CN103545612A - 一种用于动中通系统的卫星波束中心估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于动中通系统的卫星波束中心估计方法，该方法首先对采样得到的信标信号进行适当的滤波处理，通过简单的扫描运动使天线通过卫星波束中心位置，并在扫描过程中采集各点的扫描角度、角速率和信号强度数据，最后利用一阶统计矩准确地计算出扫描到的波束中心位置。本发明解决了现有技术中的动中通系统卫星波束中心扫描计算方法容易受噪声干扰、精度不高、控制过程复杂等问题。本发明的用于动中通系统的卫星波束中心估计方法在噪声干扰下对不同波束宽度的卫星信号都能准确地估计出波束中心位置，具有扫描运动控制简单，计算量小，精度高等优点。

Description

一种用于动中通系统的卫星波束中心估计方法

技术领域

本发明属于动中通系统的天线控制与信号处理领域，尤其涉及一种用于动中通系统的卫星波束中心估计方法。

背景技术

动中通是“移动中的卫星地面站通信系统”的简称。车辆、轮船和飞机等载体通过动中通系统在运动过程中保持天线指向实时跟踪卫星信号方向，不间断地传递语音、数据、图像等多媒体信息，可满足各种军民用应急通信和移动条件下的多媒体通信需要。动中通系统通常包括惯性稳定平台和信号扫描机构两大部分。惯性稳定平台通过陀螺、加速度计等惯性传感器构成的控制系统隔离载体运动，保持天线姿态稳定。信号扫描机构在天线指向偏离卫星波束中心导致卫星信号强度减弱时，控制天线对卫星信号进行扫描，重新确定并控制天线指向信号最大方向。

天线信标接收机输出的信标信号强度反映了当前接收到的卫星信号强度。当天线指向对准卫星波束中心时，信标机输出信号最强。在天线扫描过程中，以信标信号作为参考信号可以判断天线指向相对于卫星波束中心的变化。动中通系统在动态跟踪过程中，通过惯性稳定平台隔离载体姿态的变化，使天线指向始终保持在对准卫星的方向上。但是，由于惯性系统精度和陀螺漂移的影响，仪靠平台的稳定难以满足卫星通信对跟踪精度的要求，在此基础上还需监控卫星信号的变化，通过信号扫描获取跟踪误差，对天线指向进行相应的调整。

常用的信号扫描方式有矩形扫描、三角形扫描、圆锥形扫描等。矩形或三角形轨迹的扫描控制较为简单，圆锥形轨迹的扫描控制则比较复杂，它要求天线方位和俯仰角机械运动相配合，从而使天线极化轴顶点形成圆形轨迹。天线扫描过程中的进动一般分为搜索和调整两种，搜索阶段的每一步对信标电平信号进行取样和保存，经过若干次搜索和对扫描信号值的计算可确定卫早信号方向。根据搜索结果对天线角度进行相应调整，最终使其指向卫星信号最大方向。

在搜索过程中，现有的信号扫描估计方法通常是对各采样点的信号强度进行比较，根据比较结果逐步使天线指向信号最强点。由于信号噪声和信号本身某些特性的影响，这种方式容易出现误动作、不能准确寻找到卫星波束中心等问题。圆锥形扫描方法在计算过程中虽然也进行过一些滤波处理，能够从理论上解调出信号强度最大方向，但在实际中由于受信标信号质量、扫描频率和扫描控制准确度等因素影响，对卫星波束中心的计算精度也并不理想。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种用于动中通系统的卫星波束中心估计方法，能使动中通系统在噪声干扰下对不同波束宽度的卫星信号通过扫描计算都能准确地估计出波束中心位置，从而提高动中通系统的跟踪精度。

本发明的用于动中通系统的卫星波束中心估计方法，包括：

步骤1，当天线指向偏离卫星波束中心时，控制所述天线朝任一方向进行方位角扫描，并以固定的采样频率获取每一采样时刻t_i的信标信号u_i，然后对所述信标信号u_i根据公式

进行滤波处理，其中，扫描初始时刻t₀的信标信号记为u₀，且

α为滤波参数，

表示滤波后的信号；

步骤2，保持步骤1中的所述任一方向继续扫描直至

并记录扫描至

这一采样时刻的信标信号为U₀，且U₀=u_i，然后控制所述天线进行反方向扪描，其中所述ε为设定的信号阈值；

步骤3，保持步骤2中的所述反方向扫描直至

则天线已通过方位角波束中心位置，扫描结束;记录扫描至

这一采样时刻的信标信号u_i、方位角θ_i和扫描角速率ω_i，将满足条件u_i>U₀的信标信号记为u′_i，利用公式

计算信标信号关于扫描角度和角速率的一阶统计矩M，利用公式

计算相应的信号累加量N，利用公式θ_s=M/N计算方位角波束中心位置θ_s；

步骤4，根据步骤3中计算获得的方位角波束中心位置θ_s控制所述天线做姿态调整，使方位角对准方位角波束中心位置θ_s；

步骤5，根据步骤1至步骤4的方法控制所述天线进行俯仰角扫描，计算获得俯仰角波束中心位置θ_s’，使俯仰角对准俯仰角波束中心位置θ_s’：

步骤6，根据扫描估计获得的所述方位角波束中心位置θ_s和所述俯仰角波束中心位置θ_s’得到最终的卫星波束中心位置。

进一步的，所述步骤1中的滤波参数α的取值范围为0.02到0.05：

所述步骤3中的扫描角速率ω_i由方位陀螺或俯仰轴陀螺获得。

本发明的有益效果在于：

本发明所给出的用于动中通系统的卫星波束中心估计方法具有扫描运动控制简单，计算量小，精度高等优点。

本发明利用统计方法估计卫星波束中心位置，比基于信号强度比较和曲线拟合的方法具有更好的鲁棒性和适用性，在噪声干扰下具有更高的估计精度。本发明在统计过程中考虑了扫描角速率信息，避免了扫描角速率的变化对估计精度产生影响。

相比于传统的步进式扫描，本发明方法不容易出现误动作，在噪声干扰下具有良好的鲁棒性和更高的估计精度；与圆锥扫描相比，控制更为简单，估计精度也要更高。

附图说明

图1(a)为本发明的实施例一中扫描过程记录下的信标信号示意图；

图1(b)为本发明的实施例一中扫描估计得到的卫星方位角波束中心位置示意图；

图2(a)为本发明的实施例二中扫描过程记录下的信标信号示意图：

图2(b)为本发明的实施例二中扫描估计得到的卫星方位角波束中心位置示意图。

具体实施方式

现有动中通系统卫星波束中心扫描估计的精度容易受噪声影响，或对扫描控制的精度和速度要求较高。当卫星信号波束较宽，波束中心的信号强度没有明显强于周边信号时，现有方法也很难通过信号强度的比较准确地计算出波束中心位置。本发明首先对采样得到的信标信号进行适当的滤波处理，通过简单的扫描运动使天线通过卫星波束中心位置。扫描过程中采集各点的扫描角度、角速率和信号强度数据，最后利用一阶统计矩准确地估计出扫描到的波束中心位置。

本发明在天线方位和俯仰角上采用相同的方法进行扫描计算，可分别得出方位和俯仰角波束中心位置，利用动中通系统接收亚太五号Ku波段卫星信号。下而以对方位角波束中心扫描估计说明本实施方式的具体步骤：

步骤一、当天线指向偏离卫星波束中心时，控制天线朝某一方向开始进行方位角扫描运动。以固定的采样频率获取每一采样时刻t_i的信标信号u_i，扫描初始时刻t₀的信标信号记为u₀。对信标信号u_i进行如下的滤波处理：

${\hat{u}}_{i+1}=(1-\mathrm{\α}){\hat{u}}_i+\mathrm{\α}{u}_{i+1}.$

式中，

α为滤波参数，

表示滤波后的信号。

步骤二、保持当前方向继续扫描，直至

(ε为设定的信号阈值)，表明卫星信号强度有明显下降，控制天线进行反方向扫描。记录当前采样时刻的信标信号为U₀(U₀=u_i)。

步骤三、保持步骤二中的所述反方向扫描直至

表明天线已通过波束中心位置，扫描结束。在此过程中记录所有采样时刻的信标信号u_i、方位角θ_i和扫描角速率ω_i，将满足条件u_i>U₀的信标信号记为u′_i，按如下公式计算信标信号关于扫描角度和角速率的一阶统计矩M及对应的信号累加量N：

$M=\underset{u_i^{\′}>U_0}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\θ}}_i{\mathrm{\ω}}_i{u}_i^{\′},$

$N=\underset{u_i^{\′}>U_0}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_i{u}_i^{\′},$

由公式θ_s=M/N估计得到方位角上的波束中心位置θ_s。

步骤四、控制天线做姿态调整，使方位角对准波束叫心位置θ_s。

下面对该实施例中的其他技术细节问题作详细说明：

(1)步骤二所述的滤波处理的目的是为了得到更为平滑的滤波信号从而能够在扫描过程中对信标信号强度是否上升或下降做出更准确的判断。滤波参数α的合适取值范围为0.02到0.05。本实施例中α取为0.04。该滤波方法在平滑信标信号的同时，也会造成信标信号滞后。所以，在估计波束中心位置θ_s时不采用滤波信号

而是采用原信号u_i。

(2)计算一阶统计矩M和信号累加量N时需要考虑扫描角速率ω_i。由于采样时间间隔固定，计算公式中加入ω_i可以避免扫描角速率变化对波束中心估计精度产生影响，同时也使天线的扫描运动不需要保持恒定角速率，控制更为简单。本实施例中，扫描角速率由方位陀螺给出。

利用本发明方法按上述实施方式对卫星方位角波束中心进行扫描估计实验。图1(a)是.上述步骤三中的扫描过程记录下的信标信号曲线，其中0°角位置是利用频谱仪标定出的理想卫星方位角波束中心位置。从图中可以看出，上述扫描过程经过了卫星方位角波束中心位置，但是信标信号具有较强的噪声干扰，且在波束中心附近未出现明显的波峰，给波束中心位置的精确估计带来了很大的困难。图1(b)中粗曲线为滤波后的信号曲线。该信号曲线较为平滑，虽然比原信号略有滞后，但是利用它可以判断出当前信号强度是否具有明显的上升或下降趋势。图中虚线以上的信号为强度大于U₀的有效信号，利用这些信号结合扫描角度和角速率信息，最后计算得出方位角波束中心位置为θ_s=0.0047°(如图中竖直箭头所示)，可以看出本发明方法具有较高的扫描估计精度。

图2(a)为另一实验过程记录下的信标信号曲线。该信标信号在方位角波束中心附近出现了不稳定的跳变，但是并不影响本发明方法对方位角波束中心的扫描。如图2(b)所示，该扫描过程经过了方位角波束中心位置，并在信号强度出现明显下降后停止。图中竖直箭头标示出了扫描估计得到的方位角波束中心位置θ_s=-0.0190°。该实验表明本发明方法在强干扰作用下仍具有较高的精度。

上述实施例给出的是方位角波束中心的扫描估计方法，而本发明方法是需要对方位和俯仰角波束中心位置采用所述方法分别进行扫描估计的，这样才能得出完整的波束中心位置。采用所述方法对俯仰角波束中心位置扫描估计的具体步骤：

步骤一、当天线方位角对准波束中心位置θ_s时，控制天线朝某一方向开始进行俯仰角扫描运动。以固定的采样频率获取每一采样时刻t_i的信标信号u_i，扫描初始时刻t₀的信标信号记为u₀。对信标信号u_i进行如下的滤波处理：

${\hat{u}}_{i+1}=(1-\mathrm{\α}){\hat{u}}_i+\mathrm{\α}{u}_{i+1}.$

式中，

α为滤波参数，

表示滤波后的信号。

步骤二、保持当前方向继续扫描，直至

(ε为设定的信号阈值)，表明卫星信号强度有明显下降，控制天线进行反方向扫描。记录当前采样时刻的信标信号为U₀(U₀=u_i)。

步骤三、保持步骤二中的所述反方向扫描直至

表明天线已通过俯仰角波束中心位置，扫描结束。在此过程中记录所有采样时刻的信标信号u_i、俯仰角θ′_i和扫描角速率ω′_i，将满足条件u_i>U₀的信标信号记为u′_i，按如下公式计算信标信号关于扫描角度和角速率的一阶统计矩M及对应的信号累加量N：

$M=\underset{u_i^{\′}>U_0}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\θ}}_i{\mathrm{\ω}}_i{u}_i^{\′},$

$N=\underset{u_i^{\′}>U_0}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_i{u}_i^{\′},$

由公式θ′_s=M/N估讣得到俯仰角上的波束中心位置θ′_s。

步骤四、控制天线做姿态调整，使俯仰角对准波束中心位置θ′_s。

根据上述对方位角和俯仰角波束中心位置扫描的方法，进行扫描估计获得的所述方位角波束中心位置θ_s和所述俯仰角波束中心位置θ_s’来获得最终的卫星波束中心位置。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于动中通系统的卫星波束中心估计方法，其特征在于，包括：

步骤1，当天线指向偏离卫星波束中心时，控制所述天线朝任一方向进行方位角扫描，并以固定的采样频率获取每一采样时刻t_i的信标信号u_i，然后对所述信标信号u_i根据公式

进行滤波处理，其中，扫描初始时刻t₀的信标信号记为u₀，且

α为滤波参数，

表示滤波后的信号；

步骤2，保持步骤1中的所述任一方向继续扫描直至

并记录扫描至这一采样时刻的信标信号为U₀，且U₀=u_i，然后控制所述天线进行反方向扫描，其中所述ε为设定的信号阈值；

步骤3，保持步骤2中的所述反方向扫描直至

则天线已通过方位角波束中心位置，扫描结束；记录扫描至

这一采样时刻的信标信号u_i、方位角θ_i和扫描角速率ω_i，将满足条件u_i>U₀的信标信号记为u′_i，利用公式

计算信标信号关于扫描角度和角速率的一阶统计矩M，利用公式

计算相应的信号累加量N，利用公式θ_s=M/N计算方位角波束中心位置θ_s；

步骤4，根据步骤3中计算获得的方位角波束中心位置θ_s控制所述天线做姿态调整，使方位角对准方位角波束中心位置θ_s；

步骤5，根据步骤1至步骤4的方法控制所述天线进行俯仰角扫描，计算获得俯仰角波束中心位置θ_s’，使俯仰角对准俯仰角波束中心位置θ_s’；

步骤6，根据扫描估计获得的所述方位角波束中心位置θ_s和所述俯仰角波束中心位置θ_s’得到最终的卫星波束中心位置。

2.如权利要求1所述的用于动中通系统的卫星波束中心估计方法，其特征在于，所述步骤1中的滤波参数α的取值范围为0.02到0.05；

所述步骤3中的扫描角速率ω_i由方位陀螺或俯仰轴陀螺获得。

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