CN108718002B - 一种基于多波束相控阵天线的卫星自动跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于多波束相控阵天线的卫星自动跟踪系统，其包括天线端和控制端。所述天线端为半球形多波束相控阵天线。

Description

一种基于多波束相控阵天线的卫星自动跟踪系统

技术领域

本申请涉及一种卫星信号自动跟踪接收方法，属于卫星通信领域，具体涉及一种针对低轨卫星星座的地面自动跟踪接收系统。

背景技术

低轨卫星距离地球近，在对地观测上能获得更精细的观测特征，而且在数据传输上具有低时延的特点，适合组成高速通信卫星星座。为便携地获取卫星下传的实时载荷信息，需要一种地面接收系统持续跟踪卫星获取卫星下发的数据。

低轨卫星因为其轨道特点，表现为轨道周期短，过境时间短，例如轨道高度600公里的低轨倾斜圆轨道卫星过境时间只有十几分钟，移动卫星接收天线需要快速实时跟踪卫星位置变化。特别地，当卫星组成星座时，多颗卫星可能同时入境，卫星天线需要对多颗卫星进行跟踪，并在超出自己可接收数量时，对跟踪的卫星进行筛选。

目前，实现移动卫星通信的天线技术主要有几种：抛物面天线、平板阵列天线和相控阵天线。抛物面天线优点是信号接收能力比较强，并且造价比较低，整套天线设备性价比高，缺点就是要把天线做成蘑菇形，风阻大，天线对准方向需要机械装置调整；平板阵列天线体积小、重量轻、风阻小、安装使用方便，但天线对准方向也需要机械装置调整；相控阵天线由于具有强大的功能，灵活的工作方式，计算机控制的无惯性波束扫描，多波束相控阵天线可以接收多个目标信号，目前已成为许多军用相控阵天线或卫星应用的主要天线形式，为移动过程中捕获和跟踪卫星信号提供灵活性，是目前和未来移动地面站中的主流天线。

目前的移动卫星接收系统主要用于对电视卫星(参见申请号为201610307432.6的中国专利申请“一种移动卫星接收系统”)或者北斗、GPS导航卫星(参见申请号为201410370647.3的中国专利“一种北斗卫星信号的接收系统和方法”)的接收，这些卫星的轨道高度相比低轨卫星要高，而且由于卫星轨道特点或者信号接收目的，地面接收端无需对卫星进行持续跟踪，不适用于本申请所涉及的需持续跟踪的低轨卫星星座。

目前的移动卫星接收系统主要用于接收地球同步卫星信号，在固定平台、车载、舰船上进行使用。具体而言，例如，中国专利申请“一种移动卫星接收系统”(申请号：201610307432.6)提出了基于控制系统、陀螺传感器、电子罗盘、GPS模块、伺服系统的车载卫星接收系统，用机械方法调整天线方向，以适应地面车辆的移动和偏移。该系统用于低轨卫星星座面临如下问题：1、该系统用于对电视卫星进行跟踪，电视卫星处于地球同步轨道，相对地面位置变化小，找到卫星后可认为卫星位置不变，而低轨卫星相对地面位置持续变化，需要相关策略预测卫星飞行轨迹并跟踪卫星位置变化；2、该方法利用机械装置调整卫星天线方向，以适应车辆位置和姿态的变化，调整幅度较小，而低轨卫星过境时俯仰角从0～90度变化，方位角从0～360度变化，机械装置需要在短时间内响应卫星位置变化，并且由于机械运动装置容易出现故障，降低了系统的可靠性；3、该系统天线只能对准一颗卫星，对于境内的多颗卫星无法同时跟踪，对于低轨卫星星座，可能同时多颗卫星入境，该系统难以满足要求。专利“一种北斗卫星信号的接收系统和方法”(申请号：201410370647.3)提出了一种接收北斗信号的系统，可接收多颗卫星信号，但是主要针对北斗信号进行处理，天线未实现对卫星的跟踪。

为此，本领域迫切需要开发一种针对低轨卫星星座的卫星接收系统，能够实现对位置快速变化的可靠跟踪。

发明内容

本申请之目的在于提供一种基于多波束相控阵天线的能够实现对位置快速变化的可靠跟踪的卫星自动跟踪系统。

为了实现上述目的，本申请提供下述技术方案。

本申请提供一种基于多波束相控阵天线的卫星自动跟踪系统，其包括天线端和控制端。

其中，所述天线端为半球形多波束相控阵天线。

在本申请的一种实施方式中，所述天线端配备有多通道信号处理模块。

在本申请的另一种实施方式中，所述天线端还配备有三轴陀螺仪和GPS模块。

在本申请的另一种实施方式中，所述控制端包括通讯模块、轨道外推模块、天线方向计算模块、天线方向校正模块、卫星筛选模块、和数据处理模块。

在本申请的另一种实施方式中，所述半球形多波束相控阵天线在球形表面安装有天线阵元，可合成多波束天线接收卫星信号，并由内部的波束控制器根据控制端发送的控制指令控制天线的各个波束指向，从而对准卫星。

与现有技术相比，本申请的有益效果在于本申请的针对低轨卫星星座的卫星接收系统，引入半球形多波束相控阵天线，可通过波束控制电路控制波束方向，去除了系统中的机械调整装置，增加了系统可靠性，并能够实现对位置快速变化的卫星实施跟踪。天线控制与处理模块采用多通道处理方式，可以实现同时对多颗卫星的跟踪和卫星数据处理。该系统的控制装置采用轨道外推模型对卫星位置进行预测，结合地面天线位置计算出天线俯仰角和方位角，并结合卫星姿态对上述角度进行修正，以达到实时跟踪的目的。在可接收多颗卫星情形下，可根据卫星与天线连接时间长短对卫星进行选择性跟踪。

附图说明

图1是本申请的针对低轨卫星星座的地面自动跟踪接收系统的原理图。

图2是本申请的地心坐标下的天线、卫星位置计算示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及本申请的实施例，对本申请的技术方案进行清楚和完整的描述。

本申请提出了一种基于多波束相控阵天线的卫星自动跟踪系统，该系统由天线端和控制端两部分组成。天线端为半球形多波束相控阵天线，半球形帮助天线端搜索0～360度方位角内的卫星目标；内部波束控制电路可以调节波束方向以对准卫星，无需对天线进行机械移动；多波束天线可以分配相应波束对多颗卫星进行对准跟踪。天线端配备有多通道信号处理模块，可实现同时对多颗卫星数据进行接收处理。天线端还配备有三轴陀螺仪和GPS模块，可获取天线实时航向角、俯仰角和横滚角以及所在位置经纬度和海拔高度信息。上述定位和姿态信息填充在天线端的状态信息里。天线端处理后的卫星数据和获取的自身姿态信息通过同一通讯模块发送给控制端，数据通过不同的帧格式进行区分。控制端主要由通讯模块、轨道外推模块、天线方向计算模块、天线方向校正模块、卫星筛选模块、数据处理模块组成。通讯模块对天线端传输的状态信息和数据信息进行分选，分送给不同的模块进行处理。通讯模块将数据信息送入数据处理模块，对数据进行处理后输出给其他装置使用；将状态信息中的位置信息送入天线方向计算模块，结合轨道外推模块计算的卫星位置计算此时卫星相对地面天线的俯仰角和方位角；将状态信息中的姿态信息送入天线方向校正模块，以对天线方向计算模块计算出的方向角进行修正，并将修正后的角度通过通讯模块送入天线端以控制多波束相控阵天线的波束指向。控制端轨道外推模块所需卫星轨道数据，由外部通过文件输入。控制端的卫星筛选模块将结合轨道外推模块给出的卫星预测位置，在卫星数目过多时选取能与天线建立连接状态时间最长的卫星进行数据接收，并将选择的卫星编号送入天线端以设置相应波束参数。本申请的系统原理图如图1所示。

天线端多波束半球形相控阵天线在球形表面安装天线阵元，可合成多波束天线接收卫星信号，并由内部的波束控制器根据控制端发送的控制指令控制天线的各个波束指向，从而对准卫星。本申请中的控制与处理部分分别对各个波束接收的信号进行处理，可以独立控制天线信号波束指向和处理不同卫星信号。接收的卫星信号经过滤波及基频处理后打包组帧为数据帧传送给通讯模块。天线配备的GPS用于对天线进行定位，输出天线所在位置的经度、纬度和海拔高度，经传输后作为控制端天线方向计算模块的输入计算天线与卫星的角度关系；对三轴陀螺仪输出角速度进行积分，得到相阵天线航向角、俯仰角和横滚角，经传输后作为控制端天线方向校正模块的输入修正天线指向方向。GPS和陀螺仪数据打包组帧为状态帧传送给通讯模块。

控制端的通讯模块接收天线端的数据帧和状态帧，根据帧格式不同将数据解析为卫星数据、位置数据、姿态数据，并分发给控制端相应模块进行处理。通讯模块还接收其他模块计算给出的控制指令，包含天线姿态角度和筛选出的需跟踪的卫星，并发送给天线端通讯模块。

控制端信号处理模块对通讯模块传送的卫星数据进行解析，并将数据作为接收系统的输出传送给其他设备装置。

轨道外推模块实时监控输入文件夹是否有新建轨道文件，监测到文件变化后，读取文件参数对控制端内的轨道模型进行更新。外部文件以xml格式输入，文件中包含轨道半长轴、轨道偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角、平近点角以及对应的历元时间。轨道外推模型利用HPOP模型对指定时间内的卫星轨道进行外推，可输出卫星在指定时间处于地心坐标系的位置(x1,y1,z1)。

天线方向计算模块用于计算卫星相对地面天线的俯仰角和方位角。GPS获取地面天线的经纬度以及海拔高度后，计算模块将该天线位置换算到地心坐标系(x2,y2,z2)。通过坐标系中卫星和地面天线的位置关系，可以获得以正北方向为标准的方位角α以及俯仰角β。其示意图如图2所示，计算公式为

地面天线除了放置在固定平台外，还可能放置在车辆、舰船等移动装置上，天线会随着平台的移动和倾斜发生姿态变化，因而需要对天线方向计算模块计算出的俯仰角和方位角按照天线当前的航向角ψ、俯仰角θ和横滚角φ进行修正。将天线坐标转换到地心坐标，三个姿态角如图2所示，修正公式计算流程为：

1)偏航角对天线方向角的校正公式

α_ψ＝α-ψ

β_ψ＝β

2)偏航角和滚动角对天线方向角的校正公式

β_ψφ＝arccos(-sinφcosβ_ψsinα_ψ+cosφcosβ_ψ)

3)偏航角、滚动角、俯仰角对天线方向角校正公式

β'＝β_ψφθ＝arccos(sinθsinβ_ψφcosα_ψφ+cosθcosβ_ψφ)

则最终获取的α’、β’即为最终天线的方位角和俯仰角。

多波束天线为获得较好信号增益，其波束数量有限，当多颗卫星处于天线的接收范围内，并超出波束数目时，卫星筛选模块需要结合卫星外推轨道对卫星进行筛选。本申请提出的卫星天线接收系统以可跟踪时间越长优先级越高的原则对卫星进行选择。轨道外推模块可对所有接收范围内的卫星位置在一定时间内进行外推，卫星筛选模块会持续计算这些位置相对天线的俯仰角，当俯仰角低于天线最低仰角时，记录此时的绝对时间。将卫星编号按照俯仰角等于天线最低仰角的绝对时间从晚到早排序，根据多波束天线的最多波束个数，选择排名靠前的卫星进行跟踪。

上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都本申请的范围之内。

Claims (4)

1.一种基于多波束相控阵天线的卫星自动跟踪系统，其特征在于，所述系统包括天线端和控制端；所述天线端为半球形多波束相控阵天线，其中所述半球形多波束相控阵天线在球形表面安装有天线阵元，以合成多波束天线接收卫星信号，并由内部的波束控制器根据控制端发送的控制指令控制天线的各个波束指向，从而对准卫星；

其中所述控制端采用轨道外推模型对卫星位置进行预测，结合地面天线位置计算出天线俯仰角和方位角，包括下列步骤：

轨道外推模型利用HPOP模型对指定时间内的卫星轨道进行外推，输出卫星在指定时间处于地心坐标系的位置(x1,y1,z1)；

GPS获取地面天线的经纬度以及海拔高度后，计算模块将该天线位置换算到地心坐标系(x2,y2,z2)；

按照如下公式通过坐标系中卫星和地面天线的位置关系，获得以正北方向为标准的方位角α以及俯仰角β：

以及

其中根据卫星姿态对上述角度进行修正，并将修正后的角度送入天线端以控制多波束相控阵天线的波束指向，包括下列步骤：

对天线方向计算模块计算出的俯仰角和方位角按照天线当前的航向角ψ、俯仰角θ和横滚角φ进行修正，其中：

航向角对天线方向角的校正公式为：

α_ψ＝α-ψ

β_ψ＝β；

航向角和横滚角对天线方向角的校正公式为：

β_ψφ＝arccos(-sinφcosβ_ψsinα_ψ+cosφcosβ_ψ)；

航向角、横滚角、俯仰角对天线方向角校正公式为：

β'＝β_ψφθ＝arccos(sinθsinβ_ψφcosα_ψφ+cosθcosβ_ψφ)，

最终获取的α’、β’即为最终天线的方位角和俯仰角；

由轨道外推模块对所有接收范围内的卫星的位置在一定时间内进行外推，并由卫星筛选模块持续计算这些位置相对天线的俯仰角，当俯仰角低于天线最低仰角时，记录此时的绝对时间，并且将卫星编号按照所述绝对时间从晚到早排序，根据多波束天线的最多波束个数，选择排名靠前的卫星进行跟踪。

2.如权利要求1所述的基于多波束相控阵天线的卫星自动跟踪系统，其特征在于，所述天线端配备有多通道信号处理模块。

3.如权利要求1所述的基于多波束相控阵天线的卫星自动跟踪系统，其特征在于，所述天线端还配备有三轴陀螺仪和GPS模块。

4.如权利要求1所述的基于多波束相控阵天线的卫星自动跟踪系统，其特征在于，所述控制端包括通讯模块、轨道外推模块、天线方向计算模块、天线方向校正模块、卫星筛选模块、和数据处理模块。

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