同时返回低电平触发信号，完成采样测量；随后，通过对采集到的近场数据进行FFT变换即可得到天线的远场方向图，电轴测量***将天线安装状态电轴位置解算，并输出az、el两个角度；最后，架设高精度的经纬仪，建立测量站，标定天线棱镜坐标系与扫描仪坐标系的物理关系。

进一步地，扫描仪的物理坐标系通过经纬仪对靶标点标定建立，之后，将转换矩阵Rx输出。

进一步地，天线电轴矢量在天线棱镜坐标系中的表示由下式表示

(1)

其中，为天线棱镜坐标系下的电轴矢量，/>，/>，/>为x，y，z轴三个方向的坐标，/>通过下式计算得到：

(2)

其中，为3×3旋转变换矩阵，/>为平移变换矩阵，/>为靶标运动坐标系中的指向向量，定义齐次变换矩阵/>，齐次变换矩阵里同时包含了旋转和平移变换矩阵：

(3)

此处忽略平移变换矩阵，仅考虑角度关系，天线电轴矢量表示为：

(4)。

进一步地，天线整体为悬臂结构，试验时，卸载重力对天线结构变形。

进一步地，标定方法采用天线正、反标定的方式，天线俯仰轴α、方位轴角度β时，天线分别进行正向安装和反向安装，测量这两种安装状态时基准棱镜坐标系与天线棱镜坐标系之间的转换矩阵M ₁和M ₂；实验时，天线在达到指定角度后，保持通电状态，即使用保持力矩将天线位置固定。

进一步地，对标定数据进行解算；

以俯仰角、方位角为[ 0 , 0 ]作为基准，按照以下公式计算指向精度：

(5)

(6)

(7)

(8)

其中，、/>分别为正、反安装时天线在基准棱镜坐标系中的指向；/>为卸载重力后的天线指向；/>、/>为过渡矩阵；/>、/>为基准棱镜坐标系和天线棱镜坐标系两个坐标系转换矩阵；α、β分别为天线俯仰角度和方位轴角度；/>为α、β时的指向精度偏差，为当俯仰角为α、方位角为β时，指向向量/>在基准棱镜坐标系的测量结果，/>为当俯仰角为0、方位角为0时，指向向量/>在基准棱镜坐标系的测量结果；/>为当俯仰角为α、方位角为β时，指向向量/>在基准棱镜坐标系的理论计算结果，/>为当俯仰角为0、方位角为0时，指向向量/>在基准棱镜坐标系的理论计算结果。

本发明提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种空间二维高频天线指向精度地面标定方法的步骤。

本发明提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种空间二维高频天线指向精度地面标定方法的步骤。

与现有方法相比，本发明方法具有有益效果：

本发明提出一种空间二维高频天线指向精度地面标定方法。通过光学标定与远场测试相结合的方法，获得天线的指向精度。该方法可消除地球重力对天线引起的变形影响，天线接近太空失重状态。该方法不受天线姿态及转角限制，可以较高精度（测量精度优于0.015°）实现任意俯仰角、方位角度下的测量。标定方法简单可行，易于实现，具有普适性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的一种空间二维高频天线指向精度地面标定方法流程图。

图2为暗场标定环节示意图。

图3为天线指向精度标定示意图。

图4为交会测量原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

术语解释：

（1）光电经纬仪：用于建立基准坐标系、天线棱镜坐标系和扫描***坐标系。

（2）天线近场扫描***：用于扫描天线的方向图，并计算电轴方向。

（3）基准尺：用于建立经纬仪的尺寸基准。

（4）高稳定脚架：用于安装和调整经纬仪位置和姿态。

（5）SMN数据测量***：包括光电经纬仪解算软件和联机测试盒与线缆，用于解算转换坐标系。

结合图1-图4，本发明提出本发明提出一种空间二维高频天线指向精度地面标定方法，所述标定方法分两部分进行；第一部分：在微波暗室环境标定电轴指向与棱镜坐标系关系，在微波暗室，采用平面近场测试***标定天线电轴矢量和天线棱镜坐标系之间的关系；第二部分：在洁净室标定天线棱镜坐标系和基准棱镜之间的关系，将四台经纬仪分为两组，建立测量站，分别建立驱动器基准棱镜坐标系和天线棱镜坐标系。标定流程如图 1所示。

在第一部分中，在微波暗室，采用平面近场测试***标定天线电轴矢量和天线棱镜坐标系之间的关系。平面近场测试***采用室内自动化测试技术，可实现天线点频、扫频测试功能。可极大提高测试速度，降低对测试场地的要求。测试***工作频率覆盖2~67GHz。由于测试天线频率较高，线缆损耗较大，***采用变频方案。矢网提供一路本振经过功分器与放大器分别给到发射端和接收端的扩频模块，另一路射频信号经过放大器给到发射端的扩频模块，经过扩频模块倍频后，由探头/天线发出；探头/天线接收并进入接收端扩频模块，两个扩频模块混频后，得到两路中频信号，两路中频信号为实际采集的信号。

测试时，首先将天线和工装安装在暗场中，扫描仪复位；其次，开启扫描架，使探头移动形成一个扫描平面，测试***按照采样步进在扫描架的每采样点发送一个TTL脉冲给RTC实时控制器，在RTC接收到扫描架的脉冲后，给矢网发送高电平触发信号，矢网采集数据同时返回低电平触发信号，完成采样测量；随后，通过对采集到的近场数据进行FFT变换即可得到天线的远场方向图，电轴测量***将天线安装状态电轴位置解算，并输出az、el两个角度；最后，架设高精度的经纬仪，建立测量站，标定天线棱镜坐标系与扫描仪坐标系的物理关系。扫描仪的物理坐标系通过经纬仪对靶标点标定建立，之后，将转换矩阵Rx输出，如图2所示。

天线电轴矢量在天线棱镜坐标系中的表示由下式表示

(1)

其中，为天线棱镜坐标系下的电轴矢量，/>，/>，/>为x，y，z轴三个方向的坐标，/>通过下式计算得到：

(2)

其中，为3×3旋转变换矩阵，/>为平移变换矩阵，/>为靶标运动坐标系{1}中的指向向量，定义齐次变换矩阵/>（4×4矩阵），齐次变换矩阵里同时包含了旋转和平移变换矩阵：

(3)

此处忽略平移变换矩阵，仅考虑角度关系，天线电轴矢量表示为：

(4)。

在第二部分中，标定天线棱镜坐标系和基准棱镜之间的关系。将四台经纬仪分为两组，建立测量站，分别建立驱动器基准棱镜坐标系{3}和天线棱镜坐标系{2}。天线整体为悬臂结构，试验时，卸载重力对天线结构变形。标定方法采用天线正、反标定的方式，天线俯仰轴α、方位轴角度β时，天线分别进行正向安装和反向安装（旋转180°），测量这两种安装状态时基准棱镜坐标系与天线棱镜坐标系之间的转换矩阵M ₁和M ₂；实验时，天线在达到指定角度后，保持通电状态，即使用保持力矩（齿槽转矩）将天线位置固定。标定示意图如图3所示。

对标定数据进行解算；

以俯仰角、方位角为[ 0 , 0 ]作为基准，按照以下公式计算指向精度：

(5)

(6)

(7)

(8)

其中，、/>分别为正、反安装时天线在基准棱镜坐标系中的指向；/>为卸载重力后的天线指向；/>、/>为过渡矩阵；/>、/>为基准棱镜坐标系和天线棱镜坐标系两个坐标系转换矩阵；α、β分别为天线俯仰角度和方位轴角度；/>为α、β时的指向精度偏差，为当俯仰角为α、方位角为β时，指向向量/>在基准棱镜坐标系的测量结果，/>为当俯仰角为0、方位角为0时，指向向量/>在基准棱镜坐标系的测量结果；/>为当俯仰角为α、方位角为β时，指向向量/>在基准棱镜坐标系的理论计算结果，/>为当俯仰角为0、方位角为0时，指向向量/>在基准棱镜坐标系的理论计算结果。

图4为天线暗室测试时用到的交会测量原理说明。图4中1为光电编码器，2为扫描仪上的靶标点P。***测量以三维空间交会理论为基础。在标定基准尺的情况下，在经纬仪站内，靶标点P的坐标可由下式给出。

(9)

其中，为两台光电编码器原点的投影距离，也为AB的投影线，/>为编号1光电编码器与靶标P投影点连线与AB投影线的夹角，/>为编号2光电编码器与靶标P投影点连线与AB投影线的夹角，h为两台光电编码器的高度差，/>为AP连线与水平面的夹角，/>为BP连线与水平面的夹角。

实施例

在暗场标定阶段和基准棱镜标定阶段，要保证光电经纬仪的测量精度，可根据实际测量条件和测量需要，将经纬仪数量确定为3台、4台或者5台。

第一部分，在暗场标定阶段，以四台经纬仪为例。将天线对准扫描架，开启扫描架对天线进行扫描，建立天线电轴矢量和扫描仪坐标系关系。放置四台经纬仪，其中两台经纬仪对天线棱镜进行准直，余下两台经纬仪先扫描基准尺两端的靶标点，再对准扫描仪上的靶标点进行扫描；然后四台经纬仪两两互瞄，通过SMN软件进行坐标系解算建立天线棱镜坐标系和扫描仪坐标系的关系。通过坐标转换（公式1~4）建立天线电轴矢量和天线棱镜坐标系的关系。

第二部分，在基准棱镜标定阶段，同样以四台经纬仪为例。将天线转到零位，四台经纬仪两两对天线棱镜和基准棱镜准直，然后互瞄，建立天线棱镜和基准棱镜在零位的坐标系关系。令天线俯仰和方位分别转动指定角度，通过经纬仪建立转动后的天线棱镜和基准棱镜的坐标系关系。将天线反转180°固定，同上述流程，建立天线棱镜和基准棱镜在零位的坐标系关系，和转动固定角度后天线棱镜和基准棱镜的坐标系关系。

最后，通过坐标转换（公式5~8）即可得到二维天线的指向精度。

本发明提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种空间二维高频天线指向精度地面标定方法的步骤。

本发明提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种空间二维高频天线指向精度地面标定方法的步骤。

本申请实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器（read only memory，ROM）、可编程只读存储器（programmable ROM，PROM）、可擦除可编程只读存储器（erasablePROM，EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（electrically EPROM，EEPROM）或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器（random access memory，RAM），其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM 可用，例如静态随机存取存储器（static RAM，SRAM）、动态随机存取存储器（dynamic RAM，DRAM）、同步动态随机存取存储器（synchronousDRAM，SDRAM）、双倍数据速率同步动态随机存取存储器（double data rate SDRAM，DDRSDRAM）、增强型同步动态随机存取存储器（enhanced SDRAM，ESDRAM）、同步连接动态随机存取存储器（synchlink DRAM，SLDRAM）和直接内存总线随机存取存储器（direct rambusRAM，DR RAM）。应注意，本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线（例如同轴电缆、光纤、数字用户线（digital subscriber line，DSL））或无线（例如红外、无线、微波等）方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质（例如，软盘、硬盘、磁带）、光介质（例如，高密度数字视频光盘（digital video disc，DVD））、或者半导体介质（例如，固态硬盘（solid state disc，SSD））等。

在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软 件形式的指令完成。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

应注意，本申请实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

以上对本发明所提出的一种空间二维高频天线指向精度地面标定方法、设备及介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种空间二维高频天线指向精度地面标定方法，其特征在于，所述标定方法分两部分进行；第一部分：在微波暗室环境标定电轴指向与棱镜坐标系关系，在微波暗室，采用平面近场测试***标定天线电轴矢量和天线棱镜坐标系之间的关系；第二部分：在洁净室标定天线棱镜坐标系和基准棱镜之间的关系，将四台经纬仪分为两组，建立测量站，分别建立驱动器基准棱镜坐标系和天线棱镜坐标系；

测试时，首先将天线和工装安装在暗场中，扫描仪复位；其次，开启扫描架，使探头移动形成一个扫描平面，测试***按照采样步进在扫描架的每采样点发送一个TTL脉冲给RTC实时控制器，在RTC接收到扫描架的脉冲后，给矢网发送高电平触发信号，矢网采集数据同时返回低电平触发信号，完成采样测量；随后，通过对采集到的近场数据进行FFT变换即可得到天线的远场方向图，电轴测量***将天线安装状态电轴位置解算，并输出az、el两个角度；最后，架设高精度的经纬仪，建立测量站，标定天线棱镜坐标系与扫描仪坐标系的物理关系；

标定方法采用天线正、反标定的方式，天线俯仰轴α、方位轴角度β时，天线分别进行正向安装和反向安装，测量这两种安装状态时基准棱镜坐标系与天线棱镜坐标系之间的转换矩阵M₁和M₂；实验时，天线在达到指定角度后，保持通电状态，即使用保持力矩将天线位置固定；

对标定数据进行解算；

以俯仰角、方位角为[0,0]作为基准，按照以下公式计算指向精度：

³P＝(³P_up+³P_down)/2 (7)

其中，³P_up、³P_down分别为正、反安装时天线在基准棱镜坐标系中的指向；³P为卸载重力后的天线指向；R_r′、R_r为过渡矩阵；为基准棱镜坐标系和天线棱镜坐标系两个坐标系转换矩阵；α、β分别为天线俯仰角度和方位轴角度；Δ为α、β时的指向精度偏差，/>为当俯仰角为α、方位角为β时，指向向量P在基准棱镜坐标系的测量结果，/>为当俯仰角为0、方位角为0时，指向向量P在基准棱镜坐标系的测量结果；/>为当俯仰角为α、方位角为β时，指向向量P在基准棱镜坐标系的理论计算结果，/>为当俯仰角为0、方位角为0时，指向向量P在基准棱镜坐标系的理论计算结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在第一部分中，矢网提供一路本振经过功分器与放大器分别给到发射端和接收端的扩频模块，另一路射频信号经过放大器给到发射端的扩频模块，经过扩频模块倍频后，由探头/天线发出；探头/天线接收并进入接收端扩频模块，两个扩频模块混频后，得到两路中频信号，两路中频信号为实际采集的信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，扫描仪的物理坐标系通过经纬仪对靶标点标定建立，之后，将转换矩阵Rx输出。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，天线电轴矢量在天线棱镜坐标系中的表示由下式表示

其中，²P为天线棱镜坐标系下的电轴矢量，p_x，p_y，p_z为x，y，z轴三个方向的坐标，²P通过下式计算得到：

其中，为3×3旋转变换矩阵，²P_BORG为平移变换矩阵，¹P为靶标运动坐标系中的指向向量，定义齐次变换矩阵/>齐次变换矩阵里同时包含了旋转和平移变换矩阵：

此处忽略平移变换矩阵，仅考虑角度关系，天线电轴矢量表示为：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，天线整体为悬臂结构，试验时，卸载重力对天线结构变形。

6.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-5任一项所述方法的步骤。

7.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1-5任一项所述方法的步骤。