一种遥测地面站指向标校方法与流程

本发明涉及一种遥测地面站指向标校方法，适用于小遥测地面站天线指向误差的快速高精度标校。

背景技术：

近年来，遥测地面站的发展进入了商用化阶段，小型化、移动化的商用地面站开始日益受到研究者的重视。地面站在建设和使用过程中，都需要对各种系统误差进行标定和修正，以保持系统的遥测性能。遥测地面站的天线指向标校是地面站标校的重要组成部分，传统的天线指向标校通常采用标校塔法和射电星法，但是这两种方法对于小型化、移动性强的商用地面站均存在固有的应用困难。标校塔法需要在地面站附近建设标校塔作为标校基准，无法适应商用地面站的移动性要求。射电星法以射电星发出的射电信号作为标校源，但是射电星所辐射的射电信号功率较小，对地面站天线的尺寸和增益性能有较高要求，不能适应商用地面站小型化的应用需求。

考虑到商用地面站的移动性需求，无塔标校方法是实现其标校功能的最佳选择。太阳辐射源标校是一种典型的无塔标校方法，它利用太阳位置作为基准，实现对天线指向的误差标校。太阳辐射源的辐射功率远高于射电星，因而能够适用于尺寸更小、增益倍数更低的小型地面站天线。但是，传统的太阳辐射源标校存在一定的固有缺陷，主要在于太阳相对地面的天线具有一定大小的角径，不是理想的点辐射源，导致天线在指向标校过程中难以精确地对准太阳中心。太阳的角径大小直接影响了天线标校的精度，限制了该标校方法的实际应用。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题：克服现有技术的不足之处，提供一种小型地面遥测站指向标校的新方法，该方法通过对太阳辐射源进行圆锥扫描的方式克服了太阳角径对天线标校精度的影响，实现对小型商用地面站天线指向误差的快速高精度标校。

本发明的技术解决方案：一种遥测地面站指向标校方法，包括下列步骤：

(1)采用极大值跟踪策略，驱动天线方位俯仰轴，逐步逼近太阳辐射功率极大值出现的方向，当天线跟踪稳定时，记录当前天线方位俯仰指向角；

(2)获取记录指向角时刻太阳中心在“东-北-天”坐标系下相对地面站的方位俯仰角，同时把稳定跟踪时天线指向角修正为该值，该过程记为天线指向从测量坐标系至东北天坐标系的坐标变换；

(3)获取标校时刻太阳相对地面站在东北天坐标系下的指向角(ac，ec)，计算方向矢量r0，设定圆锥扫描锥角γ，计算天线圆锥扫描矢量rs，根据rs的坐标分量计算出天线不同时刻的指向角度，控制天线绕r0进行圆锥扫描；

(4)每个扫描周期结束后，根据天线在该周期内接收的辐射功率计算变异系数f，同时根据该系数计算天线扫描的锥角偏差δγ，进而计算出天线指向在该周期内的指向偏差，记为(δas，δes)，对当前天线指向进行角度修正；

(5)当变异系数f大于设定值时，重复步骤(3)、(4)，当变异系数f小于等于设定值时，扫描结束，计算该过程中天线指向总的修正量(∑δas，∑δes)；

(6)在一天中选取多个标校时刻，每一个时刻把步骤(5)中的修正值清0，重复步骤(3)～(5)，得到多组修正值，然后结合天线指向误差修正模型构建方程组，通过最小化参数拟合方法解得相关参数，后续天线指向按照天线指向误差模型进行修正。

所述步骤(1)中的极大值跟踪策略具体为：以天线接收的太阳辐射功率作为天线跟踪依据，驱动天线向太阳辐射功率最大值移动，当天线接收的太阳辐射功率处于最大值时，天线保持动态稳定跟踪。

所述步骤(2)进行天线指向坐标变换时，不考虑太阳辐射的随机误差，即认为天线接收到的辐射功率最大时，天线指向太阳中心。

所述步骤(2)中的角度修正方法为

adbt＝acl+δa0

edbt＝ecl+δe0

(adbt，edbt)为当前天线指向在东北天坐标系下的方位俯仰角，(acl，ecl)为当前天线指向在测量坐标系下的天线指向，(δa0，δe0)为坐标转换中的角度修正值。

所述步骤(3)中，太阳中心相对地面站在东北天坐标系下的角度(ac，ec)通过stk软件获取，对应的方向矢量

r0＝(cosecsinac,coseccosac,sinec)。

所述步骤(3)中的扫描矢量

r1＝((cos(ec+γ)-cosγcosec)sinac,(cos(ec+γ)-cosγcosec)cosac,sin(ec+γ)-cosγsinec)r2＝r1×r0；

其中γ为扫描锥角，t为扫描周期，rs为扫描矢量，r1、r2为与天线指向垂直平面内的一对正交矢量。

所述步骤(4)中的天线接收辐射功率的变异系数

式中，t为扫描周期，p(t)为天线接收到的辐射功率。

所述步骤(4)中的锥角偏差δγ小于整个天线波束宽的1/5时，锥角偏差δγ与变异系数f呈单调递增比例关系，比例系数需根据实际系统进行实测。

所述步骤(4)中天线指向在该周期内的偏差(δas，δes)由以下公式得出

其中(an，en)为天线在单个扫描周期中接收功率最大时刻对应的方位俯仰角。

所述步骤(6)的天线指向误差修正模型为

∑δas＝a0+θmsin(ac-am)tan(ec)+ξtan(ec)

∑δes＝e0+θmcos(ac-am)

其中a0、e0、θm、am、ξ为天线指向误差修正模型参数，a0、e0为坐标变换修正后的零值误差、θm表示天线大盘的最大不水平角，am为天线座最大不水平角所处的方位角，ξ为天下方位轴和俯仰轴的不正交度。

本发明相对于其他技术的优点：

(1)相对于传统的有塔标校方法，本发明把太阳位置作为标校基准，不要额外的位置测量设备，标校过程简捷，减少了人力物力；

(2)相对于射电星标校方法，太阳的辐射功率高，对天线系统的增益性能要求较低，能够适用于小型的地面站天线标校；

(3)相对于常规太阳标校方法，对辐射源采取圆锥扫描方法进行角度标校，解决了太阳辐射源不是理想的点辐射源问题，提高了标校精度。

附图说明

图1是本发明所述方法的执行流程

图2是天线指向坐标变换示意图

图3是天线绕太阳圆锥扫描示意图

图4是方向矢量与方位俯仰角换算示意图

图5是天线扫描矢量计算示意图

具体实施方式

如图1所示，一种遥测地面站指向标校方法，包括下列步骤：

(1)采用极大值跟踪策略，驱动天线方位俯仰轴，逐步逼近太阳辐射功率极大值出现的方向，当天线跟踪稳定时，记录当前天线方位俯仰指向角；

(2)获取记录指向角时刻太阳中心在“东-北-天”坐标系下相对地面站的方位俯仰角，同时把稳定跟踪时天线指向角修正为该值，该过程记为天线指向从测量坐标系至东北天坐标系的坐标变换；

(3)获取标校时刻太阳相对地面站在东北天坐标系下的指向角(ac，ec)，计算方向矢量r0，设定圆锥扫描锥角γ，计算天线圆锥扫描矢量rs，控制天线绕r0进行圆锥扫描；

(4)每个扫描周期结束后，根据天线在该周期内接收的辐射功率计算变异系数f，同时根据该系数计算天线扫描的锥角偏差δγ，进而计算出天线指向在该周期内的指向偏差，记为(δas，δes)，对当前天线指向进行角度修正；

(5)当变异系数f大于设定值时，重复步骤(3)、(4)，当变异系数f小于设定值时，扫描结束，计算该过程中天线指向总的修正量(∑δas，∑δes)；

(6)在一天中选取多个标校时刻，每一个时刻把步骤(5)中的修正值清0，重复步骤(3)～(5)，得到多组修正值，然后结合天线指向误差修正模型构建方程组，通过最小化参数拟合方法解得参数，后续天线指向按照天线指向误差模型进行修正。

所述步骤(1)中的极大值跟踪是指以天线接收的太阳辐射功率作为天线跟踪依据，驱动天线向太阳辐射功率最大值移动，当天线接收的太阳辐射功率处于最大值时，天线保持动态稳定跟踪。

所述步骤(2)进行天线指向坐标变换时，不考虑太阳辐射的随机误差，即认为天线接收到到的辐射功率最大时，天线指向太阳中心。

一种遥测地面站指向标校方法，其特征在于：所述步骤(2)的角度修正方法为

adbt＝acl+δa0

edbt＝ecl+δe0

(adbt，edbt)为当前天线指向在东北天坐标系下的方位俯仰角，(acl，ecl)为当前天线指向在测量坐标系下的天线指向，(δa0，δe0)为坐标转换中的角度修正值。

如图2所示，假设当前天线方位指向在测量坐标系下为18°，与太阳位置夹角为5°，太阳位置在东北天坐标系下为10°，此时若天线指向太阳，则其在测量坐标系下角度为23°，需要将其修正为东北天坐标系下的10°，对应修正值为-13°。

所述步骤(2)、(3)中，太阳中心相对地面站在东北天坐标系下的角度(ac，ec)通过stk软件获取，步骤(3)对应的方向矢量r0如图3所示，经计算可得

r0(x,y,z)＝(cosecsinac,coseccosac,sinec)，

ac、ec为太阳的方位俯仰角；从方向矢量中可以得出其与天线方位俯仰指向角满足以下关系

e＝argsin(z)

一种遥测地面站指向标校方法，其特征在于：所述步骤(3)中的扫描矢量

根据rs的坐标分量计算出天线不同时刻的指向角度控制天线进行圆锥扫描，其中γ为扫描锥角，t为扫描周期，rs为扫描矢量，r1、r2为与天线指向垂直平面内的一对正交矢量。

圆锥扫描矢量及正交矢量r1、r2的构建方法如图4所示，把方向矢量r0绕原点在俯仰方向旋转γ构建新的矢量rs'，rs'端点n向r0作垂线，得到新的矢量r1，计算可得

r1＝((cos(ec+γ)-cosγcosec)sinac,(cos(ec+γ)-cosγcosec)cosac,sin(ec+γ)-cosγsinec)

然后构建矢量r2，

r2＝r1×r0

进而可以得到与时间相关的扫描矢量rs。

所述步骤(4)中的天线接收辐射功率的变异系数(功率标准差与功率平均值的比值)

式中，t为扫描周期，p(t)为天线接收到的辐射功率。

一种遥测地面站指向标校方法，其特征在于：所述步骤(4)中的锥角偏差δγ较小时，其与变异系数f呈单调递增比例关系，比例系数需根据实际系统进行实测。

在理想情况下，f是δγ的单调增函数，其中δγ是圆锥扫描中心矢量与太阳中心矢量的夹角，且δγ＝0时，f＝0。通过天线的圆锥扫描运动，不断进行迭代修正，可以得到实际测量的变异系数fe，根据上述公式，可以找到最佳的δγ。理论上δγ就是天线圆锥扫描中心方向与太阳中心矢量方向的夹角，也就是此时天线的指向误差。

如图5所示，如果天线系统完全没有指向误差，圆锥扫描过程中，天线方向和太阳中心矢量方向的夹角将始终为γ，此时扫描过程中的天线接收功率也将为恒定值。如果天线系统存在指向误差，那么受到误差的影响，圆锥扫描所围绕的中心方向将与太阳中心矢量方向存在夹角δγ，考虑到在扫描周期t的时间内，太阳中心矢量和扫描矢量的变化范围都较小，可以认为天线系统的指向误差，近似为恒定误差，即认为在扫描周期内δγ保持不变。在此情况下，圆锥扫描一周的过程中天线方向与太阳中心矢量的夹角γ将不再保持恒定，而是在γ+δγ的范围内变化，天线接受的辐射功率也将因此随时间发生变化。

所述步骤(4)中天线指向在该周期内的偏差(δas，δes)由以下公式得出

其中(an，en)为天线在单个扫描周期中接收功率最大时刻对应的方位俯仰角。

所述步骤(6)的天线指向误差修正模型为

∑δas＝a0+θmsin(ac-am)tan(ec)+ξtan(ec)

∑δes＝e0+θmcos(ac-am)

其中a0、e0、θm、am、ξ为天线指向误差修正模型参数，a0、e0为坐标变换修正后的零值误差、θm表示天线大盘的最大不水平角，am为天线座最大不水平角所处的方位角，ξ为天下方位轴和俯仰轴的不正交度。

通过在一天内获取多组天线指向误差角，通过构建方程组进行参数拟合即可得到天线指向误差模型中的各参数，进而完成天线指向修正。

发明原理

太阳辐射源标校的原理与射电星标校法类似，都是利用辐射射电信号的天体位置作为指向标校的基准。太阳辐射源标校的优势在于太阳的辐射功率远大于射电星，因此对天线系统的增益性能要求较低，能够适用于小型的地面站天线标校。太阳相对于地面站天线具有一定大小的角径，不是理想的点辐射源，传统的太阳辐射源标校的主要不足在于，采用太阳中心位置作为标校基准，由于角径范围之内均有射电信号辐射，天线无法精确地对准太阳中心，导致标校的精度受到影响。

天线所接受的功率对天线指向与太阳中心矢量的夹角具有单调递减的敏感关系。因此，可以通过使天线指向方向围绕太阳中心矢量方向进行圆锥扫描的方法实现对天线指向误差的测量与补偿，最终通过迭代算法实现天线对太阳中心的精准指向。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。