CN109918812A - 一种方位俯仰型天线通用正倒镜程序过顶处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方位俯仰型天线通用正倒镜程序过顶处理方法，属于航天测控、卫星通信等相关工程领域，该方法提供了正镜与倒镜两种程序过顶方式统一方法，并从过顶时间、指向误差、方位最大角速度等方面对两种过顶方式作了定量分析。本发明提供的一种方位俯仰型天线通用正倒镜程序过顶处理方法基于天线驱动性能，在解决过顶前后天线角度平稳过渡与跟踪方式闭环切换稳定的同时，能弥补当前程序过顶不能充分发挥天线驱动性能的不足，可将程序过顶时间做到最小，其指向误差也相应降到最小，从而最大限度地减小天线过顶盲区，提高天线利用率。

Description

一种方位俯仰型天线通用正倒镜程序过顶处理方法

技术领域

本发明提出一种方位俯仰型天线通用正倒镜程序过顶处理方法，属于航天测控、卫星通信等采用方位俯仰型天线转台的相关工程领域。

背景技术

方位－俯仰型天线座架系统(以下简称A-E型)有诸如结构紧凑、便于机械扫描和跟踪等优点，在航天测控、卫星通信等相关工程领域得到了广泛应用。但这种座架天线受方位驱动能力的限制，在天顶附近存在一定的跟踪盲区，导致目标不能连续跟踪，影响了对目标的跟踪控制与数据接收，具体盲区大小可由所跟踪目标轨道高度以及天线速度、加速度指标决定。在目标高度一定的情况上，天线最大速度越快、加速度越大，天线的盲区就越小，但天线最大速度、最大加速度等指标受天线结构、口径大小等限制，天线的跟踪盲区必然不同程度地存在。

工程上，常用过顶方法有三轴倾斜机械过顶、程序引导过顶等方法。由于三轴天线本身对结构的要求较高，一般适用于小型口径天线，对于大多数A-E型二轴天线，则是采用程序引导过顶的方式。当目标接近跟踪盲区时，天线提前加速，以最大速度、最大加速度冲出盲区后，再转入对目标的捕获与跟踪。这种方法因受天线速度、加速度等指标限制，在程序引导过顶过程中，必然造成一段时间的目标丢失，目标越接近天顶，丢失时间就会越长，一定程度上影响了天线设备的使用效率。同时，由于目标时刻处于运动，过顶前天线处于自跟踪状态，过顶中，天线则处于程序引导方式，过顶后，天线又重新转入自跟踪状态，如果程序过顶处理不好，则会造成天线振荡，甚至造成天线过流保护，在一定程序上加大了机械磨损，缩短了天线设备使用寿命。

随着我国商业航天的不断发展，越来越多的商业公司组建了自己的商业测控网络，但其可调动测控资源也有一定限度，在天线性能指标不变的情况下，如果能够通过改进程序过项方法，减少天线跟踪盲区，一定程度上也会提高天线的使用效率，从而也会带来一定的商业价值。

发明内容

基于上述背景技术中存在的问题，本发明提出了一种方位俯仰型天线通用正倒镜程序过顶处理方法，一方面，在解决正镜程序过顶前后的跟踪平滑问题的同时，能够充分发挥天线性能指标，最大限度地减少跟踪盲区。另一方面，提出了一种基于倒镜程序过顶处理方法，作为正镜程序过顶的一种补充，在不增加天线性能指标地情况下，可以很好地弥补天线天顶附近的跟踪盲区，从而可以有效提高天线的使用效率。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种方位俯仰型天线通用正倒镜程序过顶处理方法，具体步骤包括：

步骤一：等时间间隔的目标跟踪的轨道预报

根据目标轨道根数，可根据公开的轨道预报软件，按一定时间间隔T计算出所跟踪目标进出站的理论弹道离散时间序列数据；

步骤二：理论弹道离散时间序列数据程序过顶预处理

采用正镜程序过顶时，搜索并记录弹道方位速度绝对值最大时的时间序列号，并保持弹道数据的方位角、俯仰角、方位角速度、俯仰角速度保持不变；

采用倒镜程序过顶时，搜索并记录弹道俯仰速度小于零的最小时间序列号。当俯仰角速度大于等于零时，方位角、俯仰角、方位角速度、俯仰角速度保持不变，当俯仰角速度小于零时，方位角度加上180度并做角度超限处理，俯仰角变为180度减去俯仰角，方位角速度保持不变，俯仰角速度取反；

步骤三：程序过顶最佳起始点和结束点的确定

根据天线方位最大速度、最大加速度等性能指标，正镜时以方位速度绝对值最大时间序号点为起点，倒镜时以俯仰速度小于零的最小时间序列号为起点，沿该点弹道时间前后搜索经预处理后的目标理论弹道，并由速度、加速度与位移之间的关系在搜索时间间隔内，以天线能按方位最大角速度与最大角加速度可以转动角度范围大于理论弹道间隔角度范围为判断条件，直到搜索到满足条件的时间间隔，并以此间隔的起点为程序过顶最佳起始点，以此间隔的终点为程序过顶最佳结束点；

步骤四：起始点前与结束点后的程序过顶数据处理

对经预处理后在起始点前与结束点后的弹道数据，程序过顶时方位角、俯仰角、方位角速度、俯仰角速度保持其值不变；

步骤五：方位程序过顶起始点与结束点间的角度与角速度平滑处理

根据步骤三所采取的程序过顶最佳起始点和结束点的确定结果，自起始点下一个时间间隔点开始循环检测计算该点速度值减速至过顶结束点速度时所需要的时间，与该点至过顶结束点时间间隔相比，如果弹道时间大于减速所需要的时间，则以最大加速度对该点进行加速，并判断是否大于天线允许的最大速度，如果超过，则限制该点速度为最大速度，否则，自该点开始以最大加速度开始做减速，并以上一点速度与该点速度的均值乘以时间间隔作为速度增量，与上一刻的角度值相加，作为当前点的角度值，直至过顶结束点为止；

步骤六：俯仰程序过顶起始点与结束点间角度与角速度平滑处理

当采用正镜程序过顶时，天线俯仰在性能指标范围内即可满足目标跟踪要求，起始点与结束点间角度无需做平滑，保持其理论值不变。

当采用倒镜程序过顶时，先根据弹道起止时间与俯仰角度转动范围，计算出俯仰角平均速度、最大速度以及加速度值，然后以此值参照步骤五角度平滑处理方法，对等时间间隔的俯仰角速度与俯仰角进行平滑处理。

本发明的有益效果：本发明提供的一种方位俯仰型天线通用正倒镜程序过顶处理方法基于天线驱动性能，在解决过顶前后角度平稳过渡的同时，能弥补当前程序过顶不能充分发挥天线驱动性能的不足，可将程序过顶时间做到最小，其指向误差也相应降到最小，从而最大限度地减小天线过顶盲区，提高天线利用率。

附图说明

图1方位俯仰型天线座架

图2天线过顶盲区分析

图3正镜程序过顶天线方位角度平滑结果

图4正镜程序过顶天线方位角速度平滑结果

图5倒镜程序过顶天线方位角度平滑结果

图6倒镜程序过顶天线俯仰角度平滑结果

图7倒镜程序过顶天线方位角速度平滑结果

图8倒镜程序过顶天线俯仰角速度平滑结果

图9正镜与倒镜程序过顶时长定量分析

图10正镜与倒镜程序过顶指向误差定量分析

图11正镜与倒镜程序过顶方位最大角速度分析

本附图为发明实施例根据理论预报结果给出，其理论轨道参数和预报程序均来自互联网，预报出的目标轨道高度497.55度，预报间隔T＝0.05秒，为使图5、图6角度不出现过方位零度时产生跳跃影响连续性图示效果，将方位角度范围由0°至360°处理成-180°至180°。

具体实施方式

本发明以国内典型10米口径卡塞格仑方位俯仰型天线座架系统为实例，实例中天线性能指标参数如下：

方位角Az范围：0°至360°

方位最大速度MaxVaz：20°/s

方位最大加速度MaxAaz：10°/s²

俯仰角El范围：0°至180°

俯仰最大速度MaxVel：10°/s

俯仰最大加速度MaxAel：5°/s²

本实例所使用的目标轨道参数来源于互联网，使用的目标轨道高度497.55度，理论过顶仰角为89.17度，预报间隔T＝0.05秒。理论弹道方位最大角速度约为61°/s。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例，具体包括以下实施步骤：

步骤一：根据目标轨道根数，按一定时间间隔T计算出所跟踪目标的理论弹道时间序列。

[i Az(i) El(i) Va(i) Ve(i)] (1)

式(1)中：i、Az(i)、El(i)、Va(i)、Ve(i)分别为目标在天线球坐标系下的时间间隔为T的时间序列、方位角、俯仰角、方位角速度、俯仰角速度，i＝1,…,N。

判断理论弹道方位角最大速度是否超过天线方位性能指标，如果超限，则需要程序过顶。

步骤二：对理论弹道数据做预处理，具体又分两种情况进行如下处理：

(1)当采用正镜程序过顶时，i从1至N搜索弹道方位速度Va(i)绝对值最大时的时间序列号记作为PrepPoint。同时，方位角Az、俯仰角El、

方位角速度Va、俯仰角速度Ve保持不变，即：

(2)当采用倒镜程序过顶时，i从1至N搜索弹道俯仰速度Ve(i)小于零的最小时间序列号也记作为PrepPoint。俯仰角速度大于等于零时，方位角Az、俯仰角El、方位角速度Va、俯仰角速度Ve保持不变，当俯仰角速度小于零时，方位角Az、俯仰角El、方位角速度Va、俯仰角速度Ve转倒镜，即：

当i<PrepPoint时，

当i>＝PrepPoint时，

同时，对倒镜处理后的PrepAz(i)数据作角度超限处理，当PrepAz(i)≥360时，PrepAz(i)＝PrepAz(i)-360。

步骤三：根据天线方位最大速度MaxVaz、最大加速度MaxAaz等性能指标，搜索经预处理后的弹道数据，寻找程序过顶最佳起始点和结束点。搜索之前，先计算好弹道搜索长度SearchLength，其具体值取为PrepPoint和N-PrepPoint中最小的一个整数，然后按以下9个子步骤进行循环计算，循环变量i范围从1到SearchLength。

(1)取前后两搜索点的速度平均值Vstart作为过顶处理的速度初值：

Vstart＝(PrepVA(PrepPoint+i)+PrepVA(PrepPoint-i))/2 (5)

(2)计算方位角转动至最大速度时天线所需转动角度值MaxAzRange：

MaxAzRange＝(MaxVaz*MaxVaz-Vstart*Vstart)/MaxAaz/2 (6)

(3)计算方位过顶起、止点间天线方位角度调转范围值ProcAzRange：

ProcAzRange＝PrepAz(PrepPoint+i)-PrepAz(PrepPoint-i)(7)

(4)天线角度范围值过正北零位处理：

(5)根据天线方位角转动范围的正负设定方位角正反转标识AzDirectFlag：

(6)计算方位加速至最大速度时的平均速值Vacc：

Vacc＝(AzDirectFlag*MaxVaz+Vstart)/2 (10)

(7)计算方位调转平均速度：

Vaverage＝ProcAzRange/(2*i*0.05) (11)

(8)根据计算方位平均速度和方位加速至最大速度时的平均速值计算调转所需要的时间，若abs(Vaverage)>abs(Vacc),则调转所需要时间TurnTime为：

TurnTime＝(abs(ProcAzRange)－2*MaxAzRange)/MaxVaz

+2*abs((AzDirectFlag*MaxVaz-Vstart)/MaxAaz) (12)

否则：

TurnTime＝4*abs((Vaverage-Vstart)/MaxAaz) (13)

式(12)、(13)中，abs()表示为对变量值取绝对值。

(9)计算弹道时间值OrbitTime＝2*i*T,依据调转时间TurnTime与弹道时间OrbitTime值的大小判断是否寻找到最佳程序过顶起始点、结束点。若TurnTime<＝OrbitTime,说明在该弹道时间内方位可完成调转处理，则过顶起始点为StartPoint＝PrepPoint–i，过顶结束点EndPoint＝PrepPoint+i,搜索停止，否则重复上述(1)－(9)，直到寻找到最值程序过顶起始点和结束点。

步骤四：对变量i在[1，StartPoint]与[EndPoint，N]之间的程序过顶起始点前、停止点后的方位角ProcAz(i)、俯仰角ProcEl(i)、方位角速度ProcVa(i)、俯仰角ProcVe(i)作如下处理：

步骤五：方位程序过顶起始点、结束点间角度与角速度平滑处理。根据天线方位最大速度MaxVaz、最大加速度MaxAaz等性能指标，计算程序过顶起、止点即循环变量i在[StartPoint+1:EndPoint-1]时确保天线平稳运行的方位角ProcAz(i)、方位角速度ProcVa(i)，具体可重复以下5个子步骤：

(1)计算程序过顶剩余时间AzRestTime：

AzRestTime＝(EndPoint-i)*T (15)

(2)计算从前一点方位角速度ProcVa(i-1)减速到终止点方位角速度ProcVa(EndPoint)所需要的时间DccTime：

AzDccTime＝AzDirectFlag*(ProcVa(i-1)-ProcVa(EndPoint))/MaxAaz(16)

(3)根据程序过顶剩余时间AzRestTime与方位减速所需时间AzDccTime的大小，计算方位角速度ProcVa(i)。

若AzDccTime<AzRestTime时，天线方位加速处理，即：

ProcVa(i)＝ProcVa(i-1)+AzDirectFlag*MaxAaz*T (17)

同时判断方位是否超速，当AzDirectFlag*ProcVa(i)>MaxVaz时，则：

ProcVa(i)＝AzDirectFlag*MaxVaz (18)

若AzDccTime>＝AzRestTime时，天线方位需要减速处理，即：

ProcVa(i)＝ProcVa(i-1)-AzDirectFlag*MaxAaz*T (19)

(4)计算方位角ProcA(i)：

ProcAz(i)＝ProcAz(i-1)+(ProcVa(i)+ProcVa(i-1))*T/2 (20)

(5)方位角ProcA(i)角度越界处理：

正镜程序过顶所作的方位角度与角速度平滑处理结果可参见图3、图4，倒镜程序过顶所作的方位角度与角速度平滑处理结果可参见图5、图7。

步骤六：俯仰程序过顶起始点、结束点间角度与角速度平滑处理。

当采用正镜程序过顶预处理时，因对俯仰角度PrepEl(i)与俯仰角速度PrepVe(i)作预处理时，保持其理论值不变，故不会产生角度突跳，天线在性能指标范围内即可满足目标跟踪要求，对变量i在[StartPoint+1:EndPoint-1]范围内的数据无需要特殊处理，保持其值不变，即：

当采用倒镜程序过顶预处理时，对俯仰角作了倒镜处理，俯仰角在顶点前后产生了角度阶跃，为减少对天线的扰动影响，需做特殊平滑处理。

在平滑处理之前，先计算以下俯仰平滑处理加速度值，具体分以下4个子步骤：

(1)计算俯仰角度转动范围ElRange：

ElRange＝ProcEl(EndPoint)-ProcEl(StartPoint) (23)

(2)计算俯仰角速度平均值AverageVe：

AverageVe＝ElRange/(EndPoint-StartPoint)/T (24)

(3)计算程序过顶起始点与结束点间俯仰最大角速度ProcMaxVe：

ProcMaxVe＝2*AverageVe-ProcVe(StartPoint) (25)

(4)计算俯仰加速度值AccVe:

AccVe＝2*(ProcMaxVe-ProcVe(StartPoint))/(EndPoint-StartPoint)/T(26)

在计算出上述初始值后，参照步骤五，对循环变量i在[StartPoint+1:EndPoint-1]范围内的俯仰角度PrepEl(i)与俯仰角速度PrepVe(i)作平滑处理，同样，具体也可重复以下4个子步骤：

(1)计算程序过顶剩余时间ElRestTime：

ElRestTime＝(EndPoint-i)*T (27)

(2)计算从前一点俯仰角速度ProcVe(i-1)减速到终止点方位角速度ProcVe(EndPoint)所需要的时间ElDccTime：

ElDccTime＝(ProcVe(i-1)-ProcVe(EndPoint))/AccVe (28)

(3)根据程序过顶剩余时间ElRestTime与方位减速所需时间ElDccTime的大小，计算俯仰角速度ProcVe(i)。

若ElDccTime<ElRestTime时，天线方位加速处理，即：

ProcVe(i)＝ProcVe(i-1)+AccVe*T (29)

若ElDccTime>＝ElRestTime时，天线方位需要减速处理，即：

ProcVe(i)＝ProcVe(i-1)-AccVe*T (30)

(4)计算俯仰角ProcEl(i)：

ProcEl(i)＝ProcEl(i-1)+(ProcVe(i)+ProcVe(i-1))*T/2 (31)

俯仰倒镜程序过顶所作的角度与角速度平滑处理结果可参见图6、图8。

至此，本发明所技术方案所涉及具体实施步骤阐述完毕，上述步骤中关于角度平滑所使用的计算公式，可根据公知的速度、加速度与位移的关系推导给出，本发明不作推导说明。

结合本发明附图3、图4，可以看出，理论预报出的方位最大角速度为60.86°/s，已超出天线方位最大角速度指标，天线出现了盲区，需做过顶盲区处理。当采用正镜程序过顶角度与角速度数据平滑处理后，天线在过顶前后方位角度、方位角速度平滑，没有出现角度与角速度扰动，天线运转平稳，其运转也是按天线最大性能指标20°/s、最大角加速度10°/s²完成了盲区的过顶程序引导处理，整个过顶时间9.5s。

结合本发明附图5、图6、图7、图8，可以看出，当采用倒镜程序方式过顶时，对角度与角速度数据进行平滑处理，天线在过顶前后方位角度、方位角速度平滑，天线运转平稳，其运转也是按天线最大性能指标20°/s、最大角加速度10°/s²完成了盲区的过顶程序引导处理，整个过顶时间5.5s。

本发明提供了一种方位俯仰型天线通用正倒镜程序过顶处理方法，具体工程中，采用何种方式过顶，取决于天线性能指标以及过顶盲区角范围而定，本发明利用本实施例目标轨道根数，对不同过顶俯仰角采用上述实施步骤对两种过顶方式分别从过顶时间、最大指向误差、方位最大角速度等方面进行了过顶定量分析，从图9、图10分析结果可以看出，盲区角越接近天顶，正镜程序过顶时间越长，指向误差越大，而倒镜程序过顶时间越短，指向误差越小。反之，盲区角越远离天顶，正镜程序过顶时间越短，指向误差越小，而倒镜程序过顶时间越长，指向误差越大。在具体工程中，具体采用正镜过顶还是采用倒镜过顶，在不考虑天线机械磨损与电能损耗的情况下，可根据程序过顶时间长短来确定采用哪种过顶方式，以保证数据有效接收率。图11则是从过顶最大角速度的角度对过顶性能进行定量分析。如果考虑天线机械磨损与电能损耗，正镜过顶方式天线在盲区内方位角总是以最大速度冲出盲区，而采用倒镜过顶方式时，在接近天顶时，方位以较小的角速度即可以完成盲区的过顶处理，可以减少对天线机械的磨损和电能损耗。

本发明提供了正镜与倒镜两种程序过顶方式统一方法，并从过顶时间、指向误差、方位最大角速度等方面对两种过顶方式作了定量分析。本发明提供的一种方位俯仰型天线通用正倒镜程序过顶处理方法基于天线驱动性能，在解决过顶前后天线角度平稳过渡与跟踪方式闭环切换稳定的同时，能弥补当前程序过顶不能充分发挥天线驱动性能的不足，可将程序过顶时间做到最小，其指向误差也相应降到最小，从而最大限度地减小天线过顶盲区，提高天线利用率。

Claims (7)

1.一种方位俯仰型天线通用正倒镜程序过顶处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、等时间间隔的目标跟踪的轨道预报；

步骤二、理论弹道离散时间序列数据程序过顶预处理；

步骤三、最佳程序过顶最佳起始点和结束点的确定；

步骤四、起始点前与结束点后的程序过顶数据处理；

步骤五、方位程序过顶起始点与结束点间角度与角速度平滑处理；

步骤六、俯仰程序过顶起始点与结束点间角度与角速度平滑处理。

2.根据权利要求1所述的方位俯仰型天线通用正倒镜程序过顶处理方法，其特征在于，所述的步骤一的具体方法为：根据目标轨道根数，可根据公开的轨道预报软件，按一定时间间隔T计算出所跟踪目标进出站的理论弹道离散时间序列数据。

3.根据权利要求1所述的方位俯仰型天线通用正倒镜程序过顶处理方法，其特征在于，所述的步骤二的具体方法为：

采用正镜程序过顶时，搜索并记录弹道方位速度绝对值最大时的时间序列号，并保持弹道数据的方位角、俯仰角、方位角速度、俯仰角速度保持不变；

采用倒镜程序过顶时，搜索并记录弹道俯仰速度小于零的最小时间序列号，当俯仰角速度大于等于零时，方位角、俯仰角、方位角速度、俯仰角速度保持不变；当俯仰角速度小于零时，方位角度加上180度并做角度超限处理，俯仰角变为180度减去俯仰角，方位角速度保持不变，俯仰角速度取反。

4.根据权利要求1所述的方位俯仰型天线通用正倒镜程序过顶处理方法，其特征在于，所述的步骤三的具体方法为：

根据天线方位最大速度、最大加速度等性能指标，正镜时以方位速度绝对值最大时间序号点为起点，倒镜时以俯仰速度小于零的最小时间序列号为起点，沿该点弹道时间前后搜索经预处理后的目标理论弹道，并由速度、加速度与位移之间的关系在搜索时间间隔内，以天线能按方位最大角速度与最大角加速度可以转动角度范围大于理论弹道间隔角度范围为判断条件，直到搜索到满足条件的时间间隔，并以此间隔的起点为程序过顶最佳起始点，以此间隔的终点为程序过顶最佳结束点。

5.根据权利要求1所述的方位俯仰型天线通用正倒镜程序过顶处理方法，其特征在于，所述的步骤四的具体方法为：

对经预处理后在起始点前与结束点后的弹道数据，程序过顶时方位角、俯仰角、方位角速度、俯仰角速度保持其值不变。

6.根据权利要求1所述的方位俯仰型天线通用正倒镜程序过顶处理方法，其特征在于，所述的步骤五的具体方法为：

根据步骤三所采取的程序过顶最佳起始点和结束点的确定方法，自起始点下一个时间间隔点开始循环检测计算该点速度值减速至过顶结束点速度时所需要的时间，与该点至过顶结束点时间间隔相比，如果弹道时间大于减速所需要的时间，则以最大加速度对该点进行加速，并判断是否大于天线允许的最大速度，如果超过，则限制该点速度为最大速度，否则，自该点开始以最大加速度开始做减速，并以上一点速度与该点速度的均值乘以时间间隔作为速度增量，与上一刻的角度值相加，作为当前点的角度值，直至过顶结束点为止。

7.根据权利要求1所述的方位俯仰型天线通用正倒镜程序过顶处理方法，其特征在于，所述的步骤六的具体方法为：

当采用正镜程序过顶时，天线俯仰在性能指标范围内即可满足目标跟踪要求，起始点与结束点间角度无需做平滑，保持其理论值不变；

当采用倒镜程序过顶时，先根据弹道起止时间与俯仰角度转动范围，计算出俯仰角平均速度、最大速度以及加速度值，然后以此值参照步骤五角度平滑处理方法，对等时间间隔的俯仰角速度与俯仰角进行平滑处理。