CN111064002B - 一种低剖面卫星通信天线的伺服控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低剖面卫星通信天线的伺服控制方法，通过目标卫星当前相对本地的大地坐标方位角、大地坐标俯仰角以及低剖面卫星通信天线当前的姿态角来计算该天线的波束当前的实时方位角和实时俯仰角，然后基于该实时方位角和实时俯仰角以及预设的表征了馈电层和辐射层之间的相对角与该低剖面卫星通信天线的波束指向的对应关系的函数来计算目标相对角和目标方位角，并以此为依据分别驱动辐射层和馈电层转动，然后再根据辐射层已转动的机械角度分别计算出第一极化层和第二极化层需要转动的第一目标角度和第二目标角度，并以此为依据驱动第一极化层和第二极化层转动，从而达到四层天线面一同转动的同时，天线实时跟踪卫星的目的。

Description

一种低剖面卫星通信天线的伺服控制方法

技术领域

本发明涉及天线控制技术领域，更具体地说，涉及一种低剖面卫星通信天线的伺服控制方法。

背景技术

近年来，随着卫星通信技术的不断发展，“动中通”卫星通信天线技术也得到了长足的进步，从第一代600mm高度的切割“抛物面”天线，到第二代300mm高度的平板喇叭阵列天线，再到国外新提出的第三代110mm高度的平面阵列连续横向支节天线，第三代天线也称为低剖面卫星通信天线，这种天线结构不需要附加额外的射频器件(如移相器、T/R模块、控制模块等)便能实现二维扫描的功能，而且超低的天线剖面高度，使天线整体安装简捷方便，更利于共形隐身和减小风阻。

卫星通信天线一般安装在移动载体上，如安装在汽车、火车、轮船上等。由于广播卫星、通信卫星都属于定点卫星，卫星定位于赤道上空约四万公里处，所以如果要保证载体在运动的过程中信号传输不中断，就必须要保证天线始终准确的对准卫星。对于国外提出的低剖面卫星通信天线而言，我国在实现这种低剖面卫星通信天线对卫星进行跟踪的方面尚处于空白，因此，如何实现低剖面卫星通信天线对卫星的跟踪成为现在亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种低剖面卫星通信天线的伺服控制方法，所述低剖面卫星通信天线包括从上至下平行叠放的第一极化层、第二极化层、辐射层以及馈电层，所述方法包括以下步骤：

S2：计算目标卫星当前相对于本地的大地坐标方位角A、大地坐标俯仰角B以及大地坐标极化角C；

S4：根据所述大地坐标方位角A、所述大地坐标俯仰角B和所述低剖面卫星通信天线的姿态角计算当前所述低剖面卫星通信天线的波束在天线直角坐标系中的实时方位角a和实时俯仰角b；

S6：基于所述实时方位角a、所述实时俯仰角b和预设的拟合非线性函数计算为实现所述低剖面卫星通信天线对准所述目标卫星，所述辐射层和所述馈电层之间需要满足的目标相对角和所述馈电层需要转动的目标方位角；所述拟合非线性函数表征了所述馈电层和所述辐射层之间的相对角与所述低剖面卫星通信天线的波束指向的对应关系；

S8：根据所述目标相对角和所述目标方位角驱动所述辐射层和所述馈电层转动；

S10：根据所述大地坐标极化角C和所述辐射层当前已转动的机械角度分别计算所述第一极化层和所述第二极化层需要转动的第一目标角度和第二目标角度；

S12：驱动所述第一极化层以所述第一目标角度转动，并驱动所述第二极化层以所述第二目标角度转动实现所述低剖面卫星通信天线对所述目标卫星的跟踪。

进一步地，所述大地坐标方位角A、大地坐标俯仰角B以及大地坐标极化角C分别按照以下公式计算：

其中,φ₂为目标卫星的经度，φ₁为本地经度，β为本地纬度。

进一步地，所述低剖面卫星通信天线的姿态角包括天线航向角H、天线俯仰角P以及天线横滚角R；所述实时方位角a和所述实时俯仰角b分别按照以下公式计算：

b＝arcsin[cosB×sinR×sin(A-H)-cosR×sinP×cos(A-H)+sinB×cosR×cosP]。

进一步地，所述拟合非线性函数为在对所述低剖面卫星通信天线进行伺服控制之前，通过将所述低剖面卫星通信天线置于微波暗室中进行试验得到。

进一步地，将所述低剖面卫星通信天线置于微波暗室中进行试验得到所述拟合非线性函数的步骤包括：

将所述低剖面卫星通信天线的天线直角坐标系与所述微波暗室的直角坐标系重合；

以预设角度为步长使所述辐射层和所述馈电层的相对角在360度的范围内递增，并针对每一相对角，所述低剖面卫星通信天线发射指定频率的电磁波给所述微波暗室；

所述微波暗室将接收到的电磁波最强的点作为主瓣中心点，并测量该点在所述微波暗室直角坐标系中的坐标；

根据各相对角与对应测量得到的主瓣中心点的坐标得到第一拟合非线性函数和第二拟合非线性函数，所述第一拟合非线性函数表征了所述低剖面卫星通信天线的波束方位角与相对角之间的对应关系，所述第二拟合非线性函数表征了所述相对角与所述低剖面卫星通信天线的波束俯仰角的对应关系。

进一步地，所述根据各相对角与对应测量得到的主瓣中心点的坐标得到第一拟合非线性函数和第二拟合非线性函数的步骤包括：

根据各相对角与对应测量得到的主瓣中心点的坐标，以三维正弦函数为基函数进行拟合分别得到第一拟合非线性函数和第二拟合非线性函数。

进一步地，计算所述目标相对角和所述馈电层需要转动的目标方位角的步骤包括：

将所述实时俯仰角b代入所述第二拟合非线性函数进行计算得到所述目标相对角；

将所述目标相对角代入所述第一拟合非线性函数进行计算，并将该计算结果与所述实时方位角a相加得到所述目标方位角。

进一步地，所述第一目标角度和所述第二目标角度分别按照以下公式计算：

D₁＝a₂+C；

D₂＝a₂+0.5×C；

其中，D₁为第一目标角度，D₂为第二目标角度，a₂为所述辐射层相对于初始状态已转动的机械角度。

进一步地，所述方法还包括：在计算得到所述目标相对角和所述馈电层需要转动的目标方位角之后，利用MEMS惯导模块对所述低剖面卫星通信天线的姿态角中的天线航向角H进行修正，并基于修正后的天线航向角H计算所述实时方位角a和所述实时俯仰角b。

进一步地，所述利用MEMS惯导模块对所述低剖面卫星通信天线的姿态角中的天线航向角H进行修正包括：

所述低剖面卫星通信天线接收所述目标卫星周期性发送的标志信号，在所述标志信号的信标值大于等于预设信标阈值时，将所述低剖面卫星通信天线对应的方位角作为所述目标卫星当前真实的大地坐标方位角发送给所述MEMS惯导模块；

所述MEMS惯导模块以该方位角为基准对所述低剖面卫星通信天线的姿态角中的天线航向角H进行修正。

本发明提供的一种移低剖面卫星通信天线的伺服控制方法，通过目标卫星当前相对本地的大地坐标方位角、大地坐标俯仰角以及低剖面卫星通信天线当前的姿态角来计算该天线的波束当前的实时方位角和实时俯仰角，然后基于该实时方位角和实时俯仰角以及预设的表征了馈电层和辐射层之间的相对角与该低剖面卫星通信天线的波束指向的对应关系的函数来计算目标相对角和目标方位角，并以此为依据分别驱动辐射层和馈电层转动，然后再根据辐射层已转动的机械角度分别计算出第一极化层和第二极化层需要转动的第一目标角度和第二目标角度，并以此为依据驱动第一极化层和第二极化层转动，从而达到四层天线面一同转动的同时，天线实时跟踪卫星的目的。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本实施例提供的低剖面卫星通信天线的部分结构示意图；

图2为本实施例提供的低剖面卫星通信天线的伺服控制方法的流程示意图；

图3为本实施例提供的得到拟合非线性函数的流程示意图；

图4为本实施例提供的计算得到目标相对角和目标方位角的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例提供一种低剖面卫星通信天线的伺服控制方法，本实施例中的低剖面卫星通信天线主要是指第三代平面阵列连续横向支节天线，请参见图1所示，其包括从上至下平行叠放的第一极化层11、第二极化层12、辐射层13以及馈电层14这四个天线面。

本实施例所提供的低剖面卫星通信天线的伺服控制方法可以参见图2所示，包括如下步骤：

S2：计算目标卫星当前相对于本地的大地坐标方位角A、大地坐标俯仰角B以及大地坐标极化角C。

本实施例中可以通过读取广播星历来获取目标卫星的经度，本地的经纬度可以通过GPS模块进行读取。本实施例中的大地坐标方位角A、大地坐标俯仰角B以及大地坐标极化角C可以分别按照以下公式计算：

其中,φ₂为目标卫星的经度，φ₁为本地经度，β为本地纬度。

S4：根据大地坐标方位角A、大地坐标俯仰角B和低剖面卫星通信天线的姿态角计算当前低剖面卫星通信天线的波束在天线直角坐标系中的实时方位角a和实时俯仰角b。

本实施例中低剖面卫星通信天线的姿态角包括天线航向角H、天线俯仰角P以及天线横滚角R；天线波束的实时方位角a和实时俯仰角b可以分别按照以下公式进行计算：

b＝arcsin[cosB×sinR×sin(A-H)-cosR×sinP×cos(A-H)+sinB×cosR×cosP]。

可以理解的是，本实施例中的天线航向角H、天线俯仰角P以及天线横滚角R可以是MEMS惯导模块实时测量得到的。

S6：基于实时方位角a、实时俯仰角b和预设的拟合非线性函数计算为实现低剖面卫星通信天线对准该目标卫星，辐射层和馈电层之间需要满足的目标相对角和馈电层需要转动的目标方位角。

本实施例中的拟合非线性函数表征了馈电层和辐射层之间的相对角与该低剖面卫星通信天线的波束指向的对应关系。这种对应关系可以是在对该低剖面卫星通信天线进行伺服控制之前，通过将该低剖面卫星通信天线置于微波暗室中进行试验得到的，也即是说，本实施例中包括该天线的装置在出厂之前，该装置中就内置有这个对应关系，而这个对应关系可以是研发人员利用微波暗室进行试验得到的。

本实施例中将低剖面卫星通信天线置于微波暗室中进行试验得到拟合非线性函数的步骤可以参见图3所示，包括：

S301：将低剖面卫星通信天线的天线直角坐标系与微波暗室的直角坐标系重合。

具体的，可以以天线面中心点为原点，馈电层零线与辐射层零线对齐后，作为天线坐标横坐标的零线，天线纵轴垂直于天线面；微波暗室直角坐标系可以以暗室中心点为原点，指定某基线为横坐标零线，暗室纵轴垂直于暗室地面。在微波暗室中心位置水平安置天线，对准馈电层零点、辐射层零点、微波暗室零点，使天线直角坐标系与微波暗室直角坐标系重合。

S302：以预设角度为步长使辐射层和馈电层的相对角在360度的范围内递增，并针对每一相对角，低剖面卫星通信天线发射指定频率的电磁波给微波暗室。

本实施例中的预设角度可以为1度。

S303：微波暗室将接收到的电磁波最强的点作为主瓣中心点，并测量该点在微波暗室直角坐标系中的坐标；

S304：根据各相对角与对应测量得到的主瓣中心点的坐标得到第一拟合非线性函数和第二拟合非线性函数。

本实施例中的两层天线面(辐射层和馈电层)的相对角度在0°～180°区间，与在0°～-180°区改变时，波束指向对称重合，两层天线面相对角度的改变，既带来了波束在俯仰方向上的角度变化，又带来了波束在方位方向上的角度变化，且俯仰角、方位角均为两层天线面相对角度的非线性函数，在空间维度，波束的指向为两层天线面相对角度的非线性螺旋曲线。

这里需要对本实施例中的相对角进行说明，辐射层和馈电层之间的相对角是指辐射层的零线与馈电层的零线在水平方向上的夹角，也即是将辐射层的零线投影到馈电层上后，该投影零线与馈电层自身的零线之间形成的夹角。

具体的来说，根据主瓣中心点的坐标就可以计算出该主瓣中心点对应的方位角和俯仰角，也即可以计算出波束方位角和波束俯仰角

本实施例中的第一拟合非线性函数表征了低剖面卫星通信天线的波束方位角与相对角之间的对应关系，第二拟合非线性函数表征了相对角与低剖面卫星通信天线的波束俯仰角的对应关系。

所以具体的，根据各相对角与对应测量得到的主瓣中心点的坐标得到第一拟合非线性函数和第二拟合非线性函数的步骤具体可以是：

根据各相对角与对应测量得到的主瓣中心点的坐标，以三维正弦函数为基函数进行拟合分别得到第一拟合非线性函数和第二拟合非线性函数。需要说明的是，在其他的一些实施例中，还可以以其他函数，比如以三维余弦函数为基函数进行拟合得到拟合非线性函数。

本实施例中计算目标相对角和馈电层需要转动的目标方位角的步骤可以参见图4所示，包括：

S401：将实时俯仰角b代入第二拟合非线性函数进行计算得到目标相对角。

S402：将目标相对角代入第一拟合非线性函数进行计算，并将该计算结果与实时方位角a相加得到目标方位角。

需要说明的是，对于天线不同的发射频率，都可以得到其对应的第一拟合非线性函数和第二拟合非线性函数，在运用该天线进行目标文星的追踪时，只需要调用当前发射频率对应的第一拟合非线性函数和第二拟合非线性函数进行计算即可。

假设在特定频率下，本实施例中的第一拟合非线性函数为：

y1＝1.2×sin(3.248×x1+1.11)+0.825×sin(44.4×x1+1.262)+31.126×sin(19.84×x1+18.21)……(1)；

其中，y1表示波束方位角，x1表示辐射层和馈电层之间的相对角。

相应的第二拟合非线性函数为：

x1(z1)＝1.675×sin(54×z1+78.4)+0.45×sin(9.4×z1+1.262)+4.158×sin(0.128×z1+1.28)……(2)；

其中，x1表示辐射层和馈电层之间的相对角，z1表示波束俯仰角。

此时则是将实时俯仰角b代入式(2)，对应得到的x1则表示为了使天线波束的俯仰角对准目标卫星，两层天线面(辐射层和馈电层)需要转到的相对角，然后将对应得到的x1代入式(1)，由此便可得到对应的y1，然后将对应得到的y1加上实时方位角a，便可得到为了使天线波束的方位角对准目标卫星馈电层需要转过的目标方位角。

S8：根据目标相对角和馈电层需要转动的目标方位角驱动辐射层和馈电层转动。

根据上述得到的目标方位角和馈电层需要转动的目标方位角，便可得到辐射层需要转动的目标机械角度，所以在本步骤需要根据该目标机械角度驱动辐射层转动，根据该目标方位角驱动馈电层转动。

需要说明的是，在本步骤中，可以以大地坐标方位角A为目标角，以上述计算得到的馈电层需要转到的目标方位角为当前角，这里假设目标方位角为a₁，由此可以计算得到实时控制误差delta_A，对delta_A进行PID闭环位置控制，达到馈电层和辐射层共同作用下，天线实时跟踪卫星的目的。

delta_A＝A-a₁；

u＝PID(delta_A)；

其中，PID(delta_A)是以delta_A为控制量的传统PID控制过程，在不再赘述。

S10：根据大地坐标极化角C和辐射层当前已转动的机械角度分别计算第一极化层和第二极化层需要转动的第一目标角度和第二目标角度。

进一步地，第一目标角度和第二目标角度可以分别按照以下公式计算：

D₁＝a₂+C；

D₂＝a₂+0.5×C；

其中，D₁为第一目标角度，D₂为第二目标角度，a₂为辐射层相对于初始状态已转动的机械角度，辐射层电机编码器可以实时给出辐射层已转动的机械角度。

S12：驱动第一极化层以第一目标角度转动，并驱动第二极化层以第二目标角度转动实现低剖面卫星通信天线对该目标卫星的跟踪。

本实施例所提供的方法还包括：在天线对准目标卫星的过程中，在计算得到上述的目标相对角和馈电层需要转动的目标方位角之后，利用MEMS惯导模块对低剖面卫星通信天线的姿态角中的天线航向角H进行修正，并基于修正后的天线航向角H计算实时方位角a和实时俯仰角b。

比如可以设置方位角进行周期为4秒，幅值为0.2度的正弦摆动微搜索S(t)，其中t为时间变量：

天线微搜索过程中，保存低剖面卫星通信天线接收的目标卫星周期性发送的标志信号的信标值，信标值越大，表示对准卫星的程度越高，所以可以将具有极大信标值的状态下对应的方位角作为目标卫星当前真实的大地坐标方位角发送给MEMS惯导模块，具体而言，可以将在标志信号的信标值大于等于预设信标阈值时，将低剖面卫星通信天线对应的方位角作为目标卫星当前真实的大地坐标方位角发送给MEMS惯导模块，MEMS惯导模块以该方位角为基准对低剖面卫星通信天线的姿态角中的天线航向角H进行修正，从而可以达到更精准跟踪目标卫星的目的。

要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种低剖面卫星通信天线的伺服控制方法，其特征在于，所述低剖面卫星通信天线包括从上至下平行叠放的第一极化层、第二极化层、辐射层以及馈电层，所述方法包括以下步骤：

S2：计算目标卫星当前相对于本地的大地坐标方位角A、大地坐标俯仰角B以及大地坐标极化角C；

S4：根据所述大地坐标方位角A、所述大地坐标俯仰角B和所述低剖面卫星通信天线的姿态角计算当前所述低剖面卫星通信天线的波束在天线直角坐标系中的实时方位角a和实时俯仰角b；

S6：基于所述实时方位角a、所述实时俯仰角b和预设的拟合非线性函数计算为实现所述低剖面卫星通信天线对准所述目标卫星，所述辐射层和所述馈电层之间需要满足的目标相对角和所述馈电层需要转动的目标方位角；所述拟合非线性函数表征了所述馈电层和所述辐射层之间的相对角与所述低剖面卫星通信天线的波束指向的对应关系；

S8：根据所述目标相对角和所述目标方位角驱动所述辐射层和所述馈电层转动；

S10：根据所述大地坐标极化角C和所述辐射层当前已转动的机械角度分别计算所述第一极化层和所述第二极化层需要转动的第一目标角度和第二目标角度；

S12：驱动所述第一极化层以所述第一目标角度转动，并驱动所述第二极化层以所述第二目标角度转动实现所述低剖面卫星通信天线对所述目标卫星的跟踪；

所述拟合非线性函数为在对所述低剖面卫星通信天线进行伺服控制之前，通过将所述低剖面卫星通信天线置于微波暗室中进行试验得到，步骤包括：

将所述低剖面卫星通信天线的天线直角坐标系与所述微波暗室的直角坐标系重合；

以预设角度为步长使所述辐射层和所述馈电层的相对角在360度的范围内递增，并针对每一相对角，所述低剖面卫星通信天线发射指定频率的电磁波给所述微波暗室；

所述微波暗室将接收到的电磁波最强的点作为主瓣中心点，并测量该点在所述微波暗室直角坐标系中的坐标；

根据各相对角与对应测量得到的主瓣中心点的坐标得到第一拟合非线性函数和第二拟合非线性函数，所述第一拟合非线性函数表征了所述低剖面卫星通信天线的波束方位角与相对角之间的对应关系，所述第二拟合非线性函数表征了所述相对角与所述低剖面卫星通信天线的波束俯仰角的对应关系；

所述根据各相对角与对应测量得到的主瓣中心点的坐标得到第一拟合非线性函数和第二拟合非线性函数的步骤包括：

根据各相对角与对应测量得到的主瓣中心点的坐标，以三维正弦函数为基函数进行拟合分别得到第一拟合非线性函数和第二拟合非线性函数；

计算所述目标相对角和所述馈电层需要转动的目标方位角的步骤包括：

将所述实时俯仰角b代入所述第二拟合非线性函数进行计算得到所述目标相对角；

将所述目标相对角代入所述第一拟合非线性函数进行计算，并将该计算结果与所述实时方位角a相加得到所述目标方位角。

2.如权利要求1所述的低剖面卫星通信天线的伺服控制方法，其特征在于，所述大地坐标方位角A、大地坐标俯仰角B以及大地坐标极化角C分别按照以下公式计算：

其中,φ₂为目标卫星的经度，φ₁为本地经度，β为本地纬度。

3.如权利要求1所述的低剖面卫星通信天线的伺服控制方法，其特征在于，所述低剖面卫星通信天线的姿态角包括天线航向角H、天线俯仰角P以及天线横滚角R；所述实时方位角a和所述实时俯仰角b分别按照以下公式计算：

b＝arcsin[cos B×sin R×sin(A-H)-cos R×sin P×cos(A-H)+sin B×cos R×cosP]。

4.如权利要求1所述的低剖面卫星通信天线的伺服控制方法，其特征在于，所述第一目标角度和所述第二目标角度分别按照以下公式计算：

D₁＝a₂+C；

D₂＝a₂+0.5×C；

其中，D₁为第一目标角度，D₂为第二目标角度，a₂为所述辐射层相对于初始状态已转动的机械角度。

5.如权利要求引1-4任一项所述的低剖面卫星通信天线的伺服控制方法，其特征在于，所述方法还包括：在计算得到所述目标相对角和所述馈电层需要转动的目标方位角之后，利用MEMS惯导模块对所述低剖面卫星通信天线的姿态角中的天线航向角H进行修正，并基于修正后的天线航向角H计算所述实时方位角a和所述实时俯仰角b。

6.如权利要求5所述的低剖面卫星通信天线的伺服控制方法，其特征在于，所述利用MEMS惯导模块对所述低剖面卫星通信天线的姿态角中的天线航向角H进行修正包括：

所述低剖面卫星通信天线接收所述目标卫星周期性发送的标志信号，在所述标志信号的信标值大于等于预设信标阈值时，将所述低剖面卫星通信天线对应的方位角作为所述目标卫星当前真实的大地坐标方位角发送给所述MEMS惯导模块；

所述MEMS惯导模块以该方位角为基准对所述低剖面卫星通信天线的姿态角中的天线航向角H进行修正。

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