CN104538745B - 波束在天线座倾斜状态下精确指向目标的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种波束在天线座倾斜状态下精确指向目标的控制方法，包括在倾斜状态下实现初始化、搜索和跟踪过程。初始化过程包括系统自检、参数设置。搜索过程包括天线走理论位置、修正天线俯仰角度以及天线在此位置附近搜索目标信号。跟踪过程采用改进的螺旋式跟踪方法，即在地势不平坦或天线座被移动的情况下也可以控制天线波束精确指向目标的方法。现有技术仅能实现水平状态下的快速瞄准和跟踪目标，在实际应用过程中存在一定的局限性。本发明提出了一种可以在倾斜状态下进行波束精确指向的控制方法，这种方法对场地的要求大大降低且对目标的搜索更加精确。

Description

波束在天线座倾斜状态下精确指向目标的控制方法

技术领域

本发明涉及天线座在倾斜状态下波束指向目标的控制方法，属于通信技术领域。

背景技术

在天线通信系统中，天线波束是否可以快速精确的指向目标是一个非常重要的问题。天线波束指向的控制原理是通过信标接收机捕获目标的信标信号，然后读取与信标信号强度成正比的直流电压，根据此直流电压值驱动天线伺服控制系统，完成天线波束指向的控制。

采用天线通信大多是在平地上进行的，现有的天线波束指向控制技术也是基于平地上的天线控制，而结合实际应用，我们很容易会发现这里会存在一个问题：在需要紧急通信的情况下，若地势不平坦，还是按照平地上的波束指向控制方法进行自动跟踪，很难快速跟踪到目标信号，甚至跟踪不到目标信号或者出现误跟踪等情况。为了解决以上问题，需要在天线平地波束指向的控制方法中引入判断天线姿态的思想。通过判断天线的姿态，引入天线在向左倾斜状态下波束指向的控制方法和向右倾斜状态下波束指向的控制方法，从而达到快速有效控制的效果。

发明内容

技术问题：本发明针对上述现有的天线座波束指向控制方法的不足，提出了一种可以判断天线姿态，从而分别调用不同倾斜状态下的波束指向控制方法，对场地要求大大降低、方便天线系统的搭建和移动，提高了搜索效率，可以实现稳定的目标跟踪。

技术方案：现有的波束指向控制方法是基于平地状态下的控制方法，而这种方法在实际应用中会遇到问题，在地势不平坦情况下很难快速跟踪到目标甚至跟踪不到或出现误跟踪的情况。为了解决这一问题，本发明在平地波束指向的控制机制基础上引入判断天线姿态的思想，通过判断天线姿态，分情况进行波束指向的控制。若天线座在水平状态下，采用现有的螺旋式跟踪方法；若天线座在向左倾斜状态下，采用向左倾斜状态下的螺旋式跟踪方法，假如向右倾斜，采用向右倾斜状态下的螺旋式跟踪方法。这是本发明的第一个发明点。倾斜状态不会改变天线的方位和极化角，只会改变天线的俯仰角，本发明计算出了在倾斜状态下的俯仰角度，对天线的俯仰角度进行了修正，简化了天线波束指向的控制，这是本发明的第二个发明点。

本发明的波束在天线座倾斜状态下精确指向目标的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、系统进行初始化，检测倾斜仪、信标接收机、GPS、限位器和极化电位器的状态；

步骤二、天线座控制天线走到设定好的限位位置，并以此位置作为方位、俯仰运行角度的参考点；

步骤三、读取GPS数据获得天线座所在位置的经纬度信息，从数据库中获取波束指向目标的经纬度，读取倾斜仪数据获得天线座与水平面间的夹角，设置极化方式和信标频率；

步骤四、根据天线的经纬度和波束所指向目标的经纬度，计算天线对准目标的理论方位、俯仰和极化角度，转动天线至理论方位、俯仰和极化角度，根据读取的倾斜仪数据判断天线姿态，若天线座在水平状态下，直接进入步骤五；否则根据以下公式确定天线当前位置的实际俯仰角，并根据所述实际俯仰角与理论俯仰角的差值，转动天线至天线当前位置与水平面的夹角等于理论俯仰角后进入步骤五：

其中，为天线的实际俯仰角，α为倾斜仪感应轴与天线轴的夹角，γ为倾斜仪读出的横滚角，β为倾斜仪读出的俯仰角；

步骤五、进行目标信号的搜索：天线在理论位置的左右δ角度、上下ε角度范围内匀速转动，信标接收机不断采集目标信号电平，直至信标接收机采集到的信号电平大于设定的门限值时，说明已经搜索到目标，进入步骤六；

步骤六、通过倾斜仪获得天线姿态，若在水平姿态下，则直接进行现有的螺旋式跟踪，否则，采用以下改进的螺旋式跟踪方法进行跟踪：判断天线姿态，若天线座处于左倾斜状态，则采用左倾斜状态下的螺旋式跟踪方法，即按照左上右下的顺时针顺序进行跟踪，若处于右倾斜状态，则采用右倾斜状态下的螺旋式跟踪方法，即按照左下右上的逆时针顺序进行跟踪。

本发明方法的优选方案中，步骤五中δ的取值范围为：0≤δ≤30°，ε的取值范围为：0≤ε≤5°。

本发明方法的优选方案中，步骤五中的门限值根据以下公式确定：

Threshold＝AGCNoise+Thred*0.9，

其中，AGCNoise为采集的背景噪声最大值，所述背景噪声是天线偏离目标时采集某个频段的能量值，Thred为参数设置的门限。

本发明方法的优选方案中，步骤四中通过天线与水平面间的夹角可计算出实际俯仰角的具体方法为：根据倾斜仪读出的坐标数据，获得天线与水平面的夹角(两个方向，俯仰角和横滚角)，若天线座在倾斜状态下，不影响天线的方位和极化角度，而天线的俯仰角度相对于水平状态下有所改变。如图2所示，通过倾斜仪读出的数据获得天线实际俯仰角度的具体方法为：

d＝L×sinα

h＝d×sin(90°-γ)＝L×sinα×sin(90°-γ)

θ＝arcsin(sinα×cosγ)

其中α为倾斜仪感应轴与天线轴的夹角(固定值)，γ为倾斜仪读出的横滚角，θ为天线轴与倾斜仪所在平面的夹角，L为截取的天线轴的长度，h为该截取天线轴的终点到倾斜仪平面的距离，d为该截取天线轴的终点到倾斜仪感应轴的距离。

因此，实际的天线俯仰角度为天线轴与倾斜仪平面的夹角和倾斜仪的俯仰角度之和，即：

其中，为天线的俯仰角度，β为倾斜仪与水平面的俯仰角度。

本发明方法的优选方案中，步骤五中天线进行目标信号的搜索，具体方法为：天线座控制天线在理论方位左右一定范围内匀速搜索(一般为左右30°)，理论俯仰上下一定范围内匀速搜索(一般为上下5°)，左右方向搜索步长为0.2°，上下方向搜索步长为0.01°，且搜索步数逐渐加大。通常按照左上右下的顺时针顺序进行搜索，同时采集背景噪声，设置门限。门限由背景噪声和一个固定值相加组成(门限值一般为0.3V)。当接收机采集到的信号能量大于设定的门限值时，说明已经搜索到目标。

本发明方法的优选方案中，步骤六中在平地上采用现有的螺旋式跟踪，具体方法为：假设此时方位电机驱动天线左移，俯仰保持不变，方位电机每转动一步(可调大小，默认0.01°)，读取此时的信标接收机输出AGC电平值，并与上次AGC电平值相比较，如果本次信号电平值大于上一次，则驱动方位电机在相同方向上转动一步，如果本次信号电平值小于上一次信号电平值，则改变跟踪方向，跟踪方向的改变遵循一定的方向(一般为顺时针左上右下)，此时驱动俯仰电机转动一步(大小可调，默认0.01°)，方位和俯仰电机依次交替转动驱动天线进行跟踪，寻找AGC的最大值并跟踪此最大值。整个过程天线按螺旋方向转动，因此被称为螺旋跟踪；

本发明方法的优选方案中，步骤六中改进的螺旋式跟踪方法为：方位和俯仰电机依次交替进行转动，方位电机每转动一步0.01°，俯仰电机每转动一步0.01°。每次转动后记录当前AGC电平值并与上一次进行比较。若当前信号电平值大于上一次信号电平值，则驱动电机在相同方向上再走一步，否则，改变跟踪方向，即若天线座处于左倾斜状态下且方位电机驱动天线向左移动，由于此时天线在降低，下一步转动俯仰电机使天线向上移动一步，若方位电机驱动天线向右移动，由于此时天线在抬高，下一步转动俯仰电机使天线向下移动一步，因此左倾斜状态下，天线按照左上右下的顺时针顺序跟踪目标信号；若天线座处于右倾斜状态下且方位电机驱动天线向左移动，由于此时天线在抬高，下一步转动俯仰电机使天线向下移动一步，若方位电机驱动天线向右移动，由于此时天线在下降，下一步转动俯仰电机使天线向上移动一步，因此右倾斜状态下，天线按照左下右上的逆时针顺序跟踪目标信号。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、使用基于倾斜状态下波束指向的控制方法既可以实现天线座在水平状态下对目标的瞄准和跟踪，并且在倾斜状态下或者天线座被移动的情况下也可以实现快速精确的对准目标，对场地的要求大大降低，方便天线系统的搭建和移动。天线座在倾斜状态下通过左倾斜状态下的螺旋式跟踪和右倾斜状态下的螺旋式跟踪不断的进行天线姿态的修正。左倾斜状态下，跟踪方向的改变遵循顺时针方向，与水平状态下的改变方向相同；右倾斜状态下，跟踪方向的改变遵循逆时针方向，与水平状态下的改变方向相反，若此时采用现有的技术，跟踪方向仍以顺时针方向改变，将可能出现不能准确跟踪目标甚至误跟踪的情况。

2、本发明在天线座倾斜状态下对理论俯仰角进行了修正，现有技术中的理论角度是在水平状态下计算出来的，当天线座处于倾斜状态下，天线转过此角度后波束并不指向目标位置，修正后的波束指向更加接近目标方向，大大缩短了搜索目标信号所需的时间，提高了搜索效率。倾斜状态对波束指向目标的方位角度和极化角度没有影响，本发明只需将俯仰角度进行修正，转动天线，使天线轴与水平面的俯仰角等于理论俯仰角。

3、本发明提出的方法更加高效，可以实现稳定的目标跟踪。当天线座处于倾斜状态下，采用现有技术可能会出现不能一直跟踪目标或出现误跟踪等情况，当目标丢失后只能重新进行系统初始化，搜索和跟踪目标，系统不稳定，在紧急情况下可能会造成巨大损失。而采用改进的螺旋式跟踪后，可以实现对目标快速的的搜索和跟踪，使系统更加稳定。

附图说明

图1是波束在天线座倾斜状态下指向目标的跟踪流程图。

图2是倾斜仪与天线轴示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对发明的技术方案进行详细说明。

天线波束指向的控制原理是通过信标接收机捕获目标的信标信号，然后读取与信标信号强度成正比的直流电压，根据此直流电压值驱动天线伺服控制系统，完成天线波束指向的控制。

本发明采用判断天线姿态的思想，为了合理调用波束指向方法，需要在调用波束指向算法前判断天线的姿态。通过倾斜仪读出的数据判断天线当前姿态，若天线在平地上，调用现有的螺旋式跟踪，若天线在向左倾斜的状态下，调用向左倾斜状态下的螺旋式跟踪方法，若天线在向右倾斜的状态下，调用向右倾斜状态下的螺旋式跟踪方法。

现有的螺旋式跟踪方法为：假设此时方位电机驱动天线左移，俯仰保持不变，方位电机每转动一步(可调大小，默认0.01°)，读取此时的信标接收机输出AGC电平值，并与上次AGC电平值相比较，如果本次信号电平值大于上一次，则驱动方位电机在相同方向上转动一步，如果本次信号电平值小于上一次信号电平值，则改变跟踪方向，跟踪方向的改变遵循一定的方向(一般为顺时针左上右下)，此时驱动俯仰电机转动一步(大小可调，默认0.01°)，方位和俯仰电机依次交替转动驱动天线进行跟踪，寻找AGC的最大值并跟踪此最大值。整个过程天线按螺旋方向转动，因此被称为螺旋跟踪；

改进的螺旋式跟踪方法为：方位和俯仰电机依次交替进行转动，方位电机每转动一步0.01°，俯仰电机每转动一步0.01°。每次转动后记录当前AGC电平值并与上一次进行比较。若当前信号电平值大于上一次信号电平值，则驱动电机在相同方向上再走一步，否则，改变跟踪方向，即若天线座处于左倾斜状态下且方位电机驱动天线向左移动，由于此时天线在降低，下一步转动俯仰电机使天线向上移动一步，若方位电机驱动天线向右移动，由于此时天线在抬高，下一步转动俯仰电机使天线向下移动一步，因此左倾斜状态下，天线按照左上右下的顺时针顺序跟踪目标信号；若天线座处于右倾斜状态下且方位电机驱动天线向左移动，由于此时天线在抬高，下一步转动俯仰电机使天线向下移动一步，若方位电机驱动天线向右移动，由于此时天线在下降，下一步转动俯仰电机使天线向上移动一步，因此右倾斜状态下，天线按照左下右上的逆时针顺序跟踪目标信号。

本发明的天线在倾斜状态下的波束精确指向方法，包括以下步骤：

步骤一、系统进行初始化，检测倾斜仪、信标接收机、GPS、限位器和极化电位器的状态；

步骤二、天线座控制天线走到设定好的限位位置(让天线朝向正南)，即转动方位电机使天线走到方位限位(正中间)，转动俯仰电机使天线走到与天线座夹角45°位置，以此位置作为方位、俯仰运行角度的参考点；

步骤三、读取GPS数据获得天线座所在位置的经纬度信息，从数据库中获取波束指向目标的经纬度，读取倾斜仪数据获得天线座与水平面间的夹角，设置极化方式(水平或垂直)，设置信标频率(根据不同的目标进行设置)；

步骤四、根据天线的经纬度和波束所指向目标的经纬度，计算天线对准目标的理论方位、俯仰和极化角度，转动天线至理论方位、俯仰和极化角度(此转动角度是天线相对于天线座转动的角度)，根据读取的倾斜仪数据判断天线姿态，若天线座在水平状态下，直接进入步骤五；否则根据以下公式确定天线当前位置的实际俯仰角(此实际俯仰角是天线相对于水平面而言)，并根据所述实际俯仰角与理论俯仰角的差值，转动天线至天线当前位置与水平面的夹角等于理论俯仰角后进入步骤五：

其中，为天线的实际俯仰角，α为倾斜仪感应轴与天线轴的夹角(固定值)，γ为倾斜仪读出的横滚角，β为倾斜仪读出的俯仰角，如图2所示；

步骤五、进行目标信号的搜索：天线在理论位置左右δ、上下ε范围内匀速转动(δ的取值范围为：0≤δ≤30°，ε的取值范围为：0≤ε≤5°)，左右方向搜索步长为0.2°，上下方向搜索步长为0.01°，且搜索步数逐渐加大，通常按照左上右下的顺时针顺序进行搜索，信标接收机不断采集目标信号电平，直至接收机采集到的信号电平大于设定的门限值时，说明已经搜索到目标，进入步骤六，门限值根据以下公式确定：

Threshold＝AGCNoise+Thred*0.9，

其中，AGCNoise为采集的背景噪声最大值，所述背景噪声是天线偏离目标时采集某个频段的能量值，Thred为参数设置的门限，一般为0.3；

步骤六、通过倾斜仪获得天线姿态，若在水平姿态下，则直接进行现有的螺旋式跟踪，否则，采用以下改进的螺旋式跟踪方法进行：首先判断天线姿态，若天线座处于左倾斜状态，采用左倾斜状态下的螺旋式跟踪方法，按照左上右下的顺时针顺序进行跟踪，若天线座处于右倾斜状态，采用右倾斜状态下的螺旋式跟踪方法，按照左下右上的逆时针顺序进行跟踪。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种波束在天线座倾斜状态下精确指向目标的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、系统进行初始化，检测倾斜仪、信标接收机、GPS、限位器和极化电位器的状态；

步骤二、天线座控制天线走到设定好的限位位置，并以此位置作为方位、俯仰运行角度的参考点；

步骤三、读取GPS数据获得天线座所在位置的经纬度信息，从数据库中获取波束指向目标的经纬度，读取倾斜仪数据获得天线座与水平面间的夹角，设置极化方式和信标频率；

步骤四、根据天线的经纬度和波束所指向目标的经纬度，计算天线对准目标的理论方位、俯仰和极化角度，转动天线至理论方位、俯仰和极化角度，根据读取的倾斜仪数据判断天线姿态，若天线座在水平状态下，直接进入步骤五；否则根据以下公式确定天线当前位置的实际俯仰角，并根据所述实际俯仰角与理论俯仰角的差值，转动天线至天线当前位置与水平面的夹角等于理论俯仰角后进入步骤五：

其中，为天线的实际俯仰角，α为倾斜仪感应轴与天线轴的夹角，γ为倾斜仪读出的横滚角，β为倾斜仪读出的俯仰角；

步骤五、进行目标信号的搜索：天线在理论位置的左右δ角度、上下ε角度范围内匀速转动，信标接收机不断采集目标信号电平，直至信标接收机采集到的信号电平大于设定的门限值时，说明已经搜索到目标，进入步骤六；

步骤六、通过倾斜仪获得天线姿态，若在水平姿态下，则直接进行现有的螺旋式跟踪，否则，采用以下改进的螺旋式跟踪方法进行跟踪：判断天线姿态，若天线座处于左倾斜状态，则采用左倾斜状态下的螺旋式跟踪方法，即按照左上右下的顺时针顺序进行跟踪，若处于右倾斜状态，则采用右倾斜状态下的螺旋式跟踪方法，即按照左下右上的逆时针顺序进行跟踪。

2.根据权利要求1所述的波束在天线座倾斜状态下精确指向目标的控制方法，其特征在于，所述步骤五中δ的取值范围为：0≤δ≤30°，ε的取值范围为：0≤ε≤5°。

3.根据权利要求1或2所述的波束在天线座倾斜状态下精确指向目标的控制方法，其特征在于，所述步骤五中的门限值根据以下公式确定：

Threshold＝AGCNoise+Thred*0.9，

其中，AGCNoise为采集的背景噪声最大值，所述背景噪声是天线偏离目标时采集某个频段的能量值，Thred为参数设置的门限。