地面测控雷达角度标校.pdf

总第 1 1 0 期 通信 与测控 一，地面测控雷达角度标校 杨斌峰(中国电子科技集 团公司第 3 9研 究所 西安 7 1 0 0 6 5)摘要 主要对地面测控雷达的角度标校 问题进行 了讨论，并对标校误差 进行 了分析。关键 词 地 面测控雷达 角度标校标校误 差 光轴 1 概 述 随着 航 天技术 的发展，各种航 天器 不断 升空，其轨 道 的测量对 地面测 控雷达 的测 角精度 要求越 来越高。从地 面测量 雷达 的工 作过程看，角度测 量主要误 差源包括 目标 误 差、电磁波 的空 间传播 误差和地面测 量雷达 自身误差。根据 误差 的性质，可 以分 为随机误差、系统 误差 和过 失误差。随机 误差虽然在表 面上看起 来没 有规律，但仍存 在统计 学 上的规律 性，其所 出现 的数值 大小具有 一定 的 概率分布，因此 可 以用统计 学 的方法 进行计算 和分析；系统误差是 重复测试均保持 同 一数值，或按 某一定规律变 化 的误 差分量；过 失误差 是 由于操作错 误、计算错误、设 备工作不正 常或某些部件发 生故障所产生 的误 差。系统 误差 是有 一定规律 的，可 以通 过一 定的方法 减小 或消 除，使 地面 雷达测 量精 度最终主 要受随机误差 的影 响。为 了减 小系统误 差，对 设备要进行 合理 的设计和 精密 的机械 加工制 造，但 系统误 差是不 可避 免 的，而 且过分 对硬件 提 出苛刻 的要求不仅 在 技术上难 以实现，在经济 上也是不 合算 的，因此需 要一套严密 的符合 实际，行之有 效的 标校方法。地面 雷达 的角度 标校包括 标定和校准 两部分 工作。标 定是给 出系统误 差系数，校 准是采 取措施减 小或消 除系统误差。实际工作 中，这两部分工作往 往是 结合 在一起 进 行 的，统称为标 校。2 地面测控雷达测角系统误差模型 本 文仅讨论测 量雷达本 身的测角误 差。在各 种地面测控 雷达 的测 角误差模 型中，主要误差项 是相 同的，具有通用性。下面 给 出地面测控 雷达 测角系统误差修 正模型：公式 中误差项 的符号是 以真值为参考定 义的。当 由于某项误差 的存在 使测量值 变 小 时，该项误差本 身取“正”号，反之取“负”号。A z=Ac+Ao+8 M s i n(A c A M)t g E c+&g Ec+K z+K b+A U。|l。、s e c Ec E z=Ec+E o+8 M c o s(A c AM、+K，+A U E f|l E+E|C O S Ec+E d 收稿 日期：2 0 0 5年 6月 1 6日 维普资讯 http:/ 通信与测控 2 0 0 5 年第3期 式 中：目标方位角 真值，为修 正后的测量值。设备方位 角测量值。设备方位角零 位误差，天线座 大盘不水平 的最 大值 厂天 线 座大盘最大不水 平角所处 的方位角 设备方位轴与俯仰 轴不正交度 电轴不 匹配 引起 的方位误差 光轴与俯仰轴不 正交度 设备对 目标 自跟 踪时，方位误差 电压 方位 支路误差定 向灵敏度 目标 俯仰角真值，为修 正后 的测量值 设备俯仰 角测量值 设备俯仰角零值 光 电轴 不匹配引起 的俯仰误 差 A U 设备对 目标 自跟踪时，俯仰误差 电压 俯仰支 路误 差定 向灵敏度 重力下 垂引起 的俯仰误 差 屯波折射误差 3 标校设施和设备 3 1 方位标 在测控 雷达 四个象 限 内建造 4 6个方位标；方位标相对测量设备的距离应在 5 0 0 5 0 0 0 m 范围内，从测量设备照准方位标 时，天线仰 角应在 2。以内；方位标 的照准部 一般为涂有黑 白颜色 的十字，十 字的中心应能设 置光标；每个 方位标都应 与测 量设备通视；方位 标应具有三 等大地测量控制 网精 度。3 2 校准 塔 在测控雷达周 围建一校准塔，在塔顶部建造“十”字形标校板，构成校准塔；校准塔相对与测 量设备 的距离 应 满足远场条件：堡 式中：线直径(m)；工作波 长(m)。测量设备照准“十”字形标校板 时，天线仰角应 大于 3。；“十”字形 标校板 的中心应 能放置测试信标天线，两个角上 根据天线望远镜光轴 维普资讯 http:/ 总第 1 1 0期 杨斌峰：地面测控雷达角度标校 与机 械轴 中心 的几何尺寸关 系设置正、倒镜 对称光标；“十”字形标校板板 面应与测控 雷达的视准轴垂直；“十”字形标校板应 与测控雷 达通 视，并在 1。范 围内无遮挡。3 3 光轴标校板 在测控 雷达周 围建造 光轴标校板；光轴标校板相对于测控雷达的距离应在 5 0 0 5 0 0 0 m范围内；在光轴标校板上，根据被测天线上望远镜光轴与机械轴中心的几何尺寸关系设 置正、反 向测量 时对应的光标；光标板应与测 量设备通视，且与测控 雷达 的视准轴垂直。3 4 标校工具 测角仪；合象水 平仪；经纬仪；测编码 器精度用工装；信 号源；信标 天线。3 5 大地测量成果 设备机 械轴 中心 的天文经纬度、大地经 纬度、垂线偏差、正常高、高程异 常；设备机械轴中心至方位标和校准塔“十”字形标校板信标喇叭的大地和天文方 位 角、俯仰角及斜 距；望远镜光轴视差修 正量。4 误差系数标定 常用 的测控 雷达标校有星体 标校和常规标校。本文讨论常规标校方法。测控雷达有 四种轴：1)对于具有“和”、“差”波束 的单脉 冲天线，电轴是指差波束零值所 指示的方 向。在理想 的情况 下它与和波束最 大辐射方 向的轴线 是重合的。雷达 自跟踪时要求 电轴对 准 目标；2)光轴 是雷达天线座上 安装 的光学望远镜 的观察轴线，是望远镜物镜和 目镜 中心 之间 的连线；3)机 械轴是 与雷达天线方位轴和 俯仰轴正交 的轴；4)编码器轴 是 由角度编码器 决定的轴。雷达 对 目标进 行测量 时，以电轴 对准 目标，以编码 器轴给 出数据，以机 械轴和大地 坐标相联 系。在理 想 的情况 下这三轴 是重合 的。即在 雷达跟踪 目标时，编码器给 出的 数据就是以大地坐标为参考的目标位置数据。实际上三轴是不可能完全重合的。在高 精度测控雷达 中，要使 三轴的不重合度减 至最小，首先要建立一个光轴。维普资讯 http:/ 通 信与测控 2 0 0 5年第 3期 测控雷达 电轴必须 与俯仰轴 相垂直，否则会产 生方位误 差。并且 无论方位和俯仰 角坐标，电轴 必须准确标 定。但是利用 电轴进行轴系 的调整和坐标标 定都很不方便，因 此 常利用装 在天线上 的望远镜作 为媒介，即建立 一个光轴。安装 时尽 量使光轴和 电轴 相一致，并和俯仰轴相垂直，然后使用时只需要对光轴进行标定，对轴系的检查和调整 也利用光轴。所以光电轴不匹配和光轴不垂直俯仰轴都会产生误差。大型天线从机械 上调整电轴很困难，主要依靠设计、加工、安装的精度来保证。光轴可以在工厂安装 时进行调整，对俯仰轴 的垂直度可 以作 的较 高，但 在使用期 间会 因各种 原因而下 降。标 校时，首先使光轴尽可能准确地与机械轴重合，然后以光轴代替机械轴对电轴、编码器 轴进行标校。4 1 方位轴与俯仰轴不正交度测试 俯仰轴与 方位轴 不垂直，常称 正交性误差。它只 引起 方位误差。方位轴 与俯仰轴 不正交度为。在雷达设计 时都保证 有必 需的大小，加工装 配后无法调整。测试步骤 如下：测两轴 不正交 需做专 门的工 装。可 以是插入俯 仰轴 中心 的一根均匀 的金属棒，也 可 以是平行于 俯仰轴可安放合象 水平仪 的其它装 置。测量之前对不正交度做 正向定义：当天线指向零方 向时，即方位角 A=0。、E=0。，站在 天线背后 向前看，俯仰轴左 端升高为 正。水平仪读数 的正负按水平仪本身 的规 定。将 水平仪放 置在 测量工装上；使天线 A=0。、=0。，调整水 平仪读 出水平仪值 ：将天线俯仰 旋转 l 8 0。，读出 2 1 将天线方位旋转 l 8 0。，读出 2 1 再旋转俯仰，回到=0。，读 出水平仪 值 ；这样一 组数为一个测回，同法可测得两、三个或更 多的测回；为消除仪器零 点误差和测量工装 误差，在 每一个水平仪 的放 置位置上需倒镜(水 平仪水平旋转 1 8 0。)一 次，这样对应 l、2、l、2 分别为、；按下式计算可计 算出两轴不 正交 度、工装误差及 水平仪误差。1 =亡【(。+2+。+2)一(+；+：)J o 1 i=亡【(+：+。+：)一(+2+2)j o 1 水=亡 k o,+2+；)一(1+2+：)J o 式 中：俯仰轴与方位轴不 正交度 I 工装误差 A水 水平仪零 点误差 按下式计算俯仰轴与方位轴不正交度误差修正量：=t gE 维普资讯 http:/ 总第 1 1 0期 杨斌峰：地面测控雷达角度标校 4 2 光轴与俯仰轴不正交度 测试 光轴与俯 仰轴不 正交 只引起方位误差。设光轴 与俯仰轴不正交度 误差系数为。为了使光轴更好的代替机械轴，就要对光轴与俯仰轴不正交度 进行标校，并调整光 轴与 电轴使 两轴平行，调整光轴 时需兼顾光 电失配，可分三 步进 行：第 一步：标校两轴 不正交度 测试 步骤如下：1)由望远 镜读数进行标校 正镜读数，转动天线，使正镜望远镜的分化板中心对准远处一个容易观测的目标(或塔上光标)，以望远镜分划 线为坐标读数 A e z,倒镜读 数，将 天线俯仰转动 1 8 0 2 E (E ：为 目标 的仰角)，将望远镜 改为倒装，方 位角不 动，再观 察 同一 目标，从望远镜 中读数为；可求 出光轴与俯仰轴 不正交误差 1，、K =一 一 J 望远镜 读数 的确 定：目标在望远镜 十字 中的左 为正，右为 负；通 常需要经过 反复调整，使 尽 可能小。即可认 为光 轴与俯仰轴 已经 垂直。2)轴 角编码器读数进行 标校 正镜读数，转 动天线，使望远镜 的“十字”分划板 中心对准塔 上望远镜正镜光标，由方位轴角编码 器得到读数；倒镜读数，将天线方位转 动 l 8 0。，俯仰 转动 1 8 0 2 E (E 为 目标 的仰 角)，再微 动天线座，使望远镜“十字”中心对 准标校塔 上的望远 镜倒镜光标，记下方位轴 角编码 器的读数 这种方法 的缺点是又引入 了轴角编码器 的读 数误差。按下式计算 光轴 和俯仰轴 的不正交度=一 一A +一 8 0 o)当计算 出的 较大 时可调整望远镜 的位 置，重 复以上步骤，直 到满足 要求。按下式计算 光轴 不正交度误 差修 正量：AA2：K6s e c E 第二步：在 方位方 向调整 电轴，使 电轴 平行于光轴。在标校 塔上建立光、电标。光标和 电标的相对位置 与天 线的机械轴 中心和望远 镜 中心 的相对位 置一致；对 于卡 氏天 线和格 氏天线可通 过调整 副面来调整 电轴，实现方位 上 电轴与光轴 平行。调整天线 电轴 时，必 须兼 顾使天线 的 电性 能指标满足要 求。第 三步：在俯仰 上调整光轴，使光轴与 电轴 平行。首先 使 电轴对准塔 上的 电标；在俯仰 上调 整光轴，使望远 镜光轴 对准 塔 上光标，实现 在俯仰 上 光轴 与 电轴 平 维普资讯 http:/ 一1 2一 通信与测控 2 0 0 5 年第 3期 行。这样就实现 了光轴、电轴、机械 轴 的调整。4 3 天线 光轴、电轴 不匹配误差标 定 天线的光轴、电轴、机械轴调整完后，机械轴不可能完全重合，必须对光、电不匹 配 误差进行标 定。光轴、电轴 不匹配会 引起方位 误差 和俯仰误差。光轴、电轴不匹配引起的方位误差系数 光轴、电轴不 匹配 引起 的俯仰 误差系数 测试 步骤：1)由望远镜 读数进行标 定 正镜和倒 镜观测均 是在 自跟 踪状态 下进 行，数据从望远 镜 中读 出。以望远镜 的 光轴 为基准，以望 远镜 的“十”字刻 度线为坐 标，观测 者站在望远 镜 的后面往前 看，目 标(光标)出现在望远镜“十”字刻度线的上方为正，下方为负；右方为正，左方为负；标校塔上信标机 正常工作；调整好方位、俯 仰和差支路 的相 位零 点及 定向灵 敏度 的大小和极性；正 镜观 测 天 线对 标校 塔 上 电标 自跟 踪，由望远 镜观 测 标校塔 上 正镜 光标 板“十”字，读取 正镜光 标板“十”字 在望远镜 中的脱靶量 、y z；倒镜观测 将天线 方位转动 l 8 0。，俯仰转 动 l 8 0 2 。改变方位支 路 自跟踪 误差 电压极性，闭 自跟 踪环，使天线对 标校塔 上电标 自跟踪，由望远 镜观测塔上倒 镜光 标板“十”字，读 取倒镜光标板“十”字在望远镜 中的脱 靶量 、y D；按 下式 计算天线光轴、电轴 不匹配误差：=一 K =【一 y D)式 中：敲 测天线横 向光 轴、电轴不 匹配误差 被测 天线纵 向光轴、电轴不匹配误差 当望远 镜存在倒相 问题 时，需将 望远镜 的读数取 反号，然后代入 上式计算。2)由轴 角编码器读数进行 标定 由于编码器轴 与光轴具 有较好 的重合性，又考虑 到实际工作 中具体操作 的方 便性，可 以从轴 角编码器读数标 定。正镜 自跟踪 读数：将 天线对准 标校塔上 的 电标，置系统于 自跟踪状态。从方位 和俯仰轴 角编码器分别读 取数据 A c z 和 E c z；倒镜 自跟 踪读数：将 天线方位转动 1 8 0。，俯 仰转动 l 8 0 2 。改变方位支路 自跟踪误差 电压极性，将天线对准 标校塔上 的电标，置系统 于 自跟 踪状态。从方位和俯 仰轴角编码 器分别读取数 据 A c n 和 E C D；按下式 计算光轴、电轴 失配 维普资讯 http:/ 总第 1 1 0期 杨斌峰：地面测控雷达角度标校 一 l 3一=一 1(-A c o+1 8 o。)=一 +E c o 。)这种方法会受到 编码器读数和零 位误差 的影 响。按 下式计算光轴、电轴 不匹配误 差修正量：AA3=K S e CE AE3=K 光轴、电轴 失配 符号确 定(如图 l所 示)。电轴落 后于光轴，光、电失配为负，否则 为 光轴 电轴 俯仰轴。图 1 光 轴和 电轴关 系 4 4 重力下垂误差的标定 天 线在重力作 用下会产 生结构变 形，包 括反射体 变形、馈源 的径 向位移和 抖动、卡氏天线和格氏天线的副面位移。这些结构变形都会产生电轴偏移，在俯仰上引起测 角误差。因此必须对重 力下垂引起 的测 角误差进行标 定。为重 力下垂引起 的俯仰 误差系数 测 试步骤：(同 4-3)按 下式计算重力下垂 误差：1，、E =一【E c z E+1 8 o。J+E 二 1，、：+A Y。J A E ：按 下式对重力下垂 引起 的仰角误 差进行 修正：AEs=AEC O S 重 力下垂符号确 定：重 力下垂 引起 电轴 向下，。为负；否则为正。4 5 大盘不水平及量大倾斜方向 方 位轴 不垂直会 引起 方位和俯仰误 差。测试 步骤：沿着 天线方位 转盘平 台靠线放置 合象水 平仪，合象水平 仪旋扭端朝 向方位旋转 中心；从 0。开始，转动天线方位，每 隔 l 5。读取合象水平仪 读数 和方位编码器读 数 A f 一次，直 到 3 4 5。；符 号规 定方位转盘外沿 向下倾斜 为正；按下列公式求方位转盘最大倾斜量 和最大倾斜方向的方位角 ；计算水平 仪读数 的平均值 维普资讯 http:/ -1 4-通信与测控 2 0 0 5年第 3 期=那 么最大不水平角 0 M及 其方位角 M为：(，一 )s i n()f=a r c t g L 一i=1 胛 (一 )c o s(，)(一 if)c o s(A 一 A )0=a r c t g 生 一 c o s (一 )按下式计算天线座 不水平误差 引起 方位、俯仰误差 修正量：A A 4=8 M s in(,c A H)A E 4=8 H-c o s(A c A M)4 6 角度零值标校 编码器 的标校 以光轴 为基准，造 成编码器轴位 误差 的主要原 因有：初 始零位 不准 确、光轴 与俯仰轴不正交、大盘 不水平、编码器读数误 差等。采用正倒镜 法进 行标定。4 6 1 方位 角度零值 用 正、倒镜法对各方位标进行 测量，连续几个(例如三 个)测回；对 于 陆 站是 以正北 为零值方 向，对 于船站 是 以船艏艉 线为 零值 方 向，船站坞 内 标校 必须考虑船 的航 向角；按下 式计算可得方位角零值 o(。”)：A。地 =(尬+徘+1 8 0。)2-s i n(A 曲一 )-t g E F 一 A 。(当 1 8 0。A 曲3 6 0。)A。地 =(埘+A +1 8 0。)2-s i n(A 帕一 )t g E 一 A ，(当 0。A 肼1 8 0。)。=。式 中 人 地 大地 测量提供 的第 f 个方位标 大地方位 角，(。”)。大 地，_第 f 个方位 标计算 出来 的大地 方位零值，(。”)正 _第 f 个方位 标方位正 向测量值，(。”)倒 _第 j 个 方位标方位反 向测量值，(。”)正 _第 f 个方位 标俯仰正 向测量值，(。”)大 盘最大倾斜方 向方位角，(。”)大盘最大倾斜量，(。”)j 方 位标序号，i=1，2，方位标总 数 4 6 2俯仰 角零值 用 正、倒镜法对各方位 标进行测量，连续几个(例 如三个)测 回：按下式计算可得俯仰 角零值 o(。”)：E o，=(E F，+E徘一1 8 0 )2 一 S e i 维普资讯 http:/ 总第 1 1 0期、杨斌峰：地面测控雷达角度标校 一 1 5一 E =E|n 式中 广第 i 个方位标 计算 出来 的俯仰 零值，(。”)帕-第 f 个方位标俯仰正向测量值，(。)倒 _第 j 个方位标 俯仰反 向测 量值，(。”)S e i 望远镜光轴偏心于机械轴中心的第 f个方位标的俯仰角修正量(。”)。由大地 测量成果提供。按 下式计算编码器零 值误差修 正量：AA7=A0 AE7=E0 4 7 天线定向灵敏度标定 当测控 雷达跟 踪运 动 目标 时，会产 生动 态滞后 误差，这 是 由设 备 的固有 特性造 成 的。如 果知道跟踪设备 的误差灵敏度 1 2，跟踪过程 中各时刻 的跟踪误差 电压 时，可 求 出动态 滞后误差：AU 因此必须对定 向灵敏度进 行标定。测试步骤：打 开标校塔上信标机，让测控 雷达对 信标进行 自跟踪，记录此 时的跟踪 零点。、Eo；天线俯仰不动，方位偏 开 电轴 A O角，测 量跟踪接收机方位支路输 出误差 电压，调 整跟踪接收机使误差电压为 ，并对交叉耦合进行调整，使其最小；天线方位不动，俯仰偏 开 电轴 AO角，测量跟踪接收机俯仰支路 输 出误差 电压，调 整跟踪接收机使误差电压为 ，并对交叉耦合进行调整，使其最小；按下式计算 误差灵敏度：按 下式计算动态滞 后误差修 正量：。：s e 弛 AEo：调 整定 向灵敏度大 小并进行复测，直至满足指标要 求。(下转第 2 3页)维普资讯 http:/ 总第 l 1 O 期 李秀成：采用单载波双速应答机的卫星多普勒跟踪系统 一 2 3 3)干涉仪一B可测得双程 多普 勒频移。、，、；但 不能 由式(3 5)得到，因为在 干涉仪一B 中没有。输 出数据。但 是，可 以获得 和 t h ，这是 由于 和 定 义式 中的去相关作用 消去 了在干涉仪一B 中不能输 出的。4 结 束 语 本文 中采用 的 O CDS T 相 对传统 的应 答机来说是 一种 创新，其 设计思想是源 于统 一载波 测控系统 中采用侧 音测距和模 拟遥测 数据传输 的信号形式，其最 主要优 点是在 用两 套或两套 以上 的测速 干涉仪构成 卫星 多普勒跟踪 网时，获得最简单 的星载应答机 结构。本文给 出了这种 新型卫星多普勒跟 踪系统 的全 部多普 勒方程和参数计 算公式。参 考 文 献 l 周仲林，刘靖 一种双通道测速应答机及其精度分析 飞行器测控学报，V o 1 2 3，N o 3 2 00 4 2 谷学敏等编 航天无线电测控技术 国防科技大学出版社(上接第 l 5页)5 结 束 语 本文主 要根据 理论和 工程 实践，总结 了地面 测控雷 达 的角度 标校 问题，提 出 了测 角误差标校 模型，以及各项误差 的标校方法。参 考 文 献 l 楼禹锡 雷达精度分析 国防工业出版社，1 9 7 9 维普资讯 http:/