CN109522658A - 一种victs天线四点式跟踪算法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于卫星通信天线技术领域，特别涉及一种VICTS天线四点式跟踪算法，首先对VICTS天线进行方向图测试，得到波束中心根据俯仰角变化的天线远场方向图；然后根据天线远场方向图进行波束建模；最后对采集到的四点电平求差值，并利用波束建模解出目标方向相对于初始波束中心的方位角、俯仰角差值。本发明可以实现对波束中心在任意俯仰角下且目标位置与波束中心角度差小于2°内的卫星进行目标跟踪，提高了VICTS天线跟踪的精度和跟踪效率。

Description

一种VICTS天线四点式跟踪算法
技术领域
本发明属于卫星通信天线技术领域，特别涉及一种VICTS天线四点式跟踪算法。
背景技术
VICTS(可变倾角连续断面节阵列)天线是一种新型低剖面天线，该天线通过各功能层的一维平面旋转，实现波束的方位、俯仰二维扫描和极化角的调整与匹配。天线馈电简单，整机纵向剖面低，具有高增益、波束扫描灵活、高机动性等特点，在卫星移动通信领域具有广阔的应用前景。
卫星动中通天线在载体运动时波束总会偏离目标方向，这时需要跟踪算法将波束调整到卫星的方向。传统步进跟踪算法效率较低，采用天线波束参数的步进算法能够提高跟踪效率。
VICTS天线是通过机械旋转进行波束扫描的，一般的跟踪算法为步进跟踪，这种做法效率低，且在姿态变换较快时容易误跟踪。
发明内容
针对VICTS天线波束形状特殊且随俯仰角变化较大的特点，本发明提供一种VICTS天线改进的四点式跟踪算法，基于对VICTS天线波束建模，建立了VICTS天线四点式跟踪的步进算法，可以实现对波束中心在任意俯仰角下且目标位置与波束中心角度差小于2°内的卫星进行目标跟踪，提高了VICTS天线跟踪的精度和跟踪效率。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
本发明的一种VICTS天线四点式跟踪算法，包含以下步骤：
步骤1，对VICTS天线进行方向图测试，得到波束中心根据俯仰角变化的天线远场方向图；
步骤2，根据步骤1的天线远场方向图进行波束建模；
步骤3，对采集到的四点电平求差值，并利用波束建模解出目标方向相对于初始波束中心的方位角、俯仰角差值。
进一步地，所述步骤2的具体实现过程如下：
对天线远场方向图的天线增益f、俯仰角θ、方位角φ，采用公式(1)进行椭圆抛物面建模，并求出不同波束中心俯仰角下的波束参数a、b；
其中，θ为俯仰角，φ为方位角，f为天线增益。
进一步地，利用最小二乘法求出不同波束中心俯仰角下的波束参数a、b，具体为：
首先由在波束中心方位面上对波束进行建模利用最小二乘法求出不同波束中心俯仰角下的波束参数b；
然后在波束中心俯仰面上对波束进行建模利用最小二乘法求出不同波束中心俯仰角下的波束参数a；
最后将平面模型合成公式(1)验证方差是否在范围内。
进一步地，所述步骤3的具体实现过程如下：
将波束中心转动到四个等增益点的位置，其中四个等增益点为波束中心的方位面和俯仰面内1db波瓣点，采集四个等增益点的接收电平值，并求出其电平差值，根据电平差值利用公式(2)求出目标方向相对于初始波束中心的方向角差值和俯仰角差值；
其中，θ1为俯仰角差值，φ1为方位角差值，PA、PB、PC和PD表示A、B、C、D四个增益点的接收电平值。
进一步地，所述公式(2)的推导过程如下：
当波束指到A、B、C、D四个增益点时，对于目标方向的来波，其增益为：
根据通信系统原理，接收到的电平差值为增益差值，即：
其中，fA、fB、fC和fD表示A、B、C、D四个增益点的增益值；
则可求得：
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明通过波束建模的方法，可以实现波束中心在任意俯仰角下且目标位置与波束中心角度差小于2°内的卫星进行目标跟踪，具有较高的精度，能将精度控制在0.1°以内。
2、本发明的一种VICTS天线四点式跟踪算法，只需要四次转动就能实现对目标的跟踪，大大提高了VICTS天线对卫星跟踪的速度和跟踪效率。
3、本发明可以实现任意载体姿态下且目标位置与波束中心角度差小于2°条件下对目标跟踪，具有较好的工程实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种VICTS天线四点式跟踪算法的流程示意图；
图2是四个增益点的示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，本实施例提供的一种VICTS天线四点式跟踪算法，包含以下步骤：
步骤S101，对VICTS天线进行方向图测试，得到波束中心根据俯仰角变化的天线远场方向图；
步骤S102，根据步骤S101的天线远场方向图进行波束建模；
如图2所示，对天线远场方向图的天线增益f、俯仰角θ、方位角φ，采用公式(1)进行椭圆抛物面建模，并求出不同波束中心俯仰角下的波束参数a、b；
其中，θ为俯仰角，φ为方位角，f为天线增益。
利用最小二乘法求出不同波束中心俯仰角下的波束参数a、b，具体为：
首先由在波束中心方位面上对波束进行建模利用最小二乘法求出不同波束中心俯仰角下的波束参数b；
然后在波束中心俯仰面上对波束进行建模利用最小二乘法求出不同波束中心俯仰角下的波束参数a；
最后将平面模型合成公式(1)验证方差是否在范围内。
步骤S103，对采集到的四点电平求差值，并利用步骤S102的波束建模解出目标方向相对于初始波束中心的方位角、俯仰角差值。
将波束中心转动到四个等增益点的位置，其中四个等增益点为波束中心的方位面和俯仰面内1db波瓣点，采集四个等增益点的接收电平值，并求出其电平差值，根据电平差值利用公式(2)求出目标方向相对于初始波束中心的方向角差值和俯仰角差值；
其中，θ1为俯仰角差值，φ1为方位角差值，PA、PB、PC和PD表示A、B、C、D四个增益点的接收电平值。
所述公式(2)的推导过程如下：
当波束指到A、B、C、D四个增益点时，对于目标方向的来波，其增益为：
根据通信系统原理，接收到的电平差值为增益差值，即：
其中，fA、fB、fC和fD表示A、B、C、D四个增益点的增益值；
则可求得：
下面给出一个具体实例以进行进一步说明。
实施例二
步骤S201，对VICTS天线在微波暗室进行方向图测试，得到波束中心随俯仰角0.5°变化的方向图。
步骤S202，利用各个方向图中增益下降1db的增益数据，对方向图进行椭圆抛物面建模，并使用最小二乘法求得方差小于0.01的模型结果；俯仰角为45°，方位角为20°时的波束方向图为：
步骤S203，将波束中心转动到A、B、C、D四个等增益点，得到四个等增益点的接收电平值，并求出其电平差值，A点减C点的电平差值为-4.72，B点减D点的电平差值为-6.17，再由公式(2)求出目标方向相对于初始波束中心的方向角差值和俯仰角差值；
实际的俯仰角为-2.39，方位角为-1.23，实验证明跟踪误差很小，说明算法可行。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种VICTS天线四点式跟踪算法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1，对VICTS天线进行方向图测试，得到波束中心根据俯仰角变化的天线远场方向图；
步骤2，根据步骤1的天线远场方向图进行波束建模；
步骤3，对采集到的四点电平求差值，并利用波束建模解出目标方向相对于初始波束中心的方位角、俯仰角差值。
2.根据权利要求1所述的VICTS天线四点式跟踪算法，其特征在于，所述步骤2的具体实现过程如下：
对天线远场方向图的天线增益f、俯仰角θ、方位角φ，采用公式(1)进行椭圆抛物面建模，并求出不同波束中心俯仰角下的波束参数a、b；
其中，θ为俯仰角，φ为方位角，f为天线增益。
3.根据权利要求2所述的VICTS天线四点式跟踪算法，其特征在于，利用最小二乘法求出不同波束中心俯仰角下的波束参数a、b，具体为：
首先由在波束中心方位面上对波束进行建模利用最小二乘法求出不同波束中心俯仰角下的波束参数b；
然后在波束中心俯仰面上对波束进行建模利用最小二乘法求出不同波束中心俯仰角下的波束参数a；
最后将平面模型合成公式(1)验证方差是否在范围内。
4.根据权利要求2所述的VICTS天线四点式跟踪算法，其特征在于，所述步骤3的具体实现过程如下：
将波束中心转动到四个等增益点的位置，其中四个等增益点为波束中心的方位面和俯仰面内1db波瓣点，采集四个等增益点的接收电平值，并求出其电平差值，根据电平差值利用公式(2)求出目标方向相对于初始波束中心的方向角差值和俯仰角差值；
其中，θ1为俯仰角差值，φ1为方位角差值，PA、PB、PC和PD表示A、B、C、D四个增益点的接收电平值。
5.根据权利要求4所述的VICTS天线四点式跟踪算法，其特征在于，所述公式(2)的推导过程如下：
当波束指到A、B、C、D四个增益点时，对于目标方向的来波，其增益为：
根据通信系统原理，接收到的电平差值为增益差值，即：
其中，fA、fB、fC和fD表示A、B、C、D四个增益点的增益值；
则可求得：
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