CN111552272A - 无源相控阵天线波束控制算法 - Google Patents

无源相控阵天线波束控制算法 Download PDF

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CN111552272A CN202010378932.5A CN202010378932A CN111552272A CN 111552272 A CN111552272 A CN 111552272A CN 202010378932 A CN202010378932 A CN 202010378932A CN 111552272 A CN111552272 A CN 111552272A
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Abstract

本发明实施例提供了一种无源相控阵天线波束控制算法，其特征在于，包括步骤：步骤1：将用户星在WGS‑84坐标系下的位置、速度信息转换为J2000.0地心惯性系下的用户星位置、速度信息；步骤2：利用J2000.0地心惯性坐标系下用户星和中继星的位置信息计算波束指向角。

Description

无源相控阵天线波束控制算法
技术领域
本发明属于卫星无线通信领域，涉及一种无源相控阵天线波束控制算法。
背景技术
在中继链路测控通信系统中，由于低轨用户星的高速运动及地球的自转，用户星与中继星的相对位置在不停地发生变化，要想实现低轨用户星与中继星的实时通信，必须根据用户星的位置不断地调整相控阵天线的波束指向，使天线的中心波束时刻对准中继星。天线波束指向的准确计算可以降低天线波束宽度，提高天线的增益，扩大卫星的通信弧段。因此，对相控阵天线波束控制算法的研究具有十分重要的意义。本文在某型号背景下，研究并设计了低轨用户星到中继星实时通信的相控阵天线波束控制算法，并以单片机(80C32)为平台进行了硬件设计与实现，利用STK软件模拟产生轨道数据对波控模块进行测试验证，最后利用用户星与中继星的空间立体几何关系验证了波控算法的正确性。
由于以上软件算法的业性强、方法复杂、技术难度大，对技术人员算法设计能力、硬件设计能力、软件设计能力以及测试验证能力都有较高的要求，因此有必要进行专业设计和研究，开发一套适合于卫星无线通信的波控算法，以提高相控阵天线增益，提高星载通信设备的通信能力，降低整星资源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于卫星通信无源相控阵天线的波控算法，提高卫星无线通信能力，降低卫星资源。
所述一种无源相控阵天线波束控制算法，包括步骤：
步骤1：将用户星在WGS-84坐标系下的位置、速度信息转换为J2000.0地心惯性系下的用户星位置、速度信息；
步骤2：利用J2000.0地心惯性坐标系下用户星和中继星的位置信息计算波束指向角。
根据本发明的一个实施例，步骤1包括：
步骤11：将用户星在WGS-84坐标系下的三维位置信息、三维速度信息通过极移矩阵转化到准地固坐标系下；
步骤12：将用户星在准地固坐标系下的三维位置信息、三维速度信息通过地球自转矩阵转化到瞬时真赤道地心系；
步骤13：将用户星载瞬时真赤道地心系下的三维位置信息、三维速度信息通过章动矩阵转化到瞬时平赤道地心系；
步骤14：将用户星载瞬时平赤道地心系下的三维位置信息、三维速度信息通过岁差矩阵转化到J2000.0地心惯性系。
根据本发明的一个实施例，步骤2包括：
步骤21：将用户星在J2000.0地心惯性系下的三维位置信息、三维速度信息转换到用户星轨道坐标系；
步骤22：将用户星载轨道坐标系下的三维位置信息、三维速度信息转换到用户星本体坐标系；
步骤23：将用户星在用户星本体坐标系下的三维位置、三维速度信息转换到用户星天线坐标系；
步骤24：在用户星天线坐标系下计算相控阵天线波束指向角，实现天线波束控制。
根据本发明的一个实施例，所述极移矩阵，其计算公式为：EP＝Ry(-x)Rx(-y)，式中x，y为IERS公报所提供的天文历书极(CEP)相对于IERS参考极的坐标。
根据本发明的一个实施例，所述地球自转矩阵，其计算公式为：
Figure RE-GDA0002546856390000021
式中，
Figure RE-GDA0002546856390000022
为格林尼治真恒星时，Δψ为黄经章动，ε0为平黄赤交角，Δε为交角章动。
根据本发明的一个实施例，所述章动矩阵NR，NRT为章动矩阵的逆矩阵，其计算公式为：
NRT＝Rx(-ε0)·Rz(Δψ)·Rx(ε)，式中，Rx(ε)表示绕x轴旋转ε。
根据本发明的一个实施例，所述步骤21的具体方法为：
设J2000.0惯性系下用户星到中继星的指向矢量为
Figure RE-GDA0002546856390000031
用户星轨道坐标系下的指向矢量为
Figure RE-GDA0002546856390000032
则有：
Figure RE-GDA0002546856390000033
转换矩阵RYH采用矢量相乘的方法，RYH计算如下：
Figure RE-GDA0002546856390000034
其中
Figure RE-GDA0002546856390000035
为用户星在J2000.0惯性系下速度矢量，
Figure RE-GDA0002546856390000036
Figure RE-GDA0002546856390000037
xs,ys,zs为用户星在J2000.0惯性系下位置矢量。
根据本发明的一个实施例，所述步骤22的具体方法为：
设用户星到中继星的指向矢量在用户星本体坐标系为
Figure RE-GDA0002546856390000038
则
Figure RE-GDA0002546856390000039
其中，RZ(ψ)表示绕Z轴旋转ψ、
Figure RE-GDA00025468563900000310
表示绕X轴旋转
Figure RE-GDA00025468563900000311
RY(θ)表示绕Y 轴旋转θ；ψ、
Figure RE-GDA00025468563900000312
θ分别表示用户星偏航角、滚动角、俯仰角。
根据本发明的一个实施例，所述步骤23的具体方法为：
天线本体坐标系与用户星本体坐标系的关系主要取决于天线在卫星上的安装方式；假设天线本体坐标系Z轴指向用户星本体坐标系-Z轴方向，天线本体坐标系X轴指向用户星本体坐标系-X轴方向，天线本体坐标系Y轴指向用户星本体坐标系Y轴方向；设天线本体坐标系下用户星到中继星指向矢量为
Figure RE-GDA0002546856390000041
则有
Figure RE-GDA0002546856390000042
根据本发明的一个实施例，所述步骤24的具体方法为：
设天线本体坐标系下用户星到中继星指向矢量为
Figure RE-GDA0002546856390000043
与天线本体坐标系Z轴的夹角为
Figure RE-GDA0002546856390000044
在XOY面的投影与X轴的夹角为λ，则
Figure RE-GDA0002546856390000045
和λ可表示为：
Figure RE-GDA0002546856390000046
利用低轨用户星GNSS信息及中继星地固系下位置信息设计了星载相控阵天线波束控制算法，在用户星高速运动过程中通过不断调整天线波束指向，实现了用户星与中继星的实时通信。以单片机为硬件平台对该算法进行了工程实现并应用于某型号产品上。
相控阵天线波束控制算法的设计大大提高了天线的增益、扩大了用户星与中继星的通信时间、降低了系统的功耗。因此，在我国大力发展星间测控和中继测控背景下，对星载相控阵天线波束控制算法的研究具有重大的应用价值和现实意义。
附图说明
图1为本发明实施例的适用于卫星通信无源相控阵天线的波控算法流程图；
图2为本发明实施例的将用户星在WGS-84坐标系下的位置、速度信息转换为J2000.0地心惯性系下的用户星位置、速度信息的步骤流程图；
图3为本发明实施例的利用J2000.0地心惯性坐标系下用户星和中继星的位置信息计算波束指向角的步骤流程图；
图4为用户星轨道坐标系示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。
本发明的技术方案设计了一种适用于卫星通信无源相控阵天线的波控算法，提高卫星无线通信能力，降低卫星资源。
首先，先对方法中用到的坐标系做下定义。共包括7个坐标系，分别为： WGS-84地固坐标系(WGS-84协议地球坐标系)、瞬时地球坐标系(准地固坐标系)、瞬时平赤道地心系(瞬时平天球坐标系)、瞬时真赤道地心系(瞬时天球坐标系)、J2000.0地心惯性系、用户星轨道坐标系以及用户星本体坐标系。
下面，分别对每个坐标系进行说明。
1、WGS-84地固坐标系(WGS-84协议地球坐标系)
原点：地球质心；
Z轴：指向BIH1984.0定义的协议地球极(CTP)方向；
X轴：指向BIH1984.0零度子午面与CTP赤道的交点；
Y轴：与X、Z轴成右手系；
2、瞬时地球坐标系(准地固坐标系)
原点：地球质心；
Z轴：向北指向瞬时地极(真地极)；
X轴：指向瞬时地极和ECTP(协议赤道与真赤道的交点)构成的格林尼治平起始子午线与真赤道的交点E；
Y轴：与X、Z轴构成右手系；
3、瞬时平赤道地心系(瞬时平天球坐标系)
原点：地球质心，基本平面为当前时刻地球平赤道；
Z轴：指向瞬时平北天极，并垂直基本平面；
X轴：指向瞬时平春分点；
Y轴：与X、Z轴构成右手系；
4、瞬时真赤道地心系(瞬时天球坐标系)
原点：地球质心，基本平面为当前时刻地球真赤道；
Z轴：指向瞬时北天极(或称真天极)与基本平面垂直；
X轴：指向当前时刻的真春分点；
Y轴：与X、Z轴构成右手系；
5、J2000.0地心惯性系
原点：地球质心，基本平面为2000年1月1.5日地球平赤道；
Z轴：沿基本平面的法线指向北极方向；
X轴：指向2000年1月1.5日的平春分点；
Y轴：与X、Z轴构成右手系；
6、用户星轨道坐标系，如图4所示。
原点：为用户星在轨时的质心位置，基本平面为用户星轨道平面；
Z轴：由用户星质心指向地心；
X轴：在轨道平面内与Z轴垂直并指向用户星运行方向；
Y轴：与X、Z轴构成右手系；
7、用户星本体坐标系
原点：用户星质心位置；
Z轴：当卫星姿态角均为0°是指向地心；
X轴：指向卫星在轨运行的前方，并与Y轴垂直；
Y轴：与X、Z轴构成右手系。
根据用户星WGS-84坐标系下位置信息、速度信息及中继星WGS-84坐标系下位置信息计算相控阵天线波束指向角大体可以分为以下2步，如图1所示：
步骤1：将用户星在WGS-84坐标系下的位置、速度信息转换为J2000.0地心惯性系下的用户星位置、速度信息。
根据本发明的一个实施例，如图2所示，步骤1的具体方法包括：
步骤11：将用户星在WGS-84坐标系下的三维位置信息、三维速度信息通过极移矩阵转化到准地固坐标系下。
其中，EP为极移矩阵，其计算公式为：EP＝Ry(-x)·Rx(-y)，式中x，y为IERS 公报所提供的天文历书极(CEP)相对于IERS参考极的坐标；
步骤12：将用户星在准地固坐标系下的三维位置信息、三维速度信息通过地球自转矩阵转化到瞬时真赤道地心系。
其中，ER为地球自转矩阵，其计算公式为：
Figure RE-GDA0002546856390000071
式中，
Figure RE-GDA0002546856390000072
为格林尼治真恒星时，Δψ为黄经章动，ε0为平黄赤交角，Δε为交角章动。
步骤13：将用户星载瞬时真赤道地心系下的三维位置信息、三维速度信息通过章动矩阵转化到瞬时平赤道地心系。
其中，NR为章动矩阵，NRT为章动矩阵的逆矩阵，其计算公式为：
NRT＝Rx(-ε0)·Rz(Δψ)·Rx(ε)，式中，Rx(ε)表示绕x轴旋转ε；
步骤14：将用户星载瞬时平赤道地心系下的三维位置信息、三维速度信息通过岁差矩阵转化到J2000.0地心惯性系。
其中，PR为岁差矩阵，PRT为岁差矩阵的逆矩阵，其计算公式为：
PRT＝Rz(ζA)·RY(-θA)·Rz(ZA)，式中，ζA，θA，ZA为岁差常数。
步骤2：利用J2000.0地心惯性坐标系下用户星和中继星的位置信息计算波束指向角。分别计算出了用户星和中继星在J2000.0地心惯性坐标系下位置信息，设J2000.0地心惯性下用户星位置信息矢量为，中继星位置信息矢量为，即可求出J2000.0惯性系下用户星到中继星指向矢量，在将该矢量转换到相控阵天线坐标系，即可求出相控阵天线的波速指向角。
根据本发明的一个实施例，如图3所示，步骤2的具体方法包括：
步骤21：将用户星在J2000.0地心惯性系下的三维位置信息、三维速度信息转换到用户星轨道坐标系。
其中，设J2000.0惯性系下用户星到中继星的指向矢量为
Figure RE-GDA0002546856390000081
用户星轨道坐标系下的指向矢量为
Figure RE-GDA0002546856390000082
则有：
Figure RE-GDA0002546856390000083
转换矩阵RYH采用矢量相乘的方法，RYH计算如下：
Figure RE-GDA0002546856390000084
其中
Figure RE-GDA0002546856390000085
为用户星在J2000.0惯性系下速度矢量，
Figure RE-GDA0002546856390000086
Figure RE-GDA0002546856390000087
xs,ys,zs为用户星在J2000.0惯性系下位置矢量。
步骤22：将用户星载轨道坐标系下的三维位置信息、三维速度信息转换到用户星本体坐标系。
其中，设用户星到中继星的指向矢量在用户星本体坐标系为
Figure RE-GDA0002546856390000091
则
Figure RE-GDA0002546856390000092
其中，RZ(ψ)表示绕Z轴旋转ψ、
Figure RE-GDA00025468563900000911
表示绕X轴旋转
Figure RE-GDA0002546856390000093
RY(θ)表示绕Y 轴旋转θ；ψ、
Figure RE-GDA0002546856390000094
θ分别表示用户星偏航角、滚动角、俯仰角。
步骤23：将用户星在用户星本体坐标系下的三维位置、三维速度信息转换到用户星天线坐标系。
其中，天线本体坐标系与用户星本体坐标系的关系主要取决于天线在卫星上的安装方式。本文假设天线本体坐标系Z轴指向用户星本体坐标系-Z轴方向，天线本体坐标系X轴指向用户星本体坐标系-X轴方向，天线本体坐标系Y轴指向用户星本体坐标系Y轴方向。设天线本体坐标系下用户星到中继星指向矢量为
Figure RE-GDA0002546856390000095
则有
Figure RE-GDA0002546856390000096
步骤24：在用户星天线坐标系下计算相控阵天线波束指向角，实现天线波束控制。
其中，设天线本体坐标系下用户星到中继星指向矢量为
Figure RE-GDA0002546856390000097
与天线本体坐标系Z轴的夹角为
Figure RE-GDA0002546856390000098
在XOY面的投影与X轴的夹角为λ，则
Figure RE-GDA0002546856390000099
和λ可表示为：
Figure RE-GDA00025468563900000910
天线波束指向的准确计算可以降低天线波束宽度，提高天线的增益，扩大卫星的通信弧段。因此，对相控阵天线波束控制算法的研究具有十分重要的意义。本发明在某型号背景下，研究并设计了低轨用户星到中继星实时通信的相控阵天线波束控制算法，并以单片机(80C32)为平台进行了硬件设计与实现，利用STK软件模拟产生轨道数据对波控模块进行测试验证，最后利用用户星与中继星的空间立体几何关系验证了波控算法的正确性。
由于以上软件算法的业性强、方法复杂、技术难度大，对技术人员算法设计能力、硬件设计能力、软件设计能力以及测试验证能力都有较高的要求，因此有必要进行专业设计和研究，开发一套适合于卫星无线通信的波控算法，以提高相控阵天线增益，提高星载通信设备的通信能力，降低整星资源。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种无源相控阵天线波束控制算法，其特征在于，包括步骤：
步骤1：将用户星在WGS-84坐标系下的位置、速度信息转换为J2000.0地心惯性系下的用户星位置、速度信息；
步骤2：利用J2000.0地心惯性坐标系下用户星和中继星的位置信息计算波束指向角。
2.如权利要求1所述的无源相控阵天线波束控制算法，其特征在于，步骤1包括：
步骤11：将用户星在WGS-84坐标系下的三维位置信息、三维速度信息通过极移矩阵转化到准地固坐标系下；
步骤12：将用户星在准地固坐标系下的三维位置信息、三维速度信息通过地球自转矩阵转化到瞬时真赤道地心系；
步骤13：将用户星载瞬时真赤道地心系下的三维位置信息、三维速度信息通过章动矩阵转化到瞬时平赤道地心系；
步骤14：将用户星载瞬时平赤道地心系下的三维位置信息、三维速度信息通过岁差矩阵转化到J2000.0地心惯性系。
3.如权利要求1所述的无源相控阵天线波束控制算法，其特征在于，步骤2包括：
步骤21：将用户星在J2000.0地心惯性系下的三维位置信息、三维速度信息转换到用户星轨道坐标系；
步骤22：将用户星载轨道坐标系下的三维位置信息、三维速度信息转换到用户星本体坐标系；
步骤23：将用户星在用户星本体坐标系下的三维位置、三维速度信息转换到用户星天线坐标系；
步骤24：在用户星天线坐标系下计算相控阵天线波束指向角，实现天线波束控制。
4.如权利要求2所述的无源相控阵天线波束控制算法，其特征在于，所述极移矩阵，其计算公式为：EP＝Ry(-x)·Rx(-y)，式中x，y为IERS公报所提供的天文历书极(CEP)相对于IERS参考极的坐标。
5.如权利要求2所述的无源相控阵天线波束控制算法，其特征在于，所述地球自转矩阵，其计算公式为：
Figure RE-RE-FDA0002546856380000021
式中，
Figure RE-RE-FDA0002546856380000022
Figure RE-RE-FDA0002546856380000023
为格林尼治真恒星时，Δψ为黄经章动，ε0为平黄赤交角，Δε为交角章动。
6.如权利要求2所述的无源相控阵天线波束控制算法，其特征在于，所述章动矩阵NR，NRT为章动矩阵的逆矩阵，其计算公式为：
NRT＝Rx(-ε0)·Rz(Δψ)·Rx(ε)，式中，Rx(ε)表示绕x轴旋转ε。
7.如权利要求3所述的无源相控阵天线波束控制算法，其特征在于，所述步骤21的具体方法为：
设J2000.0惯性系下用户星到中继星的指向矢量为
Figure RE-RE-FDA0002546856380000024
用户星轨道坐标系下的指向矢量为
Figure RE-RE-FDA0002546856380000025
则有：
Figure RE-RE-FDA0002546856380000026
转换矩阵RYH采用矢量相乘的方法，RYH计算如下：
Figure RE-RE-FDA0002546856380000031
其中
Figure RE-RE-FDA0002546856380000032
为用户星在J2000.0惯性系下速度矢量，
Figure RE-RE-FDA0002546856380000033
Figure RE-RE-FDA0002546856380000034
xs,ys,zs为用户星在J2000.0惯性系下位置矢量。
8.如权利要求3所述的无源相控阵天线波束控制算法，其特征在于，所述步骤22的具体方法为：
设用户星到中继星的指向矢量在用户星本体坐标系为
Figure RE-RE-FDA0002546856380000035
则
Figure RE-RE-FDA0002546856380000036
其中，RZ(ψ)表示绕Z轴旋转ψ、
Figure RE-RE-FDA0002546856380000037
表示绕X轴旋转
Figure RE-RE-FDA0002546856380000038
RY(θ)表示绕Y轴旋转θ；ψ、
Figure RE-RE-FDA0002546856380000039
θ分别表示用户星偏航角、滚动角、俯仰角。
9.如权利要求3所述的无源相控阵天线波束控制算法，其特征在于，所述步骤23的具体方法为：
天线本体坐标系与用户星本体坐标系的关系主要取决于天线在卫星上的安装方式；假设天线本体坐标系Z轴指向用户星本体坐标系-Z轴方向，天线本体坐标系X轴指向用户星本体坐标系-X轴方向，天线本体坐标系Y轴指向用户星本体坐标系Y轴方向；设天线本体坐标系下用户星到中继星指向矢量为
Figure RE-RE-FDA00025468563800000310
则有
Figure RE-RE-FDA00025468563800000311
10.如权利要求3所述的无源相控阵天线波束控制算法，其特征在于，所述步骤24的具体方法为：
设天线本体坐标系下用户星到中继星指向矢量为
Figure RE-RE-FDA0002546856380000041
Figure RE-RE-FDA0002546856380000042
与天线本体坐标系Z轴的夹角为
Figure RE-RE-FDA0002546856380000043
Figure RE-RE-FDA0002546856380000044
在XOY面的投影与X轴的夹角为λ，则
Figure RE-RE-FDA0002546856380000045
和λ可表示为：
Figure RE-RE-FDA0002546856380000046
CN202010378932.5A 2020-05-07 2020-05-07 无源相控阵天线波束控制算法 Pending CN111552272A (zh)

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