CN110011722A - 一种用于车载“动中通”的过隧道快速对星方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于车载“动中通”的过隧道快速对星方法及系统，该方法包括：检测GPS有效卫星数量，当检测到GPS有效卫星数量突然减少时，发送“减突跳”信号，将天线控制方式由AGC信标电平跟踪切换为惯导锁定，控制天线的方位始终对准GPS有效卫星数量突然减少前卫星的方向，并锁定天线的俯仰角和极化角为GPS有效卫星数量突然减少前的角度；当检测到GPS有效卫星数量突然增多时，发送“增突跳”信号，将天线控制方式由惯导锁定切换为AGC信标电平跟踪。本发明弥补了车载“动中通”系统过隧道无快速对星策略的空白，提高了车载”动中通”系统在多隧道山区路段的敏感度和实用性。

Description

一种用于车载“动中通”的过隧道快速对星方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，尤其涉及一种用于车载“动中通”的过隧道快速对星方法及系统。

背景技术

近年来，随着卫星通信技术的不断发展，“动中通”卫星通信技术也有了长足的进步，车载“动中通”系统采用自主跟踪方式跟踪卫星，卫星通信覆盖区域大、抗干扰能力强、线路稳定、灵活机动性高、灵敏度高、环境适应能力强等特点，越来越多地被用在应对各种突发状况的应急通信领域。尤其是近几年在祖国中西部地区的地震救灾、抗洪抢险、应对暴恐等事件中，车载“动中通”应急通信系统都发挥了巨大的作用。

然而，正是因为车载“动中通”系统具有这些优点，所以对其应用需求最多的地区大多位于祖国中西部，这些地区的地形地貌具有高海拔，多山区等特点，地形复杂，隧道众多。采用传统的车载“动中通”系统，在车辆进入隧道后，没有任何过隧道对星策略，此时卫星通信信号被遮挡、GPS定位信号丢失，卫星天线随即失锁；当车辆出隧道时，GPS恢复定位需要3-5秒、天线圆扫搜星需要5-8秒、惯导漂移修正需要1-2秒、天线精确对星需要1-3秒，这样，系统需要至少10-18秒时间才能恢复对星，恢复时间过长，在连续过隧道的山区，车辆从前一个隧道穿出，系统还未恢复通信，或者刚刚建立通信，就又进入下一个隧道，基本无法与卫星进行正常通信，失去了“动中通”高机动、高灵敏、环境适应能力强的优点，不能满足车载“动中通”在山区多隧道环境下，高机动高灵敏度的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于车载“动中通”的过隧道快速对星方法及系统，解决车载卫星通信系统链路在进入隧道断开，出隧道长时间无法重连的问题。本发明适用于汽车、火车等车载“动中通”系统，在山区多隧道环境中过隧道快速恢复卫星通信功能。

本发明提供的一种用于车载“动中通”的过隧道快速对星方法，包括：

检测GPS有效卫星数量，当检测到GPS有效卫星数量突然减少时，发送“减突跳”信号，将天线控制方式由AGC信标电平跟踪切换为惯导锁定，控制天线的方位始终对准GPS有效卫星数量突然减少前卫星的方向，并锁定天线的俯仰角和极化角为GPS有效卫星数量突然减少前的角度；当检测到GPS有效卫星数量突然增多时，发送“增突跳”信号，将天线控制方式由惯导锁定切换为AGC信标电平跟踪。

进一步，将天线控制方式由惯导锁定切换为AGC信标电平跟踪包括：将天线的方位、俯仰和极化各轴在预设范围内进行搜索，直到卫星信标AGC信号大于预设门限值，将角度锁定。

进一步，方位、俯仰和极化各轴的预设范围分别为-2°～2°、-5°～5°和-10°～10°。

进一步，将角度锁定后，根据此时的卫星位置、AGC电平最大时天线对准方向和GPS位置信息计算得出准确的航向角信息，以此修正惯导的零漂。

进一步，天线控制方式的切换自动完成，并通过显示屏和/或指示灯对控制方式进行显示。

进一步，根据惯导姿态信息进行惯导锁定，所述惯导姿态信息包括卫星相对于车体的真实方位角度、俯仰角度和极化角度。

进一步，还包括通过AGC信标电平加惯导跟踪的方式，稳定跟踪卫星，并实时计算和存储卫星相对于车体的真实方位角度、俯仰角度和极化角度。

本发明另一方面提供的一种用于车载“动中通”的过隧道快速对星系统，包括：

GPS接收机，所述GPS接收机包括GPS天线和有效卫星数量检测模块，用于检测GPS有效卫星数量，并发出有效卫星数量“增突跳”和“减突跳”信号，“增突跳”指检测到的GPS有效卫星数量突然增多，“减突跳”指检测到的GPS有效卫星数量突然减少；

惯性导航仪，用于测量天线的姿态信息及速度信息；

控制方式切换单元，用于自动切换天线的控制方式，天线的控制方式包括AGC信标电平跟踪和惯导锁定，所述惯导锁定是指控制天线的方位始终对准GPS有效卫星数量突然减少前卫星的方向，并锁定天线的俯仰角和极化角为GPS有效卫星数量突然减少前的角度；

伺服控制器，用于控制天线自动跟踪卫星；

卫星动中通天线，用于搜索卫星信号。

进一步，伺服控制器依据卫星信标AGC电平信号和惯导姿态速度信息，闭环控制天线自动跟踪卫星。

进一步，所述惯性导航仪为MEMS惯性导航仪，捷联在GPS天线上。

本发明针对传统车载“动中通”过隧道后重新对星时间过长的问题，设计了一套过隧道快速对星策略，弥补了车载“动中通”系统过隧道无快速对星策略的空白。GPS给出失锁信号和重新锁定信号的时延均为3秒左右，本发明采用GPS星数突跳信号作为进出隧道标志，灵敏度提高了一个数量级。然后结合进隧道前天线跟踪卫星的相关数据，在进入隧道后采取惯导锁定的方式，使天线指向始终对准卫星的方向，为出隧道后快速对星奠定了基础。出隧道后，系统重新对星时间在2秒以内，比传统的”动中通”系统提高了一个数量级，极大缩短了卫星通信的恢复时间，提高了车载”动中通”系统在多隧道山区路段的敏感度和实用性。恢复对星后，系统利用AGC最大值时的角度信息，修正陀螺漂移，提高了系统的自适应能力和动态精度。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明实施例的快速对星过程示意图；

图2为本发明实施例的快速对星方法流程图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明利用卫星位置信息、车辆位置信息、GPS星数突跳信号、惯导系统导航信息、卫星信标信号、AGC电平信号、惯导漂移修正策略等，发明了一种用于车载“动中通”的过隧道快速对星方法及系统，在车辆穿过隧道后，可以在1-2秒时间恢复对星，有效提高了“动中通”系统在山区多隧道路况下的实时通信能力。本发明包括GPS星数突跳检测、AGC信标跟踪、惯导锁定、天线精确搜索等环节，过隧道后重新对星时间小于2秒，解决了车载”动中通”过隧道后对星时间过长的问题。

如图1所示，装备“动中通”卫星通信系统的列车进入隧道时，由于卫星被遮挡，可在200ms内检测到GPS有效卫星数量突然减少，发送“减突跳”信号，立即切换天线的控制方式，由“AGC”信标电平跟踪切换到惯导锁定。在隧道内行进过程中，可依据惯导姿态信息(包括卫星相对于车体的真实方位角度、俯仰角度和极化角度)，控制天线的方位始终对准进入隧道前卫星的方向，并锁定天线的俯仰角和极化角为进入隧道前存储的角度值。列车驶出隧道时，可在200ms内检测到GPS有效卫星数量突然增多，发送“增突跳”信号，立即将控制方式由惯导锁定切换到AGC信标电平跟踪。

如图2所示，本实施例的用于车载“动中通”的过隧道快速对星方法包括以下步骤。在本实施例中，天线控制方式的切换自动完成，同时可通过显示屏和/或指示灯对控制方式进行显示。在其他一些实施例中，天线控制方式的切换也可通过人工进行操作。

1)列车在进入隧道前，通过惯导、加速度计、GPS、卫星信标等，稳定跟踪卫星，实时计算并存储卫星相对于车体的真实方位角度、俯仰角度和极化角度。

2)进入隧道时，由于隧道的遮挡，GPS有效卫星数量突然减少，在200ms内即可检测到GPS有效卫星数量突然减少，立即将“减突跳”信号发送至控制方式切换单元。

3)控制方式切换单元接收到“减突跳”信号后，立即将天线的控制方式由AGC信标电平跟踪切换到惯导锁定，捷联在天线体上的MEMS惯性导航仪实时给出天线的真实方位信息，当车辆在隧道内转弯时，控制天线的方位始终对准进入隧道前卫星的方向。而天线的俯仰角度和极化角度锁定在进隧道前存储的角度值。

4)车辆出隧道时，GPS有效卫星数量突然增多，同样在200ms内发送“增突跳”信号至控制方式切换单元。

5)控制方式切换单元接收到“增突跳”信号后，立即将天线的控制方式由惯导锁定切换到AGC信标电平跟踪。由于陀螺零漂和力矩扰动的存在，天线方位指向不可能在出隧道后依然精确对准卫星，俯仰角度和极化角度在地理位置和地形改变后，也需要小范围调整。

由于天线在隧道内的方位指向基本指向卫星方向，因此只需要将天线的方位、俯仰、极化各轴在小范围内精确搜索，继而由AGC电平的最大值锁定卫星，此过程在2秒内即可完成。优选地，方位、俯仰和极化各轴分别在-2°～2°、-5°～5°和-10°～10°的范围内进行搜索，直到卫星信标AGC信号大于预设门限值，将角度锁定。

6)在出隧道3-5秒后GPS重新锁定，由此时的卫星位置、AGC电平最大时天线对准方向、GPS位置信息等计算得出准确的航向角信息，以此修正惯导的零漂。

7)在下一次进入隧道前，采取AGC信标电平+惯导跟踪的方式，稳定跟踪卫星，并实时计算和存储卫星相对于车体的真实方位角度、俯仰角度和极化角度。

8)进入下一隧道时，重复上述过程，实现列车在非隧道路段快速对星、稳定跟星以及卫星通信的目的。

本发明的另一目的是提供一种用于车载“动中通”的过隧道快速对星系统，包括GPS接收机，所述GPS接收机包括GPS天线和有效卫星数量检测模块，用于检测GPS有效卫星数量，并发出有效卫星数量“增突跳”和“减突跳”信号，“增突跳”指检测到的GPS有效卫星数量突然增多，“减突跳”指检测到的GPS有效卫星数量突然减少；惯性导航仪，用于测量天线的姿态信息及速度信息；控制方式切换单元，用于自动切换天线的控制方式，天线的控制方式包括AGC信标电平跟踪和惯导锁定，所述惯导锁定是指控制天线的方位始终对准GPS有效卫星数量突然减少前卫星的方向，并锁定天线的俯仰角和极化角为GPS有效卫星数量突然减少前的角度；伺服控制器，用于控制天线自动跟踪卫星；卫星动中通天线，用于搜索卫星信号。优选地，伺服控制器依据卫星信标AGC电平信号和惯导姿态速度信息，闭环控制天线自动跟踪卫星。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种用于车载“动中通”的过隧道快速对星方法，其特征在于，包括：

检测GPS有效卫星数量，当检测到GPS有效卫星数量突然减少时，发送“减突跳”信号，将天线控制方式由AGC信标电平跟踪切换为惯导锁定，控制天线的方位始终对准GPS有效卫星数量突然减少前卫星的方向，并锁定天线的俯仰角和极化角为GPS有效卫星数量突然减少前的角度；当检测到GPS有效卫星数量突然增多时，发送“增突跳”信号，将天线控制方式由惯导锁定切换为AGC信标电平跟踪。

2.根据权利要求1所述的一种用于车载“动中通”的过隧道快速对星方法，其特征在于，将天线控制方式由惯导锁定切换为AGC信标电平跟踪包括：将天线的方位、俯仰和极化各轴在预设范围内进行搜索，直到卫星信标AGC信号大于预设门限值，将角度锁定。

3.根据权利要求2所述的一种用于车载“动中通”的过隧道快速对星方法，其特征在于，方位、俯仰和极化各轴的预设范围分别为-2°～2°、-5°～5°和-10°～10°。

4.根据权利要求2所述的一种用于车载“动中通”的过隧道快速对星方法，其特征在于，将角度锁定后，根据此时的卫星位置、AGC电平最大时天线对准方向和GPS位置信息计算得出准确的航向角信息，以此修正惯导的零漂。

5.根据权利要求1所述的一种用于车载“动中通”的过隧道快速对星方法，其特征在于，天线控制方式的切换自动完成，并通过显示屏和/或指示灯对控制方式进行显示。

6.根据权利要求1或5所述的一种用于车载“动中通”的过隧道快速对星方法，其特征在于，根据惯导姿态信息进行惯导锁定，所述惯导姿态信息包括卫星相对于车体的真实方位角度、俯仰角度和极化角度。

7.根据权利要求1所述的一种用于车载“动中通”的过隧道快速对星方法，其特征在于，还包括通过AGC信标电平加惯导跟踪的方式，稳定跟踪卫星，并实时计算和存储卫星相对于车体的真实方位角度、俯仰角度和极化角度。

8.一种用于车载“动中通”的过隧道快速对星系统，其特征在于，包括：

GPS接收机，所述GPS接收机包括GPS天线和有效卫星数量检测模块，用于检测GPS有效卫星数量，并发出有效卫星数量“增突跳”和“减突跳”信号，“增突跳”指检测到的GPS有效卫星数量突然增多，“减突跳”指检测到的GPS有效卫星数量突然减少；

惯性导航仪，用于测量天线的姿态信息及速度信息；

控制方式切换单元，用于自动切换天线的控制方式，天线的控制方式包括AGC信标电平跟踪和惯导锁定，所述惯导锁定是指控制天线的方位始终对准GPS有效卫星数量突然减少前卫星的方向，并锁定天线的俯仰角和极化角为GPS有效卫星数量突然减少前的角度；

伺服控制器，用于控制天线自动跟踪卫星；

卫星动中通天线，用于搜索卫星信号。

9.根据权利要求8所述的一种用于车载“动中通”的过隧道快速对星系统，其特征在于，伺服控制器依据卫星信标AGC电平信号和惯导姿态速度信息，闭环控制天线自动跟踪卫星。

10.根据权利要求8所述的一种用于车载“动中通”的过隧道快速对星系统，其特征在于，所述惯性导航仪为MEMS惯性导航仪，捷联在GPS天线上。