CN112416024A - 一种动载体上方位转动范围受限的天线自适应解绕方法 - Google Patents

一种动载体上方位转动范围受限的天线自适应解绕方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种动载体上方位转动范围受限的天线自适应解绕方法，属于卫星通信天线技术领域。本方法采用多圈绝对式码盘进行轴角采集，并采用角度软件分区的方法通过软件方式实现方位角度的分区；通过目标地理角到目标甲板角的转换计算，得到两个目标甲板角AP、AN；再根据规划航向选择方位最优初始捕获位置AP或AN，保证天线跟踪锁定时间最长；最后，根据方位当前角度以及航向变化，按照方位解绕处理机制规划出方位最短运动距离，最短时间内恢复跟踪锁定。本发明具有时间短、精度高和可靠性高等特点，最大程度地保证了天线长时间跟踪锁定目标。

Description

一种动载体上方位转动范围受限的天线自适应解绕方法
技术领域
本发明涉及卫星通信天线技术领域，特别是指一种动载体上方位转动范围受限的天线自适应解绕方法，可用于方位运动范围受限的船载三轴卫通天线的自适应解绕。
背景技术
船载卫星通信作为移动卫星通信的一种方式，有着广阔的应用前景。其技术发展主要受船载移动卫星天线技术发展的制约，所以船载移动通信天线的研究有着很现实的意义。船载卫星天线的目的是保证伺服能使天线快速准确的跟踪卫星，完成卫星通信链路稳定可靠的运行。
在船载卫星通信领域中，大口径船载天线线路复杂且可靠性要求高，一般滑环无法满足使用要求，所以需要采用卷绕装置，其方位轴的转动范围一般为±330°。船载卫通天线对准跟踪目标卫星时，伺服控制器快速采集各个传感器的状态信息，同时根据船当前位置及目标卫星位置计算出对星理论角。方位命令甲板角由方位理论角经过坐标转换计算得出，由于方位甲板角存在分区，同一个命令甲板角会对应方位轴的两个角度位置，所以伺服控制器需要根据控制策略选择方位命令角度，同时规划方位运动到限位时的解绕策略。基本解绕方法是通过方位分区开关进行角度的分区，伺服控制器采用就近原则捕获到方位位置，并且跟踪过程中方位运动到限位时直接指定某一固定方位命令角进行解绕。
基本解绕方法存在以下不足：
1）方位分区硬件开关的存在，硬件线路复杂，可靠性下降，成本增加；
2）天线使用效率较低，捕获过程采用位置就近原则，即方位捕获到距离当前方位角度最近的位置，该角度位置很大可能距离限位很近，经常会出现天线跟踪锁定后，短时间内方位到限位马上需要进行解绕，从而天线通信中断；
3）在解绕过程中，未隔离姿态变化对方位命令角度的影响，经常出现捕获到位后搜索很长时间才会跟踪锁定。
发明内容
本发明的目的在于避免上述背景技术存在的不足而提供一种动载体上方位转动范围受限的天线自适应解绕方法，其具有时间短、精度高和可靠性高等特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种动载体上方位转动范围受限天线的自适应解绕方法，包括以下步骤：
（1）采用多圈绝对式码盘测量方位角码值，并建立角度软件分区，其中，正区为0~360.0º，负区为-360.0º~0；
（2）根据码值将方位角换算为-360.0º~360.0º范围内的分区角度；
（3）根据动载体的位置信息和卫星信息，计算跟踪目标的方位理论角、俯仰理论角和极化理论角；
（4）通过目标地理角到目标甲板角的转换计算，得到方位目标甲板角，范围为[0,360.0º)；
（5）对方位目标甲板角进行分区处理，分别得到正区和负区的两个方位目标甲板角AP、AN，其中AN =360º - AP；
（6）根据动载体的规划航向以及当前方位甲板角，在不超出方位甲板角范围的前提下，依据保证天线单次连续跟踪锁定时间最长的原则，规划出方位最优路径；
（7）依据方位最优路径进行目标跟踪，跟踪过程中，实时判断方位解绕是否满足解绕条件；
（8）根据航向变化，在解绕过程中实时判断方位命令甲板角是否存在过零的情况；若方位命令甲板角的正区命令角度超过180°，则将正区命令角度减360°；若方位命令甲板角的负区命令角度超过-180°，则将负区命令角度加360°；最终得到最优方位命令角度；
（9）根据最优方位命令角度，驱动方位轴运动到位，天线恢复跟踪锁定；完成方位解绕。
进一步的，所述多圈绝对式码盘的位数为18位，圈数为13圈，总编码值为218×213，即231；多圈绝对式码盘将测得的码值通过CAN总线以10ms定时进行上报。
进一步的，天线的方位轴实际运动范围为-330.0°~330.0°。
进一步的，步骤（2）的具体方式为：
（201）将码盘测得的码值换算为角度值；
（202）若步骤（201）的角度值大于720.0º，则减去720.0º的整数倍，若角度值小于0，则加上720.0º的整数倍，从而将角度值换算至0~720.0º范围内；
（203）以0~720.0º的区间中点作为零点，将0~720.0º范围内的角度值换算为-360.0º~360.0º范围内的角度值。
进一步的，步骤（6）中，天线依据方位最优路径，在靠近方位零点且远离方位限位的位置执行跟踪。
进一步的，步骤（7）中：
方位运动到顺限开始解绕的条件为：方位甲板角接近角度软件分区的顺限位角度，或者方位甲板角大于320°并且方位电顺限位状态为真；
方位运动到逆限开始解绕的条件为：方位甲板角接近角度软件分区的逆限位角度，或者方位甲板角小于-320°并且方位电逆限位状态为真。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1）本发明采用软件分区的方法替代了方位分区硬件开关，简化了硬件线路复杂，提高了可靠性，同时降低了成本。
2）本发明采用了方位捕获路径最优控制方案，隔离了航向路径变化因素，大大提高了天线使用效率。
3）本发明采用了方位自适应解绕控制，隔离姿态变化对方位命令角度的影响，提高了方位解绕后天线快速恢复通信的能力。
附图说明
图1是本发明实施例中自适应解绕方法的方位轴角编码处理流程图。
图2是本发明实施例中自适应解绕方法的方位最优路径的控制处理流程图。
图3是本发明实施例中自适应解绕方法的方位自适应解绕控制处理流程图。
图4是本发明实施例中自适应解绕方法的整体流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的说明。
一种动载体上方位转动范围受限天线的自适应解绕方法，其采用多圈绝对式码盘进行轴角采集，并采用角度软件分区的方法通过软件方式实现方位角度的分区；通过目标地理角到目标甲板角的转换计算，得到正区和负区的两个目标甲板角AP、AN；再根据规划航向选择方位最优初始捕获位置AP或AN，保证天线跟踪锁定时间最长；最后，根据方位当前角度以及航向变化，按照方位解绕处理机制规划出方位最短运动距离，最短时间内恢复跟踪锁定。
如图4所示，其具体步骤如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
数据采集
需要采集的数据包括载体位置信息、载体姿态信息、卫星信息、天线轴角信息等。其中，载体位置信息包括经度、纬度等；载体姿态信息包括航向、横摇角、纵摇角等；卫星信息包括卫星经度、频率、极化方式等；天线轴角信息包括方位轴角、俯仰轴角、交叉轴角、极化轴角等。所有数据通过CAN总线定时上报到伺服控制器。
其中，方位轴角采用多圈绝对式码盘，并通过CAN总线以10ms定时快速上报到伺服控制器。
②方位轴角角度分区
如图1所示，采用角度软件分区的方法通过软件方式实现方位角度的分区，经过方位码盘数据采集、角度换算(0, 720.0º)、超范围处理、范围转换等处理，得到分区后的角度范围(-360.0º, 360.0º)，方位轴实际运动范围[-330.0º, 330.0º]。
③理论角度计算
伺服控制器根据采集的载体位置信息和卫星信息，实时计算、更新目标理论角度，包括方位理论角、俯仰理论角和极化理论角。
④坐标转换
伺服控制器根据采集的载体姿态信息和天线轴角信息，进行目标地理角到目标甲板角的转换计算，得到方位目标甲板角[0.0, 360.0º)。
⑤方位命令角度分区
由于方位甲板角存在分区，同一个命令甲板角会对应方位轴的两个角度位置，所以伺服控制器需要根据方位命令角度进行分区处理，分别得到正区和负区的两个方位目标甲板角AP、AN，其中AN =360 - AP。
Figure 855740DEST_PATH_IMAGE002
方位捕获路径最优控制
如图2所示，伺服控制器根据规划航向以及当前方位甲板角Acurr，在不超出方位甲板角范围的前提下，依据保证天线单次连续跟踪锁定时间最长的原则，规划出进行方位最优路径，即⑤计算得到的正区角度AP或负区角度AP；默认情况下，天线方位最优路径在靠近方位零点远离方位限位的位置执行跟踪；
⑦解绕条件判断
如图3所示，跟踪过程中伺服控制软件实时判断方位解绕是否满足解绕条件。其中：
方位运动到顺限开始解绕的条件：方位甲板角接近软件顺限位角度，或者方位甲板角大于320º并且方位电顺限位状态为真（即到电顺限位）。
方位运动到逆限开始解绕的条件：方位甲板角接近软件逆限位角度，或者方位甲板角小于-320°并且方位电逆限位状态为真（即到电逆限位）；
上述判断条件考虑了冗余设计，在判断电限位的基础上，又进一步判断方位甲板角的角度，防止电限位误报引起解绕而造成天线通信中断。
Figure DEST_PATH_IMAGE003
方位自适应解绕控制
考虑姿态对方位的影响，伺服控制器隔离姿态变化对方位命令角度的影响，在解绕过程中实时判断方位命令甲板角是否存在过零的情况，即方位命令角度的正区命令角AP是否超过180º，若超过，则进行角度过零处理，方位命令角Acmd=AN + 360º；同理负区命令角度AN是否超过了-180º，若超过，则进行角度过零处理，方位命令角Acmd=AP + 360º。
Figure 710563DEST_PATH_IMAGE004
确定解绕后的方位命令角度
根据
Figure 490300DEST_PATH_IMAGE003
的方位命令角度，最终得到最优方位命令角度Acmd，然后伺服控制器驱动方位轴最短时间内运动到位，天线快速恢复跟踪锁定。
总之，本发明针对传统方位解绕方法存在的硬件线路复杂、可靠性低、天线使用效率低且解绕时恢复时间长的不足，提出了一种自适应解绕方法。该方法不需要硬件分区开关，不仅简化了硬件线路设计，提高了可靠性，更重要的是通过任务规划及路径最优控制的方式，采用方位自适应解绕方式，实现了天线的快速跟踪锁定，解决了方位解绕时恢复时间长的难题，最大程度地保证了天线长时间跟踪锁定目标。

Claims (6)

1.一种动载体上方位转动范围受限的天线自适应解绕方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）采用多圈绝对式码盘测量方位角码值，并建立角度软件分区，其中，正区为0~360.0º，负区为-360.0º~0；
（2）根据码值将方位角换算为-360.0º~360.0º范围内的分区角度；
（3）根据动载体的位置信息和卫星信息，计算跟踪目标的方位理论角、俯仰理论角和极化理论角；
（4）通过目标地理角到目标甲板角的转换计算，得到方位目标甲板角，范围为[0,360.0º)；
（5）对方位目标甲板角进行分区处理，分别得到正区和负区的两个方位目标甲板角AP、AN，其中AN =360º - AP；
（6）根据动载体的规划航向以及当前方位甲板角，在不超出方位甲板角范围的前提下，依据保证天线单次连续跟踪锁定时间最长的原则，规划出方位最优路径；
（7）依据方位最优路径进行目标跟踪，跟踪过程中，实时判断方位解绕是否满足解绕条件；
（8）根据航向变化，在解绕过程中实时判断方位命令甲板角是否存在过零的情况；若方位命令甲板角的正区命令角度超过180°，则将正区命令角度减360°；若方位命令甲板角的负区命令角度超过-180°，则将负区命令角度加360°；最终得到最优方位命令角度；
（9）根据最优方位命令角度，驱动方位轴运动到位，天线恢复跟踪锁定；完成方位解绕。
2.根据权利要求1所述的一种动载体上方位转动范围受限的天线自适应解绕方法，其特征在于，所述多圈绝对式码盘的位数为18位，圈数为13圈，总编码值为218×213，即231；多圈绝对式码盘将测得的码值通过CAN总线以10ms定时进行上报。
3.根据权利要求1所述的一种动载体上方位转动范围受限的天线自适应解绕方法，其特征在于，天线的方位轴实际运动范围为-330.0°~330.0°。
4.根据权利要求1所述的一种动载体上方位转动范围受限的天线自适应解绕方法，其特征在于，步骤（2）的具体方式为：
（201）将码盘测得的码值换算为角度值；
（202）若步骤（201）所得的角度值大于720.0º，则减去720.0º的整数倍，若角度值小于0，则加上720.0º的整数倍，从而将角度值换算至0~720.0º范围内；
（203）以0~720.0º的区间中点作为零点，将0~720.0º范围内的角度值换算为-360.0º~360.0º范围内的角度值。
5.根据权利要求1所述的一种动载体上方位转动范围受限的天线自适应解绕方法，其特征在于，步骤（6）中，天线依据方位最优路径，在靠近方位零点且远离方位限位的位置执行跟踪。
6.根据权利要求1所述的一种动载体上方位转动范围受限的天线自适应解绕方法，其特征在于，步骤（7）中：
方位运动到顺限开始解绕的条件为：方位甲板角接近角度软件分区的顺限位角度，或者方位甲板角大于320°并且方位电顺限位状态为真；
方位运动到逆限开始解绕的条件为：方位甲板角接近角度软件分区的逆限位角度，或者方位甲板角小于-320°并且方位电逆限位状态为真。
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