CN111536932A - 一种应用倾角仪测量并联机构座架型天线指向的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用倾角仪测量并联机构座架型天线指向的方法，属于卫星通信以及测控领域，包括：1)安装组合倾角仪装置；2)采集三个倾角仪的姿态角度；3)倾角仪数据选择；4)根据上一步选定的倾角仪的测量数据，结合其安装方式和安装角度计算天线主反射面安装面的倾角数据。步骤5)根据天线主反射面安装面的两个倾斜角度计算天线的指向角。本发明的优点在于：直接采用成熟的倾角传感器测量并联机构座架型天线的指向，有效的避免了并联机构座架机械形变、结构标校误差等因素的影响，测量精度更高；并且，三个传感器采用独特的安装方式，避免了使用单个传感器在大倾角时测量精度下降的问题；本方法相对简单，数据计算量较小，设备造价相对较低。

Description

一种应用倾角仪测量并联机构座架型天线指向的方法

技术领域

本发明属于卫星通信以及测控领域，应用于并联机构座架形式的天线，用来测量天线的方位、俯仰指向角度，尤其是涉及一种倾角仪测量并联机构座架型天线指向的方法。

背景技术

在卫星通信以及测控领域，天线的座架形式多种多样，大多采用经典的方位-俯仰座架形式，方位-俯仰型天线在天顶位置存在着一个无法“过顶”连续跟踪的“盲锥”区域，为解决“过顶跟踪”问题人们发明了多种座架形式，如XY座架、倾斜轴座架和各种并联机构座架等。目前对于并联机构座架型天线，没有实际的方位和俯仰旋转轴，无法使用码盘等传感器直接测量天线指向角，只能通过坐标变换的方法计算得到天线的方位、俯仰指向角。

目前采用的测量并联机构座架型天线指向方法存在的不足：

①并联机构座架型天线运动学正解计算指向角的算法复杂且计算量大；

②并联机构座架型天线的实际指向受机构标校误差影响较大。

本发明的目的在于克服已有技术存在的问题，提供一种新的测量并联机构型天线指向角的方法，解决天线在上半球工作区域(方位AZ：0°～360°，俯仰EL：0°～90°)指向角测量问题，为天线伺服跟踪系统实时提供天线实际指向信息，以便进行闭环反馈控制或者系统安全保护，对于并联机构座架型天线意义重大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种新的测量并联机构型天线指向角的方法，解决天线在上半球工作区域(方位AZ：0°～360°，俯仰EL：0°～90°)指向角测量问题，为天线伺服跟踪系统实时提供天线实际指向信息。

本发明采用的技术方案为：

一种应用倾角仪测量并联机构座架型天线指向的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1)将组合倾角仪装置安装在并联机构座架型天线主反射面安装面上，在初始状态时，组合倾角仪装置的坐标系各轴分别与天线底座坐标系各轴相互平行；将三个倾角仪在安装平面上呈“正三角形”分布安装在组合倾角仪装置上，每个倾角仪的Y轴分别与正三角形三个边平行，每个倾角仪的X轴分别垂直于正三角形三个边并指向三角形中心，三个倾角仪沿Y轴倾斜45°安装；

步骤2)实时采集三个倾角仪输出的横倾角度和纵倾角度；

步骤3)工作时选择三个倾角仪中输出的横倾角度与纵倾角度之和最小的一个倾角仪，根据该倾角仪安装位置和安装角度将倾角仪的倾角数据转化到天线主反射面安装面上，得到天线主反射面安装面的横倾角度α_B和纵倾角度β_B；

步骤4)根据天线主反射面安装面的横倾角度α_B和纵倾角度β_B计算天线的方位角A和指向角E。

其中，步骤3)具体为：

三个倾角仪安装时绕Y轴旋转角β均为45°，绕Z轴旋转角γ分别为0度、120度和240度，工作时选择三个倾角仪中输出的横倾角与纵倾角之和最小的一个倾角仪，根据该倾角仪的安装位置计算倾角仪坐标系O_n-X_nY_nZ_n到天线主反射面安装面坐标系O_B-X_BY_BZ_B的旋转矩阵R_nB为：

则天线主反射面安装面的姿态向量为：

得到天线主反射面安装面的横倾角度α_B和纵倾角度β_B；其中，α_n和β_n分别为横倾角与纵倾角之和最小的一个倾角仪输出的横倾角度和纵倾角度。

其中，步骤4)具体为：

天线指向时天线主反射面安装面应用Z-Y-Z欧拉旋转描述，首先绕Z轴转动A度，再绕Y轴转动90-E度，最后绕Z轴转动-A度，其中，天线方位角表示为A，俯仰角表示为E，则表示天线主反射面安装面的姿态旋转矩阵为：

天线的指向即天线主反射面安装面坐标系O_B-X_BY_BZ_B的Z轴指向，Z轴方向的单位向量表示为：

根据倾角仪测量的天线主反射面安装面的姿态角，得到天线主反射面安装面的姿态矩阵及Z轴方向的单位向量，Z轴方向的单位向量表示为：

则由

得到：

与现有的技术相比，本发明的有益效果为：

本方法直接采用成熟的倾角传感器测量并联机构座架型天线的指向，有效的避免了并联机构座架机械形变、结构标校误差等因素的影响，测量精度更高；并且三个传感器采用独特的安装方式，避免了使用单个传感器在大倾角时测量精度下降的问题；本发明方法相对简单，数据计算量较小，设备造价相对较低，能够满足天线低速运动或静止状态时的指向角测量需求。

附图说明

图1为本发明实施例中在Stewart并联机构天线上的安装位置及坐标系示意图；

图2为本发明实施例中组合倾角仪装置内部结构及坐标系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一种应用倾角仪测量并联机构座架型天线指向的方法，通过测量天线主反射面姿态角(横倾角、纵倾角)，根据姿态角度计算天线面相对于大地的指向角的方法。针对双轴倾角仪的测角范围一般无法到达±90°且在大倾角时测角精度低的特点，采用三个倾角仪对称倾斜安装的方法，对三个倾角仪数据进行最优处理，选择倾斜角度最小的一个倾角仪，其数据测量精度最高，再根据其安装方式计算天线指向。

具体包括以下步骤：

步骤1)如图1所示，本发明需要将组合倾角仪装置安装在并联机构座架型天线主反射面的安装面上，在初始状态时(天线面竖直朝上)，组合倾角仪装置的坐标系各轴分别与天线底座坐标系各轴相互平行，天线运动时组合倾角仪装置跟随天线主反射面一起运动。本方法所使用的三个倾角仪在平面上呈“正三角形”分布，分别编号为1、2、3，每个倾角仪的Y轴(纵倾轴)分别与正三角形三个边平行，每个倾角仪的X轴(横倾轴)分别垂直于正三角形三个边并指向三角形中心；三个倾角仪沿Y轴倾斜45°安装，固定三个倾角仪的机械结构呈三角锥形。

步骤2)过ModbusRTU总线采集三个倾角仪的姿态角度；

测量天线指向时，算法计算模块通过ModbusRTU总线定时每10毫秒采集一次三个倾角仪测量的姿态角度，分别记录为α₁、β₁、α₂、β₂、α₃、β₃。α_n为横倾角度，β_n为纵倾角度，1≤n≤3。

步骤3)确定选用哪一个传感器的数据，计算天线主反射面安装面的倾角；

如图1、2所示，在天线朝天时(俯仰角为90度)，三个倾角仪测量得到的数据理论上是一致的，横倾角度为0度、纵倾角度为45度；当天线俯仰角变小时，有的传感器倾角在逐渐变大、有的传感器倾角在逐渐变小，此时选择三个倾角传感器横倾角和纵倾角之和最小的一个作为数据来源，该传感器的倾角最小、测量精度最大。

如图2所示，每个传感器都有已知的、确定的安装位置和角度，根据其安装位置和安装角度就可以将选定传感器的倾角转化到天线主反射面安装面上去。

三个倾角仪安装的倾斜角都为45°(绕Y轴旋转角β)，绕Z轴旋转角γ分别为0度、120度、240度，根据倾角仪的安装位置计算倾角仪坐标系O_n-X_nY_nZ_n到天线主反射面安装面坐标系O_B-X_BY_BZ_B的旋转矩阵R_nB为：

则天线主反射面安装面的姿态向量为：

可以得到天线主反射面安装面的倾斜角分别为α_B、β_B。

步骤5)由主反射面安装面的倾角计算天线指向角A、E

结合图1、2，天线基座坐标系为O₀-X₀Y₀Z₀，并联机构座架型在控制天线指向时，通过改变上平台(天线主反射面安装面)姿态角来实现天线指向角的调整，天线方位角表示为A，俯仰角表示为E；在进行运动学反解时应用Z-Y-Z欧拉旋转法计算旋转矩阵，则由方位俯仰角可以计算得到一个旋转矩阵，该矩阵乘以Z轴方向单位向量就可以得到天线指向的Z轴向量表示；另一方面，根据天线主反射面安装面的两个倾斜角度，也可以得到上平台的旋转矩阵，应用X-Y-Z欧拉旋转法，同理得到天线指向Z轴的向量；再根据上述两个向量相等，就可以求得倾斜角α_B、β_B与A、E之间的关系，通过解算方程就可求得天线的实际指向角A、E。具体计算方式如下：

天线指向时上平台应用Z-Y-Z欧拉旋转描述，首先绕Z轴转动A度，再绕Y轴转动(90-E)度(初始时天线指向竖直超上)，最后绕Z轴转动-A度，则表示上平台的姿态的旋转矩阵为：

天线的指向即天线主反射面安装面坐标系O_B-X_BY_BZ_B的Z轴指向，Z轴方向的单位向量可表示为：

根据倾角仪测量的天线主反射面安装面的姿态角，可以到上平台的姿态矩阵及Z轴方向的单位向量，表示为：

则由

可以得到：

Claims (3)

1.一种应用倾角仪测量并联机构座架型天线指向的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1)将组合倾角仪装置安装在并联机构座架型天线主反射面安装面上，在初始状态时，组合倾角仪装置的坐标系各轴分别与天线底座坐标系各轴相互平行；将三个倾角仪在安装平面上呈“正三角形”分布安装在组合倾角仪装置上，每个倾角仪的Y轴分别与正三角形三个边平行，每个倾角仪的X轴分别垂直于正三角形三个边并指向三角形中心，三个倾角仪沿Y轴倾斜45°安装；

步骤2)实时采集三个倾角仪输出的横倾角度和纵倾角度；

步骤3)工作时选择三个倾角仪中输出的横倾角度与纵倾角度之和最小的一个倾角仪，根据该倾角仪安装位置和安装角度将倾角仪的倾角数据转化到天线主反射面安装面上，得到天线主反射面安装面的横倾角度α_B和纵倾角度β_B；

步骤4)根据天线主反射面安装面的横倾角度α_B和纵倾角度β_B计算天线的方位角A和指向角E。

2.根据权利要求1所述的应用倾角仪测量并联机构座架型天线指向的方法，其特征在于，步骤3)具体为：

三个倾角仪安装时绕Y轴旋转角β均为45°，绕Z轴旋转角γ分别为0度、120度和240度，工作时选择三个倾角仪中输出的横倾角与纵倾角之和最小的一个倾角仪，根据该倾角仪的安装位置计算倾角仪坐标系O_n-X_nY_nZ_n到天线主反射面安装面坐标系O_B-X_BY_BZ_B的旋转矩阵R_nB为：

则天线主反射面安装面的姿态向量表示为：

得到天线主反射面安装面的横倾角度α_B和纵倾角度β_B；其中，α_n和β_n分别为横倾角与纵倾角之和最小的一个倾角仪输出的横倾角度和纵倾角度。

3.根据权利要求1所述的应用倾角仪测量并联机构座架型天线指向的方法，其特征在于，步骤4)具体为：

天线指向时天线主反射面安装面应用Z-Y-Z欧拉旋转描述，首先绕Z轴转动A度，再绕Y轴转动90-E度，最后绕Z轴转动-A度，其中，天线方位角表示为A，俯仰角表示为E，则表示天线主反射面安装面的姿态旋转矩阵为：

天线的指向即天线主反射面安装面坐标系O_B-X_BY_BZ_B的Z轴指向，Z轴方向的单位向量表示为：

根据倾角仪测量的天线主反射面安装面的姿态角，得到天线主反射面安装面的姿态矩阵及Z轴方向的单位向量，Z轴方向的单位向量表示为：

则由

得到：

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