CN109657195B - 一种victs天线极化匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星通信天线技术领域，特别涉及一种VICTS天线极化匹配方法，该方法首先求解当地坐标系下卫星极化角和极化矢量；然后将当地坐标系下的极化矢量变换到载体坐标系中，求解载体坐标系下的极化矢量；最后根据载体坐标系下的极化矢量，求解极化栅矢量和极化控制层转动角度。本发明基于矢量运算和坐标变换，可以用来计算任意载体姿态下的极化栅位置，提高了极化匹配的精度，能够准确地揭示VICTS天线极化匹配的原理。

Description

一种VICTS天线极化匹配方法

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天线极化匹配方法。

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。

自动极化匹配是动中通伺服系统的重要功能。极化不匹配会造成天线接收信号质量下降。VICTS天线是通过天线上层极化控制层实现极化偏转的。其独特的平面结构使得VICTS天线不能像传统抛物面天线一样将极化盘直接转动极化角进行极化匹配。VICTS天线的极化匹配需要根据极化栅与波束极化的关系进行求解，需要完成从水平面到与波束垂直平面的投影。因此本发明开展了VICTS天线极化匹配方法的研究。

VICTS天线通过机械旋转实现极化调整，需要知道金属栅格的位置。一般的做法是直接将极化栅转动极化角，这种做法使得接收信号强度降低，且在小俯仰角时，降低较多。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种VICTS天线极化匹配方法，该方法基于矢量运算和坐标变换，可以用来计算任意载体姿态下的极化栅位置，提高了极化匹配的精度，能够准确地揭示VICTS天线极化匹配的原理。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

本发明提供了一种VICTS天线极化匹配方法，包含以下步骤：

步骤1，求解当地坐标系下卫星极化角和极化矢量；

步骤2，将当地坐标系下的极化矢量变换到载体坐标系中，求解载体坐标系下的极化矢量；

步骤3，根据载体坐标系下的极化矢量，求解极化栅矢量和极化控制层转动角度。

进一步地，所述步骤1中当地坐标系下卫星极化角的求解过程为：

定义当地坐标系，OX轴指向正东方向，OY轴指向正北方向，OZ轴按右手规则沿铅垂线向上，计算卫星极化角θ_p的公式如式(1)，

其中，△λ为当地与卫星的经度差，

为当地的纬度，

为星下点与当地的夹角，β为静止卫星轨道半径和地球半径之比。

进一步地，所述步骤1中当地坐标系下极化矢量的求解过程为：

极化矢量用与波束垂直的平面内的任意两个矢量加权相加得到，故选取水平面内的矢量，即水平极化矢量，和与波束矢量、水平极化矢量都垂直的矢量，即垂直极化矢量，波束矢量、水平极化矢量与垂直极化矢量两两相互垂直；

水平极化矢量在水平面内z轴分量为0，由于水平极化矢量与波束矢量垂直，则求出水平极化矢量

为：

垂直极化矢量与波束矢量、水平极化矢量都垂直，则求出垂直极化矢量

为：

其中，x_b,y_b,z_b为波束矢量

的x、y、z轴分量；

则当地坐标系下极化矢量

为：

其中，ξ为补偿值，当卫星发射的电磁波极化为水平极化时，ξ取值为0，垂直极化时，ξ取值为90°。

进一步地，所述步骤2中求解载体坐标系下的极化矢量的过程为：

定义载体坐标系的OY指向车头方向，OX垂直于OY，指向右舷，OZ按右手规则垂直于载体向上；坐标变换矩阵T如式(5)，

其中，H为航向角，P为俯仰角，R为横滚角；

将当地坐标系下的极化矢量

变换到载体坐标系中，则载体坐标系下的极化矢量

为：

进一步地，所述步骤3的具体实现过程如下：

由于极化栅矢量在水平面内，z分量为0，由于载体坐标系下的极化矢量与极化栅矢量垂直，则极化栅矢量

为：

其中，x_cp、y_cp分别为极化矢量的x分量和y分量；

极化控制层转动角度α为：

其中，x_g、y_g分别为极化栅矢量的x分量和y分量，由于极化控制层为中心对称结构，α取值在-π/2～π/2范围内。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明可以实现任意载体姿态和任意经纬度的VICTS天线极化匹配，并将精度控制在0.1°，解决了VICTS天线极化匹配的问题，具有较强的工程可用性；通过矢量计算相比于直角三角函数计算，能够提高计算的速度，增加了方法的实用性。

2、本发明通过矢量运算和坐标变换的方法，消除了直接将极化盘转动极化角的误差，使得结果具有准确性和使用价值，能够准确的揭示VICTS天线极化匹配的特性。

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天线极化匹配方法的流程示意图；

图2是当地坐标系下的极化矢量示意图；

图3是当地坐标系和载体坐标系的位置关系图；

图4是极化控制层转动角度示意图。

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。

本发明的核心是提供一种VICTS天线极化匹配方法，可以计算任意载体姿态下的极化栅位置，提高了极化匹配的精度。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

实施例一

如图1所示，本实施例提供的一种VICTS天线极化匹配方法，包含以下步骤：

步骤S101，求解当地坐标系下卫星极化角和极化矢量；

定义当地坐标系，OX轴指向正东方向，OY轴指向正北方向，OZ轴按右手规则沿铅垂线向上，在知道当地经纬度和卫星经度的条件下，计算卫星极化角θ_p的公式如式(1)：

其中，△λ为当地与卫星的经度差，△λ取值为24.58°，

为当地的纬度，

取值为34°，

为星下点与当地的夹角，θ取值为41.0696°，β为静止卫星轨道半径和地球半径之比，β取值为6.62；从公式(1)可以看出，极化角与地面站的位置和卫星位置有关。

如图2所示，在天线的远场，电磁波可以近似为平面波，此时电场矢量与电磁波传播方向垂直，所以极化矢量可以用与波束垂直的平面内的任意两个矢量加权相加得到，为运算简单，选取水平面内的矢量，即水平极化矢量，和与波束矢量、水平极化矢量都垂直的矢量，即垂直极化矢量，波束矢量、水平极化矢量与垂直极化矢量两两相互垂直。

水平极化矢量在水平面内z轴分量为0，由于水平极化矢量与波束矢量垂直，则求出水平极化矢量

为：

垂直极化矢量与波束矢量、水平极化矢量都垂直，则求出垂直极化矢量

为：

其中，x_b,y_b,z_b为波束矢量

的x、y、z轴分量，x_b取值为0.4634，y_b取值为-0.5823，z_b取值为0.668。

则当地坐标系下极化矢量

为：

其中，ξ为补偿值，当卫星发射的电磁波极化为水平极化时，ξ取值为0，垂直极化时，ξ取值为90°，在本实例中，ξ取值为90°。

步骤S102，将当地坐标系下的极化矢量变换到载体坐标系中，求解载体坐标系下的极化矢量；

定义载体坐标系的OY指向车头方向，OX垂直于OY，指向右舷，OZ按右手规则垂直于载体向上。载体坐标系ox'y'和当地坐标系oxy的位置关系如图3所示，惯导给出的航向角为y轴与y′轴在水平面内投影的角度，俯仰角为y′轴与地面之间的夹角，横滚角则为x轴绕y′轴转动的角度。矩阵的相乘带有顺序性，坐标变换时首先要对航向进行变换，将y′轴转到yoz面内，再绕x轴俯仰变换，此时转动的角度为惯导给出的俯仰角，最后横滚变换惯导给出的横滚角，坐标变换矩阵T如式(5)：

其中，H为航向角，H取值为20°，P为俯仰角，P取值为20°，R为横滚角，R取值为10°；

将当地坐标系下的极化矢量

变换到载体坐标系中，则载体坐标系下的极化矢量

为：

步骤S103，根据载体坐标系下的极化矢量，求解极化栅矢量和极化控制层转动角度。

由于极化栅矢量在水平面内，z分量为0，由于载体坐标系下的极化矢量与极化栅矢量垂直，则极化栅矢量

为：

其中，x_cp、y_cp分别为极化矢量的x分量和y分量，如图4所示，极化控制层转动角度α为：

其中，x_g、y_g分别为极化栅矢量的x分量和y分量，由于极化控制层为中心对称结构，α取值在-π/2～π/2范围内。

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 (1)

1.一种VICTS天线极化匹配方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，求解当地坐标系下卫星极化角和极化矢量；

当地坐标系下卫星极化角的求解过程为：

定义当地坐标系，OX轴指向正东方向，OY轴指向正北方向，OZ轴按右手规则沿铅垂线向上，计算卫星极化角θ_p的公式如式(1)，

其中，△λ为当地与卫星的经度差，

为当地的纬度，

为星下点与当地的夹角，β为静止卫星轨道半径和地球半径之比；

当地坐标系下极化矢量的求解过程为：

极化矢量用与波束垂直的平面内的任意两个矢量加权相加得到，故选取水平面内的矢量，即水平极化矢量，和与波束矢量、水平极化矢量都垂直的矢量，即垂直极化矢量，波束矢量、水平极化矢量与垂直极化矢量两两相互垂直；

水平极化矢量在水平面内z轴分量为0，由于水平极化矢量与波束矢量垂直，则求出水平极化矢量

为：

垂直极化矢量与波束矢量、水平极化矢量都垂直，则求出垂直极化矢量

为：

其中，x_b,y_b,z_b为波束矢量

的x、y、z轴分量；

则当地坐标系下极化矢量

为：

其中，ξ为补偿值，当卫星发射的电磁波极化为水平极化时，ξ取值为0，垂直极化时，ξ取值为90°；

步骤2，将当地坐标系下的极化矢量变换到载体坐标系中，求解载体坐标系下的极化矢量，具体如下：

定义载体坐标系的OY指向车头方向，OX垂直于OY，指向右舷，OZ按右手规则垂直于载体向上；坐标变换矩阵T如式(5)，

其中，H为航向角，P为俯仰角，R为横滚角；

将当地坐标系下的极化矢量

变换到载体坐标系中，则载体坐标系下的极化矢量

为：

步骤3，根据载体坐标系下的极化矢量，求解极化栅矢量和极化控制层转动角度，具体如下：

由于极化栅矢量在水平面内，z分量为0，由于载体坐标系下的极化矢量与极化栅矢量垂直，则极化栅矢量

为：

其中，x_cp、y_cp分别为极化矢量的x分量和y分量；

极化控制层转动角度α为：

其中，x_g、y_g分别为极化栅矢量的x分量和y分量，由于极化控制层为中心对称结构，α取值在-π/2～π/2范围内。

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