CN101916915B - 动中通卫星通信系统天线波束跟踪装置及跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动中通卫星通信系统天线波束跟踪装置及跟踪方法，其跟踪装置包括地理位置检测单元、载体姿态检测单元、信号强度检测单元、信号调理电路和控制伺服驱动器的主控计算机，伺服驱动器对方位和俯仰电机进行控制；其跟踪方法包括步骤：一、初始捕获目标卫星；二、跟踪：初始参数设置、参数实时存储及更新、同时扰动随机向量生成、扰动驱动及接收信号强度测量、梯度估计、跟踪误差信号确定及天线波束指向调整和接收信号判断；三、重捕获。本发明设计简单、成本低、系统的实现不需改变原有跟踪系统的硬件结构且操作简便、跟踪精度高、跟踪速度快，克服了现有方法存在的操作不便、跟踪步骤繁琐、跟踪精度较低且跟踪速度较慢等不足。

Description

动中通卫星通信系统天线波束跟踪装置及跟踪方法

技术领域

本发明属于卫星通信系统天线波束跟踪技术领域，尤其是涉及一种动中通卫星通信系统天线波束跟踪装置及跟踪方法。

背景技术

随着经济全球化和信息化的发展，人们迫切需要在旅途中及特殊情况时如抗震救灾等的任何地方、任何时间都能实时传递或接收宽带、大容量的语音、数据、图像、视频等多媒体信息，以便更快、更准确地掌握瞬息万变的时局。卫星通信是唯一能在不同环境下同时提供不同业务需求的通信系统。但由于ITU分配给卫星移动业务的带宽较低，很难满足宽带通信业务的需求。基于卫星固定业务的“动中通”通信系统为这一理想的实现提供了可能。动中通卫星通信系统是指安装卫星天线的移动载体(如汽车、火车、飞机、轮船等)能够与静止卫星(即同步轨道卫星—目标卫星)建立通信链路并能够在载体快速运动的过程中保持通信链路的畅通以实现实时通信的系统。由于静止卫星距地面的距离很远(约36000公里)，因此要实现移动载体与静止卫星间的宽带多媒体通信，就必须采用高增益的定向天线。由于这种天线的波束很窄，要保证移动载体在快速运动过程中能够与静止卫星进行正常不间断的通信，则必须使天线波束始终以一定的精度对准卫星。

实际使用过程中，影响动中通卫星通信系统性能的主要原因包括移动载体的运动姿态和系统跟踪能力，要想实现卫星通信在运动过程中始终正常通信，动中通卫星通信系统的天线波束必须在方位、俯仰和极化三个轴同时进行精密跟踪控制。

固定卫星通信地面站的跟踪技术已经广为人知，如手动/程序跟踪、步进跟踪、圆锥扫描跟踪和单脉冲跟踪等，后三种跟踪算法在捕获到卫星信号后，能自动跟踪卫星，因而被统称为自动跟踪技术，这三种自动跟踪技术虽能应用于动中通跟踪系统的设计，但在不同程度上制约了系统的普及和应用，如圆锥扫描和单脉冲跟踪的实现必须引入额外的器件，必将增加系统的复杂性和成本；传统的步进跟踪具有动态滞后、跟踪精度较低、跟踪速度较慢等缺陷和不足。2004年1月21日公开的发明专利申请CN1469132A(专利申请号为02126611.5)中披露了一种适用于移动卫星地面站系统的基于梯度法的跟踪方法，然而其跟踪的过程是在方位和俯仰面交替进行的，影响了跟踪的速度和系统的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种设计简单、成本低、不需改变原有跟踪系统的硬件结构且使用效果好、易于推广应用的动中通卫星通信系统天线波束跟踪装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种动中通卫星通信系统天线波束跟踪装置，其特征在于：包括对移动地面站天线所处移动载体的经纬度进行实时检测的地理位置检测单元、对所述移动载体的姿态信息进行实时检测的载体姿态检测单元、对移动地面站天线传送至通讯设备接收机的接收信号的强度进行实时检测的信号强度检测单元、分别与所述地理位置检测单元、载体姿态检测单元和信号强度检测单元相接的信号调理电路以及与所述信号调理电路相接且利用同时扰动随机逼近方法对移动地面站天线的天线波束对准目标卫星的梯度进行估计并相应对伺服驱动器进行控制的主控计算机，所述伺服驱动器对分别驱动移动地面站天线的方位轴和俯仰轴的方位电机和俯仰电机进行驱动控制，所述主控计算机与伺服驱动器相接。

上述动中通卫星通信系统天线波束跟踪装置，其特征是：所述地理位置检测单元为GPS定位系统。

上述动中通卫星通信系统天线波束跟踪装置，其特征是：所述载体姿态检测单元为陀螺仪。

上述动中通卫星通信系统天线波束跟踪装置，其特征是：所述信号调理电路为A/D转换电路。

上述动中通卫星通信系统天线波束跟踪装置，其特征是：所述信号强度检测单元对与移动地面站天线相接的高频头与通讯设备接收机之间的接收信号的强度进行实时检测。

同时，本发明还提供了一种使用操作简便、跟踪精度高、跟踪速度快且实现起来简单易行的动中通卫星通信系统天线波束跟踪方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、初始捕获：通过主控计算机7对伺服驱动器9进行控制，使得移动地面站天线3的天线波束对准目标卫星，其捕获过程包括以下步骤：

101、信息实时检测与同步传送：所述地理位置检测单元、载体姿态检测单元和信号强度检测单元6分别对所述移动载体的经纬度、所述移动载体的姿态和移动地面站天线3传送至通讯设备接收机5的接收信号的强度进行实时检测，并将所检测信号同步传送至所述信号调理电路进行处理后，再同步上传至主控计算机7；

102、天线指向目标卫星的目标方位角和目标俯仰角计算：主控计算机调用角度计算模块且根据公式

同步计算出移动地面站天线的天线波束对准目标卫星的目标方位角Az和目标俯仰角El，并将所计算出来的目标方位角Az和目标俯仰角El同步存入存储单元内，并对存储单元所存储的目标方位角和目标俯仰角信息进行实时更新；式中，Δφ＝φ_S-φ_G，r为地球半径且r＝6378km，R为目标卫星距地球地心的高度且R＝42218km；其中，φ_S为目标卫星的星下点经度，φ_G和ψ_G分别为步骤101中所述地理位置检测单元所检测出的所述移动载体当前所处位置的经度和纬度；目标方位角Az和目标俯仰角El计算过程中，目标方位角Az以正北为零度且顺时针方向为正，目标俯仰角El以水平方向为零度且水平面上方为正；

103、搜索：主控计算机根据计算出来的目标方位角Az和目标俯仰角El的角度且经内部处理运算后相应对伺服驱动器进行控制，并通过伺服驱动器对方位电机和俯仰电机进行驱动控制，以对移动地面站天线的天线波束的指向进行调整且使得移动地面站天线的天线波束在目标方位角Az和目标俯仰角El附近的空域进行搜索，且搜索过程中，主控计算机调用差值比较模块实时对通讯设备接收机的输出电压U_io进行差值比较，当输出电压U_io＞预设电压U₀时，说明此时移动地面站天线的天线波束已对准目标卫星，则转入步骤二并进入跟踪阶段；

步骤二、跟踪：通过主控计算机且采用基于同时扰动随机逼近的步进跟踪方法对目标卫星进行跟踪，跟踪过程中，当移动地面站天线的天线波束对准目标卫星时天线波束的梯度为零，假设移动地面站天线的天线波束向一侧偏离目标卫星时天线波束的梯度为正数，则移动地面站天线的天线波束向相对的另一侧偏离目标卫星时天线波束的梯度为负数，且跟踪过程包括以下步骤：

201、初始参数设置、目标向量值自动生成及参数存储与更新：主控计算机调用向量生成模块且根据此时步骤102中主控计算机所计算出来的目标方位角Az和目标俯仰角El，自动生成移动地面站天线的天线波束目标指向角的向量值

并将生成的天线波束目标指向角的向量值

同步存入存储单元内；同时，主控计算机调用参数计算模块且分别根据公式a_k＝a/(A+k+1)^α和c_k＝c/(k+1)^γ对步长控制因子a_k和小幅扰动值c_k进行计算，并将计算结果同步存入存储单元内，式中，k为当前存储单元内所存储的跟踪步数且k的初始值取0，参数a、c、A、α和γ均预先进行设定；

202、同时扰动随机向量Δ_k生成：主控计算机调用扰动向量生成模块且采用蒙特卡罗方法生成一个n维同时扰动随机向量Δ_k＝(Δ_k1，Δ_k2…Δ_kn)^T，所生成同时扰动随机向量Δ_k中的n个元素均相互独立且其为零均值向量，即E{Δ_ki}＝0，其中i＝1，2...n；

203、天线波束指向扰动驱动及接收信号强度同步测量：主控计算机按照步骤202中所生成的同时扰动随机向量Δ_k和小幅扰动值c_k对移动地面站天线天线波束的指向进行前后两次扰动驱动，且对天线波束指向进行两次扰动驱动的扰动调整量分别为+Δ_k·c_k和-Δ_k·c_k；天线波束指向扰动驱动过程中，主控计算机根据计算出来的扰动调整量且通过对伺服驱动器进行控制实现对移动地面站天线的天线波束指向进行扰动驱动；同时，天线波束指向扰动驱动过程中，通过信号强度检测单元对前后两次扰动驱动后移动地面站天线传送至通讯设备接收机的接收信号的强度

和

进行检测，并将检测结果同步存入存储单元，式中

为当前存储单元内所存储的第k步跟踪时天线波束当前指向角的向量值；

204、梯度估计：主控计算机根据公式

对下一步跟踪过程中需对移动地面站天线的天线波束进行调整的梯度值进行估计；

205、跟踪误差信号确定及天线波束指向调整：主控计算机根据公式

且结合步骤201中获得的a_k和步骤204中所获得的

计算得出本步跟踪过程中移动地面站天线的跟踪误差信号

式中分别为本步骤中对天线波束指向进行调整前后天线波束指向角的向量值；且主控计算机相应根据计算出来的跟踪误差信号

且通过对伺服驱动器进行控制实现对移动地面站天线的天线波束指向进行调整，并使得调整后天线波束指向角的向量值

趋近于步骤201中所述的天线波束目标指向角的向量值

206、接收信号判断：待步骤205中对移动地面站天线的天线波束指向调整完成后，主控计算机根据此时信号强度检测单元所检测信号判断移动地面站天线上是否存在与目标卫星相对应的接收信号：当判断得出移动地面站天线上存在接收信号时，则将k+1和

分别转存为k和

后存入存储单元，对存储单元内的跟踪次数k和天线波束指向的向量值

进行实时更新，并返回步骤201进行下一步跟踪；反之，转入步骤三进行重捕获；

步骤三、重捕获：主控计算机按照步骤一中进行初始捕获的方法对伺服驱动器进行控制，使得移动地面站天线的天线波束重新对准目标卫星；且重捕获过程完成且接收信号恢复后，转入步骤二重新进入跟踪阶段。

上述动中通卫星通信系统天线波束跟踪方法，其特征是：步骤203中所生成的同时扰动随机向量Δ_k的维数n＝2，则所生成的同时扰动随机向量Δ_k＝(Δ_k1，Δ_k2)^T，且所生成的二维同时扰动随机向量Δ_k中的2个元素均相互独立且其为零均值向量，即E{Δ_ki}＝0，其中i＝1，2。

上述动中通卫星通信系统天线波束跟踪方法，其特征是：所述二维同时扰动随机向量Δ_k为两个元素分别为±1且两个元素的概率均为1/2的伯努利分布。

上述动中通卫星通信系统天线波束跟踪方法，其特征是：步骤一中所述的移动地面站天线为抛物面天线或相控阵天线。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、所用跟踪装置设计简单、接线方便、成本低、不需改变原有跟踪系统的硬件结构且使用效果好、易于推广应用

2、所用的跟踪方法设计合理，智能化程度高且操作简便，其跟踪过程具体为利用同时扰动随机逼近方法对动中通天线波束对准卫星的梯度进行估计，并结合随机扰动调整过程中天线波束的前后两次不同指向时带噪声的信号强度的测量值(即每次估计时仅用随机干扰调整过程中前后两次带噪声的信号强度的测量值进行估计)，通过主控计算机内部处理形成误差信号，驱动伺服系统使天线波束同时在方位面和俯仰面以接收信号的最陡上升方向即梯度方向对天线波束进行调整并跟踪目标卫星。

3、跟踪效果好、跟踪精度高、跟踪速度快且简单易行、实现方便，主控计算机完成初始捕获后，利用同时扰动随机逼近方法的动中通卫星通信系统天线波束跟踪方法跟踪目标卫星，并判断卫星信号是否丢失而进入重捕获阶段直到信号恢复接收之后，再重新进入采用动中通卫星通信系统天线波束跟踪方法的跟踪阶段。系统在初始捕获或重捕获节段和跟踪阶段两个阶段之间自动切换，完成动中通卫星通信系统天线波束对目标卫星的捕获和跟踪。

4、适用范围广且易于推广应用，初始捕获或重捕获阶段由主控计算机根据计算得出的天线波束的方位角和俯仰角产生控制电压，驱动伺服系统进行空域搜索；而跟踪阶段的跟踪误差信号由主控计算机通过同时扰动随机逼近方法的动中通卫星通信系统天线波束跟踪方法计算获得，并同时对方位和俯仰跟踪进行处理，因而本发明特别适用于车载、机载、船载等移动载体中的卫星跟踪过程。

综上所述，本发明设计简单、成本低、不需改变原有跟踪系统的硬件结构且使用操作简便、跟踪精度高、跟踪速度快、简单易行，其利用同时扰动随机逼近方法对动中通通信系统中天线波束对准卫星的梯度进行估计，并根据估计的值对天线波束的方位面和俯仰面同时进行调整，使天线波束以接收信号的最陡上升方向跟踪目标卫星，克服了动中通通信系统中天线波束跟踪目标卫星时所存在的使用操作不便、跟踪方法步骤繁琐、跟踪精度较低且跟踪速度较慢等缺陷和不足。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明动中通卫星通信系统天线波束跟踪装置的电路原理框图。

图2为本发明动中通卫星通信系统天线波束跟踪方法的流程图。

附图标记说明：

1-GPS定位系统；2-陀螺仪；3-移动地面站天线；

4-卫星电视；  5-通讯设备接收机；6-信号强度检测单元；

7-主控计算机；8-A/D转换电路；   9-伺服驱动器；

10-方位电机； 11-俯仰电机；     12-高频头。

具体实施方式

如图1所示的一种动中通卫星通信系统天线波束跟踪装置，包括对移动地面站天线3所处移动载体的经纬度进行实时检测的地理位置检测单元、对所述移动载体的姿态信息进行实时检测的载体姿态检测单元、对移动地面站天线3传送至通讯设备接收机5的接收信号的强度进行实时检测的信号强度检测单元6、分别与所述地理位置检测单元、载体姿态检测单元和信号强度检测单元6相接的信号调理电路以及与所述信号调理电路相接且利用同时扰动随机逼近方法对移动地面站天线3的天线波束对准目标卫星的梯度进行估计并相应对伺服驱动器9进行控制的主控计算机7，所述伺服驱动器9对分别驱动移动地面站天线3的方位轴和俯仰轴的方位电机10和俯仰电机11进行驱动控制，所述主控计算机7与伺服驱动器9相接。

本实施例中，所述地理位置检测单元为GPS定位系统1，所述载体姿态检测单元为陀螺仪2，所述信号调理电路为A/D转换电路8。所述信号强度检测单元6对与移动地面站天线3相接的高频头12与通讯设备接收机5之间的接收信号的强度进行实时检测。

如图2所示的一种动中通卫星通信系统天线波束跟踪方法，包括以下步骤：

步骤一、初始捕获：通过主控计算机7对伺服驱动器9进行控制，使得移动地面站天线3的天线波束对准目标卫星，其捕获过程包括以下步骤：

101、信息实时检测与同步传送：所述地理位置检测单元、载体姿态检测单元和信号强度检测单元6分别对所述移动载体的经纬度、所述移动载体的姿态和移动地面站天线3传送至通讯设备接收机5的接收信号的强度进行实时检测，并将所检测信号同步传送至所述信号调理电路进行处理后，再同步上传至主控计算机7；

102、天线指向目标卫星的目标方位角和目标俯仰角计算：主控计算机7调用角度计算模块且根据公式

同步计算出移动地面站天线3的天线波束对准目标卫星的目标方位角Az和目标俯仰角El，并将所计算出来的目标方位角Az和目标俯仰角El同步存入存储单元内，并对存储单元所存储的目标方位角和目标俯仰角信息进行实时更新；式中，Δφ＝φ_S-φ_G，r为地球半径且r＝6378km，R为目标卫星距地球地心的高度且R＝42218km；其中，φ_S为目标卫星的星下点经度，φ_G和ψ_G分别为步骤101中所述地理位置检测单元所检测出的所述移动载体当前所处位置的经度和纬度；目标方位角Az和目标俯仰角El计算过程中，目标方位角Az以正北为零度且顺时针方向为正，目标俯仰角El以水平方向为零度且水平面上方为正；

103、搜索：主控计算机7根据计算出来的目标方位角Az和目标俯仰角El的角度且经内部处理运算后相应对伺服驱动器9进行控制，并通过伺服驱动器9对方位电机10和俯仰电机11进行驱动控制，以对移动地面站天线3的天线波束的指向进行调整且使得移动地面站天线3的天线波束在目标方位角Az和目标俯仰角El附近的空域进行搜索，且搜索过程中，主控计算机7调用差值比较模块实时对通讯设备接收机5的输出电压U_io进行差值比较，当输出电压U_io＞预设电压U₀时，说明此时移动地面站天线3的天线波束已对准目标卫星，则转入步骤二并进入跟踪阶段。

步骤二、跟踪：通过主控计算机7且采用基于同时扰动随机逼近的步进跟踪方法对目标卫星进行跟踪，跟踪过程中，当移动地面站天线3的天线波束对准目标卫星时天线波束的梯度为零，假设移动地面站天线3的天线波束向一侧偏离目标卫星时天线波束的梯度为正数，则移动地面站天线3的天线波束向相对的另一侧偏离目标卫星时天线波束的梯度为负数，且跟踪过程包括以下步骤：

201、初始参数设置、目标向量值自动生成及参数存储与更新：主控计算机7调用向量生成模块且根据此时步骤102中主控计算机7所计算出来的目标方位角Az和目标俯仰角El，自动生成移动地面站天线3的天线波束目标指向角的向量值

并将生成的天线波束目标指向角的向量值

同步存入存储单元内；同时，主控计算机7调用参数计算模块且分别根据公式a_k＝a/(A+k+1)^α和c_k＝c/(k+1)^γ对步长控制因子a_k和小幅扰动值c_k进行计算，并将计算结果同步存入存储单元内，式中，k为当前存储单元内所存储的跟踪步数且k的初始值取0，参数a、c、A、α和γ均预先进行设定。

其中，参数a和c影响了步长控制因子a_k和小幅扰动值c_k的大小，取值为正，而且参数a和c的值不能取得太大且不能使得天线波束的调整量和扰动值超出天线的半波束宽度，否则天线波束的调整量和扰动值将会超出天线的半波束宽度；A为算法稳定常数，也取为正值；α和γ一般取为0.602和0.101或者1和1/6。

202、同时扰动随机向量Δ_k生成：主控计算机7调用扰动向量生成模块且采用蒙特卡罗方法生成一个n维同时扰动随机向量Δ_k＝(Δ_k1，Δ_k2…Δ_kn)^T，所生成同时扰动随机向量Δ_k中的n个元素均相互独立且其为零均值向量，即E{Δ_ki}＝0，其中i＝1，2...n。

203、天线波束指向扰动驱动及接收信号强度同步测量：主控计算机7按照步骤202中所生成的同时扰动随机向量Δ_k和小幅扰动值c_k对移动地面站天线3天线波束的指向进行前后两次扰动驱动，且对天线波束指向进行两次扰动驱动的扰动调整量分别为+Δ_k·c_k和-Δ_k·c_k；天线波束指向扰动驱动过程中，主控计算机7根据计算出来的扰动调整量且通过对伺服驱动器9进行控制实现对移动地面站天线3的天线波束指向进行扰动驱动；同时，天线波束指向扰动驱动过程中，通过信号强度检测单元6对前后两次扰动驱动后移动地面站天线3传送至通讯设备接收机5的接收信号的强度和

进行检测，并将检测结果同步存入存储单元，式中

为当前存储单元内所存储的第k步跟踪时天线波束当前指向角的向量值。

204、梯度估计：主控计算机7根据公式对下一步跟踪过程中需对移动地面站天线3的天线波束进行调整的梯度值进行估计。

205、跟踪误差信号确定及天线波束指向调整：主控计算机7根据公式

且结合步骤201中获得的a_k和步骤204中所获得的

计算得出本步跟踪过程中移动地面站天线3的跟踪误差信号

式中

分别为本步骤中对天线波束指向进行调整前后天线波束指向角的向量值；且主控计算机7相应根据计算出来的跟踪误差信号

且通过对伺服驱动器9进行控制实现对移动地面站天线3的天线波束指向进行调整，并使得调整后天线波束指向角的向量值

趋近于步骤201中所述的天线波束目标指向角的向量值

206、接收信号判断：待步骤205中对移动地面站天线3的天线波束指向调整完成后，主控计算机7根据此时信号强度检测单元6所检测信号判断移动地面站天线3上是否存在与目标卫星相对应的接收信号：当判断得出移动地面站天线3上存在接收信号时，则将k+1和

分别转存为k和

后存入存储单元，对存储单元内的跟踪次数k和天线波束指向的向量值

进行实时更新，并返回步骤201进行下一步跟踪；反之，转入步骤三进行重捕获。

步骤三、重捕获：主控计算机7按照步骤一中进行初始捕获的方法对伺服驱动器9进行控制，使得移动地面站天线3的天线波束重新对准目标卫星；且重捕获过程完成且接收信号恢复后，转入步骤二重新进入跟踪阶段。同时，实际使用过程中，还需对是否存在由于外界的因素导致对移动地面站天线3的天线波束指向进行调整的跟踪误差信号值突然增大的情形，如果存在外界因素影响的情形，则应返回步骤202进行再次重复跟踪。

实际使用过程中，步骤一中所述的移动地面站天线3为抛物面天线或相控阵天线。本实施例中，所述移动地面站天线3为抛物面天线，通讯设备接收机5为卫星电视接收机，且对应的目标卫星为中星9号卫星，所述卫星电视接收机与卫星电视4相接。

本实施例中，步骤203中所生成的同时扰动随机向量Δ_k的维数n＝2，则所生成的同时扰动随机向量Δ_k＝(Δ_k1，Δ_k2)^T，且所生成的二维同时扰动随机向量Δ_k中的2个元素均相互独立且其为零均值向量，即E{Δ_ki}＝0，其中i＝1，2。并且，所述二维同时扰动随机向量Δ_k为概率为1/2的伯努利±1分布，即所述二维同时扰动随机向量Δ_k为两个元素分别为±1且两个元素的概率均为1/2的伯努利分布。实际应用过程中，还可以根据实际具体需要，对同时扰动随机向量Δ_k的维数n进行调整，并且还可以选用其它类型的同时扰动随机向量生成方法。

本实施例中，相应地步骤204中进行天线波束指向扰动驱动及接收信号强度同步测量时，主控计算机7按照所生成的同时扰动随机向量Δ_k分两侧次对移动地面站天线3天线波束的指向进行同时调整，两次调整的间隔时间长短与系统本身有很大的关系，抛物面天线采用机械驱动的方式时，时间间隔就会长一些；相控阵天线采用电子驱动的方式，时间间隔就很短。

本实施例中，步骤203中进行天线波束指向扰动驱动及接收信号强度同步测量时，通过对伺服驱动器9进行控制实现对移动地面站天线3的天线波束指向进行2次扰动驱动调整，对天线波束指向的扰动驱动调整量相应分别为+Δ_k·c_k和-Δ_k·c_k；进行调整时，主控计算机7根据计算出来的扰动驱动调整量+Δ_k·c_k和-Δ_k·c_k对移动地面站天线3的天线波束指向进行扰动驱动。天线波束指向扰动驱动过程中，通过信号强度检测单元6对第一次和第二次扰动驱动结束时移动地面站天线3传送至通讯设备接收机5的接收信号的强度E_k1和E_k2进行检测，并将检测结果同步存入存储单元内。而步骤205中进行梯度估计时，主控计算机7根据公式

对下一次跟踪过程中需对移动地面站天线3的天线波束进行调整的梯度值进行估计。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种动中通卫星通信系统天线波束跟踪装置，其特征在于：包括对移动地面站天线(3)所处移动载体的经纬度进行实时检测的地理位置检测单元、对所述移动载体的姿态信息进行实时检测的载体姿态检测单元、对移动地面站天线(3)传送至通讯设备接收机(5)的接收信号的强度进行实时检测的信号强度检测单元(6)、分别与所述地理位置检测单元、载体姿态检测单元和信号强度检测单元(6)相接的信号调理电路以及与所述信号调理电路相接且利用同时扰动随机逼近方法对移动地面站天线(3)的天线波束对准目标卫星的梯度进行估计并相应对伺服驱动器(9)进行控制的主控计算机(7)，所述伺服驱动器(9)对分别驱动移动地面站天线(3)的方位轴和俯仰轴的方位电机(10)和俯仰电机(11)进行驱动控制，所述主控计算机(7)与伺服驱动器(9)相接；所述载体姿态检测单元为陀螺仪(2)；所述信号调理电路为A/D转换电路(8)。

2.按照权利要求1所述的动中通卫星通信系统天线波束跟踪装置，其特征在于：所述地理位置检测单元为GPS定位系统(1)。

3.按照权利要求1或2所述的动中通卫星通信系统天线波束跟踪装置，其特征在于：所述信号强度检测单元(6)对与移动地面站天线(3)相接的高频头(12)与通讯设备接收机(5)之间的接收信号的强度进行实时检测。

4.一种利用如权利要求1所述的动中通卫星通信系统天线波束跟踪装置实现动中通卫星通信系统天线波束对准目标卫星的跟踪方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、初始捕获：通过主控计算机(7)对伺服驱动器(9)进行控制，使得移动地面站天线(3)的天线波束对准目标卫星，其捕获过程包括以下步骤：

101、信息实时检测与同步传送：所述地理位置检测单元、载体姿态检测单元和信号强度检测单元(6)分别对所述移动载体的经纬度、所述移动载体的姿态和移动地面站天线(3)传送至通讯设备接收机(5)的接收信号的强度进行实时检测，并将所检测信号同步传送至所述信号调理电路进行处理后，再同步上传至主控计算机(7)；

102、天线指向目标卫星的目标方位角和目标俯仰角计算：主控计算机(7)调用角度计算模块且根据公式

同步计算出移动地面站天线(3)的天线波束对准目标卫星的目标方位角Az和目标俯仰角El，并将所计算出来的目标方位角Az和目标俯仰角El同步存入存储单元内，并对存储单元所存储的目标方位角和目标俯仰角信息进行实时更新；式中，Δφ＝φ_S-φ_G，r为地球半径且r＝6378km，R为目标卫星距地球地心的高度且R＝42218km；其中，φ_S为目标卫星的星下点经度，φ_G和ψ_G分别为步骤101中所述地理位置检测单元所检测出的所述移动载体当前所处位置的经度和纬度；目标方位角Az和目标俯仰角El计算过程中，目标方位角Az以正北为零度且顺时针方向为正，目标俯仰角El以水平方向为零度且水平面上方为正；

103、搜索：主控计算机(7)根据计算出来的目标方位角Az和目标俯仰角El的角度且经内部处理运算后相应对伺服驱动器(9)进行控制，并通过伺服驱动器(9)对方位电机(10)和俯仰电机(11)进行驱动控制，以对移动地面站天线(3)的天线波束的指向进行调整且使得移动地面站天线(3)的天线波束在目标方位角Az和目标俯仰角El附近的空域进行搜索，且搜索过程中，主控计算机(7)调用差值比较模块实时对通讯设备接收机(5)的输出电压U_io进行差值比较，当输出电压U_io＞预设电压U₀时，说明此时移动地面站天线(3)的天线波束已对准目标卫星，则转入步骤二并进入跟踪阶段；

步骤二、跟踪：通过主控计算机(7)且采用基于同时扰动随机逼近的步进跟踪方法对目标卫星进行跟踪，跟踪过程中，当移动地面站天线(3)的天线波束对准目标卫星时天线波束的梯度为零，假设移动地面站天线(3)的天线波束向一侧偏离目标卫星时天线波束的梯度为正数，则移动地面站天线(3)的天线波束向相对的另一侧偏离目标卫星时天线波束的梯度为负数，且跟踪过程包括以下步骤：

201、初始参数设置、目标向量值自动生成及参数存储与更新：主控计算机(7)调用向量生成模块且根据此时步骤102中主控计算机(7)所计算出来的目标方位角Az和目标俯仰角E1，自动生成移动地面站天线(3)的天线波束目标指向角的向量值

并将生成的天线波束目标指向角的向量值同步存入存储单元内；同时，主控计算机(7)调用参数计算模块且分别根据公式a_k＝a/(A+k+1)^α和c_k＝c/(k+1)^γ对步长控制因子a_k和小幅扰动值c_k进行计算，并将计算结果同步存入存储单元内，式中，k为当前存储单元内所存储的跟踪步数且k的初始值取0，参数a、c、A、α和γ均预先进行设定；

其中，参数a和c影响了步长控制因子a_k和小幅扰动值c_k的大小，取值为正；A为算法稳定常数，也取为正值；α和γ一般取为0.602和0.101或者1和1/6；

202、同时扰动随机向量Δ_k生成：主控计算机(7)调用扰动向量生成模块且采用蒙特卡罗方法生成一个n维同时扰动随机向量Δ_k＝(Δ_kl，Δ_k2…Δ_kn)^T，所生成同时扰动随机向量Δ_k中的n个元素均相互独立且其为零均值向量，即E{Δ_ki}＝0，其中i＝1，2...n；

203、天线波束指向扰动驱动及接收信号强度同步测量：主控计算机(7)按照步骤202中所生成的同时扰动随机向量Δ_k和小幅扰动值c_k对移动地面站天线(3)天线波束的指向进行前后两次扰动驱动，且对天线波束指向进行两次扰动驱动的扰动调整量分别为+Δ_k·c_k和-Δ_k·c_k；天线波束指向扰动驱动过程中，主控计算机(7)根据计算出来的扰动调整量且通过对伺服驱动器(9)进行控制实现对移动地面站天线(3)的天线波束指向进行扰动驱动；同时，天线波束指向扰动驱动过程中，通过信号强度检测单元(6)对前后两次扰动驱动后移动地面站天线(3)传送至通讯设备接收机(5)的接收信号的强度和

进行检测，并将检测结果同步存入存储单元，式中

为当前存储单元内所存储的第k步跟踪时天线波束当前指向角的向量值；

204、梯度估计：主控计算机(7)根据公式 ${\hat{g}}_k\left({\widehat{\mathrm{\θ}}}_k\right)=\frac{E({\widehat{\mathrm{\θ}}}_k+c_k{\mathrm{\Δ}}_k)-E({\widehat{\mathrm{\θ}}}_k-c_k{\mathrm{\Δ}}_k)}{2c_k}{\left[{({\mathrm{\Δ}}_{k1},{\mathrm{\Δ}}_{k2}...{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{kn}})}^T\right]}^{-1},$ 对下一步跟踪过程中需对移动地面站天线(3)的天线波束进行调整的梯度值进行估计；

205、跟踪误差信号确定及天线波束指向调整：主控计算机(7)根据公式

且结合步骤201中获得的a_k和步骤204中所获得的

计算得出本步跟踪过程中移动地面站天线(3)的跟踪误差信号

式中和

分别为本步骤中对天线波束指向进行调整前后天线波束指向角的向量值；且主控计算机(7)相应根据计算出来的跟踪误差信号

且通过对伺服驱动器(9)进行控制实现对移动地面站天线(3)的天线波束指向进行调整，并使得调整后天线波束指向角的向量值

趋近于步骤201中所述的天线波束目标指向角的向量值

206、接收信号判断：待步骤205中对移动地面站天线(3)的天线波束指向调整完成后，主控计算机(7)根据此时信号强度检测单元(6)所检测信号判断移动地面站天线(3)上是否存在与目标卫星相对应的接收信号：当判断得出移动地面站天线(3)上存在接收信号时，则将k+1和分别转存为k和

后存入存储单元，对存储单元内的跟踪次数k和天线波束指向的向量值

进行实时更新，并返回步骤201进行下一步跟踪；反之，转入步骤三进行重捕获；

步骤三、重捕获：主控计算机(7)按照步骤一中进行初始捕获的方法对伺服驱动器(9)进行控制，使得移动地面站天线(3)的天线波束重新对准目标卫星；且重捕获过程完成且接收信号恢复后，转入步骤二重新进入跟踪阶段。

5.按照权利要求4所述的动中通卫星通信系统天线波束对准目标卫星的跟踪方法，其特征在于：步骤203中所生成的同时扰动随机向量Δ_k的维数n＝2，则所生成的同时扰动随机向量Δ_k＝(Δ_k1，Δ_k2)^T，且所生成的二维同时扰动随机向量Δ_k中的2个元素均相互独立且其为零均值向量，即E{Δ_ki}＝0，其中i＝1，2。

6.按照权利要求5所述的动中通卫星通信系统天线波束对准目标卫星的跟踪方法，其特征在于：所述二维同时扰动随机向量Δ_k为两个元素分别为±1且两个元素的概率均为1/2的伯努利分布。

7.按照权利要求4或5所述的动中通卫星通信系统天线波束对准目标卫星的跟踪方法，其特征在于：步骤一中所述的移动地面站天线(3)为抛物面天线或相控阵天线。

Images