射电望远镜天线的指向精度测量系统设计

曹艳东，张 旭

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

射电望远镜天线与其他类型天线最主要的区别是口径大、采用程序引导的开环跟踪方式。对建造者而言，需要一些特殊的设计和调整手段保证天线的高精度指向要求，同时也需要适当的测量方法测量出天线的指向精度，以客观衡量建造完成后的天线指向能力。

传统测量天线的指向精度有信标塔法、卫星法和经纬仪法［1］。信标塔和卫星法只能测量天线在某1个或某几个位置的指向能力，经纬仪法测出的是天线机械轴的指向性［2］。这些测量方法只适合小口径天线的测量标定，对于射电望远镜天线而言，已经无法精确满足测量要求。

针对射电天文望远镜的特点和传统测量方法的局限性，本文设计了采用射电星法的天线指向精度测量系统，借助于计算机强大的计算、存储和处理能力，方便、快捷、高效地完成天线指向精度的测量。

1 测量原理

扫描和跟踪是指向精度测量的基本过程，下面以方位轴扫描为例描述测量原理。

在测量时，控制天线俯仰执行跟踪、方位以高于射电星的运动速度转过一定角度，天线所接收的射电星信号功率P随时间T的变化如图1所示。

图1 扫描过程

在扫描过程中，信号接收功率最大为P1，即认为t2时刻天线精确指向了射电星，此时可以读出天线方位实际角度A0，根据信号最大时刻t2可以计算出天线方位理论角度A1，通过计算实际角度和理论角度之差，即可得出天线方位的指向误差。

对不同天区、不同仰角的指向误差进行测量，即可得到多组指向误差数据。采用均方根法对这些数据进行计算统计，即可得出天线的指向精度。

天线方位(俯仰)单轴的指向精度为:

式中，σPA(E)为方位(俯仰)指向精度;ΔA(ΔE)i为方位(俯仰)指向测量误差;n为测量次数。

天线总的指向精度为:

式中，σP为天线总的指向精度;σPA为方位指向精度;σPE为俯仰指向精度。

2 系统设计

射电望远镜天线指向精度测量系统基于计算机控制的测量、记录和处理系统，由硬件和软件2个部分组成。硬件部分主要负责信号的接收和转换，软件则执行整个测量过程的控制以及数据的记录和处理。

2.1 硬件组成

根据测量需要，系统硬件主要由天伺馈分系统、信号传输处理分系统和测量控制分系统［4，5］3个分系统组成。系统组成及接口关系如图2所示。

图2 硬件组成

天伺馈分系统主要由天线和馈源、方位和俯仰驱动、伺服控制计算机组成。天线和馈源是电磁波的接收和转换装置，负责将接收的电磁波转换为同频高频功率信号［1］。方位和俯仰驱动是天线的转动执行机构，伺服控制计算机是天线转动和位置闭环的控制机构。

信号传输处理分系统由低噪声放大器、下变频器和功率计组成。由于天线所接收的信号微弱，为了减少传输损耗，从馈源输出的X波段射频信号首先经放大器放大后进入下变频器，下变频器将信号变换为L频段信号送入功率计。功率计能对所输入带内的信号进行谱密度分析和处理，通过USB接口输出信号功率值，供测量计算机记录和处理使用。

测量控制分系统由测量计算机和时码器组成。时码器通过IRIG-B接口输出精确的协调世界时给测量计算机和天线控制计算机。测量计算机有3项主要功能:①坐标转换，即根据射电星赤经、赤纬坐标值和当前时间计算得出天线的理论目标角度［3］;② 通过网络接口控制天线执行测量过程;③进行测量过程的数据记录和后续的分析和处理。

2.2 软件组成

测量控制分系统中的测量软件是整个测量系统的核心。一方面利用时间和射电星坐标值计算天线目标角度，发送给天线控制计算机引导天线跟踪，另一方面实时查询功率计解调出的信号强度，同时将天线角度和信号强度信息以文件方式保存到磁盘中。按照结构化设计方法，指向精度测量软件共分为4个模块:状态采集和记录、坐标转换、指向控制和数据处理。其中状态采集和记录模块由天线、时间、功率信息采集和记录3个单元组成;坐标转换模块由章动岁差改正、恒星时计算和地平角度计算3个单元组成;指向控制由跟踪、偏开、扫描3个单元组成，数据处理模块由数据提取和指向精度计算2个单元组成。指向精度测量软件组成如图3所示。

图3 软件组成

3 测量过程和结果分析

指向精度的测量分为误差测量和数据处理2个步骤，这2个过程都由测量计算机自动控制完成。

在误差测量开始前，人工选定好测量所使用的射电星、设定好扫描宽度和扫描周期等参数后，即可控制测量计算机自动执行扫描。在天线扫描过程中，测量计算机自动采集功率计的功率值、天线的方位和俯仰角度、当前UTC时间并以100 ms的周期实时保存到指定文件中。

扫描结束后，计算机自动启动数据处理功能，在记录的数据文件中查找功率极值来确定天线精确对准射电星的时刻和天线实际指向角度，再根据对准时间和射电星坐标计算天线的理论目标角度。实际指向角度和理论目标角度做差，得出一组指向误差数据，保存到误差数据文件中。

通过选取合适的射电星和时间，可以测得天线在不同天区、不同仰角下的指向误差数据［6］。在经过大量的误差测量和数据积累后，就可以采用式(1)和式(2)的数理统计计算方法准确得出天线的指向精度。

在国内的50 m和40 m口径射电望远镜中，运行该方法对指向精度进行了测量。50 m天线选用3C405、3C144和3C273B三个射电星测得了180组指向误差数据，计算得出指向精度为16.8"，与设计理论值19"基本吻合。40 m天线选用 DA193、3C274和3C461三个射电星测得了120组指向误差数据，计算得出指向精度为30.5"，与设计理论值30"基本吻合。测量结果表明该测试系统和方法正确、可信。

4 结束语

射电天文望远镜天线有其独特的工作特点，基于射电星的测量方法和测试系统很好地解决了传统指向精度测量方法不全面、不准确的弊端。该系统采用的自然天体—射电星作为辐射源的方法，可以取代遥感、测控类天线通过信标塔进行标校和测试的传统方法，也可以广泛应用到中、大口径的卫星通信、遥感、测控天线的指向精度测量和初始角度标定工作中，具有重要的工程应用价值。

［1］沈民谊，蔡振远.卫星通信天线、馈源、跟踪系统［M］.北京:人民邮电出版社，1993.

［2］程景全.天文望远镜原理和设计［M］.北京:中国科学技术出版社，2003.

［3］马文章.球面天文学［M］.北京:北京师范大学出版社，1995.

［4］ ROHLFS K，WILSON T L.Tools of Radio Astronomy［M］.New York:Third Revised and Enlarged Edition.Springer-Verlag Berlin Heidelberg，2000.

［5］ LENA P， LEBRUN F， MIGNARD F.Observational Astrophysics［M］.New York:SecondRevisedand Enlarged Edition. Springer - Verlag Berlin Heidelberg，1998.

［6］王小强，秦顺友.利用仙后座A测量16m天线G/T值及误差分析［J］. 无线电工程，2009，39(11):50-52.