65 m射電望遠鏡方位軸和俯仰軸正交度測量

鄧　勇，李宗春，張萬才，李　叢，楊　振

(1.信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450052；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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65 m射電望遠鏡方位軸和俯仰軸正交度測量

鄧勇1，李宗春1，張萬才2，李叢1，楊振1

(1.信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450052；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要根據65 m天線軸系關系的高精度安裝要求，利用高精度全站儀TDA5005獲取65 m天線轉動過程中的點位信息，采用3種不同方式求取天線的方位軸和俯仰軸，比對分析3種方式求解2軸正交度的優缺點，合理選擇正確的軸系表達方式。結果表明，65 m天線的方位和俯仰軸關系滿足設計指標要求，進一步驗證了天線整體安裝測量的準確性和嚴密性，取得了良好的效果。

關鍵詞射電望遠鏡；方位軸；俯仰軸；軸系關系；正交度

0引言

上海天文臺φ65 m射電望遠鏡(以下簡稱65 m天線)是一臺亞洲最大、國際先進的全天線可轉動的大型射電望遠鏡，它可以精確跟蹤高軌地球衛星、探月衛星和深空探測器，共有8個接收波段，包括了目前航天工程上常用的下行信號的波段(S、X和Ka)。在航天工程的應用中，它可以為探月2期和3期工程、火星探測及其他深空探測工程做出更大貢獻，也將在天體測量學、天體物理學以及行星無線電科學等多個領域的研究工作中擔任重要的角色[1-3]。65 m天線允許在方位和俯仰2個方向轉動，在方位方向上主要依靠6組(每組2個)滾輪在軌道面上滾動，其旋轉軸稱為方位軸；在俯仰方向上主要靠俯仰大齒輪驅動俯仰機構軸承轉動，其旋轉軸稱為俯仰軸。

65 m天線在安裝時首先要保證滾輪旋轉軌道水平。其軌道直徑42 m，要求水平度優于±0.5 mm，在實際調整中調至優于±0.2 mm，這樣保證天線方位轉動時方位軸不出現擺動，俯仰軸保持水平。天線設計時要求俯仰軸嚴格水平，方位軸鉛垂并與俯仰軸相交。天線軸系的正交度是評判天線性能的一個重要指標[4]。天線的軸系關系需要在天線安裝過程中的每一步通過測量手段保證，天線安裝完成后需要對其方位俯仰軸軸系關系進行測量，以評判天線的建造質量，并為后續應用提供幫助[5]。

本文分析了3種方法求解天線方位軸及俯仰軸的正確性、可靠性以及各自的優缺點，最終采用大圓軸線來代表天線的方位軸和俯仰軸，并通過數據分析驗證此方法的可行性及可靠性。

1測量方案

65 m天線的方位軸及俯仰軸采用Leica TDA5005型全站儀配合1.5 in球棱鏡進行測量。由于視場的影響，儀器不能在同一位置同時獲取天線方位軸和俯仰軸，故而在天線周圍圍墻立柱穩定的地方較為均勻粘貼10個球棱鏡靶座，用作統一測量坐標系。公共點的布設位置及儀器的擺放位置如圖1所示，全站儀架設在位置1時測量天線的俯仰軸，在位置2時測量天線的方位軸。

圖1　公共點及儀器平面位置示意

如圖2所示，在天線俯仰大齒輪外側及爬梯側俯仰軸承附近各粘貼一個靶座，天線俯仰范圍從0°～90°，當天線俯仰旋轉時測量這2個靶座會得到大小2段圓弧，測量大齒輪處的靶座得到大圓弧，測量爬梯側俯仰軸承附近的靶座得到小圓弧，通過這2段圓弧得到天線的俯仰軸。

圖2　方位軸、俯仰軸測量靶座布設位置示意

在方位滾輪箱體上桁架內側及A字梁中段各粘貼一個靶座，天線方位可360°旋轉，當天線方位旋轉時測量這2個靶座會得到大小2個圓，測量方位滾輪箱體上桁架內側的靶座得到大圓，測量A字梁中段的靶座得到小圓，通過這2個圓弧到天線的方位軸[6-7]。

測量時將全站儀放置于圖1中的位置1處，天線俯仰每轉動10°采集一個點，形成半徑分別為12.352 m和2.978 m的2個1/4圓，測量周圍圍墻上布設的公共點。將儀器搬至天線底部軌道內側(圖1中的位置2)，測量圍墻上的公共點，公共點轉換把坐標系恢復至在位置1時的測量坐標系下，讓天線方位轉動，每轉動20°采集一個點，形成半徑分別為18.215 m和14.639 m的2個圓。

2數據分析

方位軸及俯仰軸測量時需布設2個測站，需進行公共點轉換將2個測站的數據統一到同一個坐標系中。公共點轉換結果如圖3所示，轉換精度為1.329 mm。

圖3　公共點轉換結果

由于現場條件的限制，公共點圍墻立柱離測站較遠，最遠距離有136 m左右，公共點轉換精度為1.329 mm，對坐標軸方位指向的最大影響為2.02″，故可認為對坐標系恢復的點位及坐標系方向的影響可以忽略。天線的方位及俯仰各測了2個圓，可以采用以下3種方式進行分析。

2.1方位俯仰軸系關系處理方式

2.1.1用兩圓心連線代表天線軸系

將俯仰軸和方位軸測量時得到的2個圓弧以圓擬合的形式處理，得到圓心坐標，分別將兩圓心的連線作為天線的方位俯仰軸[8]。兩軸線距離計算結果和兩軸線正交度計算結果分別如圖4和圖5所示。

圖4　兩軸線距離計算結果

圖5　兩軸線正交度計算結果

這種方式得到的俯仰軸與水平面的夾角為0.000 01°，俯仰軸水平。從圖4和圖5可知，兩軸的空間距離為5.684 mm，不正交度為0.000 44°(1.584″)。

2.1.2采用圓錐擬合代表天線軸系

將俯仰軸和方位軸測量時得到的2個圓弧以圓錐擬合的形式處理，將圓錐軸線分別作為天線的方位俯仰軸。兩軸線距離計算結果和兩軸線正交度計算結果分別如圖6和圖7所示。

圖6　兩軸線距離計算結果

圖7　兩軸線正交度計算結果

這種方式得到的俯仰軸與水平面的夾角為0.009 18°(33.048″)，俯仰軸在大齒輪處稍低。從圖6和圖7可知，兩軸的空間距離為5.923 mm，不正交度為0.008 79°(31.644″)。

2.1.3利用大圓法線代表天線軸系

將俯仰軸和方位軸測量時得到的2個大的圓以圓擬合的形式處理，將大圓圓擬合得到的軸線分別作為天線的方位俯仰軸。兩軸線距離計算結果和兩軸線正交度計算結果分別如圖8和圖9所示。

圖8　兩軸線距離計算結果

圖9　兩軸線正交度計算結果

這種方式得到的俯仰軸與水平面的夾角為0.000 09°，俯仰軸水平。從圖8和圖9可知，兩軸的空間距離為7.652 mm，不正交度為0.00049°(1.764″)。

2.2結果分析

從上面結果可知，采用不同的處理方式會得到不同的結果，俯仰軸的大小圓分別為半徑12.352 m和2.978 m的1/4圓，測量時儀器距離天線中心60 m左右，被測點比儀器中心高35 m左右，小圓半徑太小且只有1/4圓，測量誤差對小圓的形狀及圓心位置會產生較大影響，故而采用方式一時小圓圓心的不準確會直接影響兩圓心連線的直線方向。方式2小圓的點位測量的誤差對圓錐的形狀影響很大，進而影響圓錐的軸線方向。

分別求取3種方式各自得到的俯仰軸兩兩之間的夾角，采用方式1和方式2分別得到的俯仰軸的夾角為0.011 55°(41.58″)，采用方式1和方式3分別得到的俯仰軸的夾角為0.006 73°(24.23″)，采用方式2和方式3分別得到的俯仰軸的夾角為0.009 10°(32.76″)，可以看出采用3種方式求取的俯仰軸之間差別很大，主要原因是受到小的1/4圓的影響所致。

綜上分析，65 m天線的方位軸和俯仰軸正交度分析應用方式3，即利用大圓法線代表天線軸系進行計算，最終結果為俯仰軸水平，兩軸的空間距離為7.652 mm，不正交度為0.000 49°(1.764″)。兩軸的空間距離是由于天線的機械特性產生的，根據測量結果可以進行改正。俯仰軸的水平度及兩軸的正交度進一步驗證了天線整體安裝測量的準確性、嚴密性。

3結束語

65 m射電望遠鏡的軸系關系是天線建設的一項關鍵指標，軸系關系的不正確對天線的電氣特性將會產生巨大影響。天線的軸系關系需要在天線安裝過程中的每一步通過測量的手段來保證，本文利用高精度全站儀TDA5005獲取65 m天線轉動過程中的點位信息，分析了3種不同方式求取天線的方位俯仰軸的優缺點，最終采用大圓軸線來代表天線的方位軸和俯仰軸。最終結果表明，65 m天線的方位俯仰軸系滿足指標要求，進一步驗證了天線整體安裝測量的準確性、嚴密性。

參考文獻

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[8]張萬才，陳宏輝.一種旋轉面天線的測量方法[J].無線電通信技術，2006，32(5)：39-40.

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.18

收稿日期：2016-04-06

基金項目：國家國際科技合作專項基金資助項目(2012DFB00120)。

中圖分類號P111.44

文獻標志碼A

文章編號1003-3106(2016)07-0067-04

作者簡介

鄧勇男，(1983—)，碩士，講師。主要研究方向：精密工程測量、測繪儀器和變形監測等方面。

李宗春男，(1973—)，博士，教授，博士生導師。主要研究方向：精密工程測量、測繪儀器、變形監測和工業測量等方面。

Measurement of 65 m Antenna Azimuth Axis and Elevation Axis Orthogonality

DENG Yong1,LI Zong-chun1,ZHANG Wan-cai2,LI Cong1,YANG Zhen1

(1.InstituteofGeographicSpaceInformation,InformationEngineeringUniversity,ZhengzhouHe’nan450052,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractAccording to the high precision installation requirement for the relationship between 65 m antenna axes,a high precision total station TDA5005 is used to obtain the 65 m antenna turning point in the process of rotation.Three different ways are used to calculate the antenna azimuth axis and elevation axis.The three ways are compared for their advantages and disadvantages in resolving the orthogonality of the two axes,and the correct expression of shafting is properly selected.The final results show that the relationship between the 65 m antenna azimuth axis and elevation axis meets the demand of design specification,which further verifies the accuracy and preciseness of the overall antenna installation and achieves good effect.

Key wordsradio telescope;azimuth axis;elevation axis;shafting relationship;orthogonality

引用格式：鄧勇,李宗春,張萬才,等.65 m射電望遠鏡方位軸和俯仰軸正交度測量[J].無線電工程,2016,46(7):67-70.