CN108509383B - 一种星载跟踪天线安装误差的补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星载跟踪天线安装误差的补偿方法，根据地面测量的卫星结构坐标系与天线立方镜坐标系间的关系和天线立方镜坐标系与天线结构坐标系间的关系，引入了欧拉角坐标转移方式，并在此基础上针对安装误差的特点进行了大量的算法简化，使用一个坐标转移矩阵实现了安装误差的补偿。本发明解决了此问题，降低了对天线安装精度的要求，减少了地面安装和测量工作量，由地面测量数据经简单计算直接得到转移矩阵，易于实现，能够满足数传天线、中继天线等跟踪天线的使用，具有广阔的应用前景。

Description

一种星载跟踪天线安装误差的补偿方法

技术领域

本发明涉及一种星载跟踪天线安装误差的补偿方法，降低了对天线安装精度的要求，减少了地面安装和测量工作量，只需测量6个坐标轴间夹角并经简单减法运算即可得到转移矩阵；补偿算法简单，使用一个坐标转移矩阵实现了安装误差的补偿，主要用于各类跟踪天线的指向角度预报和伺服控制系统，属于自动控制工程技术领域。

背景技术

随着高分辨率遥感卫星、数据中继卫星、新一代通信卫星的发展，对数据传输速率要求越来越高，需要实时传输几百Mbps～几Gbps及以上的高码速率的海量数据。为了提高卫星的传输速率，传输频点越来越高，天线口径越来越大，导致天线波束宽度越来越窄。对天线伺服系统的跟踪精度要求也越来越高，天线安装误差慢慢地成为制约跟踪精度的重要因素之一。

虽然可以通过重复安装的方式来控制天线安装精度，但这种方法需要反复地进行“装星-测量”工作，极大地增加了安装和测量工作量。随着对天线装星精度要求越来越高，该方法的难度越来越大，变得不再适用。因此在天线指向角度预报的过程中对天线安装误差进行补偿的方法越来越多地被用于实际工程应用中。

天线安装误差直接测量的主要方法：在天线上安装立方镜，并以立方镜坐标系为桥梁，通过光学设备测量天线安装误差，主要测量卫星相关坐标系(例如：卫星结构坐标系)至立方镜坐标系的余弦转移矩阵、立方镜坐标系至天线相关坐标系(例如：天线结构坐标系)的余弦转移矩阵。

现有的天线安装误差补偿方法主要分为两类：

1、测得的余弦转移矩阵，直接上注给星上设备进行补偿。这类方法主要缺点：测量的工作量较大，需要测量两个转移矩阵共18个角度；上注参数多，两个矩阵共18个；补偿算法较复杂，需要经过两次转换。

2、根据测得的余弦转移矩阵，计算欧拉角度，上注给星上设备进行补偿。这类方法主要缺点：地面数据通过复杂的三角函数和反三角函数计算，处理复杂；补偿算法较复杂，需要经过两次转换。

因此，急需发明一种补偿方法，既解决地面安装和测量工作量大、数据处理复杂的问题，又减少上传参数数量、优化补偿算法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种跟踪天线安装误差的补偿方法，引入了欧拉角坐标转移方式并在此基础上针对安装误差的特点进行了大量的算法简化，使用一个坐标转移矩阵实现了安装误差的补偿，既解决了地面安装和测量工作量大、数据处理复杂问题，又减少了上传参数数量，优化了补偿算法。

本发明的技术解决方案是：

提供一种星载跟踪天线安装误差的补偿方法，其特征在于步骤如下：

(1)将天线立方镜安装在跟踪天线基座上，获取天线立方镜坐标系与天线结构坐标系坐标轴间的夹角：α_xYd、α_yZd、α_zXd；

所述夹角α_xYd为天线立方镜坐标系x轴与天线结构坐标系Yd轴间夹角；所述夹角α_yZd为天线立方镜坐标系y轴与天线结构坐标系Zd轴间夹角；所述夹角α_zXd为天线立方镜坐标系z轴与天线结构坐标系Xd轴间夹角。

(2)将跟踪天线装入卫星，获取卫星结构坐标系与天线立方镜坐标系坐标轴间的夹角：α_xYg、α_yZg、α_zXg；

所述夹角α_xYg为天线立方镜坐标系x轴与卫星结构坐标系Yg轴间夹角；所述夹角α_yZg为天线立方镜坐标系y轴与卫星结构坐标系Zg轴间夹角；所述夹角α_zXg为天线立方镜坐标系z轴与卫星结构坐标系Xg轴间夹角；

(3)计算Δα_xY＝α_xYd-α_xYg、Δα_yZ＝α_yZd-α_yZg、Δα_zX＝α_zXd-α_zXg，将计算结果Δα_xY、Δα_yZ、Δα_zX作为参数上注至星上设备；

(4)星上设备根据地面上注的参数形成卫星结构坐标系至天线结构坐标系的转移矩阵：

(5)星上设备计算卫星轨道坐标系下的天线指向向量，进行坐标变换获得天线参考坐标系下的天线指向向量，计算跟踪天线指向角度。

提供另一种星载跟踪天线安装误差的补偿方法，其特征在于步骤如下：

(1)将天线立方镜安装在跟踪天线基座上，获取天线立方镜坐标系与天线结构坐标系坐标轴间的夹角：α_yXd、α_zYd、α_xZd；

所述夹角α_yXd为天线立方镜坐标系y轴与天线结构坐标系Xd轴间夹角；夹角α_zYd为天线立方镜坐标系z轴与天线结构坐标系Yd轴间夹角；夹角α_xZd为天线立方镜坐标系x轴与天线结构坐标系Zd轴间；

(2)将跟踪天线装入卫星，获取卫星结构坐标系与天线立方镜坐标系坐标轴间的夹角：α_yXg、α_zYg、α_xZg；

所述夹角α_yXg为天线立方镜坐标系y轴与卫星结构坐标系Xg轴间夹角；所述夹角α_zYg为天线立方镜坐标系z轴与卫星结构坐标系Yg轴间夹角；所述夹角α_xZg为天线立方镜坐标系x轴与卫星结构坐标系Zg轴间夹角；

(3)计算Δα_yX＝α_yXg-α_yXd、Δα_zY＝α_zYg-α_zYd、Δα_xZ＝α_xZg-α_xZd作为参数上注至星上设备；

(4)星上设备根据地面上注的参数形成卫星结构坐标系至天线结构坐标系的转移矩阵：

(5)星上设备计算卫星轨道坐标系下的天线指向向量，进行坐标变换获得天线参考坐标系下的天线指向向量，计算跟踪天线指向角度。

优选的，步骤(1)中获取天线立方镜坐标系与天线结构坐标系坐标轴间的夹角的方法为：使用经纬仪测量系统测量获得天线立方镜坐标系与天线结构坐标系坐标轴之间的夹角。

优选的，步骤(2)中获取卫星结构坐标系与天线立方镜坐标系坐标轴间的夹角的方法为：使用经纬仪测量系统测量获得卫星结构坐标系与天线立方镜坐标系各坐标轴之间的夹角。

优选的，步骤(5)中进行坐标变换获得天线参考坐标系下的天线指向向量的方法如下：卫星轨道坐标系下的天线指向向量v₁变换至卫星本体坐标系下的天线指向向量为v₂＝C₁*v₁；其中C₁为卫星轨道坐标系至卫星本体坐标系的转移矩阵；

卫星本体坐标系下的天线指向向量v₂变换至卫星结构坐标系下的天线指向向量为v₃＝C₂*v₂；其中C₂为卫星本体坐标系至卫星结构坐标系的转移矩阵；

卫星结构坐标系下的天线指向向量v₃变换至天线结构坐标系下的天线指向向量为v₄＝R*v₃；

天线结构坐标系下的天线指向向量v₄变换至天线参考坐标系下的天线指向向量为O_ANTRp＝C₃*v₄；其中C₃为天线结构坐标系至天线参考坐标系的转移矩阵。

优选的，步骤(5)中进行坐标变换获得天线参考坐标系下的天线指向向量的方法如下：卫星轨道坐标系下的天线指向向量v₁变换至卫星本体坐标系下的天线指向向量为v₂＝C₁*v₁；其中C₁为卫星轨道坐标系至卫星本体坐标系的转移矩阵；

卫星本体坐标系下的天线指向向量v₂变换至卫星结构坐标系下的天线指向向量为v₃＝C₂*v₂；其中C₂为卫星本体坐标系至卫星结构坐标系的转移矩阵；

卫星结构坐标系下的天线指向向量v₃变换至天线结构坐标系下的天线指向向量为v₄＝R'*v₃；

天线结构坐标系下的天线指向向量v₄变换至天线参考坐标系下的天线指向向量为O_ANTRp＝C₃*v₄；其中C₃为天线结构坐标系至天线参考坐标系的转移矩阵。

优选的，根据天线参考坐标系下的指向向量O_ANTRp，获取p点坐标为(x y z)，O_ANTR天线参考坐标系的原点，则计算跟踪天线指向角度的方法如下：

其中a，b为天线X轴、Y轴转动角度。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明引入了欧拉角坐标转移方式，经过严格数学推导与仿真确认，降低了对天线安装精度的要求，无需为了达到很高的安装精度要求而反复安装和测量；减少了地面安装和测量工作量。

(2)本发明针对安装误差的特点进行了大量的算法简化，降低了数据处理复杂度，只需测量6坐标轴间夹角并经简单减法运算即可得到转移矩阵；补偿算法更简单，使用一个坐标转移矩阵实现了安装误差的补偿。

(3)本发明仅需对星上设备上传3个角度参数，减少了上传参数数量，优化了补偿算法。

(4)本发明的补偿方法易于实现，能够满足数传天线、中继天线等跟踪天线的使用，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明流程示意图；

图2为本发明天线立方镜坐标系、天线结构坐标系和卫星结构坐标系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述：

结合图1，星载跟踪天线安装误差的补偿方法流程如下：

(1)天线立方镜安装在跟踪天线基座上，天线完成研制后通过光学设备测量天线立方镜坐标系与天线结构坐标系坐标轴间的夹角：α_xYd、α_yZd、α_zXd。

结合图2，所述天线立方镜坐标系与天线结构坐标系在没有立方镜安装误差时，二者完全重合；但在实际安装过程中，二者不会完全重合，使用经纬仪测量系统测量获得天线立方镜坐标系与天线结构坐标系坐标轴之间的夹角:α_xYd、α_yZd、α_zXd，进而获得角度转移矩阵A₁。

所述夹角α_xYd为天线立方镜坐标系x轴与天线结构坐标系Yd轴间夹角；所述夹角α_yZd为天线立方镜坐标系y轴与天线结构坐标系Zd轴间夹角；所述夹角α_zXd为天线立方镜坐标系z轴与天线结构坐标系Xd轴间夹角。天线立方镜坐标系与天线结构坐标系的角度转移矩阵A₁如下：

(2)跟踪天线装入整星后通过光学设备测量卫星结构坐标系与天线立方镜坐标系坐标轴间的夹角：α_xYg、α_yZg、α_zXg。

结合图2，所述卫星结构坐标系与天线立方镜坐标系在没有跟踪天线安装误差和立方镜安装误差时，二者完全重合；但在实际安装过程中，二者不会完全重合，使用经纬仪测量系统测量获得卫星结构坐标系与天线立方镜坐标系各坐标轴之间的夹角:α_xYg、α_yZg、α_zXg，进而获得角度转移矩阵A₂。

所述夹角α_xYg为天线立方镜坐标系x轴与卫星结构坐标系Yg轴间夹角；所述夹角α_yZg为天线立方镜坐标系y轴与卫星结构坐标系Zg轴间夹角；所述夹角α_zXg为天线立方镜坐标系z轴与卫星结构坐标系Xg轴间夹角。卫星结构坐标系与天线立方镜坐标系的角度转移矩阵A₂如下：

(3)根据步骤(1)、(2)中获得的角度值计算Δα_xY＝α_xYd-α_xYg、Δα_yZ＝α_yZd-α_yZg、Δα_zX＝α_zXd-α_zXg，将计算结果Δα_xY、Δα_yZ、Δα_zX(单位：rad)作为参数上注至星上设备。仅需上注三个参数，减少了上注参数。

(4)星上设备根据地面上注的参数形成卫星结构坐标系至天线结构坐标系的转移矩阵：

(5)星上设备利用转移矩阵R对跟踪天线的安装误差进行补偿，星上设备根据卫星与跟踪目标的位置信息计算卫星轨道坐标系下的天线指向v₁，然后将天线指向向量按以下顺序进行坐标变换：卫星轨道坐标系下的天线指向向量v₁→卫星本体坐标系下的天线指向向量v₂＝C₁*v₁→卫星结构坐标系下的天线指向向量v₃＝C₂*v₂→天线结构坐标系下的天线指向向量v₄＝R*v₃→天线参考坐标系下的天线指向向量O_ANTRp＝C₃*v₄，最后根据天线参考坐标系下的指向向量O_ANTRp计算跟踪天线指向角度，进而获取p点坐标为(x y z)，计算跟踪天线指向角度实现对天线安装误差的补充。计算跟踪天线指向角度的方法如下：

其中a，b为天线X轴、Y轴转动角度；C₁为卫星轨道坐标系至卫星本体坐标系的转移矩阵；C₂为卫星本体坐标系至卫星结构坐标系的转移矩阵；C₃为天线结构坐标系至天线参考坐标系的转移矩阵，三个矩阵均能由现有技术中获得。

各坐标系的定义见下表。

但实际应用不局限于此，只要使用立方镜并以立方镜坐标系为桥梁的天线安装误差补偿，均适用本发明的方法。

所述卫星结构坐标系→天线结构坐标系，可以使用下式表示v₄＝R*v₃，其中v₃为卫星结构坐标系下的指向向量，v₄为天线结构坐标系下的指向向量。

采用欧拉角坐标转移方式进行坐标转换，所述卫星结构坐标系至天线结构坐标系的转移矩阵：

由于方向余弦矩阵具有一定对称性，转移矩阵也可以表示成以下形式：

其中Δα_yX＝α_yXg-α_yXd、Δα_zY＝α_zYg-α_zYd、Δα_xZ＝α_xZg-α_xZd。所述夹角α_yXd为天线立方镜坐标系y轴与天线结构坐标系Xd轴间夹角；所述夹角α_zYd为天线立方镜坐标系z轴与天线结构坐标系Yd轴间夹角；所述夹角α_xZd为天线立方镜坐标系x轴与天线结构坐标系Zd轴间；所述夹角α_yXg为天线立方镜坐标系y轴与卫星结构坐标系Xg轴间夹角；所述夹角α_zYg为天线立方镜坐标系z轴与卫星结构坐标系Yg轴间夹角；所述夹角α_xZg为天线立方镜坐标系x轴与卫星结构坐标系Zg轴间夹角。

本发明已经在背景型号中使用，经单机测试、系统测试表明，应用了本发明方法后，减少了安装和测量工作量，提高了跟踪精度，跟踪性能良好，有效地保障了星间数据的通讯，充分验证了该方法的有效性和可行性。

本发明引入了欧拉角坐标转移方式，并在此基础上针对安装误差的特点进行了算法简化，因此带来一定的指向误差，根据仿真结果，当立方镜安装和天线安装误差角度均不大于1度时，引起的最大指向偏差不大于0.046度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种星载跟踪天线安装误差的补偿方法，其特征在于步骤如下：

(1)将天线立方镜安装在跟踪天线基座上，获取天线立方镜坐标系与天线结构坐标系坐标轴间的夹角：α_xYd、α_yZd、α_zXd；

所述夹角α_xYd为天线立方镜坐标系x轴与天线结构坐标系Yd轴间夹角；所述夹角α_yZd为天线立方镜坐标系y轴与天线结构坐标系Zd轴间夹角；所述夹角α_zXd为天线立方镜坐标系z轴与天线结构坐标系Xd轴间夹角；

(2)将跟踪天线装入卫星，获取卫星结构坐标系与天线立方镜坐标系坐标轴间的夹角：α_xYg、α_yZg、α_zXg；

所述夹角α_xYg为天线立方镜坐标系x轴与卫星结构坐标系Yg轴间夹角；所述夹角α_yZg为天线立方镜坐标系y轴与卫星结构坐标系Zg轴间夹角；所述夹角α_zXg为天线立方镜坐标系z轴与卫星结构坐标系Xg轴间夹角；

(3)计算Δα_xY＝α_xYd-α_xYg、Δα_yZ＝α_yZd-α_yZg、Δα_zX＝α_zXd-α_zXg，将计算结果Δα_xY、Δα_yZ、Δα_zX作为参数上注至星上设备；

(4)星上设备根据地面上注的参数形成卫星结构坐标系至天线结构坐标系的转移矩阵：

(5)星上设备计算卫星轨道坐标系下的天线指向向量，进行坐标变换获得天线参考坐标系下的天线指向向量，计算跟踪天线指向角度。

2.根据权利要求1所述的星载跟踪天线安装误差的补偿方法，其特征在于，步骤(5)中进行坐标变换获得天线参考坐标系下的天线指向向量的方法如下：卫星轨道坐标系下的天线指向向量v₁变换至卫星本体坐标系下的天线指向向量为v₂＝C₁*v₁；其中C₁为卫星轨道坐标系至卫星本体坐标系的转移矩阵；

卫星本体坐标系下的天线指向向量v₂变换至卫星结构坐标系下的天线指向向量为v₃＝C₂*v₂；其中C₂为卫星本体坐标系至卫星结构坐标系的转移矩阵；

卫星结构坐标系下的天线指向向量v₃变换至天线结构坐标系下的天线指向向量为v₄＝R*v₃；

天线结构坐标系下的天线指向向量v₄变换至天线参考坐标系下的天线指向向量为O_ANTRp＝C₃*v₄；其中C₃为天线结构坐标系至天线参考坐标系的转移矩阵。

3.一种星载跟踪天线安装误差的补偿方法，其特征在于步骤如下：

(1)将天线立方镜安装在跟踪天线基座上，获取天线立方镜坐标系与天线结构坐标系坐标轴间的夹角：α_yXd、α_zYd、α_xZd；

所述夹角α_yXd为天线立方镜坐标系y轴与天线结构坐标系Xd轴间夹角；夹角α_zYd为天线立方镜坐标系z轴与天线结构坐标系Yd轴间夹角；夹角α_xZd为天线立方镜坐标系x轴与天线结构坐标系Zd轴间夹角；

(2)将跟踪天线装入卫星，获取卫星结构坐标系与天线立方镜坐标系坐标轴间的夹角：α_yXg、α_zYg、α_xZg；

所述夹角α_yXg为天线立方镜坐标系y轴与卫星结构坐标系Xg轴间夹角；所述夹角α_zYg为天线立方镜坐标系z轴与卫星结构坐标系Yg轴间夹角；所述夹角α_xZg为天线立方镜坐标系x轴与卫星结构坐标系Zg轴间夹角；

(3)计算Δα_yX＝α_yXg-α_yXd、Δα_zY＝α_zYg-α_zYd、Δα_xZ＝α_xZg-α_xZd作为参数上注至星上设备；

(4)星上设备根据地面上注的参数形成卫星结构坐标系至天线结构坐标系的转移矩阵：

(5)星上设备计算卫星轨道坐标系下的天线指向向量，进行坐标变换获得天线参考坐标系下的天线指向向量，计算跟踪天线指向角度。

4.根据权利要求1或3所述的星载跟踪天线安装误差的补偿方法，其特征在于，步骤(1)中获取天线立方镜坐标系与天线结构坐标系坐标轴间的夹角的方法为：使用经纬仪测量系统测量获得天线立方镜坐标系与天线结构坐标系坐标轴之间的夹角。

5.根据权利要求1或3所述的星载跟踪天线安装误差的补偿方法，其特征在于，步骤(2)中获取卫星结构坐标系与天线立方镜坐标系坐标轴间的夹角的方法为：使用经纬仪测量系统测量获得卫星结构坐标系与天线立方镜坐标系各坐标轴之间的夹角。

6.根据权利要求3所述的星载跟踪天线安装误差的补偿方法，其特征在于，步骤(5)中进行坐标变换获得天线参考坐标系下的天线指向向量的方法如下：卫星轨道坐标系下的天线指向向量v₁变换至卫星本体坐标系下的天线指向向量为v₂＝C₁*v₁；其中C₁为卫星轨道坐标系至卫星本体坐标系的转移矩阵；

卫星本体坐标系下的天线指向向量v₂变换至卫星结构坐标系下的天线指向向量为v₃＝C₂*v₂；其中C₂为卫星本体坐标系至卫星结构坐标系的转移矩阵；

卫星结构坐标系下的天线指向向量v₃变换至天线结构坐标系下的天线指向向量为v₄＝R'*v₃；

天线结构坐标系下的天线指向向量v₄变换至天线参考坐标系下的天线指向向量为O_ANTRp＝C₃*v₄；其中C₃为天线结构坐标系至天线参考坐标系的转移矩阵。

7.根据权利要求6所述的星载跟踪天线安装误差的补偿方法，其特征在于，根据天线参考坐标系下的指向向量O_ANTRp，获取p点坐标为(x,y,z)，O_ANTR天线参考坐标系的原点，则计算跟踪天线指向角度的方法如下：

其中a为天线X轴转动角度，b为天线Y轴转动角度。

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