射电望远镜指向误差提取及其容错修正分析

作为评估射电望远镜性能的重要指标之一，天线指向精度直接影响着射电望远镜的跟踪观测性能。本文采用十字扫描法对适合观测任务要求的目标射电源沿天线各方向指向进行测量，并采用误差提取算法提取天线指向误差。随后利用最小二乘法拟合得到指向误差修正模型系数，并提出一种基于残差统计检验对误差观测序列进行核验剔除离群值的容错修正方法。为检验指向误差修正模型的有效性，基于统计假设检验理论，利用模型拟合的F检验以及模型分量的t检验方法进行了显著性检验。观测实验验证结果表明：有效的指向误差与离群值的提取能够提高模型误差修正的精度，从33.46"改进到26.39"。显著性检验方法可用于复核误差模型以及模型分量的有效性。

随着深空测控通信及射电天文观测的发展需求，射电望远镜正朝着大口径、高频段、高指向与跟踪精度方向发展。指向精度作为射电望远镜重要的性能指标，直接影响着射电望远镜观测目标时的信号接收能力以及观测效率。因此射电望远镜指向误差测量以及其精度的提升一直受到广泛的关注研究[1] [2]。

大型射电望远镜通常结构复杂，影响其指向精度的因素很多并且性质复杂。有的影响因素有清晰的分布规律，有的影响因素具有随机变化无明显分布规律的特点。其中方位轴倾斜[3]，重力变形误差[4]， 轨道沉降[5] [6]、大气折射误差[7] [8]、风载荷[9] [10]、温差[11]造成的形变以及伺服传动等都是造成指向误差的重要因素。针对射电望远镜校正问题，国内外在射电望远镜指向误差源分析与精度提升方面有很多研究工作。通常提高望远镜指向精度的方式有两种。

第一种是硬件校准[12]， 通过提高硬件设备的加工与装配精度来提高望远镜的指向精度。硬件校准一般在天线建造安装时通过工程方法有效完成，使得天线具备一定指向精度，但是受限于工程工艺以及造价成本，有些误差仍无法通过硬件校准完全消除；第二种是软件标校[13] [14]，通过分析所能识别的误差源，建立指向误差修正模型，并用伺服系统对指向误差进行模型实时修正补偿来提高望远镜的指向精度。主要的误差模型包括：基本参数模型，球谐函数模型以及神经网络模型等。其中基本参数模型，参数物理含义明显，模型修正稳定，因此广泛应用于各类天线指向修正。由于不同射电望远镜天线结构各异以及在不同的实验环境下，其指向误差修正模型在基本参数修正模型的基础上多少会有所差异，通常会在基本参数的基础上增加一些经验项。比如用于大型轮轨式射电望远镜的方位轴非线性倾斜偏差的指向修正方法[5]以及基于广义延拓差值的射电望远镜指向误差修正模型[13]等。

基于观测任务要求，本文利用射电源对射电望远镜天线各方向指向进行了测量。针对原始误差提取算法的适应性不好的特点，本文提出了一种基于拟合优度检验的有效指向误差提取算法，随后分析了修正模型，并针对最小二乘法拟合求解模型系数缺乏容错能力的特点，提出了一种基于残差统计检验的容错修正方法，提高了模型参数估计的精度。