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摘 要：三轴天线是低轨卫星数据接收站最常用的天线结构形式，根据三轴天线的结构特点，本文详细介绍了有标校塔和没有标校塔两种情况下，三轴天线角度零值标校的方法与步骤，为工程实践提供理论依据。
关键词：三轴天线；角度零值；天线标校
中图分类号：TN830 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）33-0307-02
1 引 言
三轴天线是低轨卫星数据接收站最常用的天线结构形式，角度零值标定的精度对于可靠捕获卫星至关重要。但在安装现场，要准确标定三轴天线的角度零值有一定的技术难度，其根本原因是由于倾斜轴的存在，天线方位零值很难标定。特别是安装现场没有标校塔时，天线角度零值标定就更加困难。下面分别给出在有标校塔和没有标校塔两种情况下，三轴天线角度零值标校的解决方案。
2 极坐标系的定义
三轴天线具有多种结构形式，本文所说的三轴天线特指倾斜轴可以在360°范围内任意转动的方位俯仰型天线。假设倾斜轴的倾角是θ，目标在天线测量坐标系内的角位置用Ac、Ec、Tc表示，在地平极坐标系的角位置用Az、El示。各个角坐标的定义如图1所示。
测量系方位角Ac：定义为天线电轴在斜转台平面的投影与斜转台高低点连线之间的夹角，顺时针为正；
测量系俯仰角Ec：定义为天线电轴与斜转台平面之间的夹角，向上为正；
倾斜轴方位角Tc：定义为斜转台高低两点连线在水平面投影与真北方向之间的夹角，顺时针为正；
大地系方位角Az：定义为天线电轴在大地水平面投影与真北方向之间的夹角，顺时针为正；
大地系俯仰角El：定义为天线电轴与大地水平面之间的夹角，向上为正；
根据大地极坐标系和测量系极坐标系的定义，测量坐标系通过两次坐标旋转就与大地坐标系重合，其相互关系可用式（1）表示的数学模型表示。
由式（2）可以得到：
sin El=sinθcosEc cosAc+cosθsinEc（2）
3 借助标校塔标定三轴天线角度零值
三轴天线角度零值现场标定的前提条件是出厂前对斜转台的倾斜角θ要事先测量，现场安装后对方位、俯仰轴的光学零值要初步标定，然后，按照如下步骤标定角度零值。
（1）驱动天线方位到方位光学零位位置，方位角度标定为零；
（2）保持天线方位在零位置不动，转动天线俯仰轴和倾斜轴，对准信标；用天线方位轴、俯仰轴跟踪信标；
（3）保持方位、俯仰自跟踪，微调倾斜轴，使方位角度输出为零；记录俯仰角度输出Ecz；
（4）倾斜轴保持不动，方位旋转180°，俯仰旋轉160～190°（取决于信标的高度），找到信标，天线方位保持在180°，俯仰轴单轴自跟踪信标，记录俯仰角度输出Ecf；
（5）根据（3）（4）的测量结果，用正倒镜标定算法修正俯仰角度零值，修正量见式（3）；
（6）天线系统恢复正镜方式工作，方位、俯仰自跟踪，微调倾斜轴，使方位角度输出为零，记录此时信标的大地仰角E；
（7）保持方位、俯仰自跟踪，转动倾斜轴，使方位角度输出为某一角度值，例如5°。读测量系的角度值Ac、Ec，按式（2）计算信标的大地仰角El（一般情况下，天线控制单元已经计算好，并显示在窗口上）。根据式（4）计算出方位零值的偏差量ΔAc并修正方位角度零值。也可以使方位在几个不同位置进行测量，得到几个方位零值偏差量，求其平均值修正；
（8）驱动天线方位到达新的零点位置，重复（2）～（7）两到三次，观察E和El的差值满足精度要求时，天线方位、俯仰轴的零值标定就完成了；
（9）用方位轴、俯仰轴跟踪信标，缓慢调整倾斜轴位置，使方位编码器输出为零，查阅标校塔的大地方位角Az，用Az修正倾斜轴的角度零值。
4 利用太阳标定三轴天线角度零值
用于遥感卫星数据接收的天线系统大都配置了S频段跟踪链路，当安装现场没有标校塔时，可以借助于太阳轨道精确已知的特点，通过跟踪太阳实现角度零值的标定。用太阳标定角度零值，比用标校塔标定要复杂一些。
（1）驱动天线方位位置到方位光学零位位置，方位角度标定为零。
（2）保持天线方位在零位置不动，转动天线俯仰轴和倾斜轴，对准太阳，并用天线俯仰轴和方位轴跟踪太阳。
（3）俯仰轴、方位轴保持跟踪太阳，手动微调倾斜轴，使方位角度输出为零，查阅当前时刻太阳的仰角，标定俯仰零值。测量系的俯仰角度El等于当前时刻太阳的仰角减去斜转台的倾斜角（也可以用正倒镜的方法标定俯仰角度零值，由于太阳在不断的移动，俯仰角度零值修正量计算公式与式（3）稍有不同）。
（4）保持天线俯仰轴、方位轴跟踪太阳，缓慢转动倾斜轴，使天线方位角度输出3°左右，读测量系的角度置Ac、Ec，查阅当前时刻太阳的仰角E，由式（2）计算测量到的太阳大地仰角El，并根据式（4）计算出方位零值的偏差量。继续调整倾斜轴，使天线方位输出分别为5°、10°，读相应时刻测量系的角度置Ac、Ec，按同样的方法分别计算方位零值的偏差量。计算三个方位零值偏差量的平均值进行方位零值的修正。
（5）驱动天线方位到达新的零点位置，重复（2）、（3）、（4）两到三次，观察E和El的差值满足精度要求时，天线方位、俯仰轴的零值标定就完成了。
（6）保持方位轴、俯仰轴跟踪太阳，缓慢调整倾斜轴位置，使方位编码器输出为零，查阅当前时刻太阳的方位位置Az和俯仰位置El，用Az修正倾斜轴角度零值，用El校核俯仰角度零值。
5 结束语
文章中介绍的角度零值标定方法在某三轴天线安装现场进行了应用，标校效率很高，大约在1h左右就可以完成，效果良好。借助标校塔标定三轴天线角度零值时，无法检验倾斜轴倾角θ的准确性，但利用太阳标定三轴天线角度零值时，如果需要，可以进一步检验倾斜轴倾角θ的准确性。表1是一组利用太阳循环两次标定三轴天线角度零值后，跟踪太阳的数据记录。由此可以算出用文中给出的方法标定后的指向精度是0.006°，这样的精度对遥感卫星数据接收站足够用了。如果天线控制单元软件配置了俯仰轴和倾斜轴的跟踪模式，利用太阳标校角度零值操作起来会更方便一些。
参考文献
[1]郭 良，李华芳.卫星通信手册[M].人民邮电出版社，1991.
[2]刘嘉兴.飞行器测控与信息传输技术[M].国防工业出版社，2011，10.
[3]樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].国防工业出版社，2016，7.
[4]张子旭.自动控制系统分析与设计[M].陕西：陕西科学技术出版社，1997，4.
[5]刘 浩，韩 晶.MATLABR2014a完全自学一本通[M].北京：电子工业出版社，2015，1.
[6]凡国龙，张录健.测控与通信，2017，41（156）：10～16.
[7]夏福娣.防空导弹制导雷达伺服系统[M].北京：宇航出版社，1996：266～275.
收稿日期：2018-10-9
作者简介：潘 蒨（1973-），女，硕士，毕业于西北工业大学，中国电子科技集团公司第三十九研究所测控事业部高工，从事雷达系统及伺服控制工作。
关键词：三轴天线；角度零值；天线标校
中图分类号：TN830 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）33-0307-02
1 引 言
三轴天线是低轨卫星数据接收站最常用的天线结构形式，角度零值标定的精度对于可靠捕获卫星至关重要。但在安装现场，要准确标定三轴天线的角度零值有一定的技术难度，其根本原因是由于倾斜轴的存在，天线方位零值很难标定。特别是安装现场没有标校塔时，天线角度零值标定就更加困难。下面分别给出在有标校塔和没有标校塔两种情况下，三轴天线角度零值标校的解决方案。
2 极坐标系的定义
三轴天线具有多种结构形式，本文所说的三轴天线特指倾斜轴可以在360°范围内任意转动的方位俯仰型天线。假设倾斜轴的倾角是θ，目标在天线测量坐标系内的角位置用Ac、Ec、Tc表示，在地平极坐标系的角位置用Az、El示。各个角坐标的定义如图1所示。
测量系方位角Ac：定义为天线电轴在斜转台平面的投影与斜转台高低点连线之间的夹角，顺时针为正；
测量系俯仰角Ec：定义为天线电轴与斜转台平面之间的夹角，向上为正；
倾斜轴方位角Tc：定义为斜转台高低两点连线在水平面投影与真北方向之间的夹角，顺时针为正；
大地系方位角Az：定义为天线电轴在大地水平面投影与真北方向之间的夹角，顺时针为正；
大地系俯仰角El：定义为天线电轴与大地水平面之间的夹角，向上为正；
根据大地极坐标系和测量系极坐标系的定义，测量坐标系通过两次坐标旋转就与大地坐标系重合，其相互关系可用式（1）表示的数学模型表示。
由式（2）可以得到：
sin El=sinθcosEc cosAc+cosθsinEc（2）
3 借助标校塔标定三轴天线角度零值
三轴天线角度零值现场标定的前提条件是出厂前对斜转台的倾斜角θ要事先测量，现场安装后对方位、俯仰轴的光学零值要初步标定，然后，按照如下步骤标定角度零值。
（1）驱动天线方位到方位光学零位位置，方位角度标定为零；
（2）保持天线方位在零位置不动，转动天线俯仰轴和倾斜轴，对准信标；用天线方位轴、俯仰轴跟踪信标；
（3）保持方位、俯仰自跟踪，微调倾斜轴，使方位角度输出为零；记录俯仰角度输出Ecz；
（4）倾斜轴保持不动，方位旋转180°，俯仰旋轉160～190°（取决于信标的高度），找到信标，天线方位保持在180°，俯仰轴单轴自跟踪信标，记录俯仰角度输出Ecf；
（5）根据（3）（4）的测量结果，用正倒镜标定算法修正俯仰角度零值，修正量见式（3）；
（6）天线系统恢复正镜方式工作，方位、俯仰自跟踪，微调倾斜轴，使方位角度输出为零，记录此时信标的大地仰角E；
（7）保持方位、俯仰自跟踪，转动倾斜轴，使方位角度输出为某一角度值，例如5°。读测量系的角度值Ac、Ec，按式（2）计算信标的大地仰角El（一般情况下，天线控制单元已经计算好，并显示在窗口上）。根据式（4）计算出方位零值的偏差量ΔAc并修正方位角度零值。也可以使方位在几个不同位置进行测量，得到几个方位零值偏差量，求其平均值修正；
（8）驱动天线方位到达新的零点位置，重复（2）～（7）两到三次，观察E和El的差值满足精度要求时，天线方位、俯仰轴的零值标定就完成了；
（9）用方位轴、俯仰轴跟踪信标，缓慢调整倾斜轴位置，使方位编码器输出为零，查阅标校塔的大地方位角Az，用Az修正倾斜轴的角度零值。
4 利用太阳标定三轴天线角度零值
用于遥感卫星数据接收的天线系统大都配置了S频段跟踪链路，当安装现场没有标校塔时，可以借助于太阳轨道精确已知的特点，通过跟踪太阳实现角度零值的标定。用太阳标定角度零值，比用标校塔标定要复杂一些。
（1）驱动天线方位位置到方位光学零位位置，方位角度标定为零。
（2）保持天线方位在零位置不动，转动天线俯仰轴和倾斜轴，对准太阳，并用天线俯仰轴和方位轴跟踪太阳。
（3）俯仰轴、方位轴保持跟踪太阳，手动微调倾斜轴，使方位角度输出为零，查阅当前时刻太阳的仰角，标定俯仰零值。测量系的俯仰角度El等于当前时刻太阳的仰角减去斜转台的倾斜角（也可以用正倒镜的方法标定俯仰角度零值，由于太阳在不断的移动，俯仰角度零值修正量计算公式与式（3）稍有不同）。
（4）保持天线俯仰轴、方位轴跟踪太阳，缓慢转动倾斜轴，使天线方位角度输出3°左右，读测量系的角度置Ac、Ec，查阅当前时刻太阳的仰角E，由式（2）计算测量到的太阳大地仰角El，并根据式（4）计算出方位零值的偏差量。继续调整倾斜轴，使天线方位输出分别为5°、10°，读相应时刻测量系的角度置Ac、Ec，按同样的方法分别计算方位零值的偏差量。计算三个方位零值偏差量的平均值进行方位零值的修正。
（5）驱动天线方位到达新的零点位置，重复（2）、（3）、（4）两到三次，观察E和El的差值满足精度要求时，天线方位、俯仰轴的零值标定就完成了。
（6）保持方位轴、俯仰轴跟踪太阳，缓慢调整倾斜轴位置，使方位编码器输出为零，查阅当前时刻太阳的方位位置Az和俯仰位置El，用Az修正倾斜轴角度零值，用El校核俯仰角度零值。
5 结束语
文章中介绍的角度零值标定方法在某三轴天线安装现场进行了应用，标校效率很高，大约在1h左右就可以完成，效果良好。借助标校塔标定三轴天线角度零值时，无法检验倾斜轴倾角θ的准确性，但利用太阳标定三轴天线角度零值时，如果需要，可以进一步检验倾斜轴倾角θ的准确性。表1是一组利用太阳循环两次标定三轴天线角度零值后，跟踪太阳的数据记录。由此可以算出用文中给出的方法标定后的指向精度是0.006°，这样的精度对遥感卫星数据接收站足够用了。如果天线控制单元软件配置了俯仰轴和倾斜轴的跟踪模式，利用太阳标校角度零值操作起来会更方便一些。
参考文献
[1]郭 良，李华芳.卫星通信手册[M].人民邮电出版社，1991.
[2]刘嘉兴.飞行器测控与信息传输技术[M].国防工业出版社，2011，10.
[3]樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].国防工业出版社，2016，7.
[4]张子旭.自动控制系统分析与设计[M].陕西：陕西科学技术出版社，1997，4.
[5]刘 浩，韩 晶.MATLABR2014a完全自学一本通[M].北京：电子工业出版社，2015，1.
[6]凡国龙，张录健.测控与通信，2017，41（156）：10～16.
[7]夏福娣.防空导弹制导雷达伺服系统[M].北京：宇航出版社，1996：266～275.
收稿日期：2018-10-9
作者简介：潘 蒨（1973-），女，硕士，毕业于西北工业大学，中国电子科技集团公司第三十九研究所测控事业部高工，从事雷达系统及伺服控制工作。