CN109841957B - 一种移动卫星通信系统跟踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种移动卫星通信系统跟踪方法，利用天线系统本身的伺服精度，将其与天线接收到的信号电平对应，对跟踪精度范围内的相关区域进行划分，最终通过数据处理来计算出卫星所在的真实方向，从而调整天线完成对卫星实时稳定地跟踪。本发明提出的跟踪方法利用天线系统本身的伺服精度来实现动中通系统的实时跟踪，有效的消除了圆锥扫描原理跟踪方式下天线形成的偏移角，提高了天线的跟踪精度。利用一段时间内信号电平经数据处理后，可获得较为准确的电平值，数据利用率高，尤其是能有效避免偶然情况下带来的干扰，从而大大提高系统的容错力，实现高性能稳定可靠的卫星通信。
Description
技术领域
本发明主要应用于移动卫星通信领域，尤其是车载或船载卫星通信系统的跟踪技术，具体为一种移动卫星通信系统跟踪方法。
背景技术
目前，移动卫星通信(动中通)技术广泛应用于军民领域的各个方面，常用的跟踪技术有步进跟踪、单脉冲跟踪、圆锥扫描跟踪。其中，圆锥扫描跟踪技术由于其结构简单，成本低的特点在移动卫星通信领域得到普遍应用。基于圆锥扫描原理的跟踪方式主要包括，副面偏离跟踪方式和天线偏离跟踪方式。例如：公告号为CN103259090A的中国发明专利，公开了“一种新型的圆锥扫描天线”，其通过电机带动副面实现偏焦旋转锥扫，这种方式为副面偏离的跟踪方案。公告号为CN106443738A的中国发明专利，公开了“一种动中通天线的跟踪方法”，其通过采集天线在固定偏移角上的信号来计算天线调整方向，这种方式为天线偏离的跟踪方案。以上两种方式均存在缺陷，副面偏离方式由于圆扫电机、曲轴的存在使得天线结构变得复杂并且遮挡了部分信号；天线偏离方式由于要形成固定偏移角，导致天线指向偏离真实卫星位置，损失部分信号强度。
发明内容
为了解决现有技术中天线结构复杂及天线指向固定偏移造成的信号强度减弱等缺陷。本发明提出一种新型的动中通天线跟踪方法，利用天线系统本身的伺服精度，将其与天线接收到的信号电平对应，对跟踪精度范围内的相关区域进行划分，最终通过数据处理来计算出卫星所在的真实方向，从而调整天线完成对卫星实时稳定地跟踪。
本发明的技术方案为：
所述一种移动卫星通信系统跟踪方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：判断天线是否对准卫星，若已对准，则进行步骤2，否则控制天线偏转直至对准卫星；
步骤2：在卫星通信系统所处载体运动状态下采集时间长度T内的天线指向偏差和信号电平；且在时间长度T内，信号电平下降的幅值小于设定阈值；
步骤3：对步骤2采集的天线指向偏差值进行筛选；
步骤4：根据经过步骤3处理后的天线指向偏差值进行区域划分，均等划分形成九宫格区域；其中所划分区域的边界为：
BUp表示所划分区域的上边界，取俯仰方向上天线指向偏差值的正方向最大值；BUpM表示所划分区域的上中边界；BDownM表示所划分区域的下中边界；BDown表示所划分区域的下边界，BDown为负值，绝对值取值为俯仰方向上天线指向偏差值的负方向绝对值的最大值；BLeft表示所划分区域的左边界，BLeft为负值，绝对值取值为方位方向上天线指向偏差值的负方向绝对值的最大值；BLeftM所划分区域的左中边界；BRightM示所划分区域的右中边界；BRight表示所划分区域的右边界，取方位方向上天线指向偏差值的正方向最大值；
步骤5：根据步骤4的区域划分结果，判断在九宫格区域中十字分布的5个区域是否都具有天线指向偏差数据点，且九宫格区域中天线指向偏差数据点总个数不小于采样次数的40％，若是，则该次采集的数据有效，否则该次采集的数据无效，返回步骤2；
步骤6：计算九宫格区域中每个区域的天线指向偏差对应的信号电平值：
其中Pn表示第n区域中天线指向偏差对应的信号电平值，∑Pi表示落在该区域内的天线指向偏差对应信号电平值的累加值，NUMn表示落在该区域内的天线指向偏差数据点数；
找出9个区域的天线指向偏差对应的信号电平值的最大值，并依此确定天线指向调整量：
若右上区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向的方位调整量为
俯仰调整量为
P1为右上区域的天线指向偏差对应的信号电平值；
若正上区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向的方位不调整，俯仰调整量为
P2为正上区域的天线指向偏差对应的信号电平值；
若左上区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向的方位调整量为
俯仰调整量为
P3为左上区域的天线指向偏差对应的信号电平值；
若正左区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向的方位调整量为
俯仰不作调整；P4为正左区域的天线指向偏差对应的信号电平值；
若正中区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向不作调整；
若正右区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向的方位调整量为
俯仰不作调整；P6为正右区域的天线指向偏差对应的信号电平值；
若右下区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向的方位调整量为
俯仰调整量为
P7为右下区域的天线指向偏差对应的信号电平值；
若正下区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向的方位不调整，俯仰调整量为
P8为正下区域的天线指向偏差对应的信号电平值；
若左下区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向的方位调整量为
俯仰调整量为
P9为左下区域的天线指向偏差对应的信号电平值；
其中Kaz为方位调整系数，Kel为俯仰调整系数，
Kθ为中间变量，K为常系数，θ0.5为半功率波束宽度；P_M为卫星通信系统天线能接收到的最大信号电平值；
步骤7：根据步骤6确定的天线指向调整量确定天线指向调整策略，并执行天线指向调整策略；
步骤8：重复步骤2至步骤7，直至结束跟踪。
进一步的优选方案，所述一种移动卫星通信系统跟踪方法，其特征在于：步骤1中判断天线对准卫星的依据为：满足
其中P_T1为信号电平平坦度阈值，P_T2为信号电平与最大信号电平差阈值，P_max和P_min分别表示在时间长度T1内采集到信号电平的最大值和最小值。
进一步的优选方案，所述一种移动卫星通信系统跟踪方法，其特征在于：时间长度T1为20秒，信号电平与最大信号电平差阈值P_T2为0.5dB。
进一步的优选方案，所述一种移动卫星通信系统跟踪方法，其特征在于：步骤2中的天线指向偏差指转换到大地坐标系下的天线实际指向与当前理论天线指向二者之间的差值；该偏差值按方位方向和俯仰方向分别记录。
进一步的优选方案，所述一种移动卫星通信系统跟踪方法，其特征在于：步骤2中的设定阈值为0.2dB。
进一步的优选方案，所述一种移动卫星通信系统跟踪方法，其特征在于：步骤3中对天线指向偏差值进行筛选的过程为：对天线指向偏差值的集中程度进行判别，剔除离散程度超过离散度阈值的点。
进一步的优选方案，所述一种移动卫星通信系统跟踪方法，其特征在于：步骤3中的离散度阈值为0.15。
进一步的优选方案，所述一种移动卫星通信系统跟踪方法，其特征在于：步骤7中的天线指向调整策略为：将方位方向调整量用于对载体惯导的航向值进行修正；将俯仰方向调整量用于直接对天线的指向进行修正。
有益效果
本发明提出的跟踪方法利用天线系统本身的伺服精度来实现动中通系统的实时跟踪，有效的消除了圆锥扫描原理跟踪方式下天线形成的偏移角，提高了天线的跟踪精度。利用一段时间内信号电平经数据处理后，可获得较为准确的电平值，数据利用率高，尤其是能有效避免偶然情况下带来的干扰，从而大大提高系统的容错力，实现高性能稳定可靠的卫星通信。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明所述一种新型移动卫星通信系统跟踪方法流程图；
图2为本发明所述数据筛选情况示意图；
图3为本发明所述区域划分及信号电平情况示意图；
图4为本发明所述划分后的区域示意图；
图5为本发明所述天线调整方向示意图；
其中，AZ,EL为所建立的天线指向偏差坐标系，AZ表示方位方向上的偏差，EL表示俯仰方向上的偏差；1和2表示天线指向偏差离散程度较大的点；3表示判定离散程度的的阈值边界；4表示所划分区域的上边界；5表示所划分区域的上中边界；6表示所划分区域的下中边界；7表示所划分区域的下边界；8表示所划分区域的左边界；9表示所划分区域的左中边界；10表示所划分区域的右中边界；11表示所划分区域的右边界；P1-P9分别表示计算后区域一至区域九内的电平值。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
图1为本发明采用的跟踪方法主要流程。
首先判断移动卫星通信系统天线是否对准卫星，在天线未对准的情况下进行跟踪会严重影响跟踪性能，所以若已对准，则进行步骤2，否则控制天线偏转直至对准卫星。
判断天线对准卫星的过程为：
在时间长度T1内实时采集天线接收信号电平强度，并筛选出最大电平值P_max、最小电平值P_min，当满足下式条件时，即表示天线指准卫星：
其中P_M为卫星通信系统天线所能接收到的最大电平值，P_T1为信号电平平坦度阈值，P_T2为信号电平与最大信号电平差阈值。本实施例，时间长度T1为20秒，信号电平与最大信号电平差阈值P_T2为0.5dB，可以根据实际情况调整。
当检测出的信号电平满足上述对准条件后，在移动卫星通信系统所处载体运动状态下采集时间长度T内的天线指向偏差和信号电平；其中采集时长T的确定原则为：根据惯导航向漂移的速度确定，要求在时间长度T内，信号电平下降的幅值小于设定阈值；本实施例中阈值设为0.2dB。
所述天线指向偏差指天线实际指向与当前理论天线指向二者之间的差值；该偏差值按方位方向和俯仰方向分别记录。对采集到的天线指向偏差分别按方位方向和俯仰方向记录。其中，天线实际空间指向为方位电机编码器输出角度和俯仰电机编码器输出角度，综合惯导输出的航向角、横滚角、俯仰角，经过坐标转换到大地坐标系下计算出来的值。
之后对采集的天线指向偏差值进行筛选，具体处理过程为：分别计算方位方向上天线指向偏差值的均值μaz、俯仰方向上天线指向偏差值的均值μel；然后计算每个偏差点的方差，方差大于设定阈值的点需要剔除，图2中，点1和点2即为离散程度较大的点。剔除条件表示为：
其中，T3为图2中所示阈值边界；阈值边界的选取原则为：按照离散程度的大小分别在方位方向和俯仰方向对天线指向偏差值由大到小进行排序，T3的选取为保证90％的偏差点落入其边界内。
接下来根据经过筛选处理后的天线指向偏差值进行区域划分，均等划分形成九宫格区域，如图3所示；其中所划分区域的边界为：
BUp表示所划分区域的上边界，取俯仰方向上天线指向偏差值的正方向最大值；BUpM表示所划分区域的上中边界；BDownM表示所划分区域的下中边界；BDown表示所划分区域的下边界，BDown为负值，绝对值取值为俯仰方向上天线指向偏差值的负方向绝对值的最大值；BLeft表示所划分区域的左边界，BLeft为负值，绝对值取值为方位方向上天线指向偏差值的负方向绝对值的最大值；BLeftM表示所划分区域的左中边界；BRightM表示所划分区域的右中边界；BRight表示所划分区域的右边界，取方位方向上天线指向偏差值的正方向最大值。
区域边界为动态划分，即区域的边界在每个周期的跟踪下均不相等。然后根据区域划分结果，进行数据有效性判别，判别原则为：判断在九宫格区域中十字分布的5个区域是否都具有天线指向偏差数据点，且九宫格区域中天线指向偏差数据点总个数不小于采样次数的40％，若是，则该次采集的数据有效，否则该次采集的数据无效，返回步骤2。
对于有效数据，计算九宫格区域中每个区域的天线指向偏差对应的信号电平值：
其中Pn表示第n区域中天线指向偏差对应的信号电平值，∑Pi表示落在该区域内的天线指向偏差对应信号电平值的累加值，NUMn表示落在该区域内的天线指向偏差数据点数；图4中P1-P9分别表示区域一至区域九的电平值。
找出9个区域的天线指向偏差对应的信号电平值的最大值，并依此确定天线指向调整量。
若落在右上区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则方位调整的方向向右，调整量为计算方法如下：
设空间方向图为
其中，P_M为天线系统能接收到的最大信号电平强度；K为常系数；θ0.5为半功率波束宽度；θ为当前天线指向偏离卫星实际方向的角度。
据此可求得方位调整量为：
设
并规定方向向右为正，俯仰向上为正；故舍去负值，则最终方位方向的调整量为：
其中ΔAZ为方位方向的调整量；Kaz为方位调整系数，根据实际情况选择。
俯仰调整的方向向下，调整量同理可计算得到，为
其中：ΔEL为俯仰方向的调整量；Kel为方位调整系数，根据实际情况选择。
所以得到最终的调整量为：
若右上区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向的方位调整量为
俯仰调整量为
P1为右上区域的天线指向偏差对应的信号电平值；
若正上区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向的方位不调整，俯仰调整量为
P2为正上区域的天线指向偏差对应的信号电平值；
若左上区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向的方位调整量为
俯仰调整量为
P3为左上区域的天线指向偏差对应的信号电平值；
若正左区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向的方位调整量为
俯仰不作调整；P4为正左区域的天线指向偏差对应的信号电平值；
若正中区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向不作调整；
若正右区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向的方位调整量为
俯仰不作调整；P6为正右区域的天线指向偏差对应的信号电平值；
若右下区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向的方位调整量为
俯仰调整量为
P7为右下区域的天线指向偏差对应的信号电平值；
若正下区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向的方位不调整，俯仰调整量为
P8为正下区域的天线指向偏差对应的信号电平值；
若左下区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向的方位调整量为
俯仰调整量为
P9为左下区域的天线指向偏差对应的信号电平值；
其中Kaz为方位调整系数，Kel为俯仰调整系数，
K为常系数，θ0.5为半功率波束宽度；Pmax为卫星通信系统天线能接收到的最大信号电平强度。
步骤7：根据步骤6确定的天线指向调整量确定天线指向调整策略，并执行天线指向调整策略；其中将方位方向调整量用于对载体惯导的航向值进行修正；将俯仰方向调整量用于直接对天线的指向进行修正。
步骤8：重复步骤2至步骤7，直至结束跟踪。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种移动卫星通信系统跟踪方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：判断天线是否对准卫星，若已对准，则进行步骤2，否则控制天线偏转直至对准卫星；
步骤2：在卫星通信系统所处载体运动状态下采集时间长度T内的天线指向偏差和信号电平；且在时间长度T内，信号电平下降的幅值小于设定阈值；
步骤3：对步骤2采集的天线指向偏差值进行筛选；
步骤4：根据经过步骤3处理后的天线指向偏差值进行区域划分，均等划分形成九宫格区域；其中所划分区域的边界为：
BUp表示所划分区域的上边界，取俯仰方向上天线指向偏差值的正方向最大值；BUpM表示所划分区域的上中边界；BDownM表示所划分区域的下中边界；BDown表示所划分区域的下边界，BDown为负值，绝对值取值为俯仰方向上天线指向偏差值的负方向绝对值的最大值；BLeft表示所划分区域的左边界，BLeft为负值，绝对值取值为方位方向上天线指向偏差值的负方向绝对值的最大值；BLeftM表示所划分区域的左中边界；BRightM表示所划分区域的右中边界；BRight表示所划分区域的右边界，取方位方向上天线指向偏差值的正方向最大值；
步骤5：根据步骤4的区域划分结果，判断在九宫格区域中十字分布的5个区域是否都具有天线指向偏差数据点，且九宫格区域中天线指向偏差数据点总个数不小于采样次数的40％，若是，则该次采集的数据有效，否则该次采集的数据无效，返回步骤2；
步骤6：计算九宫格区域中每个区域的天线指向偏差对应的信号电平值：
其中Pn表示第n区域中天线指向偏差对应的信号电平值，∑Pi表示落在该区域内的天线指向偏差对应信号电平值的累加值，NUMn表示落在该区域内的天线指向偏差数据点数；
找出9个区域的天线指向偏差对应的信号电平值的最大值，并依此确定天线指向调整量：
若右上区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向的方位调整量为
俯仰调整量为
P1为右上区域的天线指向偏差对应的信号电平值；
若正上区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向的方位不调整，俯仰调整量为
P2为正上区域的天线指向偏差对应的信号电平值；
若左上区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向的方位调整量为
俯仰调整量为
P3为左上区域的天线指向偏差对应的信号电平值；
若正左区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向的方位调整量为
俯仰不作调整；P4为正左区域的天线指向偏差对应的信号电平值；
若正中区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向不作调整；
若正右区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向的方位调整量为
俯仰不作调整；P6为正右区域的天线指向偏差对应的信号电平值；
若右下区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向的方位调整量为
俯仰调整量为
P7为右下区域的天线指向偏差对应的信号电平值；
若正下区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向的方位不调整，俯仰调整量为
P8为正下区域的天线指向偏差对应的信号电平值；
若左下区域的天线指向偏差对应的信号电平值最大，则天线指向的方位调整量为
俯仰调整量为
P9为左下区域的天线指向偏差对应的信号电平值；
其中Kaz为方位调整系数，Kel为俯仰调整系数，
Kθ为中间变量，K为常系数，θ0.5为半功率波束宽度；P_M为卫星通信系统天线能接收到的最大信号电平值；
步骤7：根据步骤6确定的天线指向调整量确定天线指向调整策略，并执行天线指向调整策略；
步骤8：重复步骤2至步骤7，直至结束跟踪。
2.根据权利要求1所述一种移动卫星通信系统跟踪方法，其特征在于：步骤1中判断天线对准卫星的依据为：满足
其中P_T1为信号电平平坦度阈值，P_T2为信号电平与最大信号电平差阈值，P_max和P_min分别表示在时间长度T1内采集到信号电平的最大值和最小值。
3.根据权利要求2所述一种移动卫星通信系统跟踪方法，其特征在于：时间长度T1为20秒，信号电平与最大信号电平差阈值P_T2为0.5dB。
4.根据权利要求1所述一种移动卫星通信系统跟踪方法，其特征在于：步骤2中的天线指向偏差指转换到大地坐标系下的天线实际指向与当前理论天线指向二者之间的差值；该偏差值按方位方向和俯仰方向分别记录。
5.根据权利要求1所述一种移动卫星通信系统跟踪方法，其特征在于：步骤2中的设定阈值为0.2dB。
6.根据权利要求1所述一种移动卫星通信系统跟踪方法，其特征在于：步骤3中对天线指向偏差值进行筛选的过程为：对天线指向偏差值的集中程度进行判别，剔除离散程度超过离散度阈值的点。
7.根据权利要求6所述一种移动卫星通信系统跟踪方法，其特征在于：步骤3中的离散度阈值为0.15。
8.根据权利要求1所述一种移动卫星通信系统跟踪方法，其特征在于：步骤7中的天线指向调整策略为：将方位方向调整量用于对载体惯导的航向值进行修正；将俯仰方向调整量用于直接对天线的指向进行修正。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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