CN106374223B - 一种动中通卫星通信系统的圆锥扫描跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动中通卫星通信系统圆锥扫描跟踪方法，包括以下步骤：1)从GPS接收机读取当地经纬度信号，计算出天线波束对准时其在当地地理坐标系中的俯仰角和极化角，设载体当前处于水平位置，将天线按照计算出的俯仰角和极化角进行调整设定，然后对方位进行360度的搜索；2)经初始捕获后，对方位角正弦扫描；3)对俯仰角进行机械扫描；4)在卫星跟踪过程中，通过闭环跟踪算法求解出当前的波束指向与理想的波束指向之间的误差角，通过卫星跟踪来求解出惯性器件的误差，结合开环姿态估计算法实现对陀螺的误差校正，以提高测控系统的精度。本发明可以准确的使载体与目标卫星准确对准。

Description

一种动中通卫星通信系统的圆锥扫描跟踪方法

技术领域

本发明属于卫星通信系统天线波束控制技术领域，涉及一种动中通卫星通信系统的圆锥扫描跟踪方法。

背景技术

长期以来，人类有一个美好的梦想：任何人在任何时间、任何地点与任何人进行任何方式的通信。随着时代的发展，国际和国内的人们在处理各种重要事务中，急迫地需要在各种地形、偏僻遥远地区以及在汽车、火车、海洋及内河轮船、飞机上都能实时传递宽带、高频、大容量的语音、数据、图像等多媒体信息,以便更快、更准地捕获信息，把握瞬息万变的时局。在战争、森林灭火、抗洪救灾、抢险、反恐、治理暴乱、交通管理、安全等突发事件中,更是需要及时掌握现场各种图像等多媒体信息，以便做出正确决策。因而移动卫星高频宽带的多媒体通信系统必将会变得越来越重要。在移动载体上实现宽带多媒体通信在世界上都是专家们想解决的难题。在现代通信领域中，移动卫星通信系统(“动中通”)技术是其杰出代表之一，它具有固定通信系统无法比拟的机动性强、生存能力强、适应性强等优势，利用“动中通”可以在不改变任何所需要的通信体制情况下，与先进的通信设备组成天地合一的无缝通信网络，在军用和民用方面均可以发挥巨大作用，因而受到各国高度重视。

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，则必须靠跟踪系统使天线波束始终以一定的精度对准卫星。目前的跟踪方式有单脉冲方式、步进跟踪方式、圆锥扫描方式，从三种跟踪算法的工作原理来看，在本质上是相同的，皆是在取得多个AGC信号后比较并确定天线的转动方向和幅度，从而驱动电机转动。单脉冲跟踪精度高，速度快，但系统比较复杂，造价高，对信号检测系统的要求也比较高，一般适用于精度要求较高的地方；步进跟踪的速度和精度都界于两者之间，并且整个系统比较简单，实现起来比较容易，但是不满足动中通卫星通信系统的精度要求；圆锥扫描的精度可以满足动中通卫星通信系统的要求，结构容易实现，成本较低，是动中通卫星通信系统信号跟踪较好的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种动中通卫星通信系统的圆锥扫描跟踪方法，该方法准确实现天线对准卫星，成本较低。

为达到上述目的，本发明所述的动中通卫星通信系统的圆锥扫描跟踪方法包括以下步骤：

1)GPS接收机读取当地经纬度信号，计算天线波束对准卫星时天线在当地地理坐标系中的俯仰角及极化角，设天线载体当前处于水平状态，根据计算出来的天线在当地地理坐标系中的俯仰角及极化角对天线进行调整，然后天线对方位进行360度的搜索，当天线没有锁定卫星时，则调整天线的俯仰角，再对方位进行360度搜索，直至天线锁定卫星为止；

2)天线对方位角正弦扫描，在扫描过程中，调整天线扫描的方位及步距，检测天线接收到的信号的强度E，并对天线接收到的信号的强度E进行积分处理，并根据积分的结果ΔA_r调整天线的方向及步距；

3)伺服电机调整天线的指向，天线的波束形状为二次曲线形状，得所述二次曲线形状对应的波束接收的信号强度RSSI₁及RSSI₂，然后根据波束接收的信号强度RSSI₁及RSSI₂计算天线在俯仰方向上偏离卫星的角度Δβ；

4)在卫星跟踪过程中，通过闭环跟踪算法求解出当前的波束指向与理想的波束指向之间的误差角，再求解动中通卫星通信系统中惯性器件的误差，然后再根据当前的波束指向与理想的波束指向之间的误差角、以及动中通卫星通信系统中惯性器件的误差通过开环姿态估计算法对陀螺的误差进行校正，使天线对准卫星。

步骤2)中天线接收到的信号的强度E为：

其中，E_v为指向角速率扫描幅度，ω_a为天线的扫描角速率，n为均值为0的高斯白噪声，a、c为标定得到接收信号强度检测曲线参数，

a>0,c>0。

步骤2)中的积分结果ΔA_r为：

根据积分的结果ΔA_r调整天线的方向及步距Δα，其中，

波束接收的信号强度RSSI₁和RSSI₂分别为：

RSSI₁＝-a(d/2+Δβ)²+c+n

RSSI₂＝-a(d/2-Δβ)²+c+n。

天线在俯仰方向上偏离卫星的角度Δβ为：

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的动中通卫星通信系统的圆锥扫描跟踪方法在具体操作时，先使天线锁定卫星，再调整天线的方向及步距，然后再根据当前的波束指向与理想的波束指向之间的误差角、以及惯性器件的位差通过开环姿态估计算法对陀螺的误差进行校正，使天线对准卫星，需要说明的是，本发明采用开环姿态估计算法对陀螺的误差进行校正，避免陀螺偏移导致天线指向偏离卫星方向的问题，提高天线对准卫星的精度。

附图说明

图1为本发明中卫星初始捕获的示意图；

图2为本发明中方位扫描控制的示意图；

图3为本发明中俯仰扫描控制的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的动中通卫星通信系统的圆锥扫描跟踪方法包括以下步骤：

1)GPS接收机读取当地经纬度信号，计算天线波束对准卫星时天线在当地地理坐标系中的俯仰角及极化角，设天线载体当前处于水平状态，根据计算出来的天线在当地地理坐标系中的俯仰角及极化角对天线进行调整，然后天线对方位进行360度的搜索，当天线没有锁定卫星时，则调整天线的俯仰角，再对方位进行360度搜索，直至天线锁定卫星为止；

2)天线对方位角正弦扫描，在扫描过程中，调整天线扫描的方位及步距，检测天线接收到的信号的强度E，并对天线接收到的信号的强度E进行积分处理，并根据积分的结果ΔA_r调整天线的方向及步距；

具体的，在指向角度或指向角速率的命令上叠加一个小幅低频扫描信号，在扫描信号的正半周期，卫星检测信号符号不变，在扫描信号的负半周期，卫星检测信号的符号发生反转，卫星检测信号在一个积分周期内，便可以得到指向误差信号，误差信号一路直接进行指向角度校正，另一路进行误差存储，再经过微分器后校正指向角速率，E_thres为系统允许的最低信号强度，当检测信号强度低于E_thres时，所有误差清零，假设指向角速率扫描信号为：

指向角度扫描信号为：

其中,E_v为指向角速率扫描幅度，ω_a为天线的扫描角速率，假设天线的波束形状为二次曲线，二次曲线的曲线方程为

E＝-a·(Δθ)²+c+n

其中,E为接收的信号的强度，Δθ为方位误差角，n为均值为0的高斯白噪声，a、c为标定得到的接收信号强度检测曲线参数，a>0,c>0。

得天线接收到的信号的强度E为：

积分结果ΔA_r为：

由积分结果可以看出，积分结果ΔA_r是一个与偏差角有关的一次函数，积分结果ΔA_r为一个负值，则波束指向相对卫星偏右Δθ_r，调整的方向就应该向左，调整的步距为：

设天线板的俯仰角为β，则有

当指向位置相对卫星偏左Δθ_l，则调整方向就为右，调整的步距为：

3)伺服电机调整天线的指向，天线的波束形状为二次曲线形状，得所述二次曲线形状对应的波束接收的信号强度RSSI₁及RSSI₂，然后根据波束接收的信号强度RSSI₁及RSSI₂计算天线在俯仰方向上偏离卫星的角度Δβ；

具体的，先通过伺服电机调整指向角度控制天线指向，再通过卫星信号检测判断指向误差大小，误差信号为俯仰扫描电路命令提供参考，同时，存储的误差信号经过微分器后加到指向角速率中，以校正指向角速率误差，Δβ表示天线在俯仰方向上偏离目标卫星的角度，天线的波束形状为二次曲线，即E＝-a(Δθ)²+c+n，则束接收到的信号强度分别为：

RSSI₁＝-a(d/2+Δβ)²+c+n

RSSI₂＝-a(d/2-Δβ)²+c+n

将两信号强度相减：

RSSI₂-RSSI₁＝2adΔβ

则有

4)在卫星跟踪过程中，通过闭环跟踪算法求解出当前的波束指向与理想的波束指向之间的误差角，再求解动中通卫星通信系统中惯性器件的误差，然后再根据当前的波束指向与理想的波束指向之间的误差角、以及动中通卫星通信系统中惯性器件的误差通过开环姿态估计算法对陀螺的误差进行校正，使天线对准卫星。

具体的，天线在卫星跟踪过程中，通过闭环跟踪算法求解出天线当前的波束指向与理想的波束指向之间的误差角，天线当前的波束指向与理想的波束指向之间的误差角主要是由陀螺的漂移误差引起的，利用跟踪得到的误差信息来校正陀螺的误差，必须先减去地球自转的影响和车体平动的影响，假设闭环跟踪得到的误差Δθ_G

Δθ_G＝Δθ_Track-Δθ_earth-Δθ_vehicle

其中，Δθ_Track为闭环跟踪误差；Δθ_earth为地球自转的影响；Δθ_vehicle为车体运动速率造成的波束偏移角。

得到陀螺开环控制的波束调整角速率为：

设陀螺的漂移为ε，则陀螺漂移产生的控制角速率为：

通过坐标反变换得反变换的校正方程为：

其中，

及

为伺服电机转动角速率，ε_x、ε_y及ε_z为陀螺漂移，闭环跟踪可以得到两个误差角Δα、Δβ、以及由伺服电机得到俯仰角β，得误差角速率

及

其中，误差角速率

及

由Δα及Δβ微分器得到，β可以通过积分得到

然后再结合开环姿态估计算法实现对陀螺的误差校正，即可使天线精确对准卫星。

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 (3)

1.一种动中通卫星通信系统的圆锥扫描跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)GPS接收机读取当地经纬度信号，计算天线波束对准卫星时天线在当地地理坐标系中的俯仰角及极化角，设天线载体当前处于水平状态，根据计算出来的天线在当地地理坐标系中的俯仰角及极化角对天线进行调整，然后天线对方位进行360度的搜索，当天线没有锁定卫星时，则调整天线的俯仰角，再对方位进行360度搜索，直至天线锁定卫星为止；

2)天线对方位角正弦扫描，在扫描过程中，调整天线扫描的方位及步距，检测天线接收到的信号的强度E，并对天线接收到的信号的强度E进行积分处理，并根据积分的结果△A_r调整天线的方向及步距；

3)伺服电机调整天线的指向，天线的波束形状为二次曲线形状，得所述二次曲线形状对应的波束接收的信号强度RSSI₁及RSSI₂，然后根据波束接收的信号强度RSSI₁及RSSI₂计算天线在俯仰方向上偏离卫星的角度△β；

4)在卫星跟踪过程中，通过闭环跟踪算法求解出当前的波束指向与理想的波束指向之间的误差角，再求解动中通卫星通信系统中惯性器件的误差，然后再根据当前的波束指向与理想的波束指向之间的误差角、以及动中通卫星通信系统中惯性器件的误差通过开环姿态估计算法对陀螺的误差进行校正，使天线对准卫星；

步骤2)中天线接收到的信号的强度E为：

其中，△θ_r为天线波束指向相对卫星方向的偏差量，E_v为指向角速率扫描幅度，ω_a为天线的扫描角速率，n为均值为0的高斯白噪声，a、c为标定得到接收信号强度检测曲线参数，a>0,c>0。

2.根据权利要求1所述的动中通卫星通信系统的圆锥扫描跟踪方法，其特征在于，步骤2)中的积分结果△A_r为：

其中，E_a为扫描幅度，

3.根据权利要求2所述的动中通卫星通信系统的圆锥扫描跟踪方法，其特征在于，根据积分的结果△A_r调整天线的方向及步距△α，其中，

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