CN111142099B - 解决球面相控阵天线跟踪过顶盲捕目标的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的解决球面相控阵天线跟踪过顶盲捕目标的方法，旨在提供一种简单有效、占用资源少的自跟踪过顶盲捕目标的方法，本发明通过下述技术方案实现：按如下方式旋转原坐标系：根据盲捕扫描算法得到目标的捕获点信息，利用盲捕目标的捕获点信息形成盲捕目标的捕获点波束指向；在天线阵面的激活区域投影面积内，将盲捕跟踪点方位角旋转为零，使x轴指向目标捕获点，建立新坐标系A1；在捕获过程中，利目标捕获点信息持续更新计算坐标系A1，直至捕获目标；在自跟踪防过顶阶段，利用目标的方位角及俯仰角变化率计算防过顶跟踪旋转角Ψ，以新坐标系A1的x轴为中心，旋转坐标系使y轴旋转Ψ度，建立新的坐标系A2，实现无盲区跟踪。

Description

解决球面相控阵天线跟踪过顶盲捕目标的方法

技术领域

本发明涉及一种全空域多目标航天测控领域测控体制中，基于过顶跟踪控制技术，解决数字多波束球面相控阵天线对盲捕目标自跟踪过程中的过顶问题的方法。

背景技术

跟踪地球同步卫星的地面站天线,其工作范围一般只要求一定的扇形区域,不要求过顶跟踪。但是对于跟踪极轨卫星以及具有特殊用途飞行器的地面站天线系统,不仅要求下行跟踪接收信息的时间尽可能长,而且要求飞行器经过天顶时,离地面站的距离最近,信号最强,因此常常提出过顶跟踪的要求。目标过顶(targetpassingtop)跟踪问题往往出现在对资源卫星等特殊用途卫星的跟踪上。当目标从天线天顶附近通过时，在天顶附近有一个“盲锥区”，对盲锥区的跟踪称为过顶跟踪，它是解决卫星通过天线顶空时对卫星跟踪问题的一种技术手段。过顶跟踪主要出现在以下几种情况：第一种，极轨卫星的轨道面穿过地球的南北两极，与赤道有很大的夹角。鉴于极轨卫星自身的运行规律以及地球的自转，一般每隔数日将地球表面扫描一遍，因时差的存在每一周期的扫描轨迹不尽相同。因此，作为对卫星跟踪与信息交换的地球站或者“动中通＂设备，都会存在极轨卫星通过天线顶空的情况。第二种，倾斜轨道同步卫星。卫星倾斜后，区域性B类地球站，可采用步进跟踪方式，以保证通信质量。但对于卫星移动通信的车载、船载和机载“动中通”设备，同样存在着卫星通过天线顶空的问题。第三种，当“动中通＂设备，诸如远洋科学考察船或飞机、远望号测量船队，经常活动在赤道附近，并利用地球同步轨道卫星进行通信时，天线跟踪系统也会遇到过顶跟踪的问题。为了在过顶时不丢失目标,并保证通信的正常传输,必须采取有效的措施,以避免卫星越过天线顶空时的通信中断。常见的过顶跟踪方法有:采用X—Y型天线座,极轴型天线座,三轴型天线座,倾斜轴天线座以及方位俯仰型天线座，程序过1x-Y型天线座过顶跟踪。在极轨卫星遥感地面站设备中,过顶无盲区跟踪是必须具备的功能。伺服系统盲区过顶跟踪、X-Y座架方位-俯仰型天线座是目前卫星遥感地面站跟踪系统中使用很广泛的一种座架形式。X-Y型的天线座有X轴和Y轴二根转轴，相当于把方位-俯仰型天线座的方位轴转到水平位置，所不同的是二根转轴都是水平配置，互相正交。这种座架形式在天顶附近有一个“盲区”。其“盲锥区”不在天顶，而在X轴的两端，处于地平线。当目标经过这一“盲区”时，地面测站天线就会因为方位角速度有限而丢失目标。当目标进入“盲锥区”时，方位俯仰型天线座对目标的跟踪显得无能为力。为保证卫星在通过地面站天顶时跟踪系统不丢失目标，地面站必须采取有效措施来解决过顶跟踪的问题。目前国内外经常采用的常用方法是：X-Y座架过顶、增设交叉俯仰轴过顶、程序过顶、方位轴机械倾斜过顶等。X-Y型天线座在跟踪过顶目标时，X轴的角速度最低。在跟踪靠近地平线的目标时，X轴的角速度最高。它的两根轴只需转动-90～90，就能够覆盖整个空域。因此不需要高频转动关节，滑环或电缆卷绕装置。但是X-Y型天线座的X轴和Y轴都需要平衡，两轴之间的距离较大，X轴的转动惯量也很大。因此，天线座整体重量较大，很难做到结构紧凑。由于X-Y轴天线座两轴均需配重，配重很难调整,重心随角度不同而不同,这种结构型式使得天线座体积增大，重量增加。直接导致了天线座的转动惯量的增加和结构刚度的下降。因此，天线座的谐振频率降低，从而使得跟踪系统调试困难。在目标飞临天顶附近，它没有机械“死点”。这种座架结构适用于要求天线在半球空间角度连续跟踪(目标“过顶”时仍不丢失)，而又对角度跟踪的精度要求不高的系统中。但如果需要天线全方位可控，则必须将X、Y轴架设到离地面相当高的位置上，从而增加天线的重量，此外，由于结构的限制，这种座架不能跟踪仰角很低的目标。在实际应用场合，大型天线座实施起来难度比较大。跟踪更低轨道的目标，X-Y座架在低仰角需要更快的速度，但是由于在低仰角时地面多径影响很大，一般跟踪都是从X-Y座架跟踪不同轨道卫星盲区卫星高度(km)。基于X-Y座架的过顶跟踪伺服系统是闭合在座架坐标系(测量坐标系)中的，测角装置测出的也是座架坐标系(测量坐标系)中的实时天线角度,而引导数据和要求天线输出的数据是大地坐标系(地理坐标系)中的数据。由于跟踪系统获得目标轨道预报的理论轨道角度是按大地坐标系来计算的,而跟踪系统的最终闭环是在座架坐标系(测量坐标系)中,所以跟踪系统就必须对大地坐标系中的理论引导角(大地坐标系中的方位角和俯仰角)通过坐标转换换算到座架坐标系中,得到正确的指向角,从而在座架坐标系中对跟踪系统进行实际的控制计算；同时由于在终端显示的是跟踪系统在大地坐标系中的实际运转情况,所以还必须对座架坐标系中的实时测量轴角进行坐标反变换。天线指向天顶时，X为零度，指向偏东时为正90度，偏西时为负90度；当天线指向与东西平面重合时，Y轴指向地平线正北为正，指向地平线正南为负。方位角为天线指向与正北的夹角，顺时针为正，俯仰角为遥感接收站和卫星之间的连线与水平面的夹角，向上为正。为保证天线直接捕获概率，要求轨道预报精度达到1/10波束宽度，则根据距离得到轨道预报误差应小于200米。引导天线至主波束内，自跟踪判据成立后，自动切入自跟踪。由于此时目标为低仰，一般情况下，天线座架系统在设备出场时座架轴系误差都进行了场内标校，理想情况下,天线的X轴和Y轴正交。但实际生产制造及安装使用过程总是存在误差，主要包括X轴并没有指向正北及X、Y轴转角零点偏移的安装误差和X、Y轴不正交产生的制造误差等。其缺点是结构不紧凑，两轴均需加平衡重，故体积大，重量大，转动惯量也大。整个控制系统主要由1台工业控制计算机和外围接口板卡、直流伺服驱动器、伺服电机及相关的其他附件组成。传统天线一般采用在目标高仰角过顶过程中，使用程序引导或者记忆跟踪的方式避免出现丢失目标。但是采用上述措施会导致在过顶过程中对航天器的跟踪存在偏差，不能对航天器进行测控。一般卫星的可视范围不是很大,并且在天顶附近地面站距卫星最近,接收信号最强,而恰恰在这一范围由于跟踪“盲区”而失去接收信息的机会。为此,解决过顶跟踪问题就显得非常重要。

天线系统是用来辐射和接收无线电波的能量转换装置，天线结构包含天线和天线座以及驱动装置等。相控阵天线又称作相位阵列天线，其通过改变天线波的相位来改变天线波束指向。相控阵天线由许多密集组成的阵列天线组成，阵列天线数量巨大，而天线单元数量越庞大，所能产生的波束数量就越多。

数字波束形成在工程化过程中，遇到的问题主要包括：与传统数字波束形成天线采用方位、俯仰跟踪方式相同，在目标已较大仰角过顶时，目标跟踪的方位与俯仰角动态过大，尤其90°过顶时方位会突变180°，导致方位轨迹突变，无法连续跟踪。如果要实现连续跟踪，一般不能跟踪过顶目标，现有系统跟踪最高仰角一般为80多度。即便如此，跟踪低仰角卫星时仍然有方位动态过大的问题。

在传统测控系统中，数字化多波束球面相控阵天线的坐标轴如图1所示，在此坐标系下，数字化多波束球面相控阵天线在跟踪高仰角目标时会出现方位角与俯仰动态过大情况。因此在对目标进行高仰过顶跟踪时，数字化多波束球面相控阵天线自跟踪误差较大，甚至严重时会导致丢失目标。在传统机械天线系统中数字化多波束球面相控阵天线的坐标系，在天线的安装时就固定了，无法动态旋转，因此只能通过程序引导或者旋转第三轴等辅助办法降低目标过顶跟踪时的影响，而无法从根本上解决目标过顶的自跟踪问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述数字多波束球面相控阵天线跟踪盲捕目标时存在的过顶跟踪问题，提提供一种简单有效、占用资源少、应用面广，能够实现过顶跟踪的自跟踪过顶盲捕目标的方法，以解决数字多波束球面相控阵天线跟踪盲捕目标过顶的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种自跟踪过顶盲捕目标的方法，其包括如下技术特征：在目标运行轨迹未知的情况下捕获目标的动态信息，根据捕获目标的跟踪点，按如下方式旋转原坐标系：在盲捕目标的防过顶阶段，根据盲捕扫描算法得到目标的捕获点信息，利用盲捕目标的捕获点信息形成盲捕目标的捕获点波束指向；在天线阵面的激活区域投影面积内，以原坐标系z轴为中心，将盲捕跟踪点方位角旋转为零，再以坐标系y轴为中心旋转坐标系，使x轴指向目标捕获点，建立新坐标系A1；在捕获过程中，利用实时更新的目标捕获点信息持续更新计算坐标系A1，使目标的运动轨迹在新的坐标系中始终保持低仰角状态，直至捕获目标；捕获目标后，在自跟踪防过顶阶段，利用目标的方位角及俯仰角变化率计算防过顶跟踪旋转角Ψ，在天线阵面的激活区域投影面积内，以新坐标系A1的x轴为中心，旋转坐标系使y轴旋转Ψ度，建立新的坐标系A2，实现全工作空域内无盲区跟踪。

本发明相比于现有技术具有如下的有益效果：

简单有效。本发明在目标运行轨迹未知的情况下，在天线跟踪前计算出目标的捕获点信息，利用目标的捕获点信息旋转坐标系，使x轴指向目标捕获点。在跟踪过程中，利用目标的方位、俯仰角速度信息继续旋转坐标系。通过对坐标系的旋转，使目标的运动轨迹在新的坐标系中始终保持低仰角状态，避免了高仰角状态下目标方位、俯仰角变化率过大导致的跟踪不稳定甚至目标丢失的问题。同时，本发明实现方法简单，只需要知道目标的捕获点信息，通过简单的坐标旋转，即可实现目标的低仰角跟踪，使球面相控阵天线在目标过顶过程中保持对目标的稳定、连续跟踪。可明显降低目标过顶时的方位角与俯仰角变化率，保证对目标的连续稳定跟踪。

占用资源少。本发明通过将原坐标系以z轴为中心旋转坐标系使盲捕点方位角为零，再以y轴为中心旋转坐标系使x轴指向盲捕点，建立新的坐标系。在新的坐标系中，目标轨迹基本处于xoy平面，因此目标在运动过程中始终处于低仰角状态，球面相控阵天线能始终稳定地跟踪目标。得益于这种设计，整个球面相控阵天线系统中不需要额外的电路设计或者辅助设备帮助跟踪高仰角目标，减少了天线的硬件资源开销，降低了系统的成本。同时，由于本发明使用的算法仅涉及简单的坐标变换，占用的处理器计算开销也较小，节约了处理器的计算资源。

附图说明

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

图1是球面相控阵天线传统坐标系目标指向示意图。

图2是球面相控阵天线的对盲捕目标过顶的坐标系旋转方法示意图。

图3是对盲捕目标自跟踪的防过顶处理流程示意图。

图4本发明对目标90度仰角过顶效果示意图。

图5是本发明对目标83度仰角过顶效果示意图。

图6是本发明对目标40度仰角过顶效果示意图。

具体实施方式

参阅图1、图2。根据本发明，在球面相控阵天线球面内建立以o为原点的坐标系xzy和激活投影区域，以o为原点作波束指向P1；按照目标盲捕时的过顶处理和对盲捕目标完成自跟踪后的过顶处理分为两个阶段实施。第一个阶段为盲捕目标时的防过顶阶段，其步骤如下：利用盲捕扫描算法形成目标的盲捕点指向，在球面相控阵天线激活区域投影面积内，以原坐标系z轴为中心，旋转坐标系使盲捕点指向方位角为零度，再以y轴为中心，旋转坐标系使x轴指向盲捕点，建立新坐标系A1，盲捕过程中，每次更新目标盲捕指向后需重新计算旋转矢量，并根据新的旋转矢量重新计算新坐标系A1，直至捕获目标；第二个阶段为捕获目标后自跟踪时的防过顶阶段，其步骤如下：利用目标的方位角及俯仰角变化率计算防过顶跟踪旋转角Ψ，在天线阵面激活区域投影面积内，以新坐标系A1的x轴为中心，旋转坐标系使y轴旋转Ψ度，建立新的坐标系A2。

参阅图2。对于球面相控阵天线，可根据目标的位置而激活相应的阵面，并将球面相控阵天线坐标系根据目标在球面上的运动轨迹，按照需要旋转到如图2所示的不同方向。新建立的坐标系中xoy平面与目标轨迹基本在同一平面，在新建立的坐标系中子阵的方位、俯仰差阵列划分步骤如下：设目标在新坐标系中方位角为A，俯仰角为E，子阵方位坐标在A～A+90°内取为方位差阵列正值，子阵方位坐标在A～A-90°内取为方位差阵列负值；子阵俯仰坐标在E～E+90°内取为俯仰差阵列正值，子阵俯仰坐标在A～A-90°内取为俯仰差阵列负值。新的坐标系中，xoy平面与目标轨迹基本在同一平面上，因此在该坐标系下目标运动轨迹始终是处于低仰角状态，天线跟踪能保证跟踪精度及不出现过顶问题。

参阅图3。启动盲捕程序后，根据盲捕扫描算法算出目标的捕获点信息，利用盲捕目标的捕获点信息形成盲捕目标的盲捕点波束指向，然后根据盲捕指向计算坐标旋转矢量，控制波束指向目标捕获点；再判断是否捕获目标，是则开始程序引导跟踪目标，否则重新计算坐标旋转矢量，并控制波束指向目标捕获点；再判断是否满足自跟踪条件，是则切换到跟踪模式，更新波束指向与差阵划分，否则继续程序引导跟踪目标，重新判断是否满足自跟踪条件；更新波束指向与差阵划分后，控制系统判断是否计算出过顶跟踪旋转角，是则更新坐标系旋转矢量和波束指向与差阵划分，否则返回重新更新波束指向；最后判断是否结束自跟踪，是则完成自跟踪任务。在盲捕过程中每次更新目标指向时坐标系旋转矢量A1需重新计算。在盲捕完成后天线完成对目标自跟踪，根据当前目标的俯仰角变化率Δφ和方位角变化率计算目标防过顶旋转角/>然后根据过顶旋转角Ψ计算新的坐标系A2的旋转矢量，利用该旋转矢量按如下方式旋转坐标系A1，以x轴为中心旋转y轴Ψ度，建立新的坐标系A2，新建立的坐标系xoy平面与目标轨迹基本处于同一平面，在此坐标系下采用传统的方位，俯仰方式划分差阵列。因为在此坐标系下目标运动轨迹是处于低仰角，因此天线跟踪能保证跟踪精度及不出现过顶问题。

参阅图4。在目标相对天线位置，按83度～90度仰角过顶的情况下，采用原坐标系，在过顶点附近，跟踪目标俯仰角的最大角度为83度。采用本发明的对盲捕目标的跟踪过顶方法，在任何仰角完成目标盲捕后，都能确保在整个天线对目标跟踪过程中目标仰角始终处于2.5度～-8度范围内。

参阅图5。在目标相对天线位置按40度～83度仰角过顶的情况下，采用原坐标系，在过顶点附近，跟踪目标俯仰角的最大角度为83度。采用本发明的对盲捕目标的跟踪过顶方法，在任何仰角完成目标盲捕后，都能确保在整个天线对目标跟踪过程中目标仰角始终处于2.5度～-8度范围内。

参阅图6。在目标相对天线位置按0度～40度仰角过顶的情况下，采用原坐标系，在过顶点附近，跟踪目标俯仰角的最大角度为40度。采用本发明的对盲捕目标的跟踪过顶方法，，在任何仰角完成目标盲捕后，都能确保在整个天线对目标跟踪过程中目标仰角始终处于1.5度～-9度范围内。

从上述数据可明显看到本发明在不同的目标过顶仰角情况下，在任意仰角盲捕目标后都能确保目标处于低仰角状态，避免跟踪时由于高仰角引起角速度或角加速度过大从而导致的对目标跟踪不稳定甚至丢失目标的情况，以保证对目标的稳定跟踪。

以上所述为本发明较佳实施例，应该注意的是上述实施例对本发明进行说明，然而本发明并不局限于此，并且本领域技术人员在脱离所附权利要求的范围情况下可设计出替换实施例。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种自跟踪过顶盲捕目标的方法，其包括如下技术特征：

在盲捕目标的防过顶阶段，根据盲捕扫描算法得到目标的捕获点信息，利用盲捕目标的捕获点信息形成盲捕指向；

根据盲捕指向计算坐标旋转矢量，控制波束指向目标捕获点；再判断是否捕获目标，是则开始程序引导跟踪目标，否则重新计算坐标旋转矢量，并控制波束指向目标捕获点；再判断是否满足自跟踪条件，是则切换到跟踪模式，更新波束指向与差阵划分，否则继续程序引导跟踪目标，重新判断是否满足自跟踪条件；更新波束指向与差阵划分后，控制系统判断是否计算出过顶跟踪旋转角，是则更新坐标系旋转矢量和波束指向与差阵划分，否则返回重新更新波束指向；最后判断是否结束自跟踪，是则完成自跟踪任务；

具体地，在目标运行轨迹未知的情况下捕获目标的动态信息，根据捕获目标的跟踪点，按如下方式旋转原坐标系：在天线阵面的激活区域投影面积内，以原坐标系z轴为中心，将盲捕跟踪点方位角旋转为零，再以坐标系y轴为中心旋转坐标系，使x轴指向目标捕获点，建立新坐标系A1；

在捕获过程中，每次更新目标盲捕指向后需重新计算旋转矢量，并根据新的旋转矢量重新计算新坐标系A1，利用实时更新的目标捕获点信息持续更新计算坐标系A1，使目标的运动轨迹在新的坐标系中始终保持低仰角状态，直至捕获目标；

捕获目标后，在自跟踪防过顶阶段，利用目标的方位角及俯仰角变化率计算防过顶跟踪旋转角Ψ，在天线阵面的激活区域投影面积内，以新坐标系A1的x轴为中心，旋转坐标系使y轴旋转Ψ度，建立新的坐标系A2，实现全工作空域内无盲区跟踪。

2.如权利要求1所述的自跟踪过顶盲捕目标的方法，其特征在于：在球面相控阵天线球面内建立以o为原点的坐标系xzy和激活投影区域，以o为原点作波束指向P1；按照目标盲捕时的过顶处理和对盲捕目标完成自跟踪后的过顶处理分为两个阶段实施。

3.如权利要求2所述的自跟踪过顶盲捕目标的方法，其特征在于：第一个阶段为盲捕目标时的防过顶阶段，其步骤如下：利用盲捕扫描算法形成目标的盲捕点指向，在球面相控阵天线激活区域投影面积内，以原坐标系z轴为中心，旋转坐标系使盲捕点指向方位角为零度，再以y轴为中心，旋转坐标系使x轴指向盲捕点，建立新坐标系A1；第二个阶段为捕获目标后自跟踪时的防过顶阶段，其步骤如下：利用目标的方位角及俯仰角变化率计算防过顶跟踪旋转角Ψ，在天线阵面激活区域投影面积内，以新坐标系A1的x轴为中心，旋转坐标系使y轴旋转Ψ度，建立新的坐标系A2。

4.如权利要求1所述的自跟踪过顶盲捕目标的方法，其特征在于：新建立的坐标系中xoy平面与目标轨迹同一平面，在新建立的坐标系中子阵的方位、俯仰差阵列划分步骤如下：设目标在新坐标系中方位角为A，俯仰角为E，子阵方位坐标在A～A+90°内取为方位差阵列正值，子阵方位坐标在A～A-90°内取为方位差阵列负值；子阵俯仰坐标在E～E+90°内取为俯仰差阵列正值，子阵俯仰坐标在A～A-90°内取为俯仰差阵列负值。

5.如权利要求1所述的自跟踪过顶盲捕目标的方法，其特征在于：在盲捕完成后天线完成对目标自跟踪，根据当前目标的俯仰角变化率Δφ和方位角变化率计算目标防过顶旋转角然后根据过顶旋转角Ψ计算新的坐标系A2的旋转矢量，利用该旋转矢量按如下方式旋转坐标系A1，以x轴为中心旋转y轴Ψ度，建立新的坐标系A2，新建立的坐标系xoy平面与目标轨迹基本处于同一平面，在此坐标系下采用传统的方位，俯仰方式划分差阵列。

6.如权利要求1所述的自跟踪过顶盲捕目标的方法，其特征在于：在目标相对天线位置，按83度～90度仰角过顶的情况下，采用原坐标系，在过顶点附近，跟踪目标俯仰角的最大角度为83度。

7.如权利要求1所述的自跟踪过顶盲捕目标的方法，其特征在于：在目标相对天线位置按40度～83度仰角过顶的情况下，采用原坐标系，在过顶点附近，跟踪目标俯仰角的最大角度为83度。

8.如权利要求1所述的自跟踪过顶盲捕目标的方法，其特征在于：在目标相对天线位置按0度～40度仰角过顶的情况下，采用原坐标系，在过顶点附近，跟踪目标俯仰角的最大角度为40度。