CN110441797A - 基于载噪比的高可靠北斗rdss天线自动稳定跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于载噪比的高可靠北斗RDSS天线自动稳定跟踪方法。该方法利用天线旋转360°，实时计算各个北斗同步卫星的载噪比值，选定最大载噪比值对应的同步卫星作为捕获到的卫星；利用该卫星和船载终端的经纬度信息先计算出地理坐标系下的天线跟踪俯仰角和方位角，经过转换得到船体坐标系下的天线跟踪姿态角度；最后根据载噪比的实时变化对RDSS天线姿态进行自适应调整，以保持高可靠自动稳定地跟踪北斗同步卫星。本发明方法能够保证天线的跟踪精度满足0.4°的指标要求，从而确保海上卫星实时通信。

Description

基于载噪比的高可靠北斗RDSS天线自动稳定跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种基于载噪比的高可靠北斗RDSS天线自动稳定跟踪方法。

背景技术

我国自主研发的北斗卫星同时具有定位和通信的优势。目前，北斗卫星通信逐渐在军事和民用领域都得到了广泛的应用，诸如军事行动、电子战、救援搜索和海洋渔业等方面。然而，地球表面有超过70％以上的区域是海洋，而大部分海域北斗RDSS卫星信号较弱，传统的全向天线无法保证终端对北斗卫星信号的正常接收，需要更高增益的定向天线来实现北斗RDSS卫星弱信号的接收。因此，为了保证在海面环境中的实时通信，迫切需要研究一种北斗卫星跟踪方法，以确保定向天线能够随时指向进行通信的北斗卫星。传统的天线跟踪技术利用TDM载波信号强度或者卫星信标信号强度作为天线姿态调整的依据，并利用惯导系统辅助补偿跟踪，因而具有搜星时间长、稳定性差、自适应能力弱、跟踪精度低等缺点，这些缺点都能造成终端不能保持长时间、稳定可靠的跟踪北斗卫星的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于载噪比的高可靠北斗RDSS天线自动稳定跟踪方法，以保证RDSS天线能够高可靠稳定地跟踪北斗卫星。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

基于载噪比的高可靠北斗RDSS天线自动稳定跟踪方法，包括如下步骤：

I.RDSS天线旋转360°，在旋转过程中计算每个北斗同步卫星对应的载噪比值，实时记录最大载噪比值所对应的北斗同步卫星，将该卫星作为捕获到的北斗同步卫星；

II.利用捕获到的北斗同步卫星和船载终端的经纬度信息，计算船体坐标系下的卫星指向角度即天线跟踪姿态，实现对北斗同步卫星的初步跟踪；

III.基于实时变化的载噪比值，自适应调整天线姿态以实现稳定跟踪北斗同步卫星；

具体过程如下：

在得到RDSS卫星初始跟踪姿态以后，每隔时间t检测一次所捕获北斗同步卫星的载噪比值，根据如下几种载噪比变化的情形，对天线跟踪姿态进行自适应调整：

若载噪比值变化为C/N₀＝0dB，则表示天线跟踪失锁，RDSS天线复位，重新旋转360°扫描，找到相应最大载噪比值从而捕获到与最大载噪比值对应的北斗同步卫星；

若载噪比值变化为C/N₀≥60dB，则表示成功跟踪到北斗同步卫星，并且RDSS天线以此姿态继续跟踪北斗同步卫星；

若载噪比值变化为0dB<C/N₀<60dB，则表示载噪比强度没达到门限值，RDSS天线将启动自适应载噪比搜索和自适应陀螺仪补偿模式修正角度以跟踪北斗同步卫星。

优选地，步骤I具体为：

RDSS天线旋转到设定的初始位置，并由初始位置旋转360°；

在每个旋转角度处都利用RDSS天线接收并解调出五个北斗同步卫星对应的I、Q两路信号，分别计算出五个北斗同步卫星对应的载噪比值；

实时记录最大载噪比值所对应的北斗同步卫星，将该卫星作为捕获到的北斗同步卫星。

优选地，步骤II具体为：

首先利用捕获到的北斗同步卫星和当前船载终端所在的经纬度信息，计算地理坐标系下RDSS天线跟踪的俯仰角A₀和方位角E₀；

然后经过转换，得到船体坐标系下的天线跟踪姿态，即俯仰角A₁和方位角E₁。

优选地，俯仰角A₀的计算公式如下：

方位角E₀的计算公式如下：

其中，λ_R和φ_R为船载终端所在的经、纬度，λ_s为所指向的捕获到的地球同步卫星的经度。

优选地，船体坐标系下天线跟踪姿态的计算过程如下：

假设地理坐标系中的原点O与目标同步卫星的距离为r，地理坐标系下求得的方位角A₀和仰角E₀与卫星的直角坐标系转换关系满足以下公式：

在船体坐标系中卫星直角坐标系计算得到：

矩阵M的表达式为：

其中，H表示航向角，R表示横摇角，P表示纵摇角；

在船体坐标系中的俯仰角A₁和方位角E₁由地理坐标系中的公式计算得到，即：

本发明具有如下优点：

如上所述，本发明提供了一种基于载噪比的高可靠北斗RDSS天线自动稳定跟踪方法，该方法利用天线旋转360°，实时计算各个北斗同步卫星的载噪比值，选定最大载噪比值对应的卫星作为捕获到的卫星；利用该卫星和船载终端的经纬度信息先计算出地理坐标系下的天线跟踪俯仰角和方位角，经过转换得到船体坐标系下的天线跟踪姿态角度；最后根据载噪比的实时变化对RDSS天线姿态进行自适应调整，以保持高可靠自动稳定地跟踪北斗同步卫星。本发明方法能够保证天线跟踪精度满足0.4°的指标要求，从而确保海上卫星实时通信。

附图说明

图1为本发明实施例中基于载噪比的高可靠北斗RDSS天线自动稳定跟踪方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

结合图1所示，基于载噪比的高可靠北斗RDSS天线自动稳定跟踪方法，包括如下步骤：

I.RDSS天线旋转360°计算每个北斗同步卫星的载噪比值从而捕获卫星。

具体过程如下：

RDSS天线旋转到设定的初始位置，并由初始位置旋转360°。

在每个旋转角度处都利用RDSS天线接收并解调出五个北斗同步卫星对应的I、Q两路信号，分别计算出五个北斗同步卫星对应的载噪比值。

实时记录最大载噪比值所对应的北斗同步卫星，将该卫星作为捕获到的北斗同步卫星。

北斗接收机在经过前置放大、解调和解扩后会得到I和Q两个支路信号，而接收机中载噪比估计主要是基于解扩这两路信号的各种统计特性，用来衡量北斗同步卫星的信号质量。

设I、Q支路信号为：

其中，D(k)为调制数据，N₀为噪声的功率谱密度，为解扩后的噪声带宽(T为解扩后的采样间隔)，I为2×2的单位矩阵。

以下载噪比估计算法是基于该信号模型进行的，要求0.5ms内输出载噪比，精度<0.5dB。

对信号通道的I和Q进行符号内的相干累加，设相干积累的点数为M，得到和对得到的I、Q两路信号进行平方和计算，

分析上式中z_r的统计特性，其服从自由度为2，非中心参量X＝A²cos²φ+A²sin²φ＝A²的非中心χ²分布，归一化变量服从自由量为2，非中心参量的非中心Γ分布，且：

可得：其中，令

在实际的接收机中，载噪比大于39dB Hz，故计算中可忽略不计，因此，载噪比可近似认为是

II.利用捕获到的北斗同步卫星和船载终端的经纬度信息，计算船体坐标系下的卫星指向角度即天线跟踪姿态，实现对北斗同步卫星的初步跟踪。

具体过程如下：

利用捕获到的北斗同步卫星的经纬度和当前船载终端所在的经纬度计算地理坐标系下对应的俯仰角A₀和方位角E₀，A₀和E₀的计算公式分别如下：

俯仰角A₀的计算公式如下：

方位角E₀的计算公式如下：

其中，λ_R和φ_R为船载终端所在的经、纬度，λ_s为所指向的捕获到的地球同步卫星的经度。

由于该系统固定在船舶甲板上与船舶同步运动，卫星天线在执行对目标卫星的捕获和跟踪时必然会受到船舶运动的影响。因此需要在船体坐标系下对目标卫星的指向角度计算。

而已知地理坐标系下卫星指向角度的计算公式，只需要带入一组欧拉公式，便可以获得在船体坐标系下的对星角度计算公式，具体为：

其中，H表示航向角，R表示横摇角，P表示纵摇角。

当船体坐标系与地理坐标系重合时，通过两种方式计算的方位角和俯仰角也是相同的，即无需进行坐标系的转换。但是在实际航行过程中，船体坐标系与地理坐标系是不会一直重合的，因此，需要解算船体坐标系下的俯仰角A₁和方位角E₁。

转换到船体坐标系下天线跟踪姿态的计算过程如下：

假设地理坐标系中的原点O与目标同步卫星的距离为r，地理坐标系下求得的方位角A₀和仰角E₀与卫星的直角坐标系转换关系满足以下公式：

在船体坐标系中卫星直角坐标系计算得到：

矩阵M的表达式如上述公式所示。

在船体坐标系中的俯仰角A₁和方位角E₁由地理坐标系中的公式计算得到，即：

III.基于实时变化的载噪比值，自适应调整天线姿态以实现稳定跟踪北斗同步卫星。

具体过程如下：

在得到RDSS卫星初始跟踪姿态以后，每隔时间t检测一次所捕获北斗同步卫星的载噪比值，根据如下几种载噪比变化的情形，对天线跟踪姿态进行自适应调整：

在本实施例中，例如t＝0.1s；

若载噪比值变化为C/N₀＝0dB，则表示天线跟踪失锁，RDSS天线复位，重新旋转360°扫描，找到相应最大载噪比值从而捕获到与最大载噪比值对应的北斗同步卫星；

若载噪比值变化为C/N₀≥60dB，则表示成功跟踪到北斗同步卫星，并且RDSS天线以此姿态继续跟踪北斗同步卫星；

若载噪比值变化为0dB<C/N₀<60dB，则表示载噪比强度没达到门限值，RDSS天线将启动自适应载噪比搜索和自适应陀螺仪补偿模式修正角度以跟踪北斗同步卫星，以保证卫星天线始终指向目标卫星信号最强的方向。

其中，自适应载噪比搜索和自适应陀螺仪补偿模式修正角度的过程，例如参考百度学术中的文章“北斗船载卫星天线稳定跟踪系统的设计与实现”。

本发明基于载噪比变化对天线姿态自适应调整，使RDSS天线自动稳定地跟踪北斗卫星。

下面结合实测结果验证所提出的方法是否能够稳定可靠地跟踪北斗同步卫星。

试验验证：

a.将RDSS天线跟踪控制转台放置于振动台上，振动台保持水平并静止不动。

b.设备通电，使天线对准卫星，记录此时天线的方位俯仰角度A₀、E₀。

c.设置振动台参数，让其产生周期为6-8s幅度为±8°的正弦扰动，模拟转台干扰扰动记录此时的方位俯仰角度A₁、E₁。

d.方位和俯仰分别均匀读取10组误差角度数据。

e.对采集的数据进行处理，首先计算出方位、俯仰的位置误差，即ΔA_i＝A₁-A₀，ΔE_i＝E₁-E₀，然后计算出方位、俯仰的轴向精度，即

最后计算出天线跟踪精度为跟踪误差和跟踪精度计算结果如表1、2所示。

表1

序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											ΔA<sub>i</sub>	0.20	-0.20	-0.10	-0.30	0.05	0.20	-0.10	-0.20	0.30	0.2
ΔE<sub>i</sub>	-0.22	-0.13	0.30	-0.39	-0.30	-0.09	-0.05	0.10	-0.04	0.1

表2

项目	实测结果	指标要求
			δ<sub>A</sub>	0.2	≤0.4
δ<sub>E</sub>	0.21	≤0.4
			δ	0.29	≤0.4

实测结果证明，即使当船载终端处于震动状态下，本发明提出的基于载噪比的高可靠北斗RDSS天线自动稳定跟踪方法，其跟踪精度仍然能够满足0.4°的指标要求。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (5)

1.基于载噪比的高可靠北斗RDSS天线自动稳定跟踪方法，其特征在于，

包括如下步骤：

I.RDSS天线旋转360°，在旋转过程中计算每个北斗同步卫星对应的载噪比值，实时记录最大载噪比值所对应的北斗同步卫星，将该卫星作为捕获到的北斗同步卫星；

II.利用捕获到的北斗同步卫星和船载终端的经纬度信息，计算船体坐标系下的卫星指向角度即天线跟踪姿态，实现对所述北斗同步卫星的初步跟踪；

III.基于实时变化的载噪比值，自适应调整天线姿态以实现稳定跟踪北斗同步卫星；

具体过程如下：

在得到RDSS卫星初始跟踪姿态以后，每隔时间t检测一次所捕获北斗同步卫星的载噪比值，根据如下几种载噪比变化的情形，对天线跟踪姿态进行自适应调整：

若载噪比值变化为C/N₀＝0dB，则表示天线跟踪失锁，RDSS天线复位，重新旋转360°扫描，找到相应最大载噪比值从而捕获到与所述最大载噪比值对应的北斗同步卫星；

若载噪比值变化为C/N₀≥60dB，则表示成功跟踪到北斗同步卫星，并且RDSS天线以此姿态继续跟踪所述北斗同步卫星；

若载噪比值变化为0dB<C/N₀<60dB，则表示载噪比强度没达到门限值，RDSS天线将启动自适应载噪比搜索和自适应陀螺仪补偿模式修正角度以跟踪所述北斗同步卫星。

2.根据权利要求1所述的高可靠北斗RDSS天线自动稳定跟踪方法，其特征在于，

所述步骤I具体为：

RDSS天线旋转到设定的初始位置，并由初始位置旋转360°；

在每个旋转角度处都利用RDSS天线接收并解调出五个北斗同步卫星对应的I、Q两路信号，分别计算出五个北斗同步卫星对应的载噪比值；

实时记录最大载噪比值所对应的北斗同步卫星，将该卫星作为捕获到的北斗同步卫星。

3.根据权利要求1所述的高可靠北斗RDSS天线自动稳定跟踪方法，其特征在于，

所述步骤II具体为：

首先利用捕获到的北斗同步卫星和当前船载终端所在的经纬度信息，计算地理坐标系下RDSS天线跟踪的俯仰角A₀和方位角E₀；

然后经过转换，得到船体坐标系下的天线跟踪姿态，即俯仰角A₁和方位角E₁。

4.根据权利要求3所述的高可靠北斗RDSS天线自动稳定跟踪方法，其特征在于，

所述俯仰角A₀的计算公式如下：

所述方位角E₀的计算公式如下：

其中，λ_R和φ_R为船载终端所在的经、纬度，λ_s为所指向的捕获到的地球同步卫星的经度。

5.根据权利要求3所述的高可靠北斗RDSS天线自动稳定跟踪方法，其特征在于，

船体坐标系下天线跟踪姿态的计算过程如下：

假设地理坐标系中的原点O与目标同步卫星的距离为r，地理坐标系下求得的方位角A₀和仰角E₀与卫星的直角坐标系转换关系满足以下公式：

在船体坐标系中卫星直角坐标系通过计算得到：

矩阵M的表达式为：

其中，H表示航向角，R表示横摇角，P表示纵摇角；

在船体坐标系中的俯仰角A₁和方位角E₁由地理坐标系中的公式计算得到，即：

E₁＝sin^-1(Z₂)。