CN109582045B - 一种载体倾斜时天线的初始对准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种载体倾斜时天线的初始对准方法，涉及通信技术领域，所述载体倾斜时天线的初始对准方法包括以下步骤：1)获取初始方位角；2)获取天线姿态角；3)计算通信姿态角；4)调整天线姿态角。为了解决散射天线对准过程中当载体与水平面有倾角时不能直接进行天线初始对准的问题，本发明通过利用姿态变换矩阵及角度投影算法完成天线初始对准，在不增加硬件辅助单元的条件下减少了系统的开通时间，简化了系统结构，减小了载体调平时的机械误差，并降低了系统成本，可应用于散射通信系统及其他系统中的天线初始对准，具有广阔的市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体是一种载体倾斜时天线的初始对准方法。
背景技术
目前，散射通信系统应用场合越来越多，受限于天线窄波束及较远的通信距离，要保证通信质量，必须使天线指向最佳散射区，同时对天线自动对准的实时性要求也越来越高。
散射天线对准过程中，天线姿态角(包括方位角、俯仰角和横滚角)的调整通常都是相对于载体而非水平面，所以当载体与水平面有倾角时，天线初始对准不能直接进行。因为倾角较小时会加大天线的精对准时间和扫描范围，倾角较大时会直接导致天线初始对准失败。因此，设计一种载体倾斜时天线的初始对准方法，成为目前亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种载体倾斜时天线的初始对准方法，以解决上述背景技术中提出的问题，通过利用姿态变换矩阵及角度投影算法来计算载体面与水平面不平行时的天线姿态角，完成天线初始对准。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种载体倾斜时天线的初始对准方法，其特征在于，它包括以下步骤：
1)通信收发双方通过北斗定位定向仪获取各自的地理坐标、海拔高度以及载体相对水平面的初始方位角σφ，通过载体(车体或者云台)上的水平仪获取载体的俯仰轴ox2与水平面的夹角σp，且
同时获取载体的横滚轴oy2与水平面的夹角σr，且
2)根据通信双方的地理坐标进行链路规划，获取收发双方各自通信的天线姿态角；
3)计算天线相对于载体所在平面的通信姿态角，即方位角φ′、俯仰角θ′及横滚角γ′，具体包括以下步骤：
步骤1、以天线的横滚轴和俯仰轴的交点为原点O，建立地理坐标系和载体坐标系，其中，载体的俯仰轴为ox3，横滚轴为oy3，方位轴为oz3，然后根据载体的俯仰轴ox3与水平面的夹角、横滚轴oy3与水平面的夹角以及载体方位角σφ计算地理坐标系到载体坐标系的转换矩阵R，具体通过将ox0y0z0绕oz0旋转ρ得ox1y1z1，再将ox1y1z1绕oy1旋转α得ox2y2z2，最后将ox2y2z2绕ox2旋转β得ox3y3z3，则所述地理坐标系到载体坐标系的转换矩阵R为：
步骤2、首先做天线面的垂线OA，假定OA＝n，过A点做天线方位轴的平行线AC，假定AC＝m，然后根据步骤2)中得到的通信方位角φ、俯仰角θ及横滚角γ，计算A、C两点在Ox0y0z0坐标系中的坐标值(xA，yA，zA)和(xC，yC，zC)，m、n的大小不影响姿态角的转化；
其中，A点坐标计算如下：
xA＝n·cosθ·sinφ，
yA＝n·cosθ·cosφ，
zA＝n·sinθ；
C点坐标计算如下：
zC＝(AC1+sign(θ)·m)·zA/AC1，
式中：xC1＝sign(θ)·sign(γ)·C1H1·cosφ+OH1·sinφ，
yC1＝OH1·cosφ-sign(θ)·sign(γ)·C1H1·sinφ，
C1H1＝n·abs(sinθ)·abs(tanγ)，
OH1＝n/cosθ，
AC1＝n·abs(sinθ)·sqrt((cosθ)2+(sinθ)2·(cosγ)2)/(cosγ·cosθ)；
步骤3、利用转换矩阵R计算A、C两点在ox3y3z3坐标系中的坐标值(x′A，y′A，z′A)和(x′C，y′C，z′C)，其中，
步骤4、根据A、C两点在ox3y3z3坐标系中的坐标值(x′A，y′A，z′A)和(x′C，y′C，z′C)计算天线相对载体所在平面的通信姿态角，即俯仰角θ′、方位角φ′和横滚角γ′；
其中，俯仰角θ′＝arcsin(z′A/n)；
方位角φ′按照如下公式计算：
当x′A≥0、y′A≥0且x′A、y′A不同时为0时，
当x′A＜0且y′A＞0时，
其他条件下，
横滚角γ′按照公式abs(γ′)＝arcsin(BF/AF)进行计算，其中，式中各中间变量定义如下：
当z′A＝0时，AF＝m，BF＝sqrt((x′A-x′C)2+(y′A-y′C)2)；
当z′A≠0时，则
式中：
4)读取天线相对载体面的初始方位角φ′0初始俯仰角θ′0及天线相对载体面的初始横滚角γ′0，然后在载体所在平面调整天线姿态角，即可完成天线的初始对准。
作为本发明进一步的方案：步骤2)中，所述天线姿态角包括方位角φ、俯仰角θ及横滚角γ，且所述天线姿态角为相对于水平面的角度。
作为本发明再进一步的方案：步骤3)中，所述A点为天线面垂线上的任意一点。
作为本发明再进一步的方案：步骤4)中，所述调整天线姿态角为将方位角调整Δφ′，俯仰角调整Δθ′，横滚角调整Δγ′，且Δφ′＝φ′-φ′0，Δθ′＝θ′-θ′0，Δγ′＝γ′-γ′0。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，该程序指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
所述的载体倾斜时天线的初始对准方法在天线对准中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明提供了一种载体倾斜时天线的初始对准方法，可应用于散射通信系统及其他系统中的天线初始对准，通过利用姿态变换矩阵及角度投影算法，只需在原系统中增加部分软件模块，无需借助其他辅助手段，通过控制单元即可自动完成天线初始对准，解决了散射天线对准过程中当载体与水平面有倾角时不能直接进行天线初始对准的问题；
2)本发明通过相关算法及软件实现解决载体面与水平面不平行时天线姿态角的计算问题，同时又避免了上述背景技术中的不足之处，在不增加硬件辅助单元的条件下，减少了系统的开通时间，简化了系统结构，减小了载体调平时的机械误差，并降低了系统成本。
附图说明
图1为载体倾斜时天线的初始对准方法中地理坐标系的示意图。
图2为载体倾斜时天线的初始对准方法中载体坐标系的示意图。
图3为载体倾斜时天线的初始对准方法中载体坐标系与地理坐标系的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护苑围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
实施例1
一种载体倾斜时天线的初始对准方法，请参考图1-3，它包括以下步骤：
1)通信收发双方通过北斗定位定向仪获取各自的地理坐标、海拔高度以及载体相对水平面的初始方位角σφ，通过载体(车体或者云台)上的水平仪获取载体的俯仰轴ox2与水平面的夹角σp，且
同时获取载体的横滚轴oy2与水平面的夹角σr，且
2)根据通信双方的地理坐标进行链路规划，获取收发双方各自通信的天线姿态角；
其中，所述天线姿态角包括方位角φ、俯仰角θ及横滚角γ，且所述天线姿态角为相对于水平面的角度；所述俯仰角θ为天线或其它物体y轴与水平面间的夹角，以上倾为正，下倾为负，定义域为-90°至90°；所述横滚角γ为天线或其它物体z轴与包含y轴的铅垂面的夹角，以右倾为正，左倾为负，定义域为-180°至180°；所述方位角φ为天线或其它物体y轴在水平面上的投影与地理北向之间的夹角，定义顺时针方向为正，逆时针方向为负，定义域为0°至360°；
3)计算天线相对于载体所在平面的通信姿态角，即方位角φ′、俯仰角θ′及横滚角γ′，具体包括以下步骤：
步骤1、以天线的横滚轴和俯仰轴的交点为原点O，建立地理坐标系和载体坐标系，其中，载体的俯仰轴为ox3，横滚轴为oy3，方位轴为oz3，见图2；地理坐标系为ox0y0z0，其原点位于载体所在点，x0轴沿当地纬线指东，y0轴沿当地子午线指北，z0轴沿当地地理垂线指上并与x0、y0轴构成右手直角坐标系，如图1所示；载体坐标系为ox3y3z3，对于载体而言，x3轴沿载体横轴指右，y3轴沿载体纵轴指向前，z3轴沿载体竖轴并与x3、y3轴构成右手直角坐标系，如图2所示；然后根据载体的俯仰轴ox3与水平面的夹角、载体的横滚轴oy3与水平面的夹角以及载体初始方位角σφ计算地理坐标系到载体坐标系的转换矩阵R，具体通过将ox0y0z0绕oz0旋转ρ得ox1y1z1，再将ox1y1z1绕oy1旋转α得ox2y2z2，最后将ox2y2z2绕ox2旋转β得ox3y3z3，则所述地理坐标系到载体坐标系的转换矩阵R为：
步骤2、首先做天线面的垂线OA，假定OA＝n，过A点做天线方位轴的平行线AC，假定AC＝m；然后根据步骤2)中得到的通信方位角φ、俯仰角θ及横滚角γ，计算A、C两点在Ox0y0z0坐标系中的坐标值(xA，yA，zA)和(x′C，y′C，z′C)，所述A点可为天线面垂线上的任意一点，m、n的大小不影响姿态角的转化；
其中，A点坐标计算如下：
xA＝n·cosθ·sinφ，
yA＝n·cosθ·cosφ，
zA＝n·sinθ；
C点坐标计算如下：
zC＝(AC1+sign(θ)·m)·zA/AC1，
式中：xC1＝sign(θ)·sign(γ)·C1H1·cosφ+OH1·sinφ，
yC1＝OH1·cosφ-sign(θ)·sign(γ)·C1H1·sinφ，
C1H1＝n·abs(sinθ)·abs(tanγ)，
OH1＝n/cosθ，
AC1＝n·abs(sinθ)·sqrt((cosθ)2+(sinθ)2·(cosγ)2)/(cosγ·cosθ)；
步骤3、利用转换矩阵R计算A、C两点在ox3y3z3坐标系中的坐标值(x′A，y′A，z′A)和(x′C，y′C，z′C)，其中，
步骤4、根据A、C两点在ox3y3z3坐标系中的坐标值(x′A，y′A，z′A)和(x′C，y′C，z′C)计算天线相对载体所在平面的通信姿态角，即俯仰角θ′、方位角φ′和横滚角γ′；
其中，俯仰角θ′＝arcsin(z′A/n)；
方位角φ′按照如下公式计算：
当x′A≥0、y′A≥0且x′A、y′A不同时为0时，
当x′A＜0且y′A＞0时，
其他条件下，
横滚角γ′按照公式abs(γ′)＝arcsin(BF/AF)进行计算，其中，式中各中间变量定义如下：
当z′A＝0时，AF＝m，BF＝sqrt((x′A-x′C)2+(y′A-y′C)2)；
当z′A≠0时，则
式中：
4)读取天线相对载体面的初始方位角φ′0、初始俯仰角φ′0及天线相对载体面的初始横滚角γ′0，然后在载体所在平面调整天线姿态角，方位角调整Δφ′＝φ′-φ′0，俯仰角调整Δθ′＝θ′-θ′0，横滚角调整Δγ′＝γ′-γ′0，即可完成天线的初始对准。
本实施例中，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，该程序指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本实施例中，所述的载体倾斜时天线的初始对准方法在天线对准中的应用。
实施例2
一种载体倾斜时天线的初始对准方法，请参考图1-3，它包括以下步骤：
1)获取初始方位角：通信收发双方通过北斗定位定向仪获取各自的地理坐标、海拔高度以及载体相对水平面的初始方位角σφ；
2)获取天线姿态角：根据通信双方的地理坐标进行链路规划，获取收发双方各自通信的天线姿态角；
其中，所述天线姿态角包括方位角φ、俯仰角θ及横滚角γ，且所述天线姿态角为相对于水平面的角度；所述俯仰角θ为天线或其它物体y轴与水平面间的夹角，以上倾为正，下倾为负，定义域为-90°至90°；所述横滚角γ为天线或其它物体z轴与包含y轴的铅垂面的夹角，以右倾为正，左倾为负，定义域为-180°至180°；所述方位角φ为天线或其它物体y轴在水平面上的投影与地理北向之间的夹角，定义顺时针方向为正，逆时针方向为负，定义域为0°至360°；
3)计算通信姿态角：计算天线相对于载体所在平面的通信姿态角，即方位角φ′、俯仰角θ′及横滚角γ′，具体包括以下步骤：
步骤1、以天线的横滚轴和俯仰轴的交点为原点O，建立地理坐标系和载体坐标系，其中，载体的俯仰轴为ox3，横滚轴为oy3，方位轴为oz3，见图2；地理坐标系为ox0y0z0，其原点位于载体所在点，x0轴沿当地纬线指东，y0轴沿当地子午线指北，z0轴沿当地地理垂线指上并与x0、y0轴构成右手直角坐标系，如图1所示；载体坐标系为ox3y3z3，对于载体而言，x3轴沿载体横轴指右，y3轴沿载体纵轴指向前，z3轴沿载体竖轴并与x3、y3轴构成右手直角坐标系，如图2所示；然后根据载体的俯仰轴ox3与水平面的夹角、载体的横滚轴oy3与水平面的夹角以及载体初始方位角σφ计算地理坐标系到载体坐标系的转换矩阵R，具体通过将ox0y0z0绕oz0旋转ρ得ox1y1z1，再将ox1y1z1绕oy1旋转α得ox2y2z2，最后将ox2y2z2绕ox2旋转β得ox3y3z3，则所述地理坐标系到载体坐标系的转换矩阵R为：
步骤2、首先做天线面的垂线OA，假定OA＝n，过A点做天线方位轴的平行线AC，假定AC＝m；然后根据步骤2)中得到的通信方位角φ、俯仰角θ及横滚角γ，计算A、C两点在Ox0y0z0坐标系中的坐标值(xA，yA，zA)和(xC，yC，zC)，所述A点可为天线面垂线上的任意一点，m、n的大小不影响姿态角的转化；
其中，A点坐标计算如下：
xA＝n·cosθ·sinφ，
y′A＝n·cosθ·cosφ，
zA＝n·sinθ；
C点坐标计算如下：
zC＝(AC1+sign(θ)·m)·zA/AC1，
式中：xC1＝sign(θ)·sign(γ)·C1H1·cosφ+OH1·sinφ，
yC1＝OH1·cosφ-sign(θ)·sign(γ)·C1H1·sinφ，
C1H1＝n·abs(sinθ)·abs(tanγ)，
OH1＝n/cosθ，
AC1＝n·abs(sinθ)·sqrt((cosθ)2+(sinθ)2·(cosγ)2)/(cosγ·cosθ)；
步骤3、利用转换矩阵R计算A、C两点在ox3y3z3坐标系中的坐标值(x′A，y′A，z′A)和(x′C，y′C，z′C)，其中，
步骤4、根据A、C两点在ox3y3z3坐标系中的坐标值(x′A，y′A，z′A)和(x′C，y′C，z′C)计算天线相对载体所在平面的通信姿态角，即俯仰角θ′、方位角φ′和横滚角γ′；
其中，俯仰角θ＝arcsin(z′A/n)；
方位角φ′按照如下公式计算：
当x′A≥O、y′A≥O且x′A、y′A不同时为O时，
当x′A＜O且y′A＞O时，
其他条件下，
横滚角γ′按照公式abs(γ′)＝arcsin(BF/AF)进行计算，其中，式中各中间变量定义如下：
当z′A＝0时，AF＝m，BF＝sqrt((x′A-x′C)2+(y′A-y′C)2)；
当z′A≠O时，则
式中：
4)调整天线姿态角：读取天线相对载体面的初始方位角φ′0、初始俯仰角θ′0及天线相对载体面的初始横滚角γ′0，然后在载体所在平面调整天线姿态角，方位角调整Δφ′＝φ′-φ′0，俯仰角调整Δθ′＝θ′-θ′0，横滚角调整Δγ′＝γ′-γ′0，即可完成天线的初始对准。
本实施例中，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，该程序指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本实施例中，所述的载体倾斜时天线的初始对准方法在天线对准中的应用。
实施例3
一种载体倾斜时天线的初始对准方法，请参考图1-3，它包括以下步骤：
1)通信收发双方通过北斗定位定向仪获取各自的地理坐标、海拔高度以及载体相对水平面的初始方位角σφ；
2)根据通信双方的地理坐标进行链路规划，获取收发双方各自通信的天线姿态角；
其中，所述天线姿态角包括方位角φ、俯仰角θ及横滚角γ，且所述天线姿态角为相对于水平面的角度；
3)通过以天线的横滚轴和俯仰轴的交点为原点建立地理坐标系和载体坐标系，再根据载体的俯仰轴与水平面的夹角、载体的横滚轴与水平面的夹角以及载体初始方位角计算地理坐标系到载体坐标系的转换矩阵，然后做天线面的垂线OA，过A点做天线方位轴的平行线AC，再根据步骤2)中得到的天线姿态角计算天线相对于载体所在平面的通信姿态角，即方位角φ′、俯仰角θ′及横滚角γ′；
4)读取天线相对载体面的初始方位角φ′0初始俯仰角θ′0及天线相对载体面的初始横滚角γ′0，然后在载体所在平面调整天线姿态角，方位角调整Δφ′＝φ′-φ′0，俯仰角调整Δθ′＝θ′-θ′0，横滚角调整Δγ′＝γ′-γ′0，即可完成天线的初始对准。
本实施例中，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，该程序指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本实施例中，所述的载体倾斜时天线的初始对准方法在天线对准中的应用。
本发明有益效果是，本发明提供了一种载体倾斜时天线的初始对准方法，可应用于散射通信系统及其他系统中的天线初始对准，该技术利用姿态变换矩阵及角度投影算法，只需在原系统中增加部分软件模块，无需借助其他辅助手段，通过控制单元即可自动完成天线初始对准，解决了散射天线对准过程中当载体与水平面有倾角时不能直接进行天线初始对准的问题；本发明通过相关算法及软件实现解决载体面与水平面不平行时天线姿态角的计算问题，同时又避免了上述背景技术中的不足之处，在不增加硬件辅助单元的条件下，减少了系统的开通时间，简化了系统结构，减小了载体调平时的机械误差，并降低了系统成本。
需要进一步说明的是，所述地理坐标系到载体坐标系的转换也可以通过四元数方法实现。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器、电可擦写可编程存储器、寄存器等。
上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (4)
1.一种载体倾斜时天线的初始对准方法，其特征在于，它包括以下步骤：
1)通信收发双方通过北斗定位定向仪获取各自的地理坐标、海拔高度以及载体相对水平面的初始方位角；
2)根据通信双方的地理坐标进行链路规划，获取收发双方各自通信的天线姿态角；
3)通过以天线的横滚轴和俯仰轴的交点为原点建立地理坐标系和载体坐标系，再根据载体的俯仰轴与水平面的夹角、载体的横滚轴与水平面的夹角以及载体初始方位角计算地理坐标系到载体坐标系的转换矩阵，然后做天线面的垂线OA，过A点做天线方位轴的平行线AC，再根据步骤2)中得到的天线姿态角计算天线相对于载体所在平面的通信姿态角，即方位角φ′、俯仰角θ′及横滚角γ′；
步骤3)具体包括以下步骤：
步骤1、以天线的横滚轴和俯仰轴的交点为原点O，建立地理坐标系和载体坐标系，计算地理坐标系到载体坐标系的转换矩阵R，做天线面的垂线OA，过A点做天线方位轴的平行线AC；
步骤2、计算A、C两点在地理坐标系Ox0y0z0坐标系中的坐标值；
步骤3、利用转换矩阵R计算A、C两点在载体坐标系ox3y3z3坐标系中的坐标值；
步骤4、根据A、C两点在载体坐标系ox3y3z3坐标系中的坐标值计算天线相对载体所在平面的通信姿态角，即俯仰角θ′、方位角φ′和横滚角γ′；
4)读取天线相对载体面的初始方位角φ′0、初始俯仰角θ′0及天线相对载体面的初始横滚角γ′0，然后在载体所在平面调整天线姿态角，即可完成天线的初始对准；
步骤2)中，所述天线姿态角为相对于水平面的角度；
所述天线姿态角包括方位角φ、俯仰角θ及横滚角γ；
步骤3)中，所述A点为天线面垂线上的任意一点。
2.根据权利要求1所述的载体倾斜时天线的初始对准方法，其特征在于，步骤4)中，所述调整天线姿态角为将方位角调整Δφ′，俯仰角调整Δθ′，横滚角调整Δγ′，且Δφ′＝φ′-φ′0，Δθ′＝θ′-θ′0，Δγ′＝γ′-γ′0。
3.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其特征在于，该程序指令被处理器执行时实现权利要求1-2任一所述方法的步骤。
4.一种如权利要求1-2任一所述的载体倾斜时天线的初始对准方法在天线对准中的应用。
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Applications Claiming Priority (1)
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Denomination of invention: An initial alignment method for antennas when the carrier is tilted Effective date of registration: 20231206 Granted publication date: 20220701 Pledgee: CHINA TECHNOLOGY EXCHANGE Co.,Ltd. Pledgor: BEIJING HUIQING TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2023110000515 |
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