CN108426559B - 一种天线姿态检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器技术领域，提供了一种天线姿态检测装置及方法，该装置包括：数据采集模块和数据处理模块；所述数据采集模块可以固定连接在需要进行姿态检测的天线上，并与所述天线同步运动；所述数据采集模块，用于采集所述天线的抖动数据，并将所述抖动数据发送给所述数据处理模块；所述数据处理模块，用于对所述抖动数据进行处理，获得对应于所述天线姿态的姿态数据。本方案可以更加方便地对雷达天线的姿态进行检测。

Description

一种天线姿态检测装置及方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种天线姿态检测装置及方法。

背景技术

雷达是用来辐射和接收电磁波并决定其探测方向的设备，雷达上所设置的雷达天线具有将电磁波聚成波束的功能，以定向地发射和接收电磁波。在实际应用中，由于外部环境因素的作用，雷达天线在发射或接收电磁波的过程中会发生抖动，雷达天线抖动会对发射或接收电磁波的波形造成影响，最终导致雷达所形成雷达图像存在较大误差。为此，需要对雷达天线的姿态进行检测，根据雷达天线的抖动情况对雷达图像进行修正。

目前，一般通过激光跟踪仪对雷达天线的姿态进行检测。激光跟踪仪通过向固定在雷达天线上的反射器发射激光，根据激光的偏斜来确定雷达天线的抖动，因此激光跟踪仪与雷达天线分体布置，当雷达天线的位置移动时，需要重新对激光跟踪仪进行布置，不便于对雷达天线的姿态进行检测。

因此，针对以上不足，需要提供一种可以方便地对雷达天线的姿态进行检测的技术方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于每次雷达天线移动后都需要重新布置激光跟踪仪，不方便对雷达天线的姿态进行检测，针对现有技术中的缺陷，提供一种可以更加方便对雷达天线的姿态进行检测的技术方案。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种天线姿态检测装置，包括：数据采集模块和数据处理模块；

所述数据采集模块可以固定连接在需要进行姿态检测的天线上，并与所述天线同步运动；

所述数据采集模块，用于采集所述天线的抖动数据，并将所述抖动数据发送给所述数据处理模块；

所述数据处理模块，用于对所述抖动数据进行处理，获得对应于所述天线姿态的姿态数据。

可选地，

所述数据采集模块包括：加速度传感器、陀螺仪和数字运动处理器；

所述加速度传感器，用于实时采集所述天线在三维空间的加速度值，并将采集到的所述加速度值发送给所述数字运动处理器；

所述陀螺仪，用于实时采集所述天线在三维空间的角速度值，并将采集到的所述角速度值发送给所述数字运动处理器；

所述数字运动处理器，用于对所述加速度值和所述角速度值进行整合，并将整合后的所述加速度值和所述角速度值发送给所述数据处理模块；

所述数据处理模块，用于对所述角速度值进行积分处理获得所述天线在三维空间的角度数据，并根据所述加速度值对所述角度数据进行修正，将修正后的所述角度数据作为所述姿态数据。

可选地，

所述数据处理模块，在执行所述根据所述加速度值对所述角度数据进行修正时，具体用于执行：

对所述加速度值进行积分处理，分别获得相对于三维空间X轴、Y轴和Z轴的积分误差；

根据所述相对于三维空间X轴、Y轴和Z轴的积分误差，通过如下公式分别对相对于所述X轴、Y轴和Z轴的所述角度数据进行修正，获得相对应的第一修正角度数据，其中所述公式包括：

其中，所述g_x表征所述天线相对于所述X轴方向的角度，所述g_y表征所述天线相对于所述Y轴方向的角度，所述g_z表征所述天线相对于所述Z轴方向的角度，所述e_x表征相对于所述X轴方向的积分误差，所述e_y表征相对于所述Y轴方向的积分误差，所述e_z表征相对于所述Z轴方向的积分误差，所述g′_x表征相对于所述X轴方向的第一修正角度，所述g′_y表征相对于所述Y轴方向的第一修正角度，所述g′_z表征相对于所述Z轴方向的第一修正角度；

根据分别对应于所述X轴、Y轴和Z轴的所述第一修正角度数据，通过如下方程组计算四元数公式系数，其中所述方程组包括：

其中，所述q₀、q₁、q₂和q₃表征所述四元数公式的4个系数，所述halfT表征常数；

根据所述四元数公式的4个系数分别确定所述天线相对于所述X轴、Y轴和Z轴的第二修正角度，将确定出的所述第二修正角度作为所述姿态数据。

可选地，

所述数据采集模块进一步包括：温度传感器；

所述温度传感器，用于实时采集所述加速度传感器和所述陀螺仪所处环境的温度值，并将所述温度值发送给所述数字运动处理器；

所述数字运动处理器，用于对所述加速度值、所述角速度值和所述温度值进行整合，并将整合后的所述加速度值、所述角速度值和所述温度值发送给所述数据处理模块；

所述数据处理模块，进一步用于在对所述角速度值进行积分处理之前，针对每一个所述温度值，判断所述温度值是否超过预先设定的温度阈值，如果是，将接收到的与所述温度值对应同一数据采集时刻的所述加速度值和所述角速度值删除。

可选地，

该天线姿态检测装置进一步包括：供电模块和数据输出模块；

所述供电模块的电能输出端与所述数据处理模块相连接，所述数据处理模块与所述数据采集模块电连接；

所述数据输出模块与所述数据处理模块相连接；

所述供电模块，用于为所述数据处理模块供电，并通过所述数据处理模块为所述数据采集模块供电；

所述数据输出模块，用于将所述数据处理模块获得的所述姿态数据传输给外部的计算机。

可选地，

所述数据采集模块、所述数据处理模块、所述供电模块和所述数据输出模块被封装在同一芯片内，所述芯片上设置有用于为所述供电模块提供电能的电源接口和用于使所述数据输出模块外露的接口。

本发明还提供了利用上述任意一种天线姿态检测装置实现的天线姿态检测方法，包括：

将所述数据采集模块固定连接在需要进行姿态检测的天线上，使所述数据采集模块与所述天线同步运动；

利用所述数据采集模块采集所述天线的抖动数据；

利用所述数据处理模块，对所述抖动数据进行处理，获得对应于所述天线姿态的姿态数据。

可选地，当所述数据采集模块包括加速度传感器、陀螺仪和数字运动处理器时，

所述对所述抖动数据进行处理获得对应于所述天线姿态的姿态数据，包括：

利用所述加速度传感器实时采集所述天线在三维空间的加速度值；

利用所述陀螺仪实时采集所述天线在三维空间的角速度值；

利用所述数据处理模块，对所述角速度值进行积分处理获得所述天线在三维空间的角度数据，并根据所述加速度值对所述角度数据进行修正，将修正后的所述角度数据作为所述姿态数据。

可选地，

所述据所述加速度值对所述角度数据进行修正包括：

对所述加速度值进行积分处理，分别获得相对于三维空间X轴、Y轴和Z轴的积分误差；

根据所述相对于三维空间X轴、Y轴和Z轴的积分误差，通过如下公式分别对所述天线相对于所述X轴、Y轴和Z轴的所述角度数据进行修正，获得相对应的第一修正角度数据，其中所述公式包括：

其中，所述g_x表征所述天线相对于所述X轴方向的角度，所述g_y表征所述天线相对于所述Y轴方向的角度，所述g_z表征所述天线相对于所述Z轴方向的角度，所述e_x表征相对于所述X轴方向的积分误差，所述e_y表征相对于所述Y轴方向的积分误差，所述e_z表征相对于所述Z轴方向的积分误差，所述g′_x表征相对于所述X轴方向的第一修正角度，所述g′_y表征相对于所述Y轴方向的第一修正角度，所述g′_z表征相对于所述Z轴方向的第一修正角度；

根据所述天线分别相对于所述X轴、Y轴和Z轴的所述第一修正角度数据，通过如下方程组计算四元数公式系数，其中所述方程组包括：

其中，所述q₀、q₁、q₂和q₃表征所述四元数公式的4个系数，所述halfT表征常数；

根据所述四元数公式的4个系数分别确定所述天线相对于所述X轴、Y轴和Z轴的第二修正角度，将确定出的所述第二修正角度作为所述姿态数据。

可选地，当所述数据采集模块进一步包括温度传感器时，

在所述利用所述数据处理模块对所述角速度值进行积分处理获得所述天线在三维空间的角度数据之前，进一步包括：

利用所述温度传感器实时所述加速度传感器和所述陀螺仪所处环境的温度值；

利用所述数据处理模块，针对每一个所述温度值，判断所述温度值是否超过预先设定的温度阈值，如果是，将与所述温度值对应同一数据采集时刻的所述加速度值和所述角速度值删除。

实施本发明实施例提供的天线姿态检测装置及方法，至少具有如下有益效果：

1、数据采集模块可以固定在天线上随天线同步运动，以采集天线的抖动数据，数据采集模块将采集到的抖动数据发送给数据处理模块后，数据采集模块可以根据抖动数据获得反映天线姿态的姿态数据。由于数据采集模块可以固定连接在天线上，并可以随天线同步运动，当天线的位置发生移动后数据采集模块仍可以采集天线的抖动数据，无需根据天线的位置移动重新布置数据采集模块，因此当将数据采集模块固定连接在雷达天线上时，可以更加方便地对雷达天线的姿态进行检测。

2、数据采集模块直接固定连接在天线上，并可以与天线同步运动，不会出现由于外部物体遮挡而导致无法检测天线姿态的情况，从而能够在各种场景下对天线的姿态进行检测，具有较强的适用性。另外，天线姿态检测装置被封装为一个整体，当天线所处环境比较恶劣时，比如大风、雨雪天气等，仍可以完成对天线姿态进行检测，具有较强的环境适应能力。

3、通过对陀螺仪采集到的角速度值进行积分处理可以获得天线在各个时刻相对于三维空间X轴、Y轴和Z轴的角度数据，即天线的偏航角、俯仰角和翻滚角，但是积分处理过程会引入误差，而且随着积分的进行误差会不断增大，通过加速度传感器采集到的加速度值对积分获得的角度数据进行修正，可以减小角度数据的误差，使获得的姿态数据更加接近天线的真实姿态，提高对天线姿态进行检测的准确性。

4、根据陀螺仪采集到的角速度值获得天线相对于三个坐标轴方向的角度后，根据加速度传感器采集到的加速度值依次对天线相对于三个坐标轴方向的角度进行两次修正，将第二次修正获得的第二修正角度作为反映天线姿态的姿态数据，缩小姿态数据与天线真实姿态之间的差距，提高对天线姿态进行检测的准确性。

5、针对任一数据采集时刻，对该数据采集时刻所对应的3个第二修正角度，分别执行上述A1至A4后，可以分别对每一个第二修正角度进行第三次修正，获得相对应的第三修正角度，并对协方差矩阵进行更新以对后续数据采集时刻对应的第二修正角度进行修正，最终将获得的第三修正角度确定为天线的姿态数据，可以进一步提高所获得姿态数据的准确性。

6、由于加速度传感器和陀螺仪的工作精度受环境温度的影响，如果加速度传感器和陀螺仪所处环境温度过高，会导致加速度传感器和陀螺仪采集到的数据异常，为了避免异常加速度数据和异常角速度数据对天线姿态数据的计算造成影响，当加速度传感器和陀螺仪所处环境温度超过预先设定的温度阈值后，数据处理模块将加速度传感器和陀螺仪在此较高温度下采集到的加速度数据和角速度数据删除，不利用这些异常数据对天线姿态数据进行计算，从而可以进一步提高所获得天线姿态数据的准确性。

7、将天线姿态检测装置所包括的各个模块封装到同一芯片内，仅在该芯片上设置用于将外部电源与供电模块相连接的电源接口和用于将数据输出模块与计算机连接的接口，这样天线姿态检测装置作为一个整体设备，可以方便的固定在需要进行姿态检测的天线上，仅需要连接外部电源和计算机，并可以对天线的姿态进行检测，有助于提升用户的使用体验。

附图说明

图1是本发明实施例一所提供天线姿态检测装置的示意图；

图2是本发明实施例二所提供天线姿态检测装置的示意图；

图3是本发明实施例四所提供天线姿态检测装置的示意图；

图4是本发明实施例五所提供天线姿态检测装置的示意图；

图5是本发明实施例七所提供天线姿态检测方法的流程图；

图6是本发明实施例十一所提供天线姿态检测方法的流程图。

图中：10：数据采集模块；20：数据处理模块；30：供电模块；40：数据输出模块；101：加速度传感器；102：陀螺仪；103：数字运动处理器；104：温度传感器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的天线姿态检测装置，包括：数据采集模块10和数据处理模块20；

数据采集模块10可以固定连接在需要进行姿态检测的天线上，并可以与天线同步运动；

数据采集模块10用于采集天线的抖动数据，并将采集到的抖动数据发送给数据处理模块20；

数据处理模块20用于对接收到的抖动数据进行处理，获得对应于天线姿态的姿态数据。

本发明实施例提供的天线姿态检测装置，数据采集模块可以固定在天线上随天线同步运动，以采集天线的抖动数据，数据采集模块将采集到的抖动数据发送给数据处理模块后，数据采集模块可以根据抖动数据获得反映天线姿态的姿态数据。由于数据采集模块可以固定连接在天线上，并可以随天线同步运动，当天线的位置发生移动后数据采集模块仍可以采集天线的抖动数据，无需根据天线的位置移动重新布置数据采集模块，因此当将数据采集模块固定连接在雷达天线上时，可以更加方便地对雷达天线的姿态进行检测。

实施例二

在实施例一所提供天线姿态检测装置的基础上，如图2所示，数据采集模块10可以包括：加速度传感器101、陀螺仪102和数字运动处理器103；

加速度传感器101用于实时采集天线在三维空间的加速度值，并将采集到的加速度值发送给数字运动处理器103；

陀螺仪102用于实时采集天线在三维空间的角速度值，并将采集到的角速度值发送给数字运动处理器103；

数字运动处理器103用于对接收到的加速度值和角速度值进行整合，并将整合后的加速度值和角速度值发送给数据处理模块20；

相应地，数据处理模块20用于对接收到的角速度值进行积分处理，获得天线在三维空间的角度数据，并用于根据加速度值对获取到的角度数据进行修正，将修正后的角度数据作为天线的姿态数据。

数据采集模块包括的加速度传感器和陀螺仪设置在天线上，随天线同步运动，因此可以通过加速度传感器和陀螺仪采集天线的运动数据。通过对陀螺仪采集到的角速度值进行积分处理可以获得天线在各个时刻相对于三维空间X轴、Y轴和Z轴的角度数据，即天线的偏航角、俯仰角和翻滚角，但是积分处理过程会引入误差，而且随着积分的进行误差会不断增大，通过加速度传感器采集到的加速度值对积分获得的角度数据进行修正，可以减小角度数据的误差，使获得的姿态数据更加接近天线的真实姿态，提高对天线姿态进行检测的准确性。

需要说明的是，加速度传感器可以采用三轴加速度计，陀螺仪可以采用三轴陀螺仪，以能够检测出天线在三维空间的姿态变化，提升对天线姿态进行检测的全面性。另外，数字运动传感器可以通过ICC接口与数据处理模块相连接，以通过ICC接口将加速度值和角速度值发送给数据处理模块。

实施例三

在实施例二所提供天线姿态检测装置的基础上，数据处理模块在执行根据加速度值对角度数据进行修正时，具体可以通过如下步骤对积分获得的角度数据进行修改：

S1：对接收到的加速度值进行积分处理，分别获得相对于三维空间X轴的积分误差e_x、相对于三维空间Y轴的积分误差e_x和相对应三维空间Z轴的积分误差e_z；

S2：根据获得的积分误差e_x、积分误差e_x和积分误差e_z，通过如下公式分别对陀螺仪采集到的天线相对于X轴、Y轴和Z轴的角度g_x、g_y和g_z进行修正，获得相对应的第一修正角度g′_x、g′_y和g′_z；

其中，g_x表征陀螺仪采集到的天线相对于X轴方向的角度，g_y表征陀螺仪采集到的天线相对于Y轴方向的角度，g_z表征陀螺仪采集到的天线相对于Z轴方向的角度，g′_x表征相对于X轴方向的第一修正角度，g′_y表征相对于Y轴方向的第一修正角度，g′_z表征相对于Z轴方向的第一修正角度；

S3：根据获得的第一修正角度g′_x、g＇_y和g′_z，通过如下方程组计算四元数公式的4个系数；

其中，q₀、q₁、q₂和q₃表征四元数公式的4个系数，halfT表征常数；

S4：根据获取到的4四元数公式的4个系数，分别确定天线相对于X轴、Y轴和Z轴的第二修正角度；

S5：将确定出的第二修正角度作为天线的姿态数据。

加速度传感器和陀螺仪在采集加速度值和角速度值时，可以每10ms(毫秒)刷新一次数据，即每经过10ms即可获得一组加速度值和一组角速度值。针对陀螺仪采集到的各组角速度值，通过对角速度值进行积分，可以获得每一个数据采集时刻天线相对于三维空间中X轴、Y轴和Z轴的角度，即天线相对于预设三维坐标系的偏航角、俯仰角和翻滚角。针对加速度传感器采集到的各组加速度值，通过对加速度值进行处理可以获得每一个数据采集时刻的分别对应于三维空间中X轴、Y轴和Z轴的积分误差。

针对每一个数据采集时刻，将该数据采集时刻所对应的天线相对于三维空间中X轴、Y轴和Z轴的角度，以及该数据采集时刻所对应的三维空间中X轴、Y轴和Z轴的积分误差代入上述公式一，获得该数据采集时刻下天线相对于三维空间中X轴、Y轴和Z轴的第一修正角度，此过程为对天线相对于三维空间中X轴、Y轴和Z轴的角度进行的第一次修正。

针对每一个数据采集时刻，将该数据采集时刻下天线相对于三维空间中X轴、Y轴和Z轴的第一修正角度代入上述方程组中，可以计算出该数据采集时刻下四元数公式的4个系数，进而根据计算出的4个系数进行反三角函数运算，获得该数据采集时刻下天线相对于三维空间中X轴、Y轴和Z轴的第二修正角度，此过程为对天线相对于三维空间中X轴、Y轴和Z轴的角度进行的第二次修正。

通过对陀螺仪采集到的加速度值进行积分获得天线相对于三个坐标轴的角度，根据加速度差传感器采集到的加速度值对天线相对于三个坐标轴的角度进行第一次修正，获得天线相对于三个坐标轴的第一修正角度，进而根据天线相对于三个坐标轴的第一修正角度获得四元数公式的4个系数，根据4个系数计算出天线相对于三个坐标轴的第二修正角度，实现对角度数据的第二次修正。根据陀螺仪采集到的角速度值获得天线相对于三个坐标轴方向的角度后，根据加速度传感器采集到的加速度值依次对天线相对于三个坐标轴方向的角度进行两次修正，将第二次修正获得的第二修正角度作为反映天线姿态的姿态数据，缩小姿态数据与天线真实姿态之间的差距，提高对天线姿态进行检测的准确性。

需要说明的，数据处理模块在S4确定出天线相对于X轴、Y轴和Z轴的第二修正角度后，3个第二修正角度分别对应天线的偏航角、俯仰角和翻滚角，数据处理模块还可以通过卡尔曼滤波方法对第二修正角度进行进一步修正。针对3个第二修正角度中的每一个第二修正角度(偏航角、俯仰角或翻滚角)，数据处理模块的修正过程具体如下：

A1：建立过程方程g″_i＝g″_i-1+(a_i-Q_bias)*dt，其中，g″_i为当前数据采集时刻对应的第二修正角度，g″_i-1为上一数据采集时刻对应的第二修正角度，a_i为陀螺仪采集到的当前时刻对应的角速度值，dt为当前数据采集时刻与上一数据采集时刻之间的时间间隔，Q_bias为预设变量。根据上述过程方程可以得到如下矩阵方程：

A2：对上述矩阵方程中协方差矩阵进行预测；

A3：根据对协方差矩阵进行预测的结果，计算卡尔曼增益；

A4：根据卡尔曼增益对当前数据采集时刻对应的第二修正角度进行修正；

A5：对协方差矩阵进行更新。

针对任一数据采集时刻，对该数据采集时刻所对应的3个第二修正角度，分别执行上述A1至A4后，可以分别对每一个第二修正角度进行第三次修正，获得相对应的第三修正角度，并对协方差矩阵进行更新以对后续数据采集时刻对应的第二修正角度进行修正，最终将获得的第三修正角度确定为天线的姿态数据，可以进一步提高所获得姿态数据的准确性。

实施例四

在实施例二所提供天线姿态检测装置的基础上，如图3所示，数据采集模块10还可以包括温度传感器104；

温度传感器104用于实时采集天线所处环境的温度值，并将采集到的温度值发送给数字运动处理器103；

数字运动处理器103用于对加速度传感器101发送的加速度值、陀螺仪102发送的角速度值和温度传感器104发送的温度值进行整合，并将整合后的加速度值、角速度值和温度值发送给数据处理模块20；

相应地，数据处理模块20在对数据运动处理器103发送的角速度值进行积分处理之前，首先针对每一个温度值，判断该温度值是否超过预先设定的温度阈值，如果该温度值超过预先设定的温度阈值，则将接收到的与该温度值对应同一数据采集时刻的加速度值和角速度删除。

由于加速度传感器和陀螺仪的工作精度受环境温度的影响，如果加速度传感器和陀螺仪所处环境温度过高，会导致加速度传感器和陀螺仪采集到的数据异常，为了避免异常加速度数据和异常角速度数据对天线姿态数据的计算造成影响，当加速度传感器和陀螺仪所处环境温度超过预先设定的温度阈值后，数据处理模块将加速度传感器和陀螺仪在此较高温度下采集到的加速度数据和角速度数据删除，不利用这些异常数据对天线姿态数据进行计算，从而可以进一步提高所获得天线姿态数据的准确性。

实施例五

在实施例一至四中任一实施例所提供天线姿态检测装置的基础上，如图4所示，该天线姿态检测装置还可以包括：供电模块30和数据输出模块40；

供电模块30的电能输出端与数据处理模块20相连接，数据处理模块20与数据采集模块10电连接；

数据输出模块40与数据处理模块20相连接；

供电模块30用于为数据处理模块20供电，并通过数据处理模块20为数据采集模块10供电；

数据输出模块40用于将数据处理模块20获得的姿态数据传输给外部的计算机。

数据采集模块采集天线抖动数据的过程，以及数据输出模块根据抖动数据获得天线姿态数据的过程，均需要消耗电能，为此需要通过供电模块为数据采集模块和数据处理模块进行供电，由于数据采集模块包括的加速度传感器和陀螺仪均为低功耗元件，因此供电模块无需与数据采集模块直接相连，供电模块通过数据处理模块为数据采集模块供电，这样有助于天线姿态检测装置所包括各个模块的布置，缩小整个天线姿态检测装置的体积，以保证天线姿态检测装置与天线具有相同的运动趋势，从而保证所获得姿态数据能够反映天线的真实姿态。

天线的抖动会对雷达图像造成影响，数据处理模块通过数据输出模块将天线的姿态数据发送给外部的计算机后，计算机可以根据天线的姿态数据对雷达图像进行修正，从而提高雷达图像的精度。通过设置数据输出模块，可以方便地将数据处理模块获取到的姿态数据传输给计算机，具体地，数据输出模块可以为USB转串口模块，当数据处理模块上传数据引脚接口被定义为串口时，可以方便地通过数据输出模块将天线的姿态数据发送给用户的计算机。

实施例六

在实施例五所提供天线姿态检测装置的基础上，数据采集模块、数据处理模块、供电模块和数据输出模块可以被封装在同一芯片内，在该芯片上设置有用于为供电模块提供电能的电源接口，以及用于使数据输出模块外露的接口。

将天线姿态检测装置所包括的各个模块封装到同一芯片内，仅在该芯片上设置用于将外部电源与供电模块相连接的电源接口和用于将数据输出模块与计算机连接的接口，这样天线姿态检测装置作为一个整体设备，可以方便的固定在需要进行姿态检测的天线上，仅需要连接外部电源和计算机，并可以对天线的姿态进行检测，有助于提升用户的使用体验。

需要说明的是，在将该天线姿态检测装置固定连接在需要进行姿态检测的天线上时，可以将该天线姿态检测装置固定连接在天线的底座上，以避免对天线正常接收和发送电磁波造成影响。

实施例七

如图5所示，基于上述实施例一至七中任一实施例提供的天线姿态检测装置，本发明实施例提供了一种天线姿态检测方法，该方法可以包括以下步骤：

步骤501：将数据采集模块固定连接在需要进行姿态检测的天线上，使数据采集模块与天线同步运动；

步骤502：利用数据采集模块采集天线的抖动数据；

步骤503：利用数据处理模块，对抖动数据进行处理，获得对应于天线姿态的姿态数据。

本发明实施例提供的天线姿态检测方法，将数据采集模块固定连接在需要进行姿态检测的天线上，使数据采集模块可以随天线同步运动后，利用数据采集模块采集天线的抖动数据，进而利用数据处理模块对抖动数据进行处理获得可以反映天线姿态的姿态数据。由于数据采集模块固定连接在天线上，当天线的位置运动时数据采集模块随天线一起运动，无需对数据采集模块进行重新布置，因此在将数据采集模块固定到雷达天线上时，可以更加方便地对雷达天线的姿态进行检测。

实施例八

当天线姿态检测装置如图2所示，数据采集模块包括加速度传感器、陀螺仪和数字运动传感器时，实施例七中步骤503通过对抖动数据进行处理获得姿态数据的过程，具体可以通过如下步骤实现：

利用加速度传感器实时采集天线在三维空间的加速度值；

利用陀螺仪实时采集天线在三维空间的角速度值；

利用数据处理模块对角速度值进行积分处理获得天线在三维空间的角度数据，并根据加速度值对角度数据进行修正，将修正后的角度数据作为天线的姿态数据。

陀螺仪采集到的为天线的角速度值，通过对角速度值进行积分可以获得天线相对于三维坐标系各个坐标轴的偏转角度，但是在积分过程中会代入误差，而且随着积分过程的进行误差会越来越大，为了保证最终所获得姿态数据的准确性，通过加速度传感器采集到的加速度值对积分获得的偏转角度进行修正，减小积分过程引入的误差，保证检测出的姿态数据可以更加真实的反映天线的姿态。

实施例九

在实施例八中根据加速度值对角度数据进行修正的过程，具体可以通过如下步骤实现：

对加速度值进行积分处理，分别获得相对于三维空间X轴、Y轴和Z轴的积分误差；

根据获取到的积分误差，通过如下公式分别对天线相对于X轴、Y轴和Z轴的角度数据进行修正，获得相对应的第一修正角度，其中公式为：

其中，g_x表征天线相对于X轴方向的角度，g_y表征天线相对于Y轴方向的角度，g_z表征天线相对于Z轴方向的角度，e_x表征相对于X轴方向的积分误差，e_y表征相对于Y轴方向的积分误差，e_z表征相对于Z轴方向的积分误差，g′_x表征相对于X轴方向的第一修正角度，g′_y表征相对于Y轴方向的第一修正角度，g′_z表征相对于Z轴方向的第一修正角度；

根据天线分别相对于X轴、Y轴和Z轴的第一修正角度数据，通过如下方程组计算四元数公式系数，其中方程组为：

其中，q₀、q₁、q₂和q₃表征四元数公式的4个系数，halfT表征常数；

根据四元数公式的4个系数分别确定天线相对于Z轴、Y轴和Z的第二修正角度，将确定出的第二修正角度作为天线的姿态数据。

需要说明的是，针对加速度传感器和陀螺仪进行数据采集的每一个数据采集周期，在确定出天线相对于X轴、Y轴和Z轴的第二修正角度后，3个第二修正角度分别对应天线的偏航角、俯仰角和翻滚角，之后还可以通过卡尔曼滤波方法对第二修正角度进行进一步修正。针对3个第二修正角度中的每一个第二修正角度(偏航角、俯仰角或翻滚角)，数据处理模块的修正过程具体如下：

建立过程方程g″_i＝g″_i-1+(a_i-Q_bias)*dt，其中，g″_i为当前数据采集时刻对应的第二修正角度，g″_i-1为上一数据采集时刻对应的第二修正角度，a_i为陀螺仪采集到的当前时刻对应的角速度值，dt为当前数据采集时刻与上一数据采集时刻之间的时间间隔，Q_bias为预设变量。根据上述过程方程可以得到如下矩阵方程：

对上述矩阵方程中协方差矩阵进行预测；

根据对协方差矩阵进行预测的结果，计算卡尔曼增益；

根据卡尔曼增益对当前数据采集时刻对应的第二修正角度进行修正；

对协方差矩阵进行更新。

针对任一数据采集时刻，对该数据采集时刻所对应的3个第二修正角度，依次执行上述各个步骤后，可以分别对每一个第二修正角度进行第三次修正，获得相对应的第三修正角度，并对协方差矩阵进行更新以对后续数据采集时刻对应的第二修正角度进行修正，最终将获得的第三修正角度确定为天线的姿态数据，可以进一步提高所获得姿态数据的准确性。

实施例十

当数据采集模块包括如图3所示的温度传感器时，在实施例八中对角速度值进行积分处理获得天线在三维空间的角度数据之间，可以进一步根据温度传感器采集到的温度值，对加速度传感器采集到的加速度值和陀螺仪采集到的角速度值进行筛序，具体过程如下：

利用温度传感器实时加速度传感器和陀螺仪所处环境的温度值；

利用数据处理模块，针对每一个温度值，判断温度值是否超过预先设定的温度阈值，如果是，将该与温度值对应同一数据采集时刻的加速度值和角速度值删除。

需要说明的是，上述实施例七至十所提供的天线姿态检测方法包括的各个步骤，与上述实施例一至六基于同一构思，具体内容可参见上述实施例一至六中的叙述，在此不再赘述。

实施例十一

下面以对雷达天线进行姿态检测为例，结合图3所示的天线姿态检测装置，对本发明实施例所提供的天线姿态检测方法作进一步详细说明，如图6所示，该方法可以包括以下步骤：

步骤601：将天线姿态检测装置固定连接在雷达天线上。

在本发明实施例中，天线姿态检测装置所包括的数据采集模块、数据处理模块、供电模块和数据输出模块被封装为一个整体设备，将天线姿态检测装置固定连接在需要进行姿态检测的雷达天线上，具体可以将天线姿态检测装置固定连接在雷达天线的基座上。在将天线姿态检测装置固定连接到雷达天线上之后，通过天线姿态检测装置上的电源接口将外部电源与供电模块相连接，以对天线姿态检测装置进行供电，另外通过天线姿态检测装置上的数据传输接口将数据输出模块与外部计算机相连接。

步骤602：利用加速度传感器检测加速度值，利用陀螺仪检测角速度值，利用温度传感器检测温度值。

在本发明实施例中，将天线姿态检测装置固定连接到雷达天线上之后，每经过一个预先设定的数据采集周期，利用数据采集模块包括的加速度传感器采集雷达天线在三维空间的加速度值，利用数据采集模块包括的陀螺仪采集雷达天线在三维空间的加速度值，利用数据采集模块包括的温度传感器采集数据采集模块内的温度值。加速度传感器、陀螺仪和温度传感器将采集到的加速度值、角速度值和温度值都发送给数字运动传感器，数字运动传感器对接收到的加速度值、角速度值和温度值进行整合，并将整合后的加速度值、角速度值和温度值通过ICC接口发送给数据处理模块。其中，数字运动处理器对加速度值、角速度值和温度值的整合，主要是将对应于同一数据采集时刻的加速度值、角速度值和温度值划分到同一组。

例如，预先设定数据采集为10ms，则加速度传感器每经过10ms采集一次雷达天线在预设三维直角坐标系三个坐标轴方向的加速度值，陀螺仪每经过10ms采集一次雷达天线在三维直角坐标系三个坐标轴方向的角速度值，温度传感器每经过10ms采集一次加速度传感器和陀螺仪所处环境的温度值。

步骤603：根据温度值对加速度值和角速度进行筛选。

在本发明实施例中，数据处理模块在接收到数字运动传感器发送的加速度值、角速度值和温度值后，针对每一个数据采集周期，判断在该数据采集周期内温度传感器采集到的温度值是否超过预先设定的温度阈值，如果是，将该数据采集周期内采集到的加速度值和角速度值删除。

步骤604：对角速度值进行积分，获得雷达天线在三维空间中的角度数据。

在本发明实施例中，数据处理模块在对加速度值和角速度值进行筛选后，通过对剩余的角速度值进行积分处理，可以获得每一个数据采集周期内雷达天线相对于三维坐标系X轴、Y轴和Z轴的角度。

步骤605：根据加速度值对角度数据进行处理，获得第一修正角度数据。

在本发明实施例中，数据处理模块通过对剩余的加速度值进行积分处理，可以获得每一个数据采集周期在X轴、Y轴和Z轴上的积分误差。针对每一个数据采集周期，利用该数据采集周期对应的积分误差，通过如下公式对该数据采集周期对应的角度数据(相对于X轴、Y轴和Z轴的3个角度值)进行修正，分别获得该数据采集周期内雷达天线相对于X轴、Y轴和Z轴的第一修正角度；上述公式为：

其中，g_x表征雷达天线相对于X轴方向的角度，g_y表征雷达天线相对于Y轴方向的角度，g_z表征雷达天线相对于Z轴方向的角度，e_x表征相对于X轴方向的积分误差，e_y表征相对于Y轴方向的积分误差，e_z表征相对于Z轴方向的积分误差，g＇_x表征雷达天线相对于X轴方向的第一修正角度，g＇_y表征雷达天线相对于Y轴方向的第一修正角度，g＇_z表征雷达天线相对于Z轴方向的第一修正角度。

步骤606：根据第一修正角度数据获得雷达天线相对于三维空间的第二修正角度数据。

在本发明实施例中，针对每一个数据采集周期，将该数据采集周期内雷达天线相对于X轴、Y轴和Z轴的第一修正角度代入如下方程组，计算获得四元数公式系数，进而根据获得的四元数公式系数确定雷达天线相对于X轴、Y轴和Z轴的第二修正角度。上述方程组包括：

其中，q₀、q₁、q₂和g₃表征四元数公式的4个系数，halfT表征常数。

步骤607：利用卡尔曼滤波方法对第二修正角度数据进行修正，获得雷达天线的姿态数据。

在本发明实施例中，针对每一个数据采集周期建立过程方程g″_i＝g″_i-1+(a_i-Q_bias)*dt，其中，g″_i为当前数据采集周期对应的第二修正角度，g″_i-1为上一数据采集周期对应的第二修正角度，a_i为陀螺仪采集到的当前数据采集周期对应的角速度值，dt为数据采集周期的时间长度，Q_bias为预设变量。根据上述过程方程可以得到如下矩阵方程：

对上述矩阵方程中协方差矩阵进行预测；

根据对协方差矩阵进行预测的结果，计算卡尔曼增益；

根据卡尔曼增益对当前数据周期对应的第二修正角度进行修正，获得当前数据采集周期对应雷达天线相对于X轴、Y轴和Z轴的第三修正角度，将获取到的3个第三修正角度作为当前数据采集周期对应的姿态数据，即雷达天线在三维直角坐标系中对应的偏航角、俯仰角或翻滚角。之后对协方差矩阵进行更新，以对下一数据采集周期对应的第二修正角度数据进行修正。

步骤608：将雷达天线的姿态数据发送给外部的计算机。

在本发明实施例中，数据处理模块在获得雷达天线对应于各个数据采集周期的姿态数据后，通过数据输出模块实时将获取到的姿态数据发给外部的计算机，以便计算机根据雷达天线的姿态数据对雷达图像进行修正。

综上所述，本发明实施例提供的天线姿态检测装置，数据采集模块可以固定在天线上随天线同步运动，以采集天线的抖动数据，数据采集模块将采集到的抖动数据发送给数据处理模块后，数据采集模块可以根据抖动数据获得反映天线姿态的姿态数据。由于数据采集模块可以固定连接在天线上，并可以随天线同步运动，当天线的位置发生移动后数据采集模块仍可以采集天线的抖动数据，无需根据天线的位置移动重新布置数据采集模块，因此当将数据采集模块固定连接在雷达天线上时，可以更加方便地对雷达天线的姿态进行检测。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种天线姿态检测装置，其特征在于，包括：数据采集模块和数据处理模块；

所述数据采集模块可以固定连接在需要进行姿态检测的天线上，并与所述天线同步运动；

所述数据采集模块，用于采集所述天线的抖动数据，并将所述抖动数据发送给所述数据处理模块；

所述数据处理模块，用于对所述抖动数据进行处理，获得对应于所述天线姿态的姿态数据；

所述数据采集模块包括：加速度传感器、陀螺仪和数字运动处理器；

所述加速度传感器，用于实时采集所述天线在三维空间的加速度值，并将采集到的所述加速度值发送给所述数字运动处理器；

所述陀螺仪，用于实时采集所述天线在三维空间的角速度值，并将采集到的所述角速度值发送给所述数字运动处理器；

所述数字运动处理器，用于对所述加速度值和所述角速度值进行整合，并将整合后的所述加速度值和所述角速度值发送给所述数据处理模块；

所述数据处理模块，用于对所述角速度值进行积分处理获得所述天线在三维空间的角度数据，并根据所述加速度值对所述角度数据进行修正，将修正后的所述角度数据作为所述姿态数据；

所述数据处理模块，在执行所述根据所述加速度值对所述角度数据进行修正时，具体用于执行：

对所述加速度值进行积分处理，分别获得相对于三维空间X轴、Y轴和Z轴的积分误差；

根据所述相对于三维空间X轴、Y轴和Z轴的积分误差，通过如下公式分别对相对于所述X轴、Y轴和Z轴的所述角度数据进行修正，获得相对应的第一修正角度数据，其中所述公式包括：

其中，所述g_x表征所述天线相对于所述X轴方向的角度，所述g_y表征所述天线相对于所述Y轴方向的角度，所述g_z表征所述天线相对于所述Z轴方向的角度，所述e_x表征相对于所述X轴方向的积分误差，所述e_y表征相对于所述Y轴方向的积分误差，所述e_z表征相对于所述Z轴方向的积分误差，所述g′_x表征相对于所述X轴方向的第一修正角度，所述g′_y表征相对于所述Y轴方向的第一修正角度，所述g′_z表征相对于所述Z轴方向的第一修正角度；

根据分别对应于所述X轴、Y轴和Z轴的所述第一修正角度数据，通过如下方程组计算四元数公式系数，其中所述方程组包括：

其中，所述q₀、q₁、q₂和q₃表征所述四元数公式的4个系数，所述halfT表征常数；

根据所述四元数公式的4个系数分别确定所述天线相对于所述X轴、Y轴和Z轴的第二修正角度，将确定出的所述第二修正角度作为所述姿态数据。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据采集模块进一步包括：温度传感器；

所述温度传感器，用于实时采集所述加速度传感器和所述陀螺仪所处环境的温度值，并将所述温度值发送给所述数字运动处理器；

所述数字运动处理器，用于对所述加速度值、所述角速度值和所述温度值进行整合，并将整合后的所述加速度值、所述角速度值和所述温度值发送给所述数据处理模块；

所述数据处理模块，进一步用于在对所述角速度值进行积分处理之前，针对每一个所述温度值，判断所述温度值是否超过预先设定的温度阈值，如果是，将接收到的与所述温度值对应同一数据采集时刻的所述加速度值和所述角速度值删除。

3.根据权利要求1至2中任一所述的装置，其特征在于，进一步包括：供电模块和数据输出模块；

所述供电模块的电能输出端与所述数据处理模块相连接，所述数据处理模块与所述数据采集模块电连接；

所述数据输出模块与所述数据处理模块相连接；

所述供电模块，用于为所述数据处理模块供电，并通过所述数据处理模块为所述数据采集模块供电；

所述数据输出模块，用于将所述数据处理模块获得的所述姿态数据传输给外部的计算机。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，

所述数据采集模块、所述数据处理模块、所述供电模块和所述数据输出模块被封装在同一芯片内，所述芯片上设置有用于为所述供电模块提供电能的电源接口和用于使所述数据输出模块外露的接口。

5.一种基于权利要求1至4中任一所述天线姿态检测装置的天线姿态检测方法，其特征在于，包括：

将所述数据采集模块固定连接在需要进行姿态检测的天线上，使所述数据采集模块与所述天线同步运动；

利用所述数据采集模块采集所述天线的抖动数据；

利用所述数据处理模块，对所述抖动数据进行处理，获得对应于所述天线姿态的姿态数据；

其中，当所述数据采集模块包括加速度传感器、陀螺仪和数字运动处理器时，

所述对所述抖动数据进行处理获得对应于所述天线姿态的姿态数据，包括：

利用所述加速度传感器实时采集所述天线在三维空间的加速度值；

利用所述陀螺仪实时采集所述天线在三维空间的角速度值；

利用所述数据处理模块，对所述角速度值进行积分处理获得所述天线在三维空间的角度数据，并根据所述加速度值对所述角度数据进行修正，将修正后的所述角度数据作为所述姿态数据；

所述据所述加速度值对所述角度数据进行修正包括：

对所述加速度值进行积分处理，分别获得相对于三维空间X轴、Y轴和Z轴的积分误差；

根据所述相对于三维空间X轴、Y轴和Z轴的积分误差，通过如下公式分别对所述天线相对于所述X轴、Y轴和Z轴的所述角度数据进行修正，获得相对应的第一修正角度数据，其中所述公式包括：

其中，所述g_x表征所述天线相对于所述X轴方向的角度，所述g_y表征所述天线相对于所述Y轴方向的角度，所述g_z表征所述天线相对于所述Z轴方向的角度，所述e_x表征相对于所述X轴方向的积分误差，所述e_y表征相对于所述Y轴方向的积分误差，所述e_z表征相对于所述Z轴方向的积分误差，所述g′_x表征相对于所述X轴方向的第一修正角度，所述g′_y表征相对于所述Y轴方向的第一修正角度，所述g′_z表征相对于所述Z轴方向的第一修正角度；

根据所述天线分别相对于所述X轴、Y轴和Z轴的所述第一修正角度数据，通过如下方程组计算四元数公式系数，其中所述方程组包括：

其中，所述q₀、q₁、q₂和q₃表征所述四元数公式的4个系数，所述halfT表征常数；

根据所述四元数公式的4个系数分别确定所述天线相对于所述X轴、Y轴和Z轴的第二修正角度，将确定出的所述第二修正角度作为所述姿态数据。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当所述数据采集模块进一步包括温度传感器时，

在所述利用所述数据处理模块对所述角速度值进行积分处理获得所述天线在三维空间的角度数据之前，进一步包括：

利用所述温度传感器实时所述加速度传感器和所述陀螺仪所处环境的温度值；

利用所述数据处理模块，针对每一个所述温度值，判断所述温度值是否超过预先设定的温度阈值，如果是，将与所述述温度值对应同一数据采集时刻的所述加速度值和所述角速度值删除。

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