CN112290216A - 一种移动卫星通信天线的惯导冗余跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种移动卫星通信天线的惯导冗余跟踪方法，特点是：主控惯导获取移动载体的运动姿态数据S1；根据S1算出载体在天线锅面坐标系的运动速度M1；为了使天线锅面在载体发生运动时仍然保持对准卫星方向，得出天线中的调整电机组在天线锅面坐标系中的转速M2；根据M2算出调整电机组在主控惯导坐标系下驱动天线锅面转动的目标转速M；根据M控制调整电机组工作，使得天线锅面锁定卫星方向；同时上置惯导模块获取的运动姿态数据S2，作为反馈信号组成闭环跟踪方法；当S2的累加和∑S2=0时，天线锅面对准卫星方向，天线控制器控制调整电机组停止工作。优点是该方法极大地提高了天线锁定卫星的可靠性和稳定性。

Description

一种移动卫星通信天线的惯导冗余跟踪方法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种移动卫星通信天线的惯导冗余跟踪方法。

背景技术

移动载体卫星通信是卫星通信的一个发展方向，随着卫星通信技术和自动控制技术的不断发展，在运动中实现与卫星实时数据交换变得越来越普遍。要使卫星天线在移动载体上正常工作，必须保证天线精准指向卫星方向。当系统工作时，由于移动载体的姿态和地理位置的变化，必然造成天线指向偏离卫星信号方向，无法保证正常通信，因此必须对天线指向进行稳定和控制。

目前在大多数天线设计方案中，采用高精度的MEMS陀螺作为测姿传感器，以其体积小、质量轻、功耗低、适于批量化生产和可靠性高等特点在汽车和消费电子领域中得到大量应用，是近期惯性技术领域重要的研究热点之一。但是随着卫星天线的跟踪性能指标要求越来越高，对惯导系统的可靠性和精度方面都提出了更高的要求。

发明内容

本发明旨在提出一种移动卫星通信天线的惯导冗余跟踪方法，本方法采用两套惯导系统的冗余跟踪装置，搭建具有高精度性能的测姿系统，实现对卫星更高效的跟踪对准，提高了平均无故障间隔时间，以解决移动卫星天线难以实时稳定精确的锁定卫星的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种移动通信天线的卫星惯导冗余跟踪方法，所述天线包括天线控制器、天线锅面和天线基座，所述方法包括：

S10、在天线基座上固定安装主控惯导模块，天线基座固定安装于移动载体上，在锅面支架上固定安装上置惯导模块；

S20、主控惯导模块获取移动载体的运动姿态数据S1，同时，上置惯导模块实时获取天线锅面的运动姿态数据S2，作为反馈信号，与主控惯导模块获取移动载体的运动姿态数据S1构成闭环惯导跟踪方法，运动姿态数据S2为移动载体的运动值与方位电机、横滚电机以及俯仰电机驱动天线锅面转动的运动值之和；

S30、天线控制器建立以主控惯导模块为基准的直角坐标系，根据步骤S20中得到的运动姿态数据S1算出所述主控惯导模块在天线锅面坐标系的方位、横滚和俯仰三个方向轴上的运动速度M1，同时设定天线中的方位电机、横滚电机以及俯仰电机在天线锅面坐标系中传递到天线锅面的转速M2；

S40、天线控制器对主控惯导模块在天线锅面坐标系的方位、横滚和俯仰三个方向轴上的运动速度M1和上置惯导模块实时获取的天线锅面的运动姿态数据S2进行数据融合处理，得到天线控制器控制方位电机、横滚电机以及俯仰电机工作的关系式M2 =－（M1 + k×∑S2），其中k为上置惯导模块反馈信号的跟踪补偿系数，∑S2为上置惯导模块实时获取的天线锅面的运动姿态数据的累加和；

S50、为了使天线锅面在移动载体发生运动时仍然保持对准卫星方向，要求在天线锅面坐标系中的运动速度M1、转速M2之间满足目标关系式：M2=－M1，天线控制器根据该目标关系式得出天线中的方位电机、横滚电机以及俯仰电机在天线锅面坐标系中传递到天线锅面的转速M2，通过转速M2计算出方位电机、横滚电机以及俯仰电机在主控惯导模块坐标系下驱动天线锅面的三个方向轴转动的目标转速M；

S60、天线控制器根据步骤S50计算出的目标转速M控制方位电机、横滚电机以及俯仰电机工作，使得天线锅面转动以对准卫星方向；

S70、当上置惯导模块实时获取的天线锅面的运动姿态数据的累加和∑S2=0时，天线锅面对准卫星方向，天线控制器控制方位电机、横滚电机以及俯仰电机停止工作；当天线锅面的运动姿态数据的累加和∑S2≠0时，天线控制器控制方位电机、横滚电机以及俯仰电机做反向运动，直至∑S2=0。

由于主控惯导模块固定安装在天线基座上，天线基座固定安装在移动载体上，主控惯导模块和天线基座可以使用同一坐标系，主控惯导模块在天线锅面坐标系中的方位、横滚和俯仰三个方向轴上的运动速度M1，也即为移动载体在天线锅面坐标系的方位、横滚和俯仰三个方向轴上的运动速度M1。

当天线锅面稳定跟踪卫星时，即为上置惯导模块获取天线锅面的运动姿态数据S2的积分运算值为0时。若上置惯导模块获取的运动姿态数据S2的积分运算值不为0时，天线控制器需要控制方位电机、横滚电机、俯仰电机做相对于移动载体运动方向的反向运动，直至运动姿态数据S2的积分值为0时，才表明天线锅面处于理论需要的控制角度。

进一步的，由于上置惯导模块采样时间为ms级别，天线控制器可以利用累加和的方式计算上置惯导模块获取天线锅面的运动姿态数据S2的积分值。

上置惯导模块安装在锅面支架的侧边，且上置惯导模块的侧面与天线锅面中轴线在俯仰方向上相差30°～60°，这保证了天线锅面在跟踪卫星信号时，上置惯导模块的倾角保证在-60°～60°范围内，不会存在倾角翻转90°的问题；而且由于倾角值是利用加速度传感器采样，经过反正弦计算得到，当倾斜角度大于60°时，加速度传感器将变得不再灵敏，也使得精度会变差，因此该安装方式倾角精度相对较高，有助于提高天线锅面的跟踪精度。

相对于现有技术，本发明具有以下优势:

由于天线基座上固定安装有主控惯导模块，锅面支架上固定安装有上置惯导模块，使得本方法可实现卫星惯导的冗余跟踪，降低了传统卫星惯导跟踪的系统控制误差，也提高了对移动载体检测的可靠性，并减小了天线装配误差对惯导系统的检测影响，实现对卫星更高效的跟踪对准，使得移动卫星天线可以实时稳定精确的锁定卫星；而且当其中一套惯导模块出现故障时，另一套惯导模块仍然可以保障卫星天线的正常跟踪，提高了卫星天线的平均无故障间隔时间；此外，由于主控惯导模块与天线基座固联，天线基座与移动载体固联，一旦移动载体发生运动，主控惯导模块就能立即检测到信号，因此具有更快的响应速度。

附图说明

图1为本发明的主控惯导模块和上置惯导模块在卫星天线上的安装示意图；

图2为本发明的流程图。

附图标记说明：

1—天线基座，2—主控惯导模块，3—天线锅面，4—上置惯导模块，5—锅面支架， 6—锅面中轴线。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图2所示，其为本实施例中移动通信天线的卫星惯导冗余跟踪方法的流程图，移动通信天线的卫星惯导冗余跟踪方法包括：

S10、在天线基座1上固定安装主控惯导模块2，天线基座1固定安装于移动载体上，在锅面支架5上固定安装上置惯导模块4；

S20、主控惯导模块2获取移动载体的运动姿态数据S1，同时，上置惯导模块4实时获取天线锅面3的运动姿态数据S2，作为反馈信号，与主控惯导模块2所获取的移动载体的运动姿态数据S1构成闭环惯导跟踪方法，运动姿态数据S2为移动载体的运动值与方位电机、横滚电机、俯仰电机驱动天线锅面3转动的运动值之和，即天线锅面3相对于卫星的实际运动姿态数据；

所述方位电机、横滚电机以及俯仰电机形成调整电机组，用于控制所述天线锅面3在三个方向轴上的转动；

S30、天线控制器建立以主控惯导模块2为基准的直角坐标系，根据步骤S20中得到的运动姿态数据S1算出所述主控惯导模块2在天线锅面坐标系的方位、横滚和俯仰三个方向轴上的运动速度M1，同时设定天线中的方位电机、横滚电机以及俯仰电机在天线锅面坐标系中传递到天线锅面3的转速M2；

其中，由于主控惯导模块2固定安装于所述天线基座1机架中间主控板上，可以使用同一坐标系，所述主控惯导模块2在天线锅面坐标系中的方位、横滚和俯仰三个方向轴上的运动速度M1也即为移动载体在天线锅面坐标系的方位、横滚和俯仰三个方向轴上的运动速度M1；

且移动载体的运动姿态数据S1是以主控惯导模块2为参考坐标系获取的，移动载体在主控惯导模块坐标系的运动姿态数据S1经旋转矩阵变换后可得出在天线锅面坐标系的方位、横滚和俯仰三个方向轴上的运动速度M1，该旋转矩阵为一个关于当前实际横滚角度、实际俯仰角度这两个参数的可求解的3×3矩阵；

S40、天线控制器对主控惯导模块2在天线锅面坐标系的方位、横滚和俯仰三个方向轴上的运动速度M1和上置惯导模块4实时获取的天线锅面3的运动姿态数据S2进行数据融合处理，得到天线控制器控制方位电机、横滚电机、俯仰电机工作的关系式M2 =－（M1 + k×∑S2），其中：k为上置惯导模块4反馈信号的跟踪补偿系数，用于减小主控惯导模块2测量值的误差，提高整体的跟踪精度，∑S2为上置惯导模块4实时获取的天线锅面3的运动姿态数据的累加和；

S50、为了使天线锅面3在移动载体发生运动时仍然保持对准卫星方向，要求在天线锅面坐标系中的运动速度M1、转速M2之间满足目标关系式：M2=－M1，天线控制器根据该目标关系式得出天线中的方位电机、横滚电机以及俯仰电机在天线锅面坐标系中传递到天线锅面3的转速M2，通过转速M2计算出方位电机、横滚电机以及俯仰电机在主控惯导模块坐标系下驱动天线锅面3的三个方向转动的目标转速M；

其中，天线中的方位电机、横滚电机以及俯仰电机在天线锅面坐标系中传递到天线锅面3的转速M2经旋转矩阵变换后可得出在主控惯导模块坐标系下驱动天线锅面3的三个方向转动的目标转速M，该旋转矩阵为一个关于当前实际横滚角度、实际俯仰角度这两个参数的可求解的3×3矩阵；

S60、天线控制器根据步骤S50计算出的目标转速M控制方位电机、横滚电机以及俯仰电机工作，使得天线锅面3转动以对准卫星方向；

S70、当上置惯导模块4实时获取的天线锅面3的运动姿态数据S2的累加和∑S2=0时，天线锅面3对准卫星方向，天线控制器控制方位电机、横滚电机以及俯仰电机停止工作；当天线锅面3的运动姿态数据S2的累加和∑S2≠0时，天线控制器控制方位电机、横滚电机以及俯仰电机做相对于移动载体运动方向的反向运动，直至∑S2=0。

其中，对所述上置惯导模块4实时获取的天线锅面3的运动姿态数据S2做积分，只有积分值为0时，才表明所述天线锅面3处于理论需要的控制角度，当所述上置惯导模块4实时获取天线锅面3的运动姿态数据S2的积分值不为0时，所述天线控制器需要控制所述方位电机、横滚电机、俯仰电机做相对于移动载体运动方向的反向运动直至上置惯导模块4实时获取天线锅面3的运动姿态数据S2积分值为0。因上置惯导模块4采样时间为ms级别，所述天线控制器可以利用累加和的方式处理所述上置惯导模块4实时获取天线锅面3的运动姿态数据S2的积分值。

如图1所示，图1为本发明的主控惯导模块2和上置惯导模块4在卫星天线上的安装示意图，其中上置惯导模块4安装在锅面支架5的侧边，且上置惯导模块4的侧面与天线锅面中轴线6在俯仰方向上的夹角α为30°～60°。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种移动卫星通信天线的惯导冗余跟踪方法，其特征在于包括以下具体步骤：

S10、在天线基座（1）上固定安装主控惯导模块（2），天线基座（1）固定安装于移动载体上，在锅面支架（5）上固定安装上置惯导模块（4）；

S20、主控惯导模块（2）获取移动载体的运动姿态数据S1，同时，上置惯导模块（4）实时获取天线锅面（3）的运动姿态数据S2，作为反馈信号，与主控惯导模块（2）所获取的移动载体的运动姿态数据S1构成闭环惯导跟踪方法，运动姿态数据S2为移动载体的运动值与方位电机、横滚电机、俯仰电机驱动天线锅面（3）转动的运动值之和；

S30、天线控制器建立以主控惯导模块（2）为基准的直角坐标系，根据步骤S20中得到的运动姿态数据S1算出所述主控惯导模块（2）在天线锅面坐标系的方位、横滚和俯仰三个方向轴上的运动速度M1，同时设定天线中的方位电机、横滚电机以及俯仰电机在天线锅面坐标系中传递到天线锅面（3）的转速M2；

S40、天线控制器对主控惯导模块（2）在天线锅面坐标系的方位、横滚和俯仰三个方向轴上的运动速度M1和上置惯导模块（4）实时获取的天线锅面（3）的运动姿态数据S2进行数据融合处理，得到天线控制器控制方位电机、横滚电机、俯仰电机工作的关系式M2 =－（M1+ k×∑S2），其中：k为上置惯导模块（4）反馈信号的跟踪补偿系数，∑S2为上置惯导模块（4）实时获取的天线锅面（3）的运动姿态数据的累加和；

S50、为了使天线锅面（3）在移动载体发生运动时仍然保持对准卫星方向，要求在天线锅面坐标系中的运动速度M1、转速M2之间满足目标关系式：M2=－M1，天线控制器根据该目标关系式得出天线中的方位电机、横滚电机以及俯仰电机在天线锅面坐标系中传递到天线锅面（3）的转速M2，通过转速M2计算出方位电机、横滚电机以及俯仰电机在主控惯导模块坐标系下驱动天线锅面（3）在方位、横滚和俯仰三个方向转动的目标转速M；

S60、天线控制器根据步骤S50计算出的目标转速M控制方位电机、横滚电机以及俯仰电机工作，使得天线锅面（3）转动以对准卫星方向；

S70、当上置惯导模块（4）实时获取的天线锅面（3）的运动姿态数据S2的累加和∑S2=0时，天线锅面（3）对准卫星方向，天线控制器控制方位电机、横滚电机以及俯仰电机停止工作；当天线锅面（3）的运动姿态数据S2的累加和∑S2≠0时，天线控制器控制方位电机、横滚电机以及俯仰电机继续工作，直至∑S2=0。

2.如权利要求1所述的卫星惯导冗余跟踪方法，其特征在于所述上置惯导模块（4）安装在锅面支架（5）的侧边，且上置惯导模块（4）的侧面与天线锅面中轴线（6）的夹角为30°～60°。

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