CN112350766B - 一种天线指向低轨通信卫星的角度控制系统及方法 - Google Patents

一种天线指向低轨通信卫星的角度控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种天线指向低轨通信卫星的角度控制系统及方法，属于卫星通信及测控技术领域。本发明接收GPS/北斗接收机的秒脉冲信号，建立精确的内部时间系统；将轨道预报算法集成到天线的嵌入式控制单元，指向角度计算频率不低于天线控制频率；精确计算数据接收、发送的时间延迟量，控制轨道预报算法计算天线指向角的时间提前量，同时对惯导数据进行最小二乘预测以得到精确的天线转动角度。本发明通过将轨道预报算法集成到天线的嵌入式控制单元，降低了对系统通讯速率的要求，同时避免了插值运算带来的误差，具有精度高、实施简单、无其他硬件成本、适用范围广的优点。

Description

一种天线指向低轨通信卫星的角度控制系统及方法
技术领域
本发明属于卫星通信及测控技术领域，具体是指一种天线指向低轨通信卫星的角度控制系统及方法。
背景技术
从2014年开始，卫星互联网进入到第三阶段，该阶段以Starlink、One Web等计划为代表，定位于与地面通信形成互补融合的无缝通信网络。现阶段卫星互联网与地面通信系统二者之间更多的是互补与合作，发展空间巨大。为了实现“从万物互联”，需要大力发展大容量、高速率的高通量卫星和低轨宽带星座，降低应用成本，拓宽互联网应用市场。
低轨卫星相对于地球的位置不断变化，可见时间有限，为了快速准确的对准卫星，需要使用轨道预报算法获取卫星的实时位置。现有技术中，卫通终端或其他上位机以较低频率将低轨通信卫星的指向角度发送到天线，天线控制器需要将指向角度按一定方式进行插值后得到满足控制需求的数据。这增加了插值带来的误差，且要求天线与终端或其他上位机要进行精确的时间同步。
发明内容
本发明的目的在于提供一种天线指向低轨通信卫星的角度控制系统及方法，其可用于通信天线，用来在天线的嵌入式控制单元中实现对中低轨卫星通信卫星的指向角度的精确计算。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种天线指向低轨通信卫星的角度控制系统，包括天线中的嵌入式控制单元，还包括GNSS接收机，嵌入式控制单元的处理器通过GPIO接收GNSS接收机输出的秒脉冲信号；所述嵌入式控制单元用于执行如下程序：
(1)接收导航定位接收机的秒脉冲信号，建立内部时间系统；
(2)采用TLE轨道预报方法或瞬根法轨道预报方法，得到卫星的预测位置，并结合天线的所在位置，计算出天线指向卫星的地理角度；
(3)结合天线控制频率、程序执行时间和将转动角度传给执行机构的所需时间，确定下一次角度控制的精确时间；
(4)根据惯导数据的历史值预测下一次角度控制时的惯导数据；
(5)根据步骤(2)所得天线指向卫星的地理角度以及步骤(4)的预测结果计算天线转动角度，并将转动角度发送至执行机构。
进一步的，所述GNSS接收机为GPS接收机或北斗接收机。
进一步的，程序步骤(1)的具体方式为：
将接收秒脉冲信号的GPIO设置为电平信号输入模式，并配置相应的中断函数；收到秒脉冲信号后，更新系统的UTC时间，并记录连续两次秒脉冲信号间隔内的系统时钟计数，使用滑动平均确定1秒内的系统时钟数，从而建立不低于毫秒级的内部时间系统。
进一步的，所述步骤(2)的具体方式为：
(201)获取目标卫星的轨道参数，若轨道参数为TLE型轨道参数，则采用TLE轨道预报方法得到卫星的预测位置和速度，否则采用瞬根法轨道预报方法得到卫星的预测位置和速度；
(202)将卫星的预测位置投影到以天线所在位置为原点的东-北-天地理坐标下，得到坐标(rx,ry,rz)；
(203)根据下式计算天线指向卫星的地理角度：
Ad＝arctan2(rx,ry)
Figure BDA0002741797890000021
其中，Ad为天线的方位指向角，Ed为天线的俯仰指向角。
进一步的，所述步骤(3)的具体方式为：
根据天线控制频率f配置定时器，使得每经过N/f个脉冲时，以该时刻为t0时刻，确定下一次角度控制的精确时间为t0+tpredict+tins+ttrans，其中，N为1秒内的系统时钟数，tpredict为执行步骤(2)的时间消耗，tins为执行步骤(4)的时间消耗，ttrans为将转动角度传给执行机构的时间消耗。
进一步的，所述步骤(4)的具体方式为：
(401)使用平方预测器的估算方式，以线性二次曲线作为惯导数据的最佳逼近：
Figure BDA0002741797890000031
其中，ψ(t)、θ(t)和γ(t)分别为航向角、俯仰角和横滚角，t为时间；
Figure BDA0002741797890000032
为二次曲线的参数矩阵，其中的各参数值根据惯导数据的历史值，基于最小二乘法进行拟合计算；
(402)将下一次角度控制的时间代入(401)的公式，得到所预测的下一次角度控制时的惯导数据。
进一步的，所述步骤(5)中，计算天线转动角度的具体方式为：
A＝Ad-ψ
Figure BDA0002741797890000033
C＝arcsin(-cEdcAsAcθ-sEdsθsA+cEdcAcAsθsγ-sEdcθsγcA+cEdsAcγcA(
其中，A、E、C分别为天线转动的方位角、俯仰角和交叉角，s、c分别为sin、cos的简写，Ad为天线的方位指向角，Ed为天线的俯仰指向角，ψ、θ和γ分别为航向角、俯仰角和横滚角。
此外，本发明还提供一种天线指向低轨通信卫星的角度控制方法，其应用于天线的嵌入式控制单元中，包括以下步骤：
(1)通过处理器的GPIO接收GNSS接收机的秒脉冲信号，更新系统的UTC时间，并记录连续两次秒脉冲信号间隔内的系统时钟计数，使用滑动平均确定1秒内的系统时钟数，从而建立不低于毫秒级的内部时间系统；
(2)采用TLE轨道预报方法或瞬根法轨道预报方法，得到卫星的预测位置，并结合天线的所在位置，计算出天线指向卫星的地理角度；
(3)根据天线控制频率f配置定时器，使得每经过N/f个脉冲时，以该时刻为t0时刻，确定下一次角度控制的精确时间为t0+tpredict+tins+ttrans，其中，N为1秒内的系统时钟数，tpredict为执行步骤(2)的时间消耗，tins为执行步骤(4)的时间消耗，ttrans为将转动角度传给执行机构的时间消耗；
(4)根据惯导数据的历史值预测下一次角度控制时的惯导数据；
(5)计算天线转动角度：
Figure BDA0002741797890000041
C＝arcsin(-cEdcAsAcθ-sEdsθsA+cEdcAcAsθsγ-sEdcθsγcA+cEdsAcγcA)
其中，A、E、C分别为天线转动的方位角、俯仰角和交叉角，s、c分别为sin、cos的简写，Ad为天线的方位指向角，Ed为天线的俯仰指向角，ψ、θ和γ分别为航向角、俯仰角和横滚角；
然后将转动角度发送至执行机构。
进一步的，所述步骤(2)的具体方式为：
(201)获取目标卫星的轨道参数，若轨道参数为TLE型轨道参数，则采用TLE轨道预报方法得到卫星的预测位置和速度，否则采用瞬根法轨道预报方法得到卫星的预测位置和速度；
(202)将卫星的预测位置投影到以天线所在位置为原点的东-北-天地理坐标下，得到坐标(rx,ry,rz)；
(203)根据下式计算天线指向卫星的地理角度：
Ad＝arctan2)rx,ry)
Figure BDA0002741797890000051
其中，Ad为天线的方位指向角，Ed为天线的俯仰指向角。
进一步的，所述步骤(4)的具体方式为：
(401)使用平方预测器的估算方式，以线性二次曲线作为惯导数据的最佳逼近：
Figure BDA0002741797890000052
其中，ψ(t)、θ(t)和γ(t)分别为航向角、俯仰角和横滚角，t为时间；
Figure BDA0002741797890000053
为二次曲线的参数矩阵，其中的各参数值根据惯导数据的历史值，基于最小二乘法进行拟合计算；
(402)将下一次角度控制的时间代入(401)的公式，得到所预测的下一次角度控制时的惯导数据。
采用上述技术方案的有益效果在于：
1、本发明在天线的嵌入式控制单元中加入基于TLE和瞬根元素的卫星轨道预报算法，不依赖终端或其他上位机的实时指向数据，通信负载小，并使得天线地理指向角度的计算频率可以不低于天线的控制频率，避免了数据插值带来的影响。
2、本发明可以高频地计算卫星指向角，避免了指向角度插值运算引入的角度误差。
3、本发明通过接收GPS/北斗接收机的秒脉冲信号，在天线内部建立了精确的时间系统，能够精确计算数据接收、发送的时间延迟量，控制轨道预报算法计算天线指向角的时间提前量，同时对惯导数据进行最小二乘预测以得到精确的天线转动角度，降低了数据不同步误差。
附图说明
图1是本发明实施例中单个控制周期中各步骤的执行时序图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
一种天线指向低轨通信卫星的角度控制系统，包括天线中的嵌入式控制单元，还包括GNSS接收机，嵌入式控制单元的处理器通过GPIO接收GNSS接收机输出的秒脉冲信号；所述嵌入式控制单元用于执行如下程序：
(1)接收导航定位接收机的秒脉冲信号，建立内部时间系统；
(2)采用TLE轨道预报方法或瞬根法轨道预报方法，得到卫星的预测位置，并结合天线的所在位置，计算出天线指向卫星的地理角度；
(3)结合天线控制频率、程序执行时间和将转动角度传给执行机构的所需时间，确定下一次角度控制的精确时间；
(4)根据惯导数据的历史值预测下一次角度控制时的惯导数据；
(5)根据步骤(2)所得天线指向卫星的地理角度以及步骤(4)的预测结果计算天线转动角度，并将转动角度发送至执行机构。
进一步的，所述GNSS接收机为GPS接收机或北斗接收机。
进一步的，程序步骤(1)的具体方式为：
将接收秒脉冲信号的GPIO设置为电平信号输入模式，并配置相应的中断函数；收到秒脉冲信号后，更新系统的UTC时间，并记录连续两次秒脉冲信号间隔内的系统时钟计数，使用滑动平均确定1秒内的系统时钟数，从而建立不低于毫秒级的内部时间系统。
进一步的，所述步骤(2)的具体方式为：
(201)获取目标卫星的轨道参数，若轨道参数为TLE型轨道参数，则采用TLE轨道预报方法得到卫星的预测位置和速度，否则采用瞬根法轨道预报方法得到卫星的预测位置和速度；
(202)将卫星的预测位置投影到以天线所在位置为原点的东-北-天地理坐标下，得到坐标(rx,ry,rz)；
(203)根据下式计算天线指向卫星的地理角度：
Ad＝arctan2(rx,ry)
Figure BDA0002741797890000071
其中，Ad为天线的方位指向角，Ed为天线的俯仰指向角。
进一步的，所述步骤(3)的具体方式为：
根据天线控制频率f配置定时器，使得每经过N/f个脉冲时，以该时刻为t0时刻，确定下一次角度控制的精确时间为t0+tpredict+tins+ttrans，其中，N为1秒内的系统时钟数，tpredict为执行步骤(2)的时间消耗，tins为执行步骤(4)的时间消耗，ttrans为将转动角度传给执行机构的时间消耗。
整个程序周期性地执行，每个周期中各步骤的执行时序图如图1所示。
进一步的，所述步骤(4)的具体方式为：
(401)使用平方预测器的估算方式，以线性二次曲线作为惯导数据的最佳逼近：
Figure BDA0002741797890000081
其中，ψ(t)、θ(t)和γ(t)分别为航向角、俯仰角和横滚角，t为时间；
Figure BDA0002741797890000082
为二次曲线的参数矩阵，其中的各参数值根据惯导数据的历史值，基于最小二乘法进行拟合计算；
(402)将下一次角度控制的时间代入(401)的公式，得到所预测的下一次角度控制时的惯导数据。
进一步的，所述步骤(5)中，计算天线转动角度的具体方式为：
A＝Ad-ψ
Figure BDA0002741797890000083
C＝arcsin(-cEdcAsAcθ-sEdsθsA+cEdcAcAsθsγ-sEdcθsγcA+cEdsAcγcA(
其中，A、E、C分别为天线转动的方位角、俯仰角和交叉角，s、c分别为sin、cos的简写，Ad为天线的方位指向角，Ed为天线的俯仰指向角，ψ、θ和γ分别为航向角、俯仰角和横滚角。
一种天线指向低轨通信卫星的角度控制方法，其包括以下步骤：
(1)接收GPS/北斗接收机的秒脉冲信号，建立精确的内部时间系统；
(2)在天线的嵌入式控制单元加入基于TLE和瞬根元素的卫星轨道预报算法；
(3)根据天线控制周期、惯导数据的接收时刻和控制指令的传输时间，确定下一次控制的精确时间，对惯导数据进行最小二乘预测，通过坐标变换以得到精确的天线转动角度。
步骤(1)的具体方式为：
(101)将GPS/北斗接收机的秒脉冲信号连接到天线的嵌入式控制单元的处理器(DSP或ARM)的GPIO，并将此GPIO设置为电平信号输入模式，配置相应的中断函数；
(102)收到秒脉冲信号后更新系统的UTC时间，记录连续两次秒脉冲信号间隔内的系统时钟计数Ni，使用滑动平均确定1秒的系统时钟数N＝(Ni+Ni-1+…+Ni-M+1)/M，建立不低于毫秒级的时间基准，M一般不大于10。
步骤(2)中的具体方式为：
(201)天线的嵌入式控制单元的处理器接收来自卫星通信终端或其他上位机的轨道参数，包括TLE数据或是经典瞬根元素，并进行有效性判断；
(202)根据轨道参数的类型调用相应的初始化模块。
步骤(3)的具体方式为：
(301)使用轨道预报算法计算卫星在惯性坐标系下的位置矢量RI，并投影到东-北-天地理坐标下得到RI＝[rx ry rz]T，通过下式计算卫星在地理坐标系下的指向角：
Ad＝arctan2(rx,ry)
Figure BDA0002741797890000091
(302)使用平方预测器的估算方式，以线性二次曲线作为惯导数据(航向角ψ(t)、俯仰角θ(t)、横滚角γ(t))的最佳逼近：
Figure BDA0002741797890000092
基于最小二乘法的原理，采用实时更新参数的方式，使用每个惯导数据的K个历史时刻的输出值，计算三个二次曲线的参数矩阵D3×3；
(303)使用下式进行天线转动角度(方位角、俯仰角、交叉角)的计算，其中s、c分别是sin、cos的简写：
A＝Ad-ψ
Figure BDA0002741797890000101
C＝arcsin(-cEdcAsAcθ-sEdsθsA+cEdcAcAsθsγ-sEdcθsγcA+cEdsAcγcA)
(304)测量处理器运行惯导数据预测算法计算天线地理指向角的时间消耗tpredict、运行惯导数据预测算法并计算天线地理指向角的时间消耗tins和将天线控制指令发送到天线转动机构的传输时间ttrans；
(305)根据天线控制频率f，配置处理器的定时器，每经过N/f个脉冲，以此时刻为t0时刻，启动一次完整的控制过程：t0时刻预报(t0+tpredict+tins+ttrans时刻的卫星位置和地理指向角，t0+tpredict时刻使用最小二乘法预测(t0+tpredict+tins+ttrans)时刻惯导数据并计算天线转动角度，随后将转动角度发送至执行机构。
本发明通过接收GPS/北斗接收机的秒脉冲信号，建立精确的内部时间系统。其在天线的嵌入式控制单元加入基于TLE和瞬根元素的卫星轨道预报算法，使得天线地理指向角度的计算频率可以不低于天线的控制频率，避免了数据插值带来的影响。此外，通过精确计算数据接收、发送的时间延迟量，控制轨道预报算法计算天线指向角的时间提前量，从而对惯导数据进行最小二乘预测以得到精确的天线转动角度。
总之，本发明通过将轨道预报算法集成到天线的嵌入式控制单元，降低了对系统通讯速率的要求，同时避免了插值运算带来的误差，具有精度高、实施简单、无其他硬件成本、适用范围广的优点。

Claims (3)

1.一种天线指向低轨通信卫星的角度控制方法，其特征在于，应用于天线的嵌入式控制单元中，包括以下步骤：
(1)通过处理器的GPIO接收GNSS接收机的秒脉冲信号，更新系统的UTC时间，并记录连续两次秒脉冲信号间隔内的系统时钟计数，使用滑动平均确定1秒内的系统时钟数，从而建立不低于毫秒级的内部时间系统；
(2)采用TLE轨道预报方法或瞬根法轨道预报方法，得到卫星的预测位置，并结合天线的所在位置，计算出天线指向卫星的地理角度；
(3)根据天线控制频率f配置定时器，使得每经过N/f个脉冲时，以该时刻为t0时刻，确定下一次角度控制的精确时间为t0+tpredict+tins+ttrans，其中，N为1秒内的系统时钟数，tpredict为执行步骤(2)的时间消耗，tins为执行步骤(4)的时间消耗，ttrans为将转动角度传给执行机构的时间消耗；
(4)根据惯导数据的历史值预测下一次角度控制时的惯导数据；
(5)计算天线转动角度：
Figure FDA0003725234720000011
C＝arcsin(-cEdcAsAcθ-sEdsθsA+cEdcAcAsθsγ-sEdcθsγcA+cEdsAcγcA)
其中，A、E、C分别为天线转动的方位角、俯仰角和交叉角，s、c分别为sin、cos的简写，Ad为天线的方位指向角，Ed为天线的俯仰指向角，ψ、θ和γ分别为航向角、俯仰角和横滚角；
然后将转动角度发送至执行机构。
2.根据权利要求1所述的一种天线指向低轨通信卫星的角度控制方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体方式为：
(201)获取目标卫星的轨道参数，若轨道参数为TLE型轨道参数，则采用TLE轨道预报方法得到卫星的预测位置和速度，否则采用瞬根法轨道预报方法得到卫星的预测位置和速度；
(202)将卫星的预测位置投影到以天线所在位置为原点的东-北-天地理坐标下，得到坐标(rx,ry,rz)；
(203)根据下式计算天线指向卫星的地理角度：
Ad＝arctan2(rx,ry)
Figure FDA0003725234720000021
其中，Ad为天线的方位指向角，Ed为天线的俯仰指向角。
3.根据权利要求1所述的一种天线指向低轨通信卫星的角度控制方法，其特征在于，所述步骤(4)的具体方式为：
(401)使用平方预测器的估算方式，以线性二次曲线作为惯导数据的最佳逼近：
Figure FDA0003725234720000022
其中，ψ(t)、θ(t)和γ(t)分别为航向角、俯仰角和横滚角，t为时间；
Figure FDA0003725234720000023
为二次曲线的参数矩阵，其中的各参数值根据惯导数据的历史值，基于最小二乘法进行拟合计算；
(402)将下一次角度控制的时间代入(401)的公式，得到所预测的下一次角度控制时的惯导数据。
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