CN107632619A - 一种全自动卫星/天体光束指向方法、装置 - Google Patents

Abstract

一种全自动卫星/天体光束指向方法、装置，属于航天器应用与天文观测领域。对于传统找星的方法都要求操作者具备一定的卫星轨道知识和耐心的仪器操作技巧，对星过程耗费时间的等问题，本发明克服了现有天线指星方法和技术的不足，根据卫星通信终端使用者所在的位置和卫星轨道，利用卫星轨道运动和云台姿态控制原理，计算出天线理论指星的方向，自动控制强光光束指向空间的卫星，通信终端使用者只要根据这个方向摆动天线的主轴对准光束，就可以轻易地实现一次性天线对星。本方法最核心的一点是强光光束自动为使用者指明了方向，完全不用复杂的对星计算和指向调整操作，这些工作交由控制器自主完成，使不具备方向自动控制功能的便携或手持式卫星通信终端操作者能够在户外快速找到并精准指向卫星，也可以为天文爱好者提供一种方便快捷的天体指向手段。

Description

一种全自动卫星/天体光束指向方法、装置

技术领域

本发明属于航天器应用与天文观测领域，涉及一种全自动卫星或天体光束指向方法和装置，用于卫星终端天线指向控制或天文观测者观测天体的辅助指向.

背景技术

便携或手持式卫星通信终端的天线不具备方向自动控制功能，在使用前必须人工手动完成天线对星工作，通常它包含两个步骤：首先要找到正确的卫星，防止出现对错卫星的情况；其次要保证找到最佳的对星位置并将卫星天线对准卫星。卫星天线是否准确对星，直接影响到卫星通信终端的工作性能和实际通信效果。

传统找星的方法是使用辅助工具，如罗盘、机械角度测试仪，查找本地经、纬度和所用卫星的经度，计算出天线的方位、俯仰角，然后操作便携或手持式卫星通信终端的天线指向大致方向，再通过反复搜寻最大的卫星接收信号强度确定天线的最终指向。另外，现在也有在手机上或平板上安装寻星程序，通过调整手机或平板的方位和仰角，大致判断出卫星在空间的指向，精度较差。这些方法都要求操作者具备一定的卫星轨道知识和耐心的仪器操作技巧，而且对星过程耗费时间。

本发明的目的在于克服现有天线指星方法和技术的不足，提供一种简单实用的所见即所得全自动辅助天线对星装置，把复杂的计算和烦琐的控制工作留给机器干，使不具备方向自动控制功能的便携或手持式卫星通信终端操作者能够在户外快速找到并精准指向卫星，也可以为天文爱好者提供一种方便快捷的天体指向手段。

发明内容：

本发明设计的方法是根据卫星通信终端使用者所在的位置和卫星轨道，利用卫星轨道运动和云台姿态控制原理，计算出天线理论指星的方向，自动控制强光光束指向空间的卫星，通信终端使用者只要根据这个方向摆动天线的主轴对准光束，就可以轻易地实现一次性天线对星，本方法最核心的一点是强光光束自动为使用者指明了方向，完全不用复杂的对星计算和指向调整操作，这些工作交由控制器自主完成，即使对完全没有经验的卫星通信终端使用者来说，对星操作就是一个简单的方向对准控制，不需要知道身在何处、不需要知道地球北在哪里、也不需要其它先验知识。它与传统的对星方法的最大区别是完全可视化、傻瓜式操作。

全自动卫星或天体光束指向器主要由姿态测量部件、主控模块、GPS接收机、光束控制、云台和WiFi/蓝牙接口模块组成，如图1所示，其中姿态测量模块由三维电子罗盘、陀螺仪、测角计等组成，完成光束指向器云台的方位、俯仰角度和倾斜程度测量；WiFi/蓝牙接口为光束指向器平台提供对外接口，主要用于接收卫星的轨道根数；云台用于承载光束控制器，光束控制器安装在它的主轴上，它接收主控模块输出的姿态控制信息，控制主轴运动到指定方向；光束控制用于产生和关闭光束；GPS接收机完成光束指向器的位置信息计算和提供；主控模块是实现控制和计算的中心枢纽，完成角度测量和位置信息的采集、控制参数的计算、云台和光束的控制等。

本发明指向控制的流程如图2所示，首先需要确定指向的目标是卫星还者天体，一次只能选定一个目标。

如果指向目标是卫星，需要提供卫星的轨道根数：对于地球同步卫星，除非它的定点位置经常发生变化，否则只要提供一次即可，定点位置变化后再输入新的轨道根数即可；对于近地卫星，必须提供最新的卫星轨道根数，卫星的轨道根数既可以是经典的六根数，也可以是国际通用的二行根数；如果指向目标是天体，如月球、火星、木星等，不用专门输入，它们的根数已经保存在控制器中；

获得卫星或天体轨道根数后，利用高精度轨道预报程序进行轨道预报，计算今后一段时间内每个时间点卫星在空间的运动位置，并利用轨道动力学公式计算卫星或天体在给定坐标系下的X、Y、z位置；

指向器所带的GPS接收机搜索空间GPS卫星信号，当至少有4颗GPS卫星可见时，能够解算出指向器当前所在的位置信息，利用轨道动力学公式计算指向器在给定坐标系下的X、Y、z位置；

利用三维电子罗盘或者陀螺仪计算云台相对于水平面的倾斜角度值，并传递给主控模块；

主控模块根据卫星或者天体的位置信息、指向器的位置信息和云台相对于水平面的倾斜角度值，实时计算任意时刻云台在当前状态下跟踪卫星或者天体的主轴运动的方位、俯仰角度值，如果卫星或者天体可见，就将角度值输出给云台控制器，如果卫星或者天体可见，提示“目标不可见”信息并返回至跟踪计算环节；

云台控制器接收到主控模块提供的方位、俯仰角度值，控制主轴运动到指定位置；

云台主轴运动到指定位置后，光束控制器接通。光束指向空间目标(卫星或天体)；

云台主轴指准后，如果是地球同步卫星，光束的方向基本不会再变化，但如果是近地卫星或者天体，它们会快速移动，运行一段时间后，光束指向与主控模块的计算结果将出现偏差，当差值累积到一定量后，将控制云台主轴再次指向目标，确保整个过程目标指向在给定误差范围内，直到目标消失.

当指向器光束指向卫星或者天体后，便携或手持式卫星通信终端使用者或者天文观测者将天线或者望远镜沿着光柱的方向指向目标，可以迅速建立通信联络或者观测天体。

至此已经介绍了一种全自动卫星或天体光束指向方法和据此设计的装置，其核心思想是使用光束自动对目标指向，是一种完全不依赖于卫星信号、地面通信终端设备和天线指向的方法和独立仪器，它只通过卫星/天体的轨道、指星器精确位置和指星器姿态就直接计算出光束的指向，是一种开环控制装置，不用通过接收卫星信号的强度判断指向的精度。与传统的对星方法的最大区别是可视化、傻瓜式和所见即所得式操作，既可以作为卫星通信辅助指星设备也可以为天文观测者辅助指向工具。

附图说明：

图1全自动卫星或天体光束指向器系统组成。

图2全自动卫星或天体光束指向器控制流程。

具体实施方式：

方式一 引导户外卫星通信天线指向地球同步卫星

步骤1准备工作

卫星通信终端使用者登录美国北美防空司令部的网站，下载所有地球同步通信卫星的二行轨道根数，将其以文本文件类型保存到指向器中；只要卫星定点位置没有发生变化或者需要增加新的卫星，这个步骤只需要做一次，原则上以后不需要重复再做；

步骤2：指向器操作

在户外开阔、可以接收GPS信号的地方，将指向器放置到与卫星通信终端天线所在位置所处的同一平面，接通电源，选择要一个要进行通信的卫星(已知在上空可视)并确认；

步骤3：天线操作

当指向器发出光束后，使用者手动操作天线的主轴沿光束指向空间，在使用者移动到其它地点之前，光束的指向将一直保持不变，因此不用调整天线的指向；

步骤4：终端操作

完成天线指向操作后，天线已经指准卫星，使用者可以按照后续通信步骤操作，建立正常通信链路。

方式二 指向器户外跟踪近地卫星

步骤1准备工作

使用者我们的APP，下载所有近地卫星的二行轨道根数，将其以文本文件类型保存到指向器中；由于近地卫星轨道受各种外力的影响变化较大，轨道根数需要经常更新，因此这个步骤需要在指向器使用前3天内完成；

步骤2：指向器操作

在户外开阔、可以接收GPS信号的地方，将指向器放置平稳，接通电源，选择一个要进行指向的卫星并确认；

步骤3：观察指向器光束运动

指向器自动完成分析计算后，如果卫星在上空可视，将发出光束指向该卫星，由于卫星在空间的运动，指向器的光束将跟踪卫星一直变化，直到卫星在上空消失；如果卫星在上空不可视，将显示下一时刻卫星可见时间。

方式三 指向器指向观测天体

步骤1：指向器操作

在户外开阔、可以接收GPS信号的地方，将指向器放置平稳，接通电源，选择要一个要进行指向的天体(如月亮、太阳、金星或火星等)并确认；

步骤2：观察指向器光束运动

指向器自动完成分析计算，如果选择的天体在上空可视，将发出光束指向该天体，该光束将跟踪天体一直变化，直到天体在上空消失；如果天体在上空不可视，将显示下一时刻该天体可见时间。

Claims (1)

1.一种全自动的卫星通信指星方法和指星器装置设计，其特征在于：

1)采用光束方式，直接为卫星通信用户指明其天线主轴应该指向的方向，用户只需要操作天线按光束的方向指向，就可以完成指星任务；

2)采用光束方式，直接为天文观测者指明需要观测的天体方向，天文观测者只需要操作其观测仪器的主轴指向光束方向，就可以对准目标；

3)是一种完全不依赖于卫星信号、地面通信终端设备和天线的独立仪器；

4)它只通过卫星轨道、指星器精确位置和指星器姿态就可以直接计算出光束的指向；

5)是一种开环控制装置，不用通过接收卫星信号的强度判断指向的精度；

6)采用控制云台，确保指星器能够放置在各种角度和平面条件下工作，安装在其上的光束装置能够稳定指向设定目标；

7)采用三维电子罗盘，克服云台倾斜角的影响，计算出精确的云台指向角度。