CN109742543A - 一种用于将终端的天线对准卫星的方法及相应系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将终端的天线对准卫星的方法，包括：从卫星接收定位信息和速度信息，其中所述定位信息描述卫星的位置并且所述速度信息描述卫星的速度；根据所述定位信息和速度信息确定终端的额定定向；以及将终端的天线调整为所述额定定向。本发明还涉及一种相应的系统。通过本发明，可以准确地确定卫星的当前位置，从而将终端的天线准确地对准卫星。

Description

一种用于将终端的天线对准卫星的方法及相应系统

技术领域

本发明总体而言涉及卫星领域中的天线自动跟踪技术，具体而言，涉及一种用于将终端的天线对准卫星的方法。此外，本发明还涉及一种用于将终端的天线对准卫星的系统。

背景技术

随着卫星制造水平的提高，卫星体积逐渐减小，且制造成本逐渐降低，这使得更多企业可以参与到卫星制造产业中来。随着商业航天兴起，未来将会有越来越多的卫星发射升空，与此相对应的是，与卫星配套的地面终端需求必将愈加旺盛。

终端作为卫星与地面交互的系统，对卫星能力的发挥具有至关重要的作用。对于地球同步轨道卫星，其卫星位置相对地面不变，卫星终端电线可以定向安置无需跟踪移动。但是，目前在轨以及后续的卫星大多都不在地球同步轨道上，即卫星位置相对地面有相对移动，终端天线波束范围有限，必须持续跟踪对准卫星，才能保证卫星与终端进行有效数据传送，因而，有必要在终端天线上采用自动跟踪方法，以保证有效的数据交互。

目前的终端天线自动跟踪技术都是根据卫星下发的信号强度进行跟踪，即根据卫星信号信标强度或者卫星信号强度AGC(自动增益控制)水平进行跟踪。例如专利“卫星天线自动跟踪卫星的方法及装置”(CN103715508A)、“一种船载动中通的天线跟踪的方法”(CN108052122A)、“一种卫星信号的自动追踪系统”(CN107885233A)、“一种渔船用自动跟踪卫星电视天线”(CN102938502A)、“移动式卫星跟踪天线系统的控制方法”(CN100423362C)、“移动卫星自动跟踪控制装置”(CN2697665Y)、“智能化便携式卫星通信地球站及其控制方法”(CN1968048A)都采用卫星信号强度水平作为终端天线跟踪的依据条件。该自动跟踪方法具有操作简单的优点，但该方法具有以下缺点：一、信号水平强度易受环境干扰，信号强度受各种因素影响波动较大，以至于容易因电磁干扰而不能收发信号，或者跟踪不准确导致信号质量差，增加了误码率，对于高速运动的低轨卫星和窄波束终端/天线，情况更为糟糕；二、通常终端大部分时间不能与卫星建立有效通信，而终端无法预知卫星位置，将持续开机搜索，对于能源有限的终端，例如海洋浮标终端，该方法难以适应。

因此，需要一种能够准确地跟踪卫星的方法。

发明内容

本发明的任务是提供一种用于将终端的天线对准卫星的方法和系统，通过该方法和/或该系统，可以准确地确定卫星的当前位置，从而将终端的天线准确地对准卫星。

根据本发明，该任务通过一种用于将终端的天线对准卫星的方法来解决，该方法包括：

从卫星接收定位信息(如初始位置信息)和速度信息，其中所述定位信息描述卫星的位置并且所述速度信息描述卫星的速度；

根据所述定位信息和速度信息确定终端的额定定向；以及

将终端的天线调整为所述额定定向。

在本发明的一个优选方案中规定，所述额定定向包括终端相对于卫星的俯仰角和方位角。通过调整所述两个角度，终端的天线可以准确地定位到卫星。其它表征定向的参数也是可设想的。

在本发明的另一优选方案中规定，根据所述定位信息和速度信息确定终端的额定定向包括：

根据所述定位信息和速度信息进行轨道预测计算；以及

根据所述轨道预测计算确定终端的额定定向。

通过该优选方案，可以预测卫星的轨道，从而预测卫星当前的位置，进而将终端的天线准确地定位到卫星。

在本发明的又一优选方案中规定，该方法还包括：

在终端不能与卫星进行有效数据交互时关断所述终端。

通过该优选方案，可以关闭无法与卫星进行有效通信的卫星，从而节省资源和能源。

在本发明的一个扩展方案中规定，所述定位信息接收自全球卫星定位系统和/或北斗卫星导航系统。目前的GPS/北斗定位精度可以达到几米，轨道预测精准模型根据GPS/北斗数据预测一个月轨道误差小于1km，利用卫星分发的状态信息可以实现卫星位置的高精度跟踪。

在本发明的第二方面，前述任务通过一种用于将终端的天线对准卫星的系统来解决，该系统包括：

通信模块，其被配置为向终端发送定位信息和速度信息，其中所述定位信息描述卫星的位置并且所述速度信息描述卫星的速度；

轨道外推模块，其被配置为根据所述定位信息和速度信息进行轨道预测计算；

角度计算模块，其被配置为根据所述轨道预测计算确定终端相对于卫星的俯仰角和方位角；以及

天线控制模块，其被配置为将终端的天线调整为所述俯仰角和方位角。

在本发明的一个优选方案中规定，所述定位信息接收自全球卫星定位系统和/或北斗卫星导航系统。

在本发明的一个扩展方案中规定，所述系统被用于低轨道卫星。应当指出，本发明同样适用于其它类型的卫星、如高轨卫星。

附图说明

下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。

图1示出了根据本发明的用于将终端的天线对准卫星的方法的一个实施例的流程；以及

图2示出了根据本发明的用于将终端的天线对准卫星的系统的示意图。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

本发明提出了一种基于卫星信息分发的终端天线自动跟踪方法。其原理为：卫星利用星上携带的GPS/北斗等定位装置定位自身位置，并在与终端通信时将自身位置、速度下发给终端，终端对位置、速度数据进行轨道预测计算，并根据自身位置(静态终端可初始设定，动态终端可安装GPS/北斗模块进行位置更新)，实时计算卫星与终端的俯仰角和方位角，指引终端天线对卫星进行对准，并在与卫星不能建立有效数据交互时，对终端相关模块进行断电或者休眠操作。

下面阐述根据本发明的方案。

图1示出了根据本发明的用于将终端的天线对准卫星的方法的一个实施例100的流程，其中虚线框表示可选步骤。

在步骤102，输入卫星初始位置和速度信息，轨道外推模块根据输入信息计算卫星位置数据。

在步骤104，根据所述卫星位置数据，确定终端的额定定向。

在步骤106，根据计算的额定定向，判断终端能否接受额定定向的卫星信号，以此判断是否能够进行数据交互，根据判断结果跳转至步骤108\步骤104或者步骤110。

在终端不能与卫星进行有效数据交互时，跳转至可选步骤108，关断所述终端。由此可以节省能源，步骤108非选时，上述步骤106直接跳至104。

在能够与卫星进行交互情况下，跳转至步骤110，将终端的天线调整为所述额定定向。这可以通过相应执行机构、如天线控制模块来实现。

在步骤112，判断是否接收到卫星定位信息和速度信息，其中所述定位信息描述卫星的位置并且所述速度信息描述卫星的速度。所述信息例如可以接收自GPS或北斗卫星导航系统。判断结果为否时，跳至步骤104，判断结果为是时，跳至步骤114。

在步骤114，根据所述接收定位信息和速度信息外推轨道，并更新原有轨道外推位置数据。并跳转至步骤104。

图2示出了根据本发明的用于将终端的天线对准卫星的系统200的示意图。

如图2所示，用于将终端的天线对准卫星的系统200包括：

·通信模块(或称卫星信息分发模块，未示出)，其被配置为向终端发送定位信息和速度信息，其中所述定位信息描述卫星的位置并且所述速度信息描述卫星的速度。卫星信息分发模块例如可以由卫星206和终端天线201构成，完成卫星信息下发与天线的信息接收，并将信息输送给轨道外推模块203。卫星信息(t,x,y,z,xv,yv,zv)包含卫星位置和卫星速度，即例如t时刻以及对应的WGS84坐标下的x轴位置x、y轴位置y、z轴位置z、x轴速度xv、y轴速度yv、z轴速度zv共7个参数。每个参数例如可以分配四个字节，即总共28个字节。该信息可以不需要实时更新，而是只需要在轨道外推模块203误差允许范围内进行更新即可，例如每周或者每月更新一次。因此，卫星位置信息分发对卫星206和终端有效信息下行速率影响极小，不影响其他有效信息的收发。7个参数中，时间t可用特定历元时间的积秒形式给出，可设定数据类型为4字节的UINT32,地面解析后利用历元时间加上积秒值可得实际时间，其他6个参数可用4字节浮点型Float数据类型。

·轨道外推模块203，其被配置为根据所述定位信息和速度信息进行轨道预测计算。轨道外推初始化功能在终端启动或者卫星长期未与终端建立连接时启动，此时终端本地信息不能保证精确预测卫星位置。其初始化输入信息包含(t0,x0,y0,z0,xv0,yv0,zv0)，分别为时刻t0以及对应的WGS84坐标下的x轴位置x0、y轴位置y0、z轴位置z0、x轴速度xv0、y轴速度yv0、z轴速度zv0，该信息可由地面卫星测控中心给出。轨道外推计算功能将根据初始输入信息对卫星轨道进行外推计算，预测卫星的实时位置，并指导俯仰角/方位角计算模块、天线指向控制模块对终端天线进行控制，当卫星与终端连接后，终端将使用卫星分发的信息作为轨道外推计算模块的输入并进行迭代更新。轨道外推计算功能的输入为初始化信息(t0,x0,y0,z0,xv0,yv0,zv0)以及卫星天线接收的最新参数(t,x,y,z,xv,yv,zv)，即t时刻以及对应的WGS84坐标下的x轴位置x、y轴位置y、z轴位置z、x轴速度xv、y轴速度yv、z轴速度zv，然后利用轨道外推模型进行卫星位置预测。卫星常用的轨道递推模型有：高精度轨道预报模型(HPOP)，考虑了重力场模型、固体潮、海洋潮、光压、第三体引力、大气因素，是高精度的数值外推模型，用于精确的轨道外推，可以应用于月球轨道甚至更远的距离；J4模型，仅考虑地球引力场摄动的J4模型，适用于较长时间的任务分析，月的量级；J2模型，仅考虑地球引力场摄动的J2模型，适用于短时间的任务分析，周的量级；二体模型(TwoBody)，认为地球仅受地球质心的有心力作用。上述模型精度递减，同时计算量也递减，使得计算量小，对终端的硬件要求低，终端实际运用时，可根据实际需要进行模型选取。卫星运动速度快、终端天线波束窄，对卫星位置精度要求高，则选取精准模型；卫星速度慢、终端天线波束宽，对卫星位置精度要求不高，可选用低精度模型。

·角度计算模块、在此为俯仰角/方位角计算模块204，其被配置为根据所述轨道预测计算确定终端相对于卫星的俯仰角和方位角。该模块204的输入为当前时刻t1卫星在WGS84坐标下位置(sx,sy,sz)以及终端位置(tx,ty,tz)，其中卫星位置由轨道外推模块203根据卫星206下发的信息经过轨道外推计算后给出，终端位置例如由终端自带的GSP/北斗装置给出。为方便俯仰角和方位角计算，可利用公式将两个直角坐标系形式的坐标值转换为极坐标系形式，将上述坐标值转换为经纬高。转换方法例如为：

令a＝6378137；b＝6356755.0；e²＝0.00669437999013

初始值：

根据以上初始值进行迭代：

直至：

|H_i-H_i-1|≤0.0000001；|B_i-B_i-1|≤0.0000001

得到：L＝arctan(y/x)；B＝B_i；H＝H_i

上述式中，输入：x为直角坐标系x轴位置值；y为直角坐标系y轴位置值；z为直角坐标系z轴位置值，输出：L为计算经度，B为计算纬度，H为计算高。

利用上述计算可以将卫星位置(sx,sy,sz)转换为卫星经纬高(sL,sB,sH)并将终端位置(tx,ty,tz)转换为经纬高(tL,tB,tH),然后利用如下两式进行俯仰角方位角计算：

该模块在计算俯仰角和方位角后，输出给终端天线控制模块。

·天线控制模块202，其被配置为将终端的天线调整为所述俯仰角和方位角。天线控制模块202根据俯仰角/方位角计算模块的输出(EL,AZ)对天线进行控制，俯仰角方位为[-π/2,π/2]，终端天线因为其结构构造以及地球形状影响，并不能在所有俯仰角范围内接收到信号，只有卫星在终端天线接收范围内终端才能与卫星进行数据交互，该范围可用终端天线的最低俯仰角进行表示，设定终端天线在最低俯仰角为EL(min),则终端只有在俯仰角范围为[EL(min),π/2]范围内接收到信号。当俯仰角在可跟踪范围内时，天线控制模块实时控制终端天线指向，以达到实时跟踪目的；当俯仰角不在可跟踪范围内时，天线控制模块将关闭耗能的终端天线和终端天线控制机构，停止终端天线的方向调整，停止终端天线的数据收发，以达到节约能源的目的。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (8)

1.一种用于将终端的天线对准卫星的方法，包括：

从卫星接收定位信息和速度信息，其中所述定位信息描述卫星的位置并且所述速度信息描述卫星的速度；

根据所述定位信息和速度信息确定终端的额定定向；以及

将终端的天线调整为所述额定定向。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述额定定向包括终端相对于卫星的俯仰角和方位角。

3.根据权利要求1所述的方法，其中根据所述定位信息和速度信息确定终端的额定定向包括：

根据所述定位信息和速度信息进行轨道预测计算；以及

根据所述轨道预测计算确定终端的额定定向。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在终端不能与卫星进行有效数据交互时关断所述终端。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述定位信息接收自全球卫星定位系统和/或北斗卫星导航系统。

6.一种用于将终端的天线对准卫星的系统，包括：

通信模块，其被配置为向终端发送定位信息和速度信息，其中所述定位信息描述卫星的位置并且所述速度信息描述卫星的速度；

轨道外推模块，其被配置为根据所述定位信息和速度信息进行轨道预测计算；

角度计算模块，其被配置为根据所述轨道预测计算确定终端相对于卫星的俯仰角和方位角；以及

天线控制模块，其被配置为将终端的天线调整为所述俯仰角和方位角。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述定位信息接收自全球卫星定位系统和/或北斗卫星导航系统。

8.根据权利要求6所述的系统，其中所述系统被用于低轨道卫星。