CN105549625A - 一种动态对星控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种动态对星控制方法及装置，该方法包括：通过低精度惯导解算出天线的俯仰指向，获取天线的俯仰指向角，并将天线调整至天线指向角对应的位置；根据陀螺的空间角速率构建空间位置环，控制天线方位以及俯仰角，获取天线转动一圈的各个位置对应的信标值，并在各个位置对应的信标值中确定出最大信标值；以最大信标值对应的位置为中心，按照第一比例的干预步长转动天线，并获取每个位置对应的信标值的强弱，并选择出信号最强的信标值对应的指定位置；将天线调整至所述指定位置。以方位和俯仰陀螺为关键器件构建空间位置环，进行方位自由度上的闭环扫描，进行小范围的精确扫描，完成卫星的动态对准和跟踪功能。
Description
技术领域
本申请涉及卫星技术领域，尤其涉及一种动态对星控制方法及装置。
背景技术
动中通是一种以汽车、轮船或飞机为载体的卫星通信天线伺服系统，该系统能在载体运动过程中始终对准地球同步轨道卫星，保证卫星通信链路连续不间断，被广泛应用于公安、消防、抢险、救灾等应急通信领域。当前卫星通信需求旺盛、发展迅速，动中通在军用和民用领域都有极为广泛的发展前景。动中通系统的工作流程一般为首先将车辆静止在平稳无遮挡的路面，利用惯导信息结合卫星参数，将天线指向卫星，完成卫星链路的初始建立，然后开启稳定跟踪功能，载体便可以实现在运动中与卫星实时通信。
目前，动中通系统的对星方式主要分为静态对星和动态对星，对星方法如下：
静态对星：静态对星是动中通最常用的一种对星方式，主要是指车体静止不动时，利用惯导信息获得载体的三维姿态和经纬高信息，结合目标卫星的信息和天线相对于载体的姿态信息，使得天线初步指向卫星，然后再利用信标扫描或单脉冲跟踪的方式精准指向卫星，该方法相对简单，准确度较高，但只适用于静态对星。
动态对星：现有技术方法以高精度惯导为基础，成本约占动中通设备总成本的1/3，且模块体积较大，无法提高集成度现有技术方法受限于惯导带宽较小的特性，在恶劣的路况环境下使用时，由于振动频率高、振幅大，依然无法实现动态对星。本文提出的方法是建立在陀螺空间稳定位置环的基础上，采用信标惯性空间搜索的方法，对惯导的精度要求较低，成本约为高精度惯导的1/5，且该低精度惯导由于多采用MEMS传感器，体积小，重量轻，设备的集成度较高，且较大程度上提高了控制带宽，能够满足恶劣环境下使用。。
发明内容
本发明实施例提供了一种动态对星控制方法及装置，用以解决现有技术中动态对星方法成本较高，带宽受限，精确性受限的问题。
其具体的技术方案如下：
一种动态对星控制方法，所述方法包括：
获取天线指向角，并将天线调整至所述天线指向角对应的位置；
根据陀螺的空间角速率构建空间位置环，控制天线方位以及俯仰角，以使所述空间位置环输出为设定阈值；
获取天线转动一圈的各个位置对应的信标值，并在各个位置对应的信标值中确定出最大信标值；
以所述最大信标值对应的位置为中心，按照第一比例的干预步长转动所述天线，并获取每个位置对应的信标值的强弱，并选择出信号最强的信标值对应的指定位置；
将所述天线调整至所述指定位置。
可选的，在获取天线指向角，并将天线调整至所述天线指向角对应的位置之前，所述方法还包括：
通过低精度惯导模块获取车体三维姿态信息、车体GPS信息以及卫星GPS信息；
根据所述车体三维姿态信息、车体GPS信息以及卫星GPS信息，得到所述天线指向角，其中，所述天线指向角为天线的俯仰角。
可选的，根据陀螺的空间角速率构建空间位置环，控制天线方位以及俯仰角，包括：
采集陀螺的空间角速率，并对所述空间角速率进行卡曼儿滤波，得到滤波后的空间角速率；
对滤波的空间角速率在控制周期上积分，得到积分结果；
获取干预量，并叠加到所述积分结果上；
将叠加了干预量的积分结果进行比例积分微分PID控制，控制天线方位以及俯仰角，以使陀螺积分量等于0。
可选的，获取天线转动一圈的各个位置对应的信标值，并在各个位置对应的信标值中确定出最大信标值，包括：
根据控制周期以及天线转动的最大速度，计算得到干预步长；
按照所述干预步长等分360度方位，逐个方位的转动天线，获取各个方位对应位置的信标值，并在各个位置对应的信标值中确定出最大信标值。
可选的，以所述最大信标值对应的位置为中心，按照第一比例的干预步长转动所述天线，并获取每个位置对应的信标值的强弱，并选择出信号最强的信标值对应的指定位置，包括：
以所述最大信标值对应的位置为中心，按照第一比例的干预步长顺时针转动天线，并确定各个位置对应的信号强度；
以所述最大信标值对应的位置为中心，按照第一比例的干预步长逆时针转动天线，并确定各个位置对应的信号强度；
在获取到的所有信号强度中选择出最大信号强度，将所述最大信号强度对应的位置确定为所述指定位置。
一种动态对星控制装置，所述装置包括：
获取模块，用于获取天线指向角，并将天线调整至所述天线指向角对应的位置；
空间位置环模块，用于根据陀螺的空间角速率构建空间位置环，控制天线方位以及俯仰角，以使所述空间位置环输出为设定阈值；
采集模块，用于获取天线转动一圈的各个位置对应的信标值，并在各个位置对应的信标值中确定出最大信标值；
处理模块，用于以所述最大信标值对应的位置为中心，按照第一比例的干预步长转动所述天线，并获取每个位置对应的信标值的强弱，并选择出信号最强的信标值对应的指定位置；
调整模块，用于将所述天线调整至所述指定位置。
可选的，所述获取模块，还用于通过低精度惯导模块获取车体三维姿态信息、车体GPS信息以及卫星GPS信息；根据所述车体三维姿态信息、车体GPS信息以及卫星GPS信息，得到所述天线指向角，其中，所述天线指向角为天线的俯仰角。
可选的，所述空间位置环模块，具体用于采集陀螺的空间角速率，并对所述空间角速率进行卡曼儿滤波，得到滤波后的空间角速率；对滤波的空间角速率在控制周期上积分，得到积分结果；获取干预量，并叠加到所述积分结果上；将叠加了干预量的积分结果进行比例积分微分PID控制，控制天线方位以及俯仰角，以使陀螺积分量等于0。
可选的，所述采集模块，具体用于根据控制周期以及天线转动的最大速度，计算得到干预步长；按照所述干预步长等分360度方位，逐个方位的转动天线，获取各个方位对应位置的信标值，并在各个位置对应的信标值中确定出最大信标值。
可选的，所述处理模块，具体用于以所述最大信标值对应的位置为中心，按照第一比例的干预步长顺时针转动天线，并确定各个位置对应的信号强度；以所述最大信标值对应的位置为中心，按照第一比例的干预步长逆时针转动天线，并确定各个位置对应的信号强度；在获取到的所有信号强度中选择出最大信号强度，将所述最大信号强度对应的位置确定为所述指定位置。
本发明实施例所提供的方法具有如下优点：
1、本文方法采用了新的动态对星控制策略，通过低精度惯导解算出天线的俯仰指向，以方位和俯仰陀螺为关键器件构建了空间位置环，进行了方位自由度上的闭环扫描，完成天线的初步指向，然后进行了小范围的精确扫描，完成卫星的动态对准和跟踪功能。
2、相比于传统的动态对星控制方法，本文提出的方法建立在低精度惯导的基础上，较以高精度惯导进行数字引导的动态对星方法，成本降低约4/5。
3、相比于传统的动态对星控制方法，本文提出的方法以陀螺为关键器件，以空间位置环为核心理念，控制带宽可以到达1000Hz以上，即使在崎岖的山路上高速行驶时依然可以完成动态对星。
4、相比于传统的动态对星控制方法，本文提出的方法采用了方位360度扫描和小范围闭环精确扫描相结合的方式，较以高精度惯导进行数字引导来进行的动态对星方法精确度更高。
附图说明
图1为本发明实施例中一种动态对星控制方法的流程图；
图2为本发明实施例中控制位置环执行流程图；
图3为本发明实施例中极限值跟踪扫描示意图；
图4为本发明实施例中一种动态对星控制装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种动态对星控制方法，用以解决现有技术中动态对星方法成本较高，带宽受限，精确性受限的问题，该方法包括：获取天线指向角，并将天线调整至所述天线指向角对应的位置；根据陀螺的空间角速率构建空间位置环，控制天线方位以及俯仰角，以使所述空间位置环输出为设定阈值；获取天线转动一圈的各个位置对应的信标值，并在各个位置对应的信标值中确定出最大信标值；以所述最大信标值对应的位置为中心，按照第一比例的干预步长转动所述天线，并获取每个位置对应的信标值的强弱，并选择出信号最强的信标值对应的指定位置；将所述天线调整至所述指定位置。
通过本发明实施例所提供的方法，通过低精度惯导解算出天线的俯仰指向，以方位和俯仰陀螺为关键器件构建了空间位置环，进行了方位自由度上的闭环扫描，完成天线的初步指向，然后进行了小范围的精确扫描，完成卫星的动态对准和跟踪功能。
下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解，本发明实施例以及实施例中的具体技术特征只是对本发明技术方案的说明，而不是限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的具体技术特征可以相互组合。
如图1所示为本发明实施例中一种动态对星控制方法的流程图，该方法包括：
S101，获取天线指向角，并将天线调整至天线指向角对应的位置；
这里需要说明的，在执行S101之前，通过低精度惯导模块获取车体三维姿态信息、车体GPS信息以及卫星GPS信息；根据车体三维姿态信息、车体GPS信息以及卫星GPS信息，得到所述天线指向角，其中，天线指向角为天线的俯仰角。
也就是，读取低精度惯导模块测出的载体三维姿态信息和GPS信息，结合目标卫星的GPS信息，解算出天线指向卫星的俯仰角。
这里是初步调整天线，也就是调整天线的俯仰角。
S102，根据陀螺的空间角速率构建空间位置环，控制天线方位以及俯仰角；
具体来讲，利用方位和俯仰陀螺构建空间位置环，核心原理为：
如果天线在空间中指向不变，则陀螺在时间上的积分构成的位置环输出为0，因此如果在高频扰动下维持天线在空间中对卫星的精确指向，只需控制电机转动天线使得方位和俯仰构建的空间位置环输出为0即可。同理，通过人为施加干预于空间位置环的输入，便可以完成天线在空间位置上任意点得指向，该指向不随外部扰动变化，实现载体运动过程中的空间静止。空间位置环的控制结构如图2所示：
S201，采集陀螺的空间角速率，并对所述空间角速率进行卡曼儿滤波，得到滤波后的空间角速率；
S202，对滤波的空间角速率在控制周期上积分，得到积分结果；
S203，获取干预量，并叠加到所述积分结果上；
S204，将叠加了干预量的积分结果进行比例积分微分PID控制，控制天线方位以及俯仰角，以使陀螺积分量等于0。
通过上述的空间位置环，就完成了天线的初步定向。
S103，获取天线转动一圈的各个位置对应的信标值，并在各个位置对应的信标值中确定出最大信标值；
具体来讲，根据控制周期以及天线转动的最大速度，计算得到干预步长；按照所述干预步长等分360度方位，逐个方位的转动天线，获取各个方位对应位置的信标值，并在各个位置对应的信标值中确定出最大信标值。
利用构建的空间位置环，并在方位自由度上进行信标扫描，具体操作为根据控制周期和天线转动的最大速度核算出合适的干预步长θ，以θ为间距等分方位360度，并在每个等分点处采集对应的信标值，形成信标值与等分点的一一对应，然后比较采集信标值的大小，找出信标最大值处等分点的位置，并转动天线指向最大信标值处，此步骤完成了在载体扰动情况下的初步对星。
S104，以所述最大信标值对应的位置为中心，按照第一比例的干预步长转动所述天线，并获取每个位置对应的信标值的强弱，并选择出信号最强的信标值对应的指定位置；
具体来讲，以所述最大信标值对应的位置为中心，按照第一比例的干预步长顺时针转动天线，并确定各个位置对应的信号强度；
以所述最大信标值对应的位置为中心，按照第一比例的干预步长逆时针转动天线，并确定各个位置对应的信号强度；
在获取到的所有信号强度中选择出最大信号强度，将所述最大信号强度对应的位置确定为所述指定位置。
比如说，在完成初步对星的前提下，进行小范围的精确极值跟踪扫描，同样该极值扫描建立在空间位置环的基础上，任何一次试探的搜索都是空间中的相对运动。如图3所示，为极值跟踪扫描示意图。具体操作为在起始状态时，天线工作在图中的A点，下一步令天线做一次试探性的移动。令天线按顺时针方向移动一个步距θ/2到B点，此时比较A、B两点的信标信号的强弱，经过比较发现天线在B点的信号比A点小，说明天线第一步走错了，下一步让天线转变方向，按逆时针方向移动2个步距θ至C点。按照上述的判决规则，在经过天线的三步转动后可以运动至O点，天线此时已经准确对准卫星，但根据判决规则天线将继续运动至F点，并对O点和F点的信标进行比较，发现F点的信号比O点信号弱，天线将改变方向运动至O点，再运动至E点，以后天线将按O→F→O→E→O→F→O的规律反复进行，在该过程中认为E和F点的增益损失是控制在允许的范围之内的，因此认为天线已经对准了卫星，从而实现了天线对卫星的动态扫描和跟踪。
S105，将天线调整至所述指定位置。
这里需要说明是，上述的S101-S105为循环执行的过程，也就是天线会根据扫描结果实时的调整位置，这样可以保证天线对星的准确性。
本发明实施例所提供的方法具有如下优点：
1、本文方法采用了新的动态对星控制策略，通过低精度惯导解算出天线的俯仰指向，以方位和俯仰陀螺为关键器件构建了空间位置环，进行了方位自由度上的闭环扫描，完成天线的初步指向，然后进行了小范围的精确扫描，完成卫星的动态对准和跟踪功能。
2、相比于传统的动态对星控制方法，本文提出的方法建立在低精度惯导的基础上，较以高精度惯导进行数字引导的动态对星方法，成本降低约4/5。
3、相比于传统的动态对星控制方法，本文提出的方法以陀螺为关键器件，以空间位置环为核心理念，控制带宽可以到达1000Hz以上，即使在崎岖的山路上高速行驶时依然可以完成动态对星。
4、相比于传统的动态对星控制方法，本文提出的方法采用了方位360度扫描和小范围闭环精确扫描相结合的方式，较以高精度惯导进行数字引导来进行的动态对星方法精确度更高。
对应本发明实施例中一种动态对星控制方法，本发明实施例中还提供了一种动态对星的装置，如图4所示为本发明实施例中一种动态对星控制的装置，该装置包括：
获取模块401，用于获取天线指向角，并将天线调整至所述天线指向角对应的位置；
空间位置环模块402，用于根据陀螺的空间角速率构建空间位置环，控制天线方位以及俯仰角，以使所述空间位置环输出为设定阈值；
采集模块403，用于获取天线转动一圈的各个位置对应的信标值，并在各个位置对应的信标值中确定出最大信标值；
处理模块404，用于以所述最大信标值对应的位置为中心，按照第一比例的干预步长转动所述天线，并获取每个位置对应的信标值的强弱，并选择出信号最强的信标值对应的指定位置；
调整模块405，用于将所述天线调整至所述指定位置。
进一步，在本发明实施例中，所述获取模块401，还用于通过低精度惯导模块获取车体三维姿态信息、车体GPS信息以及卫星GPS信息；根据所述车体三维姿态信息、车体GPS信息以及卫星GPS信息，得到所述天线指向角，其中，所述天线指向角为天线的俯仰角。
进一步，在本发明实施例中，所述空间位置环模块402，具体用于采集陀螺的空间角速率，并对所述空间角速率进行卡曼儿滤波，得到滤波后的空间角速率；对滤波的空间角速率在控制周期上积分，得到积分结果；获取干预量，并叠加到所述积分结果上；将叠加了干预量的积分结果进行比例积分微分PID控制，控制天线方位以及俯仰角，以使陀螺积分量等于0。
进一步，在本发明实施例中，所述采集模块403，具体用于根据控制周期以及天线转动的最大速度，计算得到干预步长；按照所述干预步长等分360度方位，逐个方位的转动天线，获取各个方位对应位置的信标值，并在各个位置对应的信标值中确定出最大信标值。
进一步，在本发明实施例中，所述处理模块404，具体用于以所述最大信标值对应的位置为中心，按照第一比例的干预步长顺时针转动天线，并确定各个位置对应的信号强度；以所述最大信标值对应的位置为中心，按照第一比例的干预步长逆时针转动天线，并确定各个位置对应的信号强度；在获取到的所有信号强度中选择出最大信号强度，将所述最大信号强度对应的位置确定为所述指定位置。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种动态对星控制方法，其特征在于，所述方法包括：
获取天线指向角，并将天线调整至所述天线指向角对应的位置；
根据陀螺的空间角速率构建空间位置环，控制天线方位以及俯仰角，以使所述空间位置环输出为设定阈值；
获取天线转动一圈的各个位置对应的信标值，并在各个位置对应的信标值中确定出最大信标值；
以所述最大信标值对应的位置为中心，按照第一比例的干预步长转动所述天线，并获取每个位置对应的信标值的强弱，并选择出信号最强的信标值对应的指定位置；
将所述天线调整至所述指定位置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在获取天线指向角，并将天线调整至所述天线指向角对应的位置之前，所述方法还包括：
通过低精度惯导模块获取车体三维姿态信息、车体GPS信息以及卫星GPS信息；
根据所述车体三维姿态信息、车体GPS信息以及卫星GPS信息，得到所述天线指向角，其中，所述天线指向角为天线的俯仰角。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据陀螺的空间角速率构建空间位置环，控制天线方位以及俯仰角，包括：
采集陀螺的空间角速率，并对所述空间角速率进行卡曼儿滤波，得到滤波后的空间角速率；
对滤波的空间角速率在控制周期上积分，得到积分结果；
获取干预量，并叠加到所述积分结果上；
将叠加了干预量的积分结果进行比例积分微分PID控制，控制天线方位以及俯仰角，以使陀螺积分量等于0。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，获取天线转动一圈的各个位置对应的信标值，并在各个位置对应的信标值中确定出最大信标值，包括：
根据控制周期以及天线转动的最大速度，计算得到干预步长；
按照所述干预步长等分360度方位，逐个方位的转动天线，获取各个方位对应位置的信标值，并在各个位置对应的信标值中确定出最大信标值。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以所述最大信标值对应的位置为中心，按照第一比例的干预步长转动所述天线，并获取每个位置对应的信标值的强弱，并选择出信号最强的信标值对应的指定位置，包括：
以所述最大信标值对应的位置为中心，按照第一比例的干预步长顺时针转动天线，并确定各个位置对应的信号强度；
以所述最大信标值对应的位置为中心，按照第一比例的干预步长逆时针转动天线，并确定各个位置对应的信号强度；
在获取到的所有信号强度中选择出最大信号强度，将所述最大信号强度对应的位置确定为所述指定位置。
6.一种动态对星控制装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块，用于获取天线指向角，并将天线调整至所述天线指向角对应的位置；
空间位置环模块，用于根据陀螺的空间角速率构建空间位置环，控制天线方位以及俯仰角，以使所述空间位置环输出为设定阈值；
采集模块，用于获取天线转动一圈的各个位置对应的信标值，并在各个位置对应的信标值中确定出最大信标值；
处理模块，用于以所述最大信标值对应的位置为中心，按照第一比例的干预步长转动所述天线，并获取每个位置对应的信标值的强弱，并选择出信号最强的信标值对应的指定位置；
调整模块，用于将所述天线调整至所述指定位置。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述获取模块，还用于通过低精度惯导模块获取车体三维姿态信息、车体GPS信息以及卫星GPS信息；根据所述车体三维姿态信息、车体GPS信息以及卫星GPS信息，得到所述天线指向角，其中，所述天线指向角为天线的俯仰角。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述空间位置环模块，具体用于采集陀螺的空间角速率，并对所述空间角速率进行卡曼儿滤波，得到滤波后的空间角速率；对滤波的空间角速率在控制周期上积分，得到积分结果；获取干预量，并叠加到所述积分结果上；将叠加了干预量的积分结果进行比例积分微分PID控制，控制天线方位以及俯仰角，以使陀螺积分量等于0。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述采集模块，具体用于根据控制周期以及天线转动的最大速度，计算得到干预步长；按照所述干预步长等分360度方位，逐个方位的转动天线，获取各个方位对应位置的信标值，并在各个位置对应的信标值中确定出最大信标值。
10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述处理模块，具体用于以所述最大信标值对应的位置为中心，按照第一比例的干预步长顺时针转动天线，并确定各个位置对应的信号强度；以所述最大信标值对应的位置为中心，按照第一比例的干预步长逆时针转动天线，并确定各个位置对应的信号强度；在获取到的所有信号强度中选择出最大信号强度，将所述最大信号强度对应的位置确定为所述指定位置。
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