CN112013832B - Victs天线自适应对星跟踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于动中通技术领域，公开一种VICTS天线自适应对星跟踪方法，通过北斗数据和惯导获取的天线载体姿态信息，以及天线的工作参数，得出天线波束的姿态信息，然后根据波束的姿态信息进行对星，对星完成之后，根据理论计算与实测得出波束方位角、俯仰角与馈电盘和辐射盘相对盘面转动角度的关系曲线，然后利用该关系曲线和当前波束姿态下半功率波瓣宽度来选取步进跟踪时的搜索步长，然后根据搜索结果和搜索步长来进一步确定跟踪方向与跟踪步长，从而进行步进跟踪。本发明可以根据不同的波束姿态信息计算出适用于当前波束姿态的跟踪步长，可以在保证对星精度的基础上减少跟踪步数，对提高VICTS天线的性能有显著效果。

Description

VICTS天线自适应对星跟踪方法
技术领域
本发明属于动中通技术领域，尤其涉及一种VICTS天线自适应对星跟踪方法。
背景技术
VICTS(可变倾角连续断面节阵列)天线是一款新型超薄动中通天线，该天线通过各功能层的一维平面旋转，实现波束的方位、俯仰二维扫描和极化角的调整与匹配。天线馈电简单，整机纵向剖面低，具有高增益、波束扫描灵活、高机动性等特点，在动中通领域具有广阔的应用前景(赵立和.可变倾角连续断面节阵列(VICTS)天线技术初探[J].数字通信世界,2015(05):80-82.)。
VICTS天线对星跟踪难度极大，因为VICTS波束的方向图极易受到其俯仰角的影响，常规的跟踪方式如圆锥扫描和单脉冲跟踪都不适用于VICTS天线。通过VICTS天线的近场测试结果发现，在馈电盘和辐射盘的相对转动角度变化的情况下，波束方向图随俯仰角的变化并不是线性的。在俯仰角小的情况下，馈电盘和辐射盘的相对转动角度对波束方向图的俯仰角的影响小一些；在俯仰角大的情况下，馈电盘和辐射盘的相对转动角度对波束方向图的俯仰角的影响大一些。同时，在不同波束姿态下，VICTS天线的半功率波瓣宽度也有所差别。在此情况下，常规的步进跟踪方法也不适用于VICTS天线对星跟踪。
VICTS天线通过电机带动四层盘面旋转实现对星跟踪，为提高VICTS天线的跟踪性能，需找到一种快速且精准的跟踪方法。一般做法是在对星的时候采取变步长方法，这种方法会导致对星跟踪的跟踪速度较慢或者对星跟踪的跟踪精度较差，影响VICTS天线的性能。
发明内容
本发明针对常规的步进跟踪方法不适用与VICTS天线对星跟踪、变步长方法导致对星跟踪的跟踪速度较慢或者对星跟踪的跟踪精度较差，影响VICTS天线的性能的问题，提出一种VICTS天线自适应对星跟踪方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种VICTS天线自适应对星跟踪方法，包括：
步骤1：根据惯导和北斗 获取的VICTS天线载体的姿态信息及地理位置信息，以及天线的工作参数，得到天线波束的姿态信息，包括天线波束的俯仰角和方位角，根据天线波束的姿态信息完成VICTS天线的对星；
步骤2：根据天线波束的姿态信息与相对盘面转动角度的关系曲线，及半功率波束宽度获取对应的搜索步长，根据所述搜索步长分别进行方位角右转、方位角左转、俯仰角上转以及俯仰角下转，得到卫星信号在各点的电平值；
步骤3：将步骤2中得到的卫星信号在各点的电平值与波束初始位置的信号电平值进行比较，得到与波束初始位置的电平差值，根据电平差值判断出跟踪方向以及计算出跟踪步长，根据跟踪方向及跟踪步长进行步进跟踪。
进一步地，所述步骤1包括：
通过北斗、惯导组合系统测量出VICTS天线载体的姿态信息和地理位置信息，所述VICTS天线载体的姿态信息包括VICTS天线载体的航向角、横滚角、俯仰角，所述地理位置信息包括VICTS天线载体所在位置的经度、纬度、高度；根据VICTS天线载体的姿态信息、地理位置信息及天线的工作参数自动确定以天线载体为基准的天线波束的姿态信息，然后根据天线波束的姿态信息完成 VICTS天线的对星，所述天线的工作参数包括工作频率、极化方式及卫星经度，所述天线波束的姿态信息包括俯仰角和方位角。
进一步地，所述步骤2包括：
通过波束姿态信息与相对盘面转动角度的关系曲线，得到此时波束方位角与俯仰角的梯度，将该梯度与波束的半功率波瓣宽度Q的1/4进行乘运算，得到方位角的搜索步长a和俯仰角的搜索步长b，其中a＝K1Q/4，b＝K2Q/4；然后以此搜索步长控制天线分别进行方位右转、方位左转、俯仰上转以及俯仰下转，得到卫星信号在各点的电平值PA、PB、PC、PD。
进一步地，所述步骤3包括：
当得到各点的电平值后，将各点的电平值与波束初始位置的信号电平进行比较，得到与波束初始位置的电平差值φA、φB、φC、φD，根据该电平差值判断出跟踪方向以及计算出跟踪步长；计算步骤如下所示：
方位轴上的跟踪方向与跟踪步长分为以下情况：
情况一：φA>0,φB<0，此时天线波束方位角的跟踪方向需向右面进行跟踪调整，跟踪步长为a/2；
情况二：φA<0,φB>0，此时天线波束方位角的跟踪方向需向左面进行跟踪调整，跟踪步长为a/2；
情况三：φA<0,φB<0，若|φA|<|φB|，则此时天线波束方位角的跟踪方向需向右面进行跟踪调整，跟踪步长为
Figure BDA0002576298440000031
若|φA|>|φB|，则此时天线波束方位角的跟踪方向需向左面进行跟踪调整，跟踪步长为
Figure BDA0002576298440000032
俯仰轴上的跟踪方向与跟踪步长分为以下情况：
情况A：φC>0,φD<0，此时天线波束俯仰角的跟踪方向需向上面进行跟踪调整，跟踪步长为b/2；
情况B：φC<0,φD>0，此时天线波束俯仰角的跟踪方向需向下面进行跟踪调整，跟踪步长为b/2；
情况C：φC<0,φD<0，若|φC|<|φD|，则此时天线波束俯仰角的跟踪方向需向上面进行跟踪调整，跟踪步长为
Figure BDA0002576298440000033
若|φC|>|φD|，则此时天线波束俯仰角的跟踪方向需向下面进行跟踪调整，跟踪步长为
Figure BDA0002576298440000034
根据计算出的方位轴上与俯仰轴上的跟踪方向与跟踪步长，进行步进跟踪，直至跟踪到方位轴上和俯仰轴上的信号最大点。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
1、本发明实现了VICTS天线在不同波束姿态下可以快速准确地跟踪到卫星，为VICTS天线用于动中通领域提供支持，增强了本发明的实用价值；
2、本发明实现了VICTS天线在不同载体姿态下可以快速准确地跟踪到卫星，为VICTS天线用于动中通领域提供支持，增强了本发明的实用价值；
3、本发明可以根据不同的波束姿态信息计算出适用于当前波束姿态的跟踪步长，可以在保证对星精度的基础上减少跟踪步数，对提高VICTS天线的性能有显著效果。
附图说明
图1为本发明实施例一种VICTS天线自适应对星跟踪方法的基本流程图；
图2为本发明实施例一种VICTS天线自适应对星跟踪方法的VICTS天线波束姿态信息获取流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明：
如图1所示，一种VICTS天线自适应对星跟踪方法，包括：
步骤S101：根据惯导和北斗 获取的VICTS天线载体的姿态信息及地理位置信息，以及天线的工作参数，得到天线波束的姿态信息，包括天线波束的俯仰角和方位角，根据天线波束的姿态信息完成VICTS天线的对星；
步骤S102：根据天线波束的姿态信息与相对盘面转动角度的关系曲线，及半功率波束宽度获取对应的搜索步长，根据所述搜索步长分别进行方位角右转、方位角左转、俯仰角上转以及俯仰角下转，得到卫星信号在各点的电平值；
步骤S103：将步骤S102中得到的卫星信号在各点的电平值与波束初始位置的信号电平值进行比较，得到与波束初始位置的电平差值，根据电平差值判断出跟踪方向以及计算出跟踪步长，根据跟踪方向及跟踪步长进行步进跟踪。
进一步地，所述步骤S101包括：
通过北斗、惯导组合系统测量出VICTS天线载体的姿态信息和地理位置信息，所述VICTS天线载体的姿态信息包括VICTS天线载体的航向角、横滚角、俯仰角，所述地理位置信息包括VICTS天线载体所在位置的经度、纬度、高度；根据VICTS天线载体的姿态信息、地理位置信息及天线的工作参数自动确定以天线载体为基准的天线波束的姿态信息，然后根据天线波束的姿态信息完成 VICTS天线的对星，所述天线的工作参数包括工作频率、极化方式及卫星经度，所述天线波束的姿态信息包括俯仰角和方位角(具体地，还包括极化角)；VICTS 天线波束的姿态信息的得出过程，具体如图2所示。
进一步地，所述步骤S102包括：
通过波束姿态信息与相对盘面转动角度的关系曲线，具体指波束方位角、俯仰角与馈电盘和辐射盘相对盘面转动角度的关系曲线，得到此时波束方位角与俯仰角的梯度，将该梯度与波束的半功率波瓣宽度的1/4进行乘运算，得到方位角和俯仰角的搜索步长，然后以此搜索步长控制天线分别进行方位角右转、方位角左转、俯仰角上转以及俯仰角下转，得到卫星信号在各点的电平值 PA、PB、PC、PD，即搜索结果；搜索步长的计算如下：
根据当前的波束姿态信息，得到当前方位角的梯度K1与俯仰角的梯度K2；然后根据VICTS天线半功率波瓣宽度Q，分别得到方位角的搜索步长a与俯仰角的搜索步长b；其中a等于K1Q/4，b等于K2Q/4。
进一步地，所述步骤S103包括：
当得到各点的电平值后，将各点的电平值与波束初始位置的信号电平进行比较，得到与波束初始位置的电平差值φA、φB、φC、φD，根据该电平差值判断出跟踪方向以及计算出跟踪步长；计算步骤如下所示：
方位轴上的跟踪方向与跟踪步长分为以下情况：
情况一：φA>0,φB<0，此时天线波束方位角的跟踪方向需向右面进行跟踪调整，跟踪步长为a/2；
情况二：φA<0,φB>0，此时天线波束方位角的跟踪方向需向左面进行跟踪调整，跟踪步长为a/2；
情况三：φA<0,φB<0，若|φA|<|φB|，则此时天线波束方位角的跟踪方向需向右面进行跟踪调整，跟踪步长为
Figure BDA0002576298440000051
若|φA|>|φB|，则此时天线波束方位角的跟踪方向需向左面进行跟踪调整，跟踪步长为
Figure BDA0002576298440000052
值得说明的是，对于φA>0,φB>0，此时由新型超薄动中通天线波束指向的偏差特性可知该种情况并不存在；具体地，VICTS天线属于新型超薄动中通天线；
俯仰轴上的跟踪方向与跟踪步长分为以下情况：
情况A：φC>0,φD<0，此时天线波束俯仰角的跟踪方向需向上面进行跟踪调整，跟踪步长为b/2；
情况B：φC<0,φD>0，此时天线波束俯仰角的跟踪方向需向下面进行跟踪调整，跟踪步长为b/2；
情况C：φC<0,φD<0，若|φC|<|φD|，则此时天线波束俯仰角的跟踪方向需向上面进行跟踪调整，跟踪步长为
Figure BDA0002576298440000061
若|φC|>|φD|，则此时天线波束俯仰角的跟踪方向需向下面进行跟踪调整，跟踪步长为
Figure BDA0002576298440000062
值得说明的是，对于φC>0,φD>0，此时由新型超薄动中通天线波束指向的偏差特性可知该种情况并不存在；具体地，VICTS天线属于新型超薄动中通天线；
根据计算出的方位轴上与俯仰轴上的跟踪方向与跟踪步长，进行步进跟踪，直至跟踪到方位轴上和俯仰轴上的信号最大点。
为验证本发明效果，进行如下示例：
对于一个直径为480mm的圆形口径VICTS天线，工作频率为12.721GHz，在空旷无遮挡物的条件下进行对星跟踪。在对到卫星之后，采用VICTS天线自适应对星跟踪方法。经计算，该当前天线波束姿态下，方位角和俯仰角的梯度值分别为1.7与1.2，此时波束的半功率波瓣宽度为0.44°。然后利用在当前波束姿态下的方位角和俯仰角梯度值与半功率波瓣宽度值计算出搜索步长，根据搜索步长进行搜索，根据搜索结果，得出方位轴的步进方向为右向、跟踪步长为0.37°；俯仰轴的跟踪方向为上向、跟踪步长为0.22°。最后根据方位轴和俯仰轴的跟踪方向以及跟踪步长进行步进跟踪，直至分别找到卫星信号在方位轴与俯仰轴上的最大值点。经测试，在初始波束姿态下，信标机的功率值为-70.6dBm，调制解调器能解调出卫星信号，但信号强度和信号质量还未达到理论计算时的最佳值。此后采用自适应跟踪方法，发现跟踪之后，信标机的功率值升高为-69.2dBm，可以得知跟踪精度提高了很多。同时，由于采用了自适应的跟踪方法，改善了单一步长跟踪时跟踪过慢的问题，提高了跟踪速度。
以上所示仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种VICTS天线自适应对星跟踪方法，其特征在于，包括：
步骤1：根据惯导和北斗获取的VICTS天线载体的姿态信息及地理位置信息，以及天线的工作参数，得到天线波束的姿态信息，包括天线波束的俯仰角和方位角，根据天线波束的姿态信息完成VICTS天线的对星；
步骤2：根据天线波束的姿态信息与相对盘面转动角度的关系曲线，及半功率波束宽度获取对应的搜索步长，根据所述搜索步长分别进行方位角右转、方位角左转、俯仰角上转以及俯仰角下转，得到卫星信号在各点的电平值；
步骤3：将步骤2中得到的卫星信号在各点的电平值与波束初始位置的信号电平值进行比较，得到与波束初始位置的电平差值，根据电平差值判断出跟踪方向以及计算出跟踪步长，根据跟踪方向及跟踪步长进行步进跟踪；
所述步骤3包括：
当得到各点的电平值后，将各点的电平值与波束初始位置的信号电平进行比较，得到与波束初始位置的电平差值φA、φB、φC、φD，根据该电平差值判断出跟踪方向以及计算出跟踪步长；计算步骤如下所示：
方位轴上的跟踪方向与跟踪步长分为以下情况：
情况一：φA＞0,φB＜0，此时天线波束方位角的跟踪方向需向右面进行跟踪调整，跟踪步长为a/2；其中a表示方位角的搜索步长；
情况二：φA＜0,φB＞0，此时天线波束方位角的跟踪方向需向左面进行跟踪调整，跟踪步长为a/2；
情况三：φA＜0,φB＜0，若|φA|＜|φB|，则此时天线波束方位角的跟踪方向需向右面进行跟踪调整，跟踪步长为
Figure FDA0003726297910000011
若|φA|＞|φB|，则此时天线波束方位角的跟踪方向需向左面进行跟踪调整，跟踪步长为
Figure FDA0003726297910000012
俯仰轴上的跟踪方向与跟踪步长分为以下情况：
情况A：φC＞0,φD＜0，此时天线波束俯仰角的跟踪方向需向上面进行跟踪调整，跟踪步长为b/2；其中b表示俯仰角的搜索步长；
情况B：φC＜0,φD＞0，此时天线波束俯仰角的跟踪方向需向下面进行跟踪调整，跟踪步长为b/2；
情况C：φC＜0,φD＜0，若|φC|＜|φD|，则此时天线波束俯仰角的跟踪方向需向上面进行跟踪调整，跟踪步长为
Figure FDA0003726297910000021
若|φC|＞|φD|，则此时天线波束俯仰角的跟踪方向需向下面进行跟踪调整，跟踪步长为
Figure FDA0003726297910000022
根据计算出的方位轴上与俯仰轴上的跟踪方向与跟踪步长，进行步进跟踪，直至跟踪到方位轴上和俯仰轴上的信号最大点。
2.根据权利要求1所述的VICTS天线自适应对星跟踪方法，其特征在于，所述步骤1包括：
通过北斗、惯导组合系统测量出VICTS天线载体的姿态信息和地理位置信息，所述VICTS天线载体的姿态信息包括VICTS天线载体的航向角、横滚角、俯仰角，所述地理位置信息包括VICTS天线载体所在位置的经度、纬度、高度；根据VICTS天线载体的姿态信息、地理位置信息及天线的工作参数自动确定以天线载体为基准的天线波束的姿态信息，然后根据天线波束的姿态信息完成VICTS天线的对星，所述天线的工作参数包括工作频率、极化方式及卫星经度，所述天线波束的姿态信息包括俯仰角和方位角。
3.根据权利要求1所述的VICTS天线自适应对星跟踪方法，其特征在于，所述步骤2包括：
通过波束姿态信息与相对盘面转动角度的关系曲线，得到此时波束方位角与俯仰角的梯度，将该梯度与波束的半功率波瓣宽度Q的1/4进行乘运算，得到方位角的搜索步长a和俯仰角的搜索步长b，其中a＝K1Q/4，b＝K2Q/4，K1表示当前方位角的梯度，K2表示当前俯仰角的梯度；然后以此搜索步长控制天线分别进行方位右转、方位左转、俯仰上转以及俯仰下转，得到卫星信号在各点的电平值PA、PB、PC、PD。
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