CN111224240A

CN111224240A - 一种快速收敛的卫星天线自动对星方法

Info

Publication number: CN111224240A
Application number: CN202010033612.6A
Authority: CN
Inventors: 刘冰; 吴晓文; 辛振明
Original assignee: Shenzhen Star Glory Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Star Glory Technology Co Ltd
Priority date: 2020-01-13
Filing date: 2020-01-13
Publication date: 2020-06-02

Abstract

本发明涉及一种快速收敛的卫星天线自动对星方法，包括捕获卫星载波信号或信标信号，其特征在于，还包括：采用函数Ae^‑βcos(ψ't+a)驱动卫星天线在水平方向进行方位角扫描查找并定位到最大信号强度点，在垂直方向进行俯仰角扫描查找并定位到最大信号强度点；其中：A是常数取值4‑10λ，λ为通信频率波长，a是校准常量取值0‑90°，ψ是伺服电机角速度，t是时间，β是阻尼系数，β＝0.7。这种自动对星方法，优化圆锥扫描算法，将方位及俯仰方向运动轨迹由正弦、余弦函数变化为两个阻尼函数，缩短距离3倍，对星效率提高60％以上。

Description

一种快速收敛的卫星天线自动对星方法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种快速收敛的卫星天线自动对星方法，尤其应用于卫星动中通、静中通、自动便携站快速对星。

背景技术

目前，卫星通信主要是地面卫星站通过地球同步轨道卫星(GEO)转发进行，而GEO卫星处于距离地球36000公里的赤道上空，由于距离远，卫星通信Ku/Ka微波频段无线电信号衰耗严重，地面通信天线必须和卫星上天线精确对准，才能进行通信，否则不仅无法通信，还会造成邻星干扰。地面卫星通信系统无论采用动中通、静中通、便携式那种卫星天线形式，都面临着卫星天线对星的问题。

卫星通信系统通常由卫星天线、上变频功率放大器(BUC)、卫星高频头(LNB)、天线控制器、卫星调制解调器(Modem)构成。天线控制器通过卫星参数设置，获取地理位置信息、惯导信息控制天线伺服电机，驱动卫星天线在方位、俯仰方向上移动，捕获卫星载波或信标信号，通过信号强度判决，确定是否对准卫星。通常采用的对星算法为圆锥扫描算法，通过驱动装置，使馈源沿天线面轴向做圆周运动，找到圆周上接收信号的功率最大点U_MAX和功率最小点U_MIN，带入圆锥扫描算法公式，分解为水平与俯仰方向两个函数，分别为正弦和余弦，逐步减小圆周半径，具体如图1所示，其中：AZ是水平方位角轴，EL是垂直俯仰角轴，O₁、O₂、O₃……为扫描圆心，r是扫描半径，S是目标点。当扫描夹角为零时，扫描圆心与天线接收信号最大点重合，完成对星。

原有圆锥扫描对星算法，函数复杂、后端处理信息量大，时间滞后误差较大，完成一个圆周扫描时间较长(T＝2πr/v)，其中：T为圆周扫描时间，r为扫描圆周半径，v为伺服电机驱动速度。由于初始扫描时馈源与轴向夹角取值较大，相应r值较大，在v恒定不变的情况下，完成一个圆周扫描的T较长，后续通过减小馈源与轴向夹角度数逐步缩小r，直至圆心与目标点重合。这样整个天线对星过程用时较长，实际应用过程中初始化对星时间普遍在3-5分钟，但是对于卫星通信用于应急抢险、维稳处突来说，时间就是生命，如何用最短的时间完成对星、开通系统，成为重中之重。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，如何提供一种快速收敛的卫星天线自动对星方法，如何有效减少对星时间。

本发明的上述技术问题这样解决：构建一种快速收敛的卫星天线自动对星方法，包括在驱动卫星天线对星移动过程中捕获卫星载波信号或信标信号，其特征在于，还包括以下步骤：

方位角扫描：采用函数Ae^-βcos(ψ't+a)驱动卫星天线在水平方向进行扫描查找并定位到最大信号强度点；

俯仰角扫描：采用函数Ae^-βcos(ψ't+a)驱动卫星天线在竖直方向进行扫描查找并定位到最大信号强度点；

其中：其中A是常数取值4-10λ(λ为通信频率波长)，a是校准常量取值0-90°，ψ是伺服电机角速度，t是时间，β是阻尼系数，β＝0.7。

按照本发明提供的卫星天线自动对星方法，所述方位角扫描步骤优选在所述俯仰角扫描步骤之前。

按照本发明提供的卫星天线自动对星方法，所述方位角扫描步骤中方位角重复扫描5次。

按照本发明提供的卫星天线自动对星方法，所述俯仰角扫描步骤中俯仰角重复扫描3次。

按照本发明提供的卫星天线自动对星方法，所述方位角扫描步骤中卫星天线俯仰角不变，所述俯仰角扫描步骤中卫星天线方位角不变。

按照本发明提供的卫星天线自动对星方法，所述捕获的间隔是0.5-3ms。

按照本发明提供的卫星天线自动对星方法，还包括计算对星角度并根据计算结果在扫描前调整卫星天线的初始方向。

按照本发明提供的卫星天线自动对星方法，所述调整包括读取电子罗盘水平传感器获取天线当前方位值。

按照本发明提供的卫星天线自动对星方法，所述调整包括读取工业级高精度倾角传感器获取天线当前倾角值。

按照本发明提供的卫星天线自动对星方法，所述电子罗盘和工业级高精度倾角传感器安装在天线面支撑臂上。

按照本发明提供的卫星天线自动对星方法，所述计算包括读取所要对准卫星的轨道参数、卫星天线的当前地理位置信息，计算方位角和仰俯角。

本发明提供的快速收敛的卫星天线自动对星方法，与现有技术相比，大幅缩短馈源移动距离，进而缩短对星时间。实际装置上验证，将0.8米口径Ku频段动中通卫星装置安装在6轴摇摆台上，在摇摆台静止情况下，采用圆锥扫描方法卫星天线初始对星时间28秒(均方根误差RMS)，静态对星精度≤0.15dB(RMS)，动态跟踪精度≤0.3dB(RMS)；采用快速收敛的阻尼扫描方法卫星天线初始对星时间11秒(RMS)，测试时间30分钟，每30秒改变一次摇摆台方位AZ轴、俯仰EL轴参数，摇摆台静止后重新对星，对星完成后记录一次电平值，获取的电平值在10.39V-10.50V之间，偏差最大值为0.11V，信号波动在0.1dB以内。开启摇摆台测试，摇摆台俯仰EL轴按函数25sin(2πt/6)，方位AZ轴按函数30cos(2πt/5)进行运动，t是时间，测试时间长2小时，每1秒记录一次电平值，获取的电平值在10.27V-10.50V之间，偏差最大值为0.23V，信号波动在0.2dB以内。对比现有技术的圆锥扫描方法的指标，本发明方法在初始对星时间、静态对星精度和动态跟踪精度三大指标上都得到了大幅提升。

附图说明

下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明。

图1是传统圆锥扫描对星算法示意图；

图2是本发明快速收敛扫描对星算法示意图；

图3是图2中AZ轴扫描波形示意图；

图4是图2中EL轴扫描波形示意图；

图5是图2对应的算法流程示意图。

具体实施方式

首先，说明本发明的核心：

1、在天线面支撑臂上安装的电子罗盘和工业级高精度倾角传感器；

2、优化了圆锥扫描对星方法。

第二，简要说明本发明快速收敛扫描对星算法：

通过采用电子罗盘和工业级高精度倾角传感器作为辅助设备，将传统圆锥扫描算法进行了快速收敛，将水平及俯仰方向运动轨迹由正弦、余弦函数变化为两个阻尼函数，使扫描圆周扁平化，线性化，具体如图2所示，其中：-C₁、C、C₁、C₂、C₃……为水平方向运动轨迹，-Q₁、Q、Q₁、Q₂……为仰俯方向运动轨迹。其中：

水平方向运动轨迹对应的阻尼函数(阻尼系数β＝0.7，函数具体见公式⑤)，具体如图3所示；俯仰方向运动轨迹对应的阻尼函数(阻尼系数β＝0.7，函数具体见公式⑤)，具体如图4所示。

这样通过大幅缩短馈源移动距离，进而缩短对星时间，在驱动电机型号转速一定的情况下，将圆周运动变为线运动，根据公式缩短距离3倍，对星效率提高60％以上。

第三，结合本发明最优实施例进一步对本发明进行详细说明：

㈠整体系统

本发明最优实施的对星系统由卫星通讯装置中的卫星天线面、方位伺服电机、俯仰伺服电机、BUC、LNB、工业级高精度倾角传感器、电子罗盘、捷联式微机电系统(MEMS)惯导传感器、全球定位系统(GPS)/北斗(BDS)定位模块、天线控制器(ACU)、卫星调制解调器(Modem)、载波/信标接收机组成。

㈡工作原理

第一步，计算对星角度：将电子罗盘和工业级高精度倾角传感器安装在天线面支撑臂上，保证与天线方位及俯仰转动一致，加电后，读取所要对准卫星的轨道参数、GPS/BDS地理位置信息，然后通过公式①计算出方位角PT

PT＝arctg(tgX/sinY) ①

通过公式②计算出俯仰角CR

上面公式①和②中：X是(目标卫星经度-卫星天线经度)的差值，Y是卫星天线纬度。

第二步，调整卫星天线初始位置：卫星天线根据计算结果，调整极化角(0-90°)，通过方位伺服电机调整方位角，通过俯仰电机调整天线俯仰角，读取电子罗盘获取天线当前方位值，读取工业级高精度倾角传感器获取天线当前倾角值，采用的工业级高精度倾角传感器精度为0.002°，分辨率0.0005°，当工业级高精倾角传感器数值与计算值一致时，由于工业级高精倾角传感器基本不受地磁等外界因数干扰，其与真实对星的俯仰倾角误差非常小，而电子罗盘受地磁等干扰非常大，真实应用中其与真实对星的俯仰倾角误差偏离可达到±15°。

第三步，采用优化的圆锥扫描算法进行对星：先根据选定卫星参数、自身卫星天线指标、地理位置，再根据大地坐标系及电磁波自由空间损耗计算出理论最大电平值P₀，然后卫星天线按公式④中半功率波束宽度θ_1/2进行扫描，由于工业级高精度倾角传感器数据的导入，该方法将传统圆锥扫描算法中分解出的水平、俯仰两个正弦、余弦函数，简化成与公式⑤一致的AZ轴和EL轴两个β＝0.7的阻尼线函数进行扫描。

Z_(t)＝Ae^-βcos(ψ't+a),(β＝0.7) ⑤

上面公式③-⑤中：P是电平值，θ是波束宽度，θ_1/2是半功率波束宽度(3dB波束宽度)，c是光速30万公里/秒，f是中心点频率，D是天线等效口径，A是常数取值4-10λ(根据f的不同进行设置)，a是校准常数(0-90°)，ψ是伺服电机转动角速度，t是时间，Z是AZ轴或EL轴的坐标。

该扫描过程包括：读取当前点信号电平值U，保持AZ或EL轴电机静止，另一轴电机按公式⑤的阻尼线扫描函数驱动，信号读取周期优选取1ms，信号值分别为U₁、U₂，当U₀>U₁>U₂时，调整电机反向转动；当满足U_(N-2)<U_(N-1)<U_(N)>U_(N+1)>U_(N+2)时，N为大于2的自然数，记录最大点电平值U_max，电机按函数未完周期继续转动读取电平值，校验U_max是否因抖动或干扰产生的误读数；完成一个函数周期后，电机反向转动，当满足U_(M-2)<U_(M-1)<U_(M)>U_(M+1)>U_(M+2)时，M为大于2的自然数，记录最大点电平值U_max1，对U_max和U_max1进行判决，取大值替换U_max值，电机按函数未完周期继续转动读取电平值，校验U_max1是否因抖动或干扰产生的误读数；重复完成多个阻尼系数周期扫描，获得的电平最大值U_max理论上可认为接近该轴方向电平理论最大值。

㈢软件实现

如图5所示，本发明最优实施例的快速收敛扫描对星算法流程包括以下步骤：

501)开始；

502)初始化卫星系统；

503)判断GPS或BDS系统定位完成？是下一步，否则返回本步骤开始；

504)扫描初始化：1、根据卫星参数及所处地理位置信息计算方位、俯仰和极化角；2、调整极化角，驱动方位伺服电机趋近目标方位；3、驱动俯仰电机趋近目标俯仰，读取高精度倾角传感器数据，调整俯仰电机接近准确俯仰；

505)开始AZ轴扫描：代入阻尼函数，驱动方位电机，读取当前电平值U_AZ，寻找AZ轴信号电平最大值U_AZMAX；

506)判断是否满足条件一：U_AZ0<U_AZ1<U_AZ2？是下一步，否则反向调整方位电机、返回本步骤开始；

507)判断是否满足条件二？是下一步，否则继续驱动方位电机、返回本步骤开始；

条件二：U_AZ(N-2)<U_AZ(N-1)<U_AZ(N)>U_AZ(N+1)>U_AZ(N+2)

508)记录U_AZMAX，完成一个扫描周期；

509)判断是否完成5个周期？是下一步，否则反向调整方位电机、返回步骤507)；

510)反向调整方位电机，当读取到当前信号电平值U_AZ>U_AZMAX,停止方位电机；

511)开始EL轴扫描：代入阻尼函数，驱动俯仰电机，读取电平值U_EL，寻找信号电平最大值U_MAX；

512)判断是否满足条件三：U_EL0<U_EL1<U_EL2？是下一步，否则反向调整俯仰电机、返回本步骤开始；

513)判断是否满足条件四？是下一步，否则继续驱动俯仰电机、返回本步骤开始；

条件四：U_EL(N-2)<U_EL(N-1)<U_EL(N)>U_EL(N+1)>U_EL(N+2)

514)记录U_MAX，完成一个扫描周期；

515)判断是否完成3个周期？是下一步，否则反向调整俯仰电机、返回步骤513)；

516)反向调整俯仰电机，当读取到当前信号电平值U_EL>U_MAX,停止俯仰电机；

517)结束。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims

1.一种快速收敛的卫星天线自动对星方法，包括在驱动卫星天线对星移动过程中捕获卫星载波信号或信标信号，其特征在于，还包括以下步骤：

俯仰角扫描：采用函数Ae^-βcos(ψ't+a)驱动卫星天线在垂直方向进行扫描查找并定位到最大信号强度点；

其中A是常数取值4-10λ，λ为通信频率波长，a是校准常量，取值0-90°，ψ是伺服电机角速度，t是时间，β是阻尼系数，β＝0.7。

2.根据权利要求1所述卫星天线自动对星方法，其特征在于，所述方位角扫描步骤在所述俯仰角扫描步骤之前。

3.根据权利要求2所述卫星天线自动对星方法，其特征在于，所述方位角扫描步骤中方位角重复扫描5次。

4.根据权利要求2所述卫星天线自动对星方法，其特征在于，所述俯仰角扫描步骤中俯仰角重复扫描3次。

5.根据权利要求1所述卫星天线自动对星方法，其特征在于，所述方位角扫描步骤中卫星天线俯仰角不变，所述俯仰角扫描步骤中卫星天线方位角不变。

6.根据权利要求1所述卫星天线自动对星方法，其特征在于，所述捕获的间隔是0.5-3ms。

7.根据权利要求1-6中任一项所述卫星天线自动对星方法，其特征在于，还包括根据卫星天线地理位置信息及目标卫星轨位信息计算对星角度并根据计算结果在扫描前调整卫星天线的初始方向。

8.根据权利要求7所述卫星天线自动对星方法，其特征在于，所述调整包括读取电子罗盘水平传感器获取天线当前方位值，还包括读取工业级高精度倾角传感器获取天线当前倾角值。

9.根据权利要求7所述卫星天线自动对星方法，其特征在于，所述计算包括读取所要对准卫星的轨道参数、卫星天线的当前地理位置信息，计算方位角和仰俯角。

10.根据权利要求7所述卫星天线自动对星方法，其特征在于，电子罗盘和工业级高精度倾角传感器安装在天线面支撑臂上。