趙曉陽,李成梁,毛永利

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

一種計(jì)算天線座方位軸鉛垂度的方法

趙曉陽,李成梁,毛永利

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

介紹了一種測量計(jì)算天線座方位軸鉛垂度的方法。通過該方法可以有效地將天線座方位軸承本身的加工安裝誤差與天線座的安裝調(diào)整偏差分離出來，并用于指導(dǎo)伺服系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，提高天線性能。通過在某VLBI13.2天線進(jìn)行測量并計(jì)算，表明該方法具有快速、精準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以科學(xué)地指導(dǎo)方位鉛垂的伺服補(bǔ)償。

天線座；方位鉛垂；伺服補(bǔ)償

0 引言

指向精度是衡量天線座性能的重要指標(biāo)之一，在射電望遠(yuǎn)鏡、天線雷達(dá)、測控天線甚至通信天線中，均對(duì)天線座的指向精度有很高的要求。一般射電望遠(yuǎn)鏡的指向誤差要求小于天線半功率寬度(HPBW)的10%[1]。指向精度的優(yōu)劣反映在天線座上主要有以下幾個(gè)方面：天線座方位的鉛垂度、方位與俯仰的正交度、方位軸與俯仰軸相分離的程度、各軸的運(yùn)動(dòng)精度等。其中天線座方位的鉛垂度是天線整個(gè)加工安裝過程中，遇到的第一個(gè)需要重點(diǎn)關(guān)注的部位，并且也是天線座例行維護(hù)的重要項(xiàng)目。如在天氣雷達(dá)中，中國氣象局下發(fā)了新一代天氣雷達(dá)觀測規(guī)范，該規(guī)范明確了將天氣雷達(dá)天線座方位的鉛垂度的檢測列為“月維護(hù)”項(xiàng)目之一，并且規(guī)定了天線座方位的鉛垂度限制為60″[2]。

天線座方位一般由方位底座、方位軸承、方位轉(zhuǎn)盤及方位驅(qū)動(dòng)組成，在進(jìn)行天線方位部分的安裝過程中，重點(diǎn)需要關(guān)注的是方位軸承回轉(zhuǎn)軸的鉛垂度。張維全等人提出使用4方位檢測法來進(jìn)行方位軸鉛垂度的檢測[2]，運(yùn)用建立的數(shù)學(xué)模型處理4個(gè)方位的檢測數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算天線座方位軸鉛垂度及方位軸傾斜方向，用以進(jìn)行天線座維護(hù)及伺服修正。目前射電望遠(yuǎn)鏡的修正大多采用線性模型，即按檢測數(shù)據(jù)擬合理想的方位軸傾斜方向及傾斜度，直接利用此數(shù)據(jù)進(jìn)行伺服模型的修正[3]。

然而對(duì)于高精度天線座而言，這種4方位檢測法已經(jīng)無法滿足使用要求，例如對(duì)某VLBI13.2m天線而言，其天線座架采用A-E型，技術(shù)文件對(duì)方位鉛垂度的要求如下：方位軸與重力方向的傾斜度不大于10″，方位軸360°運(yùn)轉(zhuǎn)過程中傾斜度變化不大于5″。這就需要一種新的思路、新的方法去測量并計(jì)算天線座方位軸的鉛垂度。本文介紹了一種新方法，來測量并計(jì)算A-E型天線座方位軸的鉛垂度，進(jìn)而指導(dǎo)結(jié)構(gòu)安裝調(diào)整和伺服控制的補(bǔ)償。

1 天線座方位軸鉛垂度的測量方法

1.1 合像水平儀的結(jié)構(gòu)原理

鉛垂度的測量實(shí)際上是角度測量的一種，角度測量可以使用各種水平儀來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在工程中通常使用合像水平儀來測量，典型的合像水平儀的測量分辨率為0.01mm/m，即2″，其測量示值的不確定度可達(dá)0.003mm/m[5]。合像水平儀主要由測微螺桿、杠桿系統(tǒng)、水準(zhǔn)器及光學(xué)合像棱鏡等組成[4]，如圖1所示。水準(zhǔn)器安裝在杠桿架的底座上，其水平位置用微分盤旋鈕通過測微杠桿與杠桿系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。水準(zhǔn)器內(nèi)的水泡圓弧用3個(gè)不同位置的棱鏡反射至觀察窗口，繼而被分成兩個(gè)半像，然后再利用光學(xué)原理把氣泡復(fù)合并放大，便于測量人員觀察。

圖1 合像水平儀結(jié)構(gòu)原理

1.2 影響測量的因素

在大多數(shù)測量中，合像水平儀作為角度測量工具，其本身零位的偏移是影響測量的首要因素，尤其當(dāng)測量元素是某平面相對(duì)于大地水平的絕對(duì)水平角度時(shí)。除此以外，環(huán)境溫度及光照也對(duì)合像水平儀的測量有著較大影響。針對(duì)以上特點(diǎn)，在合像水平儀的使用中，應(yīng)盡量選擇無陽光直射、環(huán)境溫度變化較慢的場合。此外在僅測量絕對(duì)水平角度時(shí)，還要考慮雙向測量取平均，以盡可能減少測量誤差。

1.3 方位軸鉛垂度的測量

在高精度的測量中，為了減小測量環(huán)境的影響通常選在陰天或夜間、無風(fēng)或微風(fēng)的時(shí)間段進(jìn)行。合像水平儀的放置位置一般選在方位轉(zhuǎn)盤上端面，同時(shí)保證合像水平儀水泡的方向通過或者近似通過天線座的方位軸，如圖2，且一旦選定位置后，在整個(gè)測量階段其位置應(yīng)保持不動(dòng)。這是因?yàn)榉轿惠S鉛垂的現(xiàn)象可以理解為，在方位旋轉(zhuǎn)360°過程中，合像放置位置處的水平度保持不變，如此以來，測量過程中無需調(diào)轉(zhuǎn)合像水平儀180°的雙向測量。

圖2 合像水平儀測量位置示意圖

為了盡可能詳細(xì)地測量并描述方位軸的傾斜情況，獲取盡可能多的數(shù)據(jù)是十分必要的。因此可以按地腳螺栓的數(shù)量來決定測量數(shù)據(jù)的多少，如在每一根地腳螺栓處均進(jìn)行測量。測量過程中盡量減少外界因素對(duì)方位機(jī)構(gòu)的影響，尤其是人的影響，以提高測量數(shù)據(jù)的可靠性。

測量開始時(shí)，首先轉(zhuǎn)動(dòng)方位機(jī)構(gòu)使得合像水平儀水泡方向停在某一根地腳螺栓上，作為起始位置，此時(shí)讀取第一個(gè)合像水平儀的示值A(chǔ)1。此后轉(zhuǎn)動(dòng)方位機(jī)構(gòu)使得水泡停在下一根地腳螺栓位置，讀取第二個(gè)數(shù)據(jù)A2，以此類推，最終在水泡返回初始位置時(shí)，讀取最后一個(gè)數(shù)據(jù)An。

1.4 測量數(shù)據(jù)的處理

理想情況下，所讀取的合像水平儀示值A(chǔ)1、A2…An擬合的曲線應(yīng)該為一條標(biāo)準(zhǔn)正弦曲線，該曲線的振幅即為方位軸傾斜的量值，振幅最大的位置即為方位軸傾斜的方向(根據(jù)合像擺放情況再確認(rèn)最高最低)。獲取方位軸的傾斜量及傾斜方向后，可將此參數(shù)提供給伺服人員，通過伺服控制程序?qū)Ψ轿贿M(jìn)行補(bǔ)償。然而由于軸承安裝面加工誤差的存在、軸承間隙的存在等原因，實(shí)際擬合曲線不會(huì)如此。真實(shí)方位軸測量曲線必然是一條近似為正弦曲線的不規(guī)則曲線。怎樣在這條不規(guī)則曲線中提取出方位軸的傾斜量及傾斜方向是一個(gè)需要解決的問題。

本文在此提出了一種新穎的思路來解決以上問題。首先通過Matlab程序?qū)?shí)際擬合曲線進(jìn)行分解，將其分為兩部分：方位軸傾斜部分和運(yùn)動(dòng)過程中的變動(dòng)部分。第一部分表示實(shí)際方位軸的傾斜量及傾斜方向，第二部分表示由于軸承間隙或加工誤差等原因帶來的運(yùn)動(dòng)過程中方位軸的一個(gè)擾動(dòng)。從控制上來講，第一部分可以通過伺服控制來進(jìn)行補(bǔ)償，而第二部分實(shí)際上并不恒定，會(huì)隨著外部環(huán)境等因素變動(dòng)，故無法通過伺服控制進(jìn)行補(bǔ)償。

2 新方法在某VLBI項(xiàng)目中的應(yīng)用

在某全轉(zhuǎn)臺(tái)型VLBI13.2m天線中，使用合像水平儀對(duì)天線方位機(jī)構(gòu)進(jìn)行了測量。測量選在日落后微風(fēng)的環(huán)境，且溫度變化比較平緩，約2°/小時(shí)，整個(gè)測量過程耗時(shí)約1小時(shí)。測量結(jié)果如表1所示：

表1 某VLBI13.2m天線座架方位軸鉛垂度測量值

表中方位位置的單位是度，測量過程中每隔15度做一次測量，總共記錄了25個(gè)數(shù)據(jù)。合像水平儀示值的單位為其旋鈕的刻度數(shù)，每一格刻度代表0.01mm/m，折算成角度的計(jì)算方法為atan(0.01/1000)*3600=2.06，即每一個(gè)刻度代表2.06″。

理論上，在不考慮其他因素影響下，對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到的曲線應(yīng)該是標(biāo)準(zhǔn)拋物線，而實(shí)際得到的曲線如圖3所示。

圖3 某VLBI13.2m天線座架方位軸鉛垂度實(shí)測值

對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)拋物線擬合，然后計(jì)算相對(duì)于擬合曲線的偏差值，可以得到處理后的方位軸鉛垂度如圖4所示。從圖中可以看出，該計(jì)算方法成功的將實(shí)測值進(jìn)行了分離，得出了方位軸鉛垂度的兩個(gè)部分，一是可以用以指導(dǎo)伺服修整的標(biāo)準(zhǔn)拋物線部分，一是由于軸承間隙及相關(guān)零部件加工、安裝等因素造成的隨機(jī)部分。

經(jīng)過計(jì)算，該天線座架的方位軸鉛垂度是3.6″，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的偏差范圍是[-5.5″，3.6″]，其中3.6″可以用于指導(dǎo)伺服修整，修整的位置在方位角度150°—330°位置。

圖4 某VLBI13.2m天線座架方位軸鉛垂度擬合值

3 新方法在桁架天線座中的應(yīng)用

為了驗(yàn)證該方法對(duì)桁架型天線座架的適用性，選擇在某桁架天線進(jìn)行了額驗(yàn)證。首先獲取一組桁架天線的方位軸鉛垂度測量值，具體值詳見表2。然后對(duì)所測量值進(jìn)行計(jì)算、擬合，得到的相應(yīng)擬合值詳見圖5。

表2 某桁架型天線座架方位軸鉛垂度測量值

圖5 某桁架型天線座架方位軸鉛垂度擬合值

經(jīng)過計(jì)算，該桁架型天線座架的方位軸鉛垂度是7.6″，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的偏差范圍是[-9.4″，6.1″]，其中7.6″可以用于指導(dǎo)伺服修整，修整的位置在方位角度40°—220°位置。同時(shí)可以清晰地得出此方法同樣適用于桁架型天線座架。

4 總結(jié)

隨著我國工業(yè)發(fā)展速度的不斷加快，各種工業(yè)產(chǎn)品要求的精度不斷提高，必須利用科學(xué)而精確的測量和調(diào)整來保證各項(xiàng)精度的實(shí)現(xiàn)。本文提出的方法，很好地解決了某VLBI13.2方位軸鉛垂度測量調(diào)整的任務(wù)，經(jīng)過驗(yàn)證在桁架型天線座架中也同樣適用，可以說為相應(yīng)產(chǎn)品的安裝提供了重要的指導(dǎo)作用，節(jié)省了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。

[1] Levy R.Structural engineering of microwave antennas [M].New York: IEEE Press，1996.

[2] 張維全等.天氣雷達(dá)天線座水平度4方位檢測法[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2015,31(3).

[3] 姜正陽等.考慮軌道不平度的射電望遠(yuǎn)鏡指向修正方法[J].天文研究與技術(shù)，2015,12(4).

[4] 張敏哲.合像水平儀測量原理及應(yīng)用討論[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2016,44(8).

[5] 張立昆.合像水平儀示值誤差的不確定度分析[J].計(jì)量與測試技術(shù)，2016,43(2).

Amethodofcalculatingthelevelofantennapedestal

ZHAOXiao-yang，LICheng-liang，MAOYong-li

(The54thResearchInstituteofCETC，ShijiazhuangHebei050081，China)

An easy method is introduced to measure and calculate the level of antenna pedestals.According to this method，the machining and mounting deviation of antenna azimuth bearing could be separated from the adjusting deviation of the antenna azimuth part.The result could be used in the servo compensation to improve the antenna pedestal performance.Data is derived in a VLBI13.2 antenna which is used to do the experiment.The result shows that this is a fast and accurate method，meanwhile the adjustable part could be used to compensate in servo control.

Antenna pedestal; Azimuth level; Servo contral

2017-08-24

趙曉陽(1985-)，河北藁城人，碩士，工程師，研究方向?yàn)樘炀€結(jié)構(gòu)工藝.

1001-9383(2017)03-0041-06

TN820

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