车载站三轴天线座测角精度分析

在雷达、测控系统中，天线座一般都采用方位俯仰型天线座。方位俯仰型天线座的一个显著缺点就是天线对高仰角过顶目标存在跟踪盲区。而目标在天顶位置时，距离测站最近，信号质量最佳，如不能很好地跟踪目标，则很可惜。为解决过顶盲区问题，人们采取了很多办法，例如在AZ／EL型天线座中，引入第三轴，在对过顶目标进行跟踪的过程中，让第三轴有效倾斜，以避开盲区，使天线电轴保持对天顶目标的平稳跟踪。然而引入第三轴后，对天线的测角精度是否存在影响，本文旨在分析三轴天线座的测角精度，对引入第三轴对测角精度的影响予以分析计算。

2 三轴天线座及其坐标变换

本文讨论的车载站天线座属于AZ-EL+第三轴天线座。AZ-EL+第三轴天线座是在方位、俯仰型天线座的基础上引入第三轴，即倾斜轴，利用电机驱动倾斜轴旋转，使天线座发生倾斜，如图1所示。第三轴的旋转角度一般为±7°。经分析计算，倾斜角度设计为7°，一般可以满足各种低、中、高轨道卫星的跟踪要求，当然这与伺服的方位驱动速度有关，这里不再讨论。

在AZ-EL型天线座中引入第三轴，其对天线测角精度的影响较之于AZ-EL型天线座增加了以下几个因数，首先是第三轴与方位轴的正交问题，这可以通过大盘不水平加以修正，第二是第三轴编码器精度及其标定问题。这里主要讨论编码器精度及其标定对测角精度的影响。

为了分析引入第三轴后对天线测角精度的影响，需要进行坐标变换。

首先定义：A为测站在地平坐标系中的方位角，以真北为零，顺时针方向为正；E为测站在地平坐标系中的俯仰角，以水平面为零，向上为正；Ac为测站在测量系中的方位角，以测量系方位机械零位为基准点，顺时针方向为正；Ec为测站在测量系中的俯仰角，以测量系俯仰角基准面为零，向上为正；φ为第三轴的倾斜角度，定义为测量系俯仰角基准面与水平面之间的夹角，以测量系中方位轴直立为零，其正负号定义与测量系中的方位角零点定义有关。

为突出问题的重点，假定测量系方位角零点与地平系方位角零点一致，如此可得三轴天线座从测量系到地平系的坐标变换公式：

3 第三轴角度φ 对地平系AZ，EL角度的影响分析

为分析第三轴角度φ对地平系方位角A、俯仰角E的影响，对式(1)微分：

可以证明测量系方位角Ac对地平系方位角A、测量系俯仰角Ec对地平系俯仰角E的影响与一般方位、俯仰型座架一致，故在分析测量系方位、俯仰角对地平系方位、俯仰角的影响时，仍可采用一般分析AZ-EL型天线座测角精度的方法。在分析三轴天线座测角精度时，在以往分析方位、俯仰型天线座测角精度的基础上，再加上第三轴角度对测角精度的影响一项。

4 第三轴角度对测角精度影响的统计处理

从式(5)可以看出，天线第三轴角度引起的测角误差是随俯仰角和方位角变化的，因此，第三轴引起的测角误差应该根据俯仰角和方位角的工作范围，利用统计的方法进行处理。

假定：俯仰角Ec在5°～75°范围内等概率分布；方位角Ac在0°～360°范围内等概率分布；△φ为对称分布，平均值为零。

首先对式(5)进行统计处理，在上述假定下，△A的均值和方差分别为：

由式(8)，式(9)可以看出，在估算第三轴角度φ对A，E的影响时，若已知第三轴轴角编码器精度和标定误差，就可以利用式(8)，式(9)计算其对测角精度的影响。

车载站天线座(AZ-EL+第三轴天线座)有两种工作方式，直立工作方式和倾斜工作方式。当天线方位轴处于直立状态工作时，仍按一般的AZ／EL型天线座进行精度估算，第三轴角度带来的影响可以通过大盘不水平加以修正。当天线方位轴发生倾斜时，则需要考虑由于方位轴倾斜角度φ后，测量站由测量系中的坐标Ac、Ec变换到测站地平系中的坐标A，E时，φ对A，E的影响。

5 第三轴角度对测角精度的影响估算

下面以某工程车载站三轴天线为例，对第三轴角度对天线测角误差的贡献进行估算。

所用参数：编码器精度：系统误差△φ=5″；随机误差：σφ=10″；角度标定误差：△=10″，σ=5″。

利用式(8)，式(9)对其进行计算，计算结果见表1。

由表1可以看出，第三轴角度对测角精度的影响不大。表2为某工程测角精度估算结果，以供比较。

6 结语

通过以上分析计算，可以看出在方位、俯仰型天线座中引入第三轴，只要第三轴精度在允许范围内且对第三轴编码器精确标定，就不会对天线测角精度产生较大影响，三轴天线座天线测角精度仍是可以保障的。

那种认为第三轴编码器精度可以做得差一点，或认为第三轴会对天线测角精度影响较大的观点都是不可取的。第三轴编码器应与方位、俯仰轴编码器等同看待。