CN102539838A - 一种基于移动卫星天线角速度计的自动补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于移动卫星天线角速度计的自动补偿方法，其采用角速度计与天线面同步固定的方式，利用天线信号强度分布不均的现象，根据实际测量结果，建立误差角度-信号强度数学模型，结合圆锥扫描和公式替换，推导出误差角与天线信号强度直流分量及交流分量的关系，并采用历史数据判别的方法，进行角速度计零点常值漂移计算，最终完成角速度计零点漂移的全方位补偿。其方法实现了用天线信号强度变化来动态识别当前环境温度下角速度计零点的过程，并得到实验证明其，补偿过程准确、可靠、有效，特别适于在角速度计零点不能标定的场合使用。

Description

一种基于移动卫星天线角速度计的自动补偿方法

技术领域

本发明涉及一种移动卫星天线自动补偿方法，特别涉及一种基于角速度计的自动补偿方法，属于自动控制领域。

背景技术

移动卫星通信天线被广泛使用在车辆、船舶、飞机等移动载体上，其中，C波段和Ku波段卫星通信天线工作的基本要素为：通信天线与目标卫星保持相对指向一致。而角速度计则是卫星通信天线内部重要的姿态传感器，角速度计信号处理方法直接关系到移动卫星通信天线信号的质量和对外界干扰的抵抗能力。

目前，定位精度高、使用性能好的卫星通信天线都使用惯性导航模块，但高昂的价格限制了其在许多行业的应用，给推广和普及带来了严重影响。于是，价格相对较低的MEMS角速度计则开始在本领域使用，但往往以牺牲使用性能为代价。

这种MEMS角速度计性能较差的主要原因是角速度计的零点漂移问题。角速度计的零点就是当角速度计敏感轴静止时角速度计的输出，如果敏感轴发生角度运动则会在零点输出的基础上叠加一个新的输出，但是零点输出受周围环境温度的影响较大，会因温度的变化而变化，特别是移动卫星天线，随着载体的环境温度的变化，如果不对零点进行温度校正，角速度计即使在静止时也会产生输出，使主控器误认为角速度计有角速度输出，导致卫星通信天线的指向发生偏差，影响通信效果和质量。所以，在实际应用中，如果不知道当前温度环境的零点输出，角速度计是不能合理使用的。

现有确定零点输出的方法主要有三种：1，把载体静止，进行标定。2，预先在高低温箱里测出整个温度范围内的零点曲线，结合零点曲线来使用角速度计。3，利用倾角传感器进行纠正。这三种方法虽能解决一定的问题，但都带有致命缺陷，第一种方法不适于载体不能静止的环境，比如：船舶；第二种方法标定成本高，时间长，不适合大批量生产；第三种方法的精度取决于倾角传感器的精度和动态响应能力，增加了设备的复杂性，并且提高了成本。

基于移动载体环境，如何在不增加成本的基础上，改善角速度计的使用性能，避免环境温度对角速度计零点输出的影响，就成为本发明想要解决的问题。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足和实际使用中遇到的问题，本发明旨在提供一种利用天线输出信号的强度变化来动态识别当前温度环境下的角速度计零点，随时进行零点补偿，保证卫星通信天线指向的准确性和可靠性。

本发明是通过以下步骤来实现的：

1)将角速度计与移动卫星天线的天线面固定，保持角速度计方位敏感轴与移动卫星天线方位转轴平行，角速度计的俯仰敏感轴与移动卫星天线的俯仰转轴平行。

此过程保证了角速度计与移动卫星天线的同步性，避免角速度计受到其它外部结构的影响和限制，使角度探测过程更直接、有效。

2)利用移动卫星天线转台测量实际天线信号强度分布情况，建立误差角度-信号强度数学模型及拟合公式。

由于天线信号强度分布的不均匀性，通过实际测量调谐器输出的AGC信号来表示信号强度，故可以推算出移动卫星天线指向角度误差及信号强度间的拟合公式，建立误差角度与信号强度关系。

3)利用移动卫星天线指向误差角、方位转轴角度分量和俯仰转轴角度分量间的关系，以步骤2中得到的误差角度-信号强度数学模型和拟合公式为基础，结合在圆锥扫描运动中实际测量的天线信号强度直流分量和交流分量的幅值和相位，计算出误差角坐标，完成对天线指向误差的补偿。

其中，圆锥扫描技术是一种测量角位移的技术手段，适用于不能直接通过传感器检测角度误差的场合，其利用角速度计信号反馈使天线姿态保持稳定。圆锥扫描时，天线绕转轴做小范围扫描运动，馈源的运动轨迹为圆形，运动轨迹与天线中心的连线构成‘圆锥’，从而叫做圆锥扫描。圆锥扫描的目的是随时检测角位移情况，确定误差角，实现角位移定位补偿。

本步骤中，以圆锥扫描为手段，以信号强度为纽带，建立了天线指向误差角与信号强度间的对应关系，克服了除环境温度以外，噪音、制造精度等条件对角速度计零点的影响，从而修正了天线指向误差。

4)统计一定周期内误差角序列的历史记录，判断是否存在角速度计零点常值漂移，完成针对角速度计零点常值漂移的补偿。

天线指向误差角的产生多为计算误差、机械精度、角速度计精度、电源随机噪声等多种原因产生，所以当角速度计没有发生常值漂移时，误差角序列

(k＝1，2，3...n)在一定时期内均匀分布在坐标系的四个象限内。当角速度计受环境温度影响，在一个或者两个轴向上存在常值漂移，误差角序列的分布会明显趋向这个漂移方向。根据一定周期的

值序列历史记录，可以轻易判断出角速度计零点常值漂移情况，从而对角速度计的常值漂移进行补偿，保证了补偿过程的可靠性和准确性。

本发明所述的一种移动卫星天线角速度计自动补偿方法，以圆锥扫描理论为基础，利用天线信号强度分布不均的现象，采用实际测量方式建立误差角度-信号强度数学模型及相应拟合公式，结合圆锥扫描和公式推导，推导出误差角与天线信号强度直流分量及交流分量的关系，同时，采用历史数据判别的方法，进行角速度计零点常值漂移计算，最终完成角速度计零点漂移的全方位补偿。其方法，彻底克服了温度、噪音、加工精度和计算精度等对角速度计零点的影响，实现了用天线信号强度变化来动态识别当前环境温度下角速度计零点的过程，可随时完成每个轴向的角速度计零点校正，并通过实验证明了补偿方法准确、有效、可靠，不但适用于单向接收天线，也可用于双向通信天线，其方法特别适于在角速度计零点不能标定的场合使用。

附图说明

图1为本发明所述圆锥扫描过程的结构示意图；

图2为当环境温度升高时不使用本发明所述方法的天线接收信号强度的变化图；

图3为当环境温度降低时不使用本发明所述方法的天线接收信号强度的变化图；

图4为当环境温度升高时使用本发明所述方法的天线接收信号强度的变化图；

图5为当环境温度降低时使用本发明所述方法的天线接收信号强度的变化图。

具体实施方式

本发明的中心思想是利用天线输出的信号强度变化来动态识别当前温度环境下的零点，达到零点漂移的随时补偿，保证天线指向精度和通信质量。具体过程为：采用实验方法对信号强度数据分布情况进行采集，建立误差角度-信号强度数学模型，推导出圆锥扫描运动的信号强度公式，结合实际圆锥扫描数据得到天线指向的误差角，完成对角速度计零点随机噪声的校正，最后，再结合误差角序列的历史记录，对角速度计零点常值漂移进行判断补偿，进而实现角速度计零点的准确校正。

下面对本发明做进一步的详细描述：

本发明所述的一种移动卫星天线角速度计自动补偿方法，主要步骤包括：

步骤1)将角速度计与移动卫星天线的天线面固定，保持角速度计方位敏感轴与移动卫星天线方位转轴平行，角速度计的俯仰敏感轴与移动卫星天线的俯仰转轴平行。

步骤2)利用移动卫星天线转台测量实际天线信号强度分布情况，建立误差角度-信号强度数学模型，根据测试数据，得出仿真数据拟合公式：R(θ)＝-3.5θ²+2312.1，式子中，θ为误差角，R(θ)为信号强度。

拟合后的数据图形为一个中间高、两头低的抛物线，中间部分指向为移动卫星天线的中心。由于采用的是实际测量天线信号强度的方式，所以，根据公式可以直接得出某角度位置上天线信号强度。

步骤3)根据移动卫星天线的圆锥扫描原理，建立坐标系，O为卫星信号中心，e为移动卫星天线指向中心，使移动卫星天线馈源的运动轨迹呈圆形运动，如图1所示，虚线圆为移动卫星天线馈源的运动轨迹，空心点为馈源运动轨迹的中心，实点为卫星信号中心，即目标方向。天线指向误差角由极坐标系来表示，移动卫星天线指向中心的误差角坐标设为

r_e为馈源运动中心与卫星信号中心的距离，

为逆时针旋转的角度。X轴为方位运动方向，Y轴为俯仰运动方向。则，方位转轴和俯仰转轴的角度运动描述为：

$({\mathrm{\θ}}_1\≈\arcsin \frac{r_e}{r_0})$

其中，r₀为天线的焦距；θ_c为馈源运动的角度，为固定常数，约为0.05倍的波束宽度；w为圆锥扫描的旋转频率；t为时间。因圆锥扫描过程中，变量θ_x和θ_y非常小，故移动卫星天线指向误差角

${\mathrm{\θ}}_0\≈\sqrt{{\mathrm{\θ}}_x^2+{\mathrm{\θ}}_y^2},$

代入公式R(θ)＝-3.5θ²+2312.1中，移动卫星天线指向中心在

的接收信号功率为：

$R\left({\mathrm{\θ}}_0^2\right)=-3.5({\mathrm{\θ}}_x^2+{\mathrm{\θ}}_y^2)+2312.1$

化简后得：

扫描周期[0，2π]，采样n个信号功率值，表示为向量序列

即天线信号强度的直流分量和交流分量，

直流分量为：

交流分量为：

由于天线信号强度的直流分量和交流分量的数据可以在圆锥扫描运动中测得，故代入上述公式中，即可计算出误差角坐标

通过软件计算后完成天线指向误差的纠正。例如：

C₁为测量得到的直流分量的幅值，

得出：

${\mathrm{\θ}}_1=\sqrt{\frac{2312.1-C_1}{3.5}-{\mathrm{\θ}}_c^2}$ (θ₁为绝对角度，取值为正)

所以， $r_e\≈r_0\sin {\mathrm{\θ}}_1=r_0\sqrt{\frac{2312.1-C_1}{3.5}-{\mathrm{\θ}}_c^2}.$

C₂为测量得到的交流分量的幅值，其测量结果为：C₂≈7θ_cθ₁，当t＝0时，测量结果为C_t0，故可以求出

根据天线扫描采样的{R₁，R₂，R₃，...R_n}的变化情况，就可判断出

的正解。

这样，

就可根据测量的信号功率值求解出来。

上述三个步骤完成了通常情况下的角速度计零点随机噪声的补偿过程，但因为环境温度的影响，角速度计还会存在常值零点漂移，常值零点漂移构成了角速度计零点补偿过程的最大障碍，实验中证明，常值零点漂移通常会造成卫星跟踪失败，通信联系中断的严重后果。

步骤4)根据一定周期内误差角序列的历史记录，对角速度计零点的常值漂移进行判断补偿。

首先，根据单个扫描周期误差角

设定时间与误差角序列

(k＝1，2，3...n)窗口并存储；接着，设定门限ε，方位补偿比例系数K_x，俯仰补偿比例系数K_y；K_x和K_y与具体硬件结构有关系，通过实验可以得出。

当

对角速度计的方位敏感轴向进行零点常值补偿，补偿量为

当

对角速度计的方位俯仰轴向进行零点常值补偿，补偿量为

从而在两个轴向有效消除了常值零点偏移带来的移动卫星天线指向不准确的问题，全面克服了温度、噪音、产品精度以及计算精度等对角速度计带来的影响，大大提高了指向精度，保证了通信质量。

为进一步验证上述方法的可行性，特用同一套移动卫星天线做了使用该方法和不使用该方法的对比实验，为增加真实性，在数据采集过程中进行了升温和降温处理，以及外部随机性扰动，结果如图2、图3、图4、图5所示，A：温度；B：方位角速度计输出；C：俯仰角速度计输出：D：信号强度；E：方位零点补偿；F：俯仰零点补偿。因为天线不停的做圆锥扫描运动，所以B和C都有输出。从图中可以看出：不使用本方法的系统只要温度变化稍大，D输出就不稳定，也就是天线指向达不到通讯的要求；而使用本方法后，尽管温度大幅度变化，但D输出很稳定，随着温度的升高和下降，信号始终保持相对稳定，信号曲线没有发生较大变化。在降温段内，尽管信号有一段有点下降，也是因为附加扰动影响较大的结果，后期随着扰动的减弱，信号很快又恢复平稳。

Claims (5)

1.一种基于移动卫星天线角速度计的自动补偿方法，其特征在于，具体步骤包括：

(1)将角速度计与移动卫星天线的天线面固定，保持角速度计方位敏感轴与移动卫星天线方位转轴平行，角速度计的俯仰敏感轴与移动卫星天线的俯仰转轴平行；

(2)利用移动卫星天线转台测量实际天线信号强度分布情况，用数据拟合的手段建立误差角度-信号强度数学模型；

(3)利用移动卫星天线指向误差角、方位转轴角度分量和俯仰转轴角度分量间的关系，结合步骤(2)中误差角度-信号强度数学模型和拟合公式，以及实际测量的天线信号强度的直流分量和交流分量，计算出误差角坐标，完成对天线指向误差的补偿。

2.根据权利要求1所述的一种基于移动卫星天线角速度计的自动补偿方法，其特征在于，还包括：

(4)根据一定周期内误差角序列的历史记录，对角速度计零点的常值漂移进行判断、补偿。

3.根据权利要求1所述的一种基于移动卫星天线角速度计的自动补偿方法，其特征在于，所述步骤(2)中，仿真数据拟合公式为R(θ)＝-3.5θ²+2312.1.θ为误差角，R(θ)为信号强度。

4.根据权利要求3所述的一种基于移动卫星天线角速度计的自动补偿方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：

根据圆锥扫描原理，建立坐标系，O为卫星信号中心，e为移动卫星天线指向中心，移动卫星天线指向中心的误差角坐标设为

方位转轴和俯仰转轴的角度运动描述为：

$({\mathrm{\θ}}_1\≈\arcsin \frac{r_e}{r_0})$

其中，r₀为天线的焦距，为固定常数；θ_c为馈源运动的角度，为固定常数；w为圆锥扫描的旋转频率；t为时间；

设移动卫星天线指向误差角

代入公式R(θ)＝-3.5θ²+2312.1中，移动卫星天线指向中心在

的接收信号功率为：

$R\left({\mathrm{\θ}}_0^2\right)=-3.5({\mathrm{\θ}}_x^2+{\mathrm{\θ}}_y^2)+2312.1$

化简后得：

设扫描周期为[0，2π]，得到圆锥扫描运动的天线信号强度表示

直流分量为：

交流分量为：

将实际测量的直流分量和交流分量的幅值和相位代入上述公式，计算出误差角坐标

完成对天线指向误差的补偿。

5.根据权利要求2所述的一种基于移动卫星天线角速度计的自动补偿方法，其特征在于，具体包括：

(41)根据单个扫描周期的误差角

设定时间与误差角序列

(k＝1，2，3...n)窗口并存储；

(42)设门限ε，方位补偿比例系数K_x，俯仰补偿比例系数K_y，

当

时，对角速度计的方位敏感轴向进行零点常值补偿，补偿量为

当时，对角速度计的俯仰敏感轴向进行零点常值补偿，补偿量为

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