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1、分类号P 1 1 1 4 4编号中国科学院国家天文台博士后研究工作报告F A S T 天线测量研究骆亚波工作完成日期2 0 0 9 年1 2 月- 2 0 1 3 年6 月报告提交日期2 0 1 3 年6 月中国科学院国家天文台2 0 1 3 年6 月中国科学院国家天文台博士后出站报告第2 页中国科学院国家天文台博士后出站报告目录J I I IIIII l lI J I I l lI l l r l lPlIIIII Y 2 3 8 16 3 8摘要I A b s t r a c t I I I第一章绪论11 1 研究背景及意义11 2 F A S T 天线测量需要及指标2 1 3 天线测量技
2、术现状31 3 1 国内天线测量现状31 3 2 国外天线测量现状3 1 3 3 F A S T 测量技术研究现状41 4 论文内容安排及主要研究成果7第二章测量控制网设计9 2 1 控制网布设92 1 1 需求指标分析1 02 1 2 条件制约分析1 l2 1 3 首级测量控制网设计1 72 1 4 精密测量控制网设计1 72 1 5 标校测量控制网设计2 32 1 6 测量控制网性能分析2 4 2 2 控制网测量2 7 2 2 1 测量方法2 72 2 2 基准选择及坐标传递3 12 。2 3 基墩稳定性监测试验3 2 2 3 基墩干涉分析3 3 2 3 1 功能需求分析3 32 3 2
3、建造空间限制分析3 3 2 4 基本结论3 4第三章主动反射面变位测量3 6 3 1 测量需求及误差来源3 63 1 1 测量需求及技术指标3 7 3 1 2 误差来源及特性分析4 03 2 节点运动学分析4 1 3 2 1 节点规划位移4 1第l 页中国科学院国家天文台博士后出站报告3 2 2 节点干涉位移4 8 3 3 大气折射试验研究6 1 3 3 1 大气折射6 13 3 2 郑州基线白天大气折射实验6 23 3 3 新乡基线周日大气折射实验6 83 3 4 贵州现场周日大气折射实验8 0 3 3 5 小结9 0 3 4 快速扫描测量9 13 4 1 测站及目标优化布设9 l3 4 2
4、 测量性能及条件分析9 3 3 4 3 测量任务动态规划9 7 3 5 基线组网测量1 0 0 3 6 1 组网设计1 0 1 3 6 2 基准设计1 0 3 3 6 3 基线组网定位估计1 0 33 6 4 协方差精度分析1 0 6 3 6 应变差分微位移测量1 1 53 6 1 主索长应变差分估计1 1 53 6 2 下拉索伸缩差分估计1 1 83 6 3 节点状态估计1 2 03 6 4 协方差精度分析1 2 33 6 5 长索应变测量试验分析1 2 4 3 7 基本结论1 2 6第四章馈源支撑系统跟踪测量12 9 4 1 测量需求及误差来源1 2 9 4 1 1 测量需要及指标分析1
5、3 0 4 1 2 误差来源1 3 1 4 2 全站仪动态性能测试研究1 3 1 4 2 1 实验概况说明1 3 1 4 2 2 动态测量采样周期1 3 24 2 3 动态测量时滞测试1 3 8 4 2 4 动态测量精度测试1 5 4 4 3 全站仪动态差分跟踪测量1 7 04 3 1 距离交会跟踪测量1 7 1第1 I 页中国科学院国家天文台博士后出站报告4 3 2 动态差分跟踪测量1 7 54 4I M U 惯性测量1 8 0 4 4 1 I M U 误差特性1 8 1 4 4 2 状态融合估计1 8 54 4 3 I M U 漂移误差开窗拟合1 8 74 4 4 T P S 时滞残差开窗
6、拟合1 8 84 5 基本结论一1 8 9第五章基本结论及展望19 1 5 1 研究基本结论1 9 15 1 1 测量控制网优化设计1 9 15 1 2 主动反射面变位测量1 9 15 1 3 馈源支撑系统跟踪测量1 9 35 2 进一步研究问题1 9 4第1 I I 页中国科学院国家天文台博士后出站报告第1 V 页中国科学院国家天文台博士后出站报告摘要论文针对测量控制网优化设计、主动反射面变位测量和馈源跟踪测量三个主要问题，对F A S T 天线测量展开研究。一、测量控制网优化设计完成了测量控制网的优化布设，提出了各级控制网测量独立施测量和联测方法，给出控制点基墩设计及建造的功能需求及空间干
7、涉限制。测量控制网由首级控制网、精密控制网和标校控制网构成，分别实现不同范围和精度的分级控制，满足了坐标传递、精度控制、差分基准和测站等功能；实验表明温度变形是影响高墩稳定性的主要因素，要实现控制点l m m 坐标精度，需要对高墩的进行变形监测和坐标补偿。二、主动反射面变位测量从节点运动规律、大气折射误差和变位测量方法三个方面展开了相关研究。1 ) 推导给出了节点规划速度的解析表达，表明节点的规划速度与跟踪目标赤纬余弦成正比；照明区域内节点速度的分布与节点分布方位余弦成正比，东西方向较南北方向大i 提出了利用节点规划位移补偿馈源偏差的方法，节点补偿位移为馈源偏差的二阶小量。通过对密云模型变位试
8、验和理论仿真分析结果对比，获得节点侧偏位移规律：在靠近反射面中心区域处，形成两个较大侧偏位移的集中区域：经度方向位移关于照明中心至反射面中心的正交方向成反对称分布；纬度方向位移关于照明区域内和照明区域外成反对称分布：节点径向位移对切向位移的干涉为二阶小量。2 ) 对大气折射误差实验表明：在破晓或黄昏时分，气象参数发生逆变且变化较大，测量尽量避免该时刻；夜间的气象相对更为稳定，更有利于观测；测量路径尽量高于地表，可以减少大气扰动和地面下雾的影响；大气折射测距模型改正可达到O 2 0 3 r a m 内符精度，长距离测量中存在明显的气象代表性系统误差；良好的差分路径可有效消除大气影响，可以获得高精
9、度的差分观测量，差分测距角精度为O 5 ”O 7 ”，接近标称精度，距离差分精度为0 2 r a m ，好于标称精度。3 ) 在全站仪测量技术和传感器测量技术融合的基础上，提出快速扫描测量、基线组网测量和索长应变差分测量一体化测量模式。快速扫描测量方法具有较高的测量效率，适用于主动反射面的快速调整；基线组网测量可以有效消除大气折射等系统误差的影响，实现高精度的定位测量，其代价是测量工作量显著增加，第1 页中国科学院国家天文台博士后出站报告要求测量同步；考虑该不足，提出索长应变差分测量，利用传感器差分观测量获得索长变化，并在节点处对索长变化进行在线估计，综合索长变化信息最终求得节点的位移变化，将
10、各观测量归化到同一历元，实现基线组网平差。协方差分析表明节点位置变化精度与传感器差分测量精度相当，节点定位精度优于基线差分观测量精度。该方法将全站仪测量技术和传感器技术进行有效融合，在传感器节点处并行完成微位移测量，应变差分测量的可以获得高采样、强实时和高精度的位移变化信息，这与基线测量中高精度的绝对定位信息进行融合，从而满足节点实时动态定位测量。三、馈源动态跟踪测量对全站仪动态性能、差分跟踪测量和I M U 惯性测量融合三个内容展开研究。1 ) 对全站仪的采样周期、测量时滞和测量精度进行了动态性能测试。试验表明：测量系统需要在测量精度和跟踪性能上取折衷，采样周期存在1 l O m s 和2
11、2 0 m s 的分群现象；提出时滞常数模型和分群模型，通过与激光跟踪仪比对测试，获得测量时滞为9 0 一l O O m s ，时滞存在l O - 2 0 m s 的不确定性，试验表明分群模型精度好于常数模型精度；动态精度测试表明，时滞残差是快速测量中的主要误差源；采样周期长的观测量具有更高精度，百米尺度上动态测距精度高于测角精度，测距精度好于2 r a m ；动态观测量存在明显的准系统误差，可以考虑测前标校补偿。、 2 ) 提出了全站仪差分跟踪测量方法，差分基线矢量可以消除大气折射系统误差的影响，实现高精度的姿态测量，再进行距离交会定位，该方法避免了测距交会中位姿解算的奇异问题。协方差分析表明：在馈源焦面球冠范围内，定姿误差只有差分观测量误差的0 1 - 0 2 ；坐标误差为测距误差的O 6 倍。3 ) 全站仪动态差分跟踪测量方法具有很高的绝对测量精度，但存在动态性、实时性不足的缺陷，同时还存在时滞残差和非同步测量的影响。I M U 测量具有动态性能好、灵敏度高、实时性强等优点，测量误差表现为漂移系统误差，在一定观测时段，可以采用低阶的多项式模型进行拟合。提出了I M U 漂移误差开窗拟合和T P S 时滞残差开窗拟合的估计方法：对两类观测量进行融合估计，可以获得高动态、强实时、高精度的定位定姿结果。关键字：F A S
