Antenna pointing calibration based on cubic radiation pattern and cross scan
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摘要: 针对明安图射电频谱日像仪（Mingantu spectral radioheliograph，MUSER）天线高指向精度动态跟踪要求，同时为降低非理想因素对复杂系统天线指向测量影响，提出校准天线指向的组合方法.先用网格法测量天线的双圆极化多频率通道立体方向图定性评估系统测量链路状态，后对太阳运行轨道进行十字跟踪扫描测量天线指向偏差，再用最小二乘法拟合获得天线指向模型的8个参数.国家天文台明安图观测基地的2台20 m地平式天线将在MUSER系统观测和校准中起重要作用.对20 m天线跟踪指向进行了校准，指向偏差均方根从12'改善到4.4'，验证了方法的可行性，为类似复杂系统的相关工作提供了借鉴和参考.Abstract: To get good antenna tracking pointing accuracy under imperfect measurement link status of complicated system, methods and measurements of cubic radiation patterns and cross scanning-and-tracking are proposed for the two 20 m Az-El antennas, which will be updated to take part in the observation and calibration of Mingantu spectral radioheliograph(MUSER), a powerful instrument dedicated for solar radio imaging observation. Least square method is also used to obtain the 8 parameters of the 20 m antenna pointing model. After calibration, the pointing accuracy is improved from about 12' (rms) to about 4.4' (rms), testifying the reliability of the proposed methods and providing a good reference for other complicated telescope systems.
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引言
明安图射电频谱日像仪(Mingantu spectral radioheliograph, MUSER)是采用综合孔径成像原理, 在厘米-分米波段同时具有高时间、空间和频谱分辨率的太阳专用成像观测设备[1].综合孔径成像, 需对每条基线的复可见度函数的振幅和相位进行校准.由于灵敏度和系统阵列设计等原因, 明安图观测基地2台20 m地平式天线将加入MUSER低频阵(400~2 000 MHz)系统的观测和校准.首先要对20 m天线跟踪指向精度作测量和校准, 否则将导致大的幅相误差.较常选择天空分布均匀的射电源[2-7]以及卫星作校准源, 但在分米波段, 一方面射电源辐射信号比宁静太阳弱很多, 另一方面可用的卫星不多, 而宁静太阳为宽带辐射信号, 且较为稳定.因此, 本文选择宁静太阳为校准源, 组合应用双圆极化多频率通道三维立体方向图和对宁静太阳运行轨道进行十字跟踪扫描方法来校准天线指向.结果表明, 跟踪指向精度得到很大提升.
1 天线跟踪指向误差校准和测量原理
用20 m天线对一系列位于方位角和俯仰角(Ai, Ei)的目标进行观测, 目标源选择宁静太阳、Cyg A和同步轨道卫星等.测量得到对应最大值方向的天线的方位角和俯仰角(A′i, E′i), 从而得到方位和俯仰指向偏差(ΔAi, ΔEi):
ΔAi=A′i−Ai,ΔEi=E′i−Ei. (1) 采用下列8个参数C1~C8的地平式射电望远镜指向误差修正公式[2]:
ΔAi=C1+C4tanEi+C5secEi+C6cosAitanEi+C7sinAitanEi, (2) ΔEi=C2+C3cosEi−C6sinAi+C7cosAi+C8cotEi. (3) 由最小二乘法对观测数据进行拟合, 求得C1~C8.其中, C1:方位编码器零点偏差, C2:俯仰编码器零点偏差, C3:天线重力变形, C4:俯仰轴与方位轴不正交, C5:电轴与俯仰轴不正交, C6:方位轴倾斜(东西), C7:方位轴倾斜(南北), C8:大气折射.将拟合结果加到天线驱动控制程序中进行修正, 即由C1~C8和(Aj, Ej)(j=1, 2, …, n)代入式(2)和式(3), 得到(ΔAj, ΔEj)和(A′j, E′j):
A′j=Aj+ΔAj,E′j=Ej+ΔEj. (4) 一系列(ΔAi, ΔEi)通过十字跟踪扫描宁静太阳的运行轨道得到.单个十字扫描轨迹示意见图 1(a).扫描范围为以日面中心对称的±3°. 图 1(b)中接收功率值反映了天线指向的偏离, 红色和黑色线分别表示天线指向偏离和理想情况.太阳轨道可精确计算, 由天线指向无偏时扫过太阳接收功率的理想最大值时间和有偏时实际记录的最大值时间以及天线运动速度, 可计算出偏差, 因此接收系统记录观测数据要有精确的时间标签.图 2给出测量中的时间和十字扫描指向对应关系.十字跟踪扫描太阳轨道时, 天线指向有偏一方面反映在接收功率最大值时间与无偏时不一致, 另一方面功率峰值对应方位俯仰方向的偏差大小有高低起伏. 图 3中给出沿太阳理论运行轨道(红线, 2018.03.14)跟踪扫描的轨迹(蓝线). 图 4天线监控界面实时显示了20 m天线沿太阳轨道跟踪目标和沿太阳轨道十字跟踪扫描轨迹.
三维立体方向图[8]相关工作之前集中在仿真和计算方面.本文利用网格扫描法测量获得立体方向图, 原理和一个立体方向图实例如图 5所示. EL和AZ分别表示20 m地平式天线的俯仰角和方位角, Z轴为自相关功率(dB).立体方向图能综合反映MUSER从目标源、天线到接收机输出端双极化信号传输链路的状态, 可由此选择合适的频率通道来进行指向偏差测量, 这对MUSER这样超宽频带高分辨太阳成像观测设备尤其必要.链路正常时立体方向图是目标源辐射特性和天线方向图的卷积.
太阳等源的辐射强度变化及传输链路的变化与差异会影响测试结果.选择宁静太阳为校准源, 其在一次测量时间段内稳定, 可通过太阳观测卫星等其他观测手段验证.测量时接收的是总辐射流量, 宁静太阳上局部很小的变化对测量影响不大.在分米波段观测太阳, 一般不考虑大气的影响.
扫描网格在以太阳理论位置中心对称的±5°范围, 网格步距可调, 计算每个网格点指向坐标, 控制天线扫描网格.采用0.1°步距时共100×100个网格点, 扫描时间约3 h.利用MUSER低频阵接收系统, 可同时获得400~2 000 MHz内64个25 MHz带宽左、右旋圆极化的64×2个自相关功率立体方向图.
立体方向图和指向偏差测量系统组成见图 6.
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图 6 天线测量系统框图Fig. 6 Block diagram of measurement system of 20 m antenna and MUSER 4.5 m antennas2 立体方向图测量
用20 m天线和MUSER低频阵接收系统对宁静太阳、同步轨道卫星及强射电源CygA进行立体方向图测量. 图 7为以两颗地球同步轨道卫星的位置为中心位置的左、右旋圆极化立体方向图.同步轨道卫星位置可根据观测点地理经纬度通过网络实时查询.一般来说, 方向图上最大值位置相对于中心位置为天线的指向偏差.但图 7表明, 方向图不对称、双极化方向图中心不一致、卫星之间也不一致, 而因卫星漂移、实时查询的准确位置也不精确, 因此, 这类卫星无法作为校准源得到天线的准确指向偏差.而对位置非常精确的强射电源如CygA, 立体方向图测量则显示信噪比低且极易受到干扰影响, 如图 8所示.
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图 7 卫星1和卫星2的左右旋圆极化立体方向图Fig. 7 Left and right-hand circular polarization cubic radiation pattern of satellite 1# and 2# on geosynchronous orbit![]()
图 8 20 m天线观测CygA的左右旋圆极化立体方向图Fig. 8 Left and right circular polarization cubic radiation patterns of 20 m antenna scanning CygA2018.02.05—08, 太阳活动水平极低, 基于MUSER数据相关接收处理系统, 利用西20 m天线对太阳进行网格扫描. Z轴为自相关功率(dB).
MUSER低频阵64个频率通道立体方向图多如图 9中所示.相对于常用的偏置测量天线指向的方法, 对立体方向图求重心能更准确可靠地求出方位俯仰的指向偏差.立体方向图也为计算天线方向性增益[9]提供了另一种选择, 并显示了测量系统链路各频率通道的健康状态, 如图 10所示典型的非理想的立体方向图. MUSER作为超宽带复杂的太阳成像观测系统, 不可能所有链路通道都理想, 原因包括:其低频端的宁静太阳辐射强度弱且天馈系统增益相对低因而信号链路信噪比低; 接收信号链路问题; 某些频率通道上电磁干扰强以及天馈系统原因造成的方向图变形等.更深原因还有待进一步测量和分析.立体方向图综合反映了源特性、接收系统从天线-馈源-模拟接收机-数字接收机-数据处理和存储这条链路的状态, 以及电磁环境特性影响.基于立体方向图, 可避免类似复杂情况对包括指向偏差在内的系统性能测量的影响, 并针对性研究具体的干扰消减方法, 而这是射电天文研究的重要课题[10].
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图 9 20 m天线观测宁静太阳的左右旋圆极化立体方向图Fig. 9 Left and right circular polarization cubic radiation patterns of spectral channels of 20 m antenna scanning the quiet Sun![]()
图 10 20 m天线观测宁静太阳非理想左旋圆极化立体方向图Fig. 10 Imperfect left-hand circular polarization cubic radiation patterns of 20 m antenna scanning the quiet Sun3 十字跟踪扫描校准天线指向和结果
基于以上立体方向图, 采用十字跟踪扫描宁静太阳轨道方法来测量20 m天线的指向偏差. 2018年3月进行了初步试验, 期间太阳活动水平仍极低.如图 2所示, 每1个十字可给出1组方位、俯仰角及其偏差, 3月14日实际跟踪时间为9:00—10:15, 有30组测量数据, 求得天线指向8个系数, 并代入计算16日十字跟踪扫描太阳轨迹, 而15日十字跟踪扫描太阳轨迹不校准.比对15日和16日两天相同时段十字跟踪扫描太阳的自相关输出功率, 16日峰值一致性更好, 如图 1(b)所示. 表 1和2给出了天线指向模型的8个系数和校准前后20 m天线指向偏差均方根值, 从12'改善到4.4', 俯仰方向指向误差改善明显.
表 1 西20 m天线指向模型系数Tab. 1 Coefficients of the pointing model of west 20 m antenna指向模型系数 取值 指向模型系数 取值 C1 0.809 1 C5 -0.642 6 C2 -0.189 8 C6 -0.111 1 C3 1.106 7 C7 -0.089 8 C4 0.293 6 C8 -0.260 1 表 2 西20 m天线指向校准前后误差Tab. 2 Pointing errors of west 20 m antenna指向误差 校准前 校准后 δA/(') 4.062 2.496 δE/(') 11.196 3.618 δ/(') 11.900 4.395 4 结论
针对MUSER这样双圆极化超宽频带高分辨对太阳进行快速成像观测的专用设备, 本文提出了立体方向图和十字跟踪扫描宁静太阳轨道相结合的方法来进行系统链路状态定性评估和20 m地平式天线指向偏差的测量, 结果表明方法行之有效.需要指出的是十字跟踪扫描太阳时, 应多次测量增加方位俯仰角的覆盖范围以进一步提高指向精度.用太阳作校准源时, 特别是在太阳活动峰年时期太阳的流量并不稳定, 测量应在太阳活动宁静期.
致谢: 感谢国家天文台金声震、杨世模、孙才红、古学东和葛亮等在20 m天线上的先期工作, 感谢中国电子科技集团54所耿京朝、牛传峰、陈辉、耿旭光等和13所吴立丰、刘荣军、谢永康等的技术支持, 感谢国家天文台明安图观测基地所有同事对测量工作的支持. -
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图 6 天线测量系统框图
Fig. 6 Block diagram of measurement system of 20 m antenna and MUSER 4.5 m antennas
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图 7 卫星1和卫星2的左右旋圆极化立体方向图
Fig. 7 Left and right-hand circular polarization cubic radiation pattern of satellite 1# and 2# on geosynchronous orbit
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图 8 20 m天线观测CygA的左右旋圆极化立体方向图
Fig. 8 Left and right circular polarization cubic radiation patterns of 20 m antenna scanning CygA
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图 9 20 m天线观测宁静太阳的左右旋圆极化立体方向图
Fig. 9 Left and right circular polarization cubic radiation patterns of spectral channels of 20 m antenna scanning the quiet Sun
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图 10 20 m天线观测宁静太阳非理想左旋圆极化立体方向图
Fig. 10 Imperfect left-hand circular polarization cubic radiation patterns of 20 m antenna scanning the quiet Sun
表 1 西20 m天线指向模型系数
Tab. 1 Coefficients of the pointing model of west 20 m antenna
指向模型系数 取值 指向模型系数 取值 C1 0.809 1 C5 -0.642 6 C2 -0.189 8 C6 -0.111 1 C3 1.106 7 C7 -0.089 8 C4 0.293 6 C8 -0.260 1 
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表 2 西20 m天线指向校准前后误差
Tab. 2 Pointing errors of west 20 m antenna
指向误差 校准前 校准后 δA/(') 4.062 2.496 δE/(') 11.196 3.618 δ/(') 11.900 4.395
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