CN112821029A - 一种船载卫星天线座和船载卫星天线跟踪系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种船载卫星天线座和船载卫星天线跟踪系统，包括：方位轴、水平轴、俯仰轴以及伺服驱动机构、水平轴设置于方位轴上、俯仰轴设置于水平轴上，俯仰轴与水平轴垂直，伺服驱动机构用于分别驱动方位轴、水平轴以及俯仰轴分别绕各自的轴线转动。基于本发明的的船载卫星天线座和船载卫星天线跟踪系统，可实现载卫星天线对于轨道卫星的实时动态精确跟踪。

Description

一种船载卫星天线座和船载卫星天线跟踪系统
技术领域
本发明涉及卫星跟踪技术领域，具体涉及一种船载卫星天线座和船载卫星天线跟踪系统。
背景技术
在船载卫星天线跟踪中，常规双轴天线座设计方式很难实现半球空域卫星连续跟踪的技术问题，常用的双轴天线座包括俯仰-方位型天线座和X-Y轴型天线座，俯仰-方位型天线座存在过顶跟踪盲区，X-Y轴型天线座虽然能够很好地解决过顶问题，但X-Y轴型天线座存在轴配重和低仰角跟踪困难的问题,其在低仰角时会沿X轴方向出现两个跟踪盲区,盲区处于X轴两端无穷远处的地平线上，因此常规双轴天线座很难实现半球空域卫星的连续跟踪。且船载卫星天线与地面固定天线的最大区别在于放置天线的载体是一个移动的、摇摆的船体，因而需要稳定天线平台来隔离船体的摇摆，实现天线在运动中的姿态稳定，并在姿态稳定的基础上在移动过程中跟踪和对准卫星，在没有专用船载稳定平台的情况下，很难实现轨道卫星的实时动态精确跟踪。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提供了一种船载卫星天线座和船载卫星天线跟踪系统，可实现轨道卫星的实时动态精确跟踪。
本发明提供的具体解决方案如下：
本发明提供了一种船载卫星天线座，包括：方位轴、水平轴、俯仰轴以及伺服驱动机构、所述水平轴设置于所述方位轴上、所述俯仰轴设置于所述水平轴上，所述俯仰轴与所述水平轴垂直，所述伺服驱动机构用于分别驱动所述方位轴、水平轴以及所述俯仰轴分别绕各自的轴线转动。
基于本发明的船载卫星天线座，其方位轴、水平轴、俯仰轴可分别绕其所在的轴线转动，既不会存在低仰角跟踪困难，也不会存在过顶跟踪盲区，从而实现半球空域卫星连续跟踪，实现船载卫星天线对于轨道卫星的实时动态精确跟踪。
在上述方案的基础上，本发明的技术方案还可以进行如下改进：
进一步，所述伺服驱动机构包括用于驱动所述方位轴绕其轴线旋转的第一伺服电机、用于驱动所述水平轴绕其轴线旋转的第二伺服电机以及用于驱动所述俯仰轴绕其轴线旋转第三伺服电机，所述方位轴下端固定于所述第一伺服电机的转轴上，所述第二伺服电机固定于所述方位轴上端，所述水平轴一端固定于所述第二伺服电机的转轴上，所述第三伺服电机固定于所述水平轴的另一端，所述俯仰轴固定于所述第三伺服电机的转轴上。
通过伺服电机作为驱动，精确控制方位轴、水平轴和俯仰轴的旋转角度。
本发明还提供了一种船载卫星天线跟踪系统，包括：如上所述的天线座，所述天线座设置于所述船体上，所述方位轴平行于船体法线设置；天线，所述天线固定于所述俯仰轴上；获取模块，用于获取卫星运动轨迹、获取船体位置、船体的横摇角、纵摇角以及航向角，并将所述卫星运动轨迹、船体位置、横摇角、纵摇角和航向角发送给跟踪计算模块；跟踪计算模块，用于根据接收到的所述卫星运动轨迹、船体位置、航向角、横摇角和纵摇角，计算船体航行状态下，各时刻天线波束对准目标卫星所需的方位轴旋转角度、水平轴旋转角度以及俯仰轴旋转角度，并将方位轴旋转角度、水平轴旋转角度以及俯仰轴旋转角度发送给控制模块；控制模块，用于根据接收到的所述方位轴旋转角度、水平轴旋转角度以及所述俯仰轴旋转角度，控制所述伺服驱动机构驱动所述方位轴、水平轴以及所述俯仰轴分别绕各自的轴线转动相应的角度。
基于本发明的船载卫星天线跟踪系统，可根据船体的运动状况控制天线座方位轴、水平轴和俯仰轴进行相应角度的转动，从而实现半球空域卫星连续跟踪，实现船载卫星天线对于轨道卫星的实时动态精确跟踪。
进一步，所述跟踪计算模块包括：第一计算单元，用于根据接收到的所述卫星运动轨迹和船体的初始位置，计算船体处于初始位置状态下，各时刻天线波束指向对准所述目标卫星，天线波束指向相对于船头指向的方位角αj并将所述方位角αj发送给控制模块，所述方位角αj为所述天线波束对准目标卫星所需的方位轴旋转角度；
第二计算单元，用于根据接收到的所述卫星运动轨迹、船体的实时位置以及航向角，计算船体处于无纵摇和横摇的行驶状态下，各时刻天线波束指向对准目标卫星，天线波束指向相对于船头指向的方位角αi以及天线波束的俯仰角βi；用于根据各时刻下的所述方位角αi与所述方位角αj的之间的差以及所述俯仰角βi，计算无纵摇和横摇的行驶状态下,各时刻天线波束指向对准目标卫星,天线座水平轴转动所需达到的角度θxi，天线座俯仰轴转动所需达到的角度θyi，并将角度θxi和角度θyi发送给第四计算单元；所述角度θxi为水平轴初始角度，所述角度θyi为俯仰轴初始角度；
第三计算单元，用于船体处于纵摇和/或横摇的行驶状态下，根据接收到的船体的横摇角度、纵摇角度以及船体处于初始位置状态下的天线波束指向相对于船头指向的方位角αj，根据所述横摇角度、纵摇角度以及方位角αj，计算船体纵摇和/或横摇的行驶状态下，各时刻天线波束对准所述目标卫星所需的水平轴的旋转校准角度以及和俯仰轴的旋转校准角度，以补偿船体横摇和/或船体纵摇导致的天线波束指向的偏差，并将所述水平轴的旋转校准角度以及和俯仰轴的旋转校准角度发送给第四计算单元；
第四计算单元，用于对接收到的各时刻水平轴初始角度和水平轴旋转校准角度加和得到船体航行状态下水平轴实际转动所需要达到的所述水平轴旋转角度；根据对接收到的水平轴的旋转校准角度以及和俯仰轴的旋转校准角度进行加和得到船体航行状态下俯仰轴实际转动所需达到的所述俯仰轴旋转角度，并将所述俯仰轴的初始角度和俯仰轴旋转校准角度发送给控制模块。
地面固定天线跟踪只需要知道卫星运动轨迹以及地面固定天线的位置便可对卫星进行精确跟踪；船载卫星天线与地面固定天线跟踪的区别在于，船行驶的过程中，船的位置、航向一直在变化，切船体行驶过程中的纵摇、横摇均会影响。各时刻方位轴旋转角度、水平轴旋转角度以及俯仰轴旋转角度方式如下：
(1)各时刻方位轴旋转角度通过以下方式获取：计算船体处于初始位置状态下，各时刻天线波束指向对准所述目标卫星，天线波束指向相对于船头指向的方位角αj并将其作为各时刻天线座Z轴的方位轴旋转角度。
(2)水平轴旋转角度和俯仰轴旋转角度获取过程如下：
首先，计算船体处于无纵摇和横摇的行驶状态下，各时刻天线波束指向对准目标卫星，水平轴转动所需达到的角度，即水平轴初始角度θxi，俯仰轴转动所需达到的角度，即俯仰轴初始角度θyi，具体通过以下方式获取：根据接收到的所述卫星运动轨迹、船体的实时位置以及航向角，计算船体处于无纵摇和横摇的行驶状态下，各时刻天线波束指向对准目标卫星，天线波束指向相对于船头指向的方位角αi以及天线波束的俯仰角βi；然后根据各时刻下的所述方位角αi与所述方位角αj的之间的差以及所述俯仰角βi计算得到。
其次，计算船体存在纵摇和/或横摇时，在水平轴转动转动所述水平轴初始角度θxi以及俯仰轴转动所述俯仰轴初始角度θyi的基础上，水平轴和俯仰轴还要转动的角度，即水平轴的旋转校准角度和俯仰轴的旋转校准角度，以补偿船体横摇和/或船体纵摇导致的天线波束指向的偏差，具体的，水平轴的旋转校准角度和俯仰轴的旋转校准角度通过以下方式获取：根据船体的横摇角度、纵摇角度以及船体处于初始位置状态下的天线波束指向相对于船头指向的方位角αj计算得到。
最后，将水平轴初始角度和水平轴旋转校准角度加和得到船体航行状态下水平轴实际转动所需要达到的所述水平轴旋转角度；将俯仰轴的初始角度和俯仰轴旋转校准角度加和得到船体航行状态下俯仰轴实际转动所需达到的所述俯仰轴旋转角度。
进一步，所述俯仰轴的旋转角度范围为0°～95°，所述俯仰轴的旋转角度为0时，所述天线波束指向与水平轴轴线重合；所述俯仰轴的旋转角度范围为90°时，所述天线波束指向向上且垂直于所述水平轴轴线。
上述天线座不仅能在纵摇和/或横摇下，实现接近半球区域内任意卫星轨迹的跟踪；且天线座对于天线尺寸限制降低，能够安装大口径天线，适用范围广。
进一步，还包括差分GPS和倾角传感器，所述差分GPS设置于船体上，用于实时测定船体位置和航向角并将所述船体位置和所述航向角发送给所述获取模块，所述倾角传感器设置于船体上，用于实时测定船体的横摇角和纵摇角并将所述横摇角和所述纵摇角发送给所述获取模块。
由此，船体位置和航向角通过差分GPS获取，船体的横摇角和纵摇角由倾角传感器测得。横摇角和纵摇角的取值范围分别为-90°～+90°正负号代表其倾斜方向。
基于本发明的船载卫星天线跟踪系统，在船体摆动情况下，卫星跟踪设备(天线)依然能够将窄波束实时对准任意轨道的高速移动卫星，使卫星星载设备能够实时截获卫星跟踪设备发射的信号。
附图说明
图1为基于本发明的实施例中天线座的右视结构示意图。
图2为基于本发明的实施例的后视结构示意图。
图3为基于本发明的船载卫星天线跟踪系统的结构示意图。
图4为卫星跟踪过程中各轴转动的角度。
图5为卫星跟踪过程中天线波束指向的方位值和俯仰值。
附图1-5中，各标号所代表的的部件名称如下：
方位轴1；
水平轴2；
俯仰轴3；
天线4。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
结合附图1-5并参考具体实施例描述本发明。
如图1-2所示，基于本发明的船载卫星天线座，包括：方位轴1、水平轴2、俯仰轴3以及伺服驱动机构、所述水平轴2设置于所述方位轴1上、所述俯仰轴3设置于所述水平轴2上，所述俯仰轴3与所述水平轴垂直，所述伺服驱动机构用于分别驱动所述方位轴1、水平轴2以及所述俯仰轴3分别绕各自的轴线转动。基于本发明的船载卫星天线座，其方位轴、水平轴、俯仰轴可分别绕其所在的轴线转动，既不会存在低仰角跟踪困难，也不会存在过顶跟踪盲区，从而实现半球空域卫星连续跟踪，实现船载卫星天线对于轨道卫星的实时动态精确跟踪。
基于本发明的船载卫星天线座，所述伺服驱动机构包括用于驱动所述方位轴1绕其轴线旋转的第一伺服电机、用于驱动所述水平轴2绕其轴线旋转的第二伺服电机以及用于驱动所述俯仰轴3绕其轴线旋转第三伺服电机，所述方位轴1下端固定于所述第一伺服电机的转轴上，所述第二伺服电机固定于所述方位轴1上端，所述水平轴2一端固定于所述第二伺服电机的转轴上，所述第三伺服电机固定于所述水平轴2的另一端，所述俯仰轴3固定于所述第三伺服电机的转轴上。通过伺服电机作为驱动，精确控制方位轴、水平轴和俯仰轴的旋转角度。
如图3所示，基于本发明的船载卫星天线跟踪系统，包括：如上所述的天线座，所述天线座设置于所述船体上，所述方位轴1平行于船体法线设置；天线4，所述天线4固定于所述俯仰轴3上；获取模块，用于获取卫星运动轨迹、获取船体位置、船体的横摇角、纵摇角以及航向角，并将所述卫星运动轨迹、船体位置、横摇角、纵摇角和航向角发送给跟踪计算模块；跟踪计算模块，用于根据接收到的所述卫星运动轨迹、船体位置、航向角、横摇角和纵摇角，计算船体航行状态下，各时刻天线波束对准目标卫星所需的方位轴旋转角度、水平轴旋转角度以及俯仰轴旋转角度，并将方位轴旋转角度、水平轴旋转角度以及俯仰轴旋转角度发送给控制模块；控制模块，用于根据接收到的所述方位轴旋转角度、水平轴旋转角度以及所述俯仰轴旋转角度，控制所述伺服驱动机构驱动所述方位轴、水平轴以及所述俯仰轴分别绕各自的轴线转动相应的角度。可根据船体的运动状况控制天线座方位轴、水平轴和俯仰轴进行相应角度的转动，从而实现半球空域卫星连续跟踪，实现船载卫星天线对于轨道卫星的实时动态精确跟踪。
基于本发明实施例的船载卫星天线跟踪系统，所述跟踪计算模块包括：第一计算单元，用于根据接收到的所述卫星运动轨迹和船体的初始位置，计算船体处于初始位置状态下，各时刻天线波束指向对准所述目标卫星，天线波束指向相对于船头指向的方位角αj并将所述方位角αj发送给控制模块，所述方位角αj为所述天线波束对准目标卫星所需的方位轴旋转角度；第二计算单元，用于根据接收到的所述卫星运动轨迹、船体的实时位置以及航向角，计算船体处于无纵摇和横摇的行驶状态下，各时刻天线波束指向对准目标卫星，天线波束指向相对于船头指向的方位角αi以及天线波束的俯仰角βi；用于根据各时刻下的所述方位角αi与所述方位角αj的之间的差以及所述俯仰角βi，计算无纵摇和横摇的行驶状态下,各时刻天线波束指向对准目标卫星,天线座水平轴转动所需达到的角度θxi，天线座俯仰轴转动所需达到的角度θyi，并将角度θxi和角度θyi发送给第四计算单元；所述角度θxi为水平轴初始角度，所述角度θyi为俯仰轴初始角度；第三计算单元，用于船体处于纵摇和/或横摇的行驶状态下，根据接收到的船体的横摇角度、纵摇角度以及船体处于初始位置状态下的天线波束指向相对于船头指向的方位角αj，根据所述横摇角度、纵摇角度以及方位角αj，计算船体纵摇和/或横摇的行驶状态下，各时刻天线波束对准所述目标卫星所需的水平轴的旋转校准角度以及和俯仰轴的旋转校准角度，以补偿船体横摇和/或船体纵摇导致的天线波束指向的偏差，并将所述水平轴的旋转校准角度以及和俯仰轴的旋转校准角度发送给第四计算单元；第四计算单元，用于对接收到的各时刻水平轴初始角度和水平轴旋转校准角度加和得到船体航行状态下水平轴实际转动所需要达到的所述水平轴旋转角度；根据对接收到的水平轴的旋转校准角度以及和俯仰轴的旋转校准角度进行加和得到船体航行状态下俯仰轴实际转动所需达到的所述俯仰轴旋转角度，并将所述俯仰轴的初始角度和俯仰轴旋转校准角度发送给控制模块。
地面固定天线跟踪只需要知道卫星运动轨迹以及地面固定天线的位置便可对卫星进行精确跟踪；船载卫星天线与地面固定天线跟踪的区别在于，船行驶的过程中，船的位置、航向一直在变化，切船体行驶过程中的纵摇、横摇均会影响。各时刻方位轴旋转角度、水平轴旋转角度以及俯仰轴旋转角度方式如下：
(1)各时刻方位轴旋转角度通过以下方式获取：计算船体处于初始位置状态下，各时刻天线波束指向对准所述目标卫星，天线波束指向相对于船头指向的方位角αj并将其作为各时刻天线座Z轴的方位轴旋转角度。
(2)水平轴旋转角度和俯仰轴旋转角度获取过程如下：
首先，计算船体处于无纵摇和横摇的行驶状态下，各时刻天线波束指向对准目标卫星，水平轴转动所需达到的角度，即水平轴初始角度θxi，俯仰轴转动所需达到的角度，即俯仰轴初始角度θyi，具体通过以下方式获取：根据接收到的所述卫星运动轨迹、船体的实时位置以及航向角，计算船体处于无纵摇和横摇的行驶状态下，各时刻天线波束指向对准目标卫星，天线波束指向相对于船头指向的方位角αi以及天线波束的俯仰角βi；然后根据各时刻下的所述方位角αi与所述方位角αj的之间的差以及所述俯仰角βi计算得到。
其次，计算船体存在纵摇和/或横摇时，在水平轴转动转动所述水平轴初始角度θxi以及俯仰轴转动所述俯仰轴初始角度θyi的基础上，水平轴和俯仰轴还要转动的角度，即水平轴的旋转校准角度和俯仰轴的旋转校准角度，以补偿船体横摇和/或船体纵摇导致的天线波束指向的偏差，具体的，水平轴的旋转校准角度和俯仰轴的旋转校准角度通过以下方式获取：根据船体的横摇角度、纵摇角度以及船体处于初始位置状态下的天线波束指向相对于船头指向的方位角αj计算得到。
最后，将水平轴初始角度和水平轴旋转校准角度加和得到船体航行状态下水平轴实际转动所需要达到的所述水平轴旋转角度；将俯仰轴的初始角度和俯仰轴旋转校准角度加和得到船体航行状态下俯仰轴实际转动所需达到的所述俯仰轴旋转角度。
基于本发明实施例的船载卫星天线跟踪系统，所述俯仰轴3的旋转角度范围为0°～95°，所述俯仰轴3的旋转角度为0时，所述天线波束指向与水平轴2轴线重合；所述俯仰轴3的旋转角度范围为90°时，所述天线波束指向向上且垂直于所述水平轴2的轴线。
上述天线座不仅能在纵摇和/或横摇下，实现接近半球区域内任意卫星轨迹的跟踪；且天线座对于天线尺寸限制降低，能够安装大口径天线，适用范围广。
如图3所示，基于本发明实施例的船载卫星天线跟踪系统，还包括差分GPS和倾角传感器，所述差分GPS设置于所述船体上，用于实时测定船体位置和航向角并将所述船体位置和航向角发送给所述获取模块，所述倾角传感器设置于所述船体上，用于实时测定船体的横摇角和纵摇角并将所述横摇角和纵摇角发送给所述获取模块。船体位置和航向角通过差分GPS获取，船体的横摇角和纵摇角由倾角传感器测得。横摇角和纵摇角的取值范围分别为-90°～+90°正负号代表其倾斜方向。
基于本发明的一个实施例的船载卫星天线跟踪系统进行卫星跟踪的过程，包括如下步骤：
步骤一：对天线座进行复位校准，使天线座装置处于复位时状态(即跟踪起点状态，此时天线波束指向卫星，方位轴(以下称天线座Z轴)平行于所述船体法线设置，水平轴(以下称天线座X轴)与船体纵摇轴平行，俯仰轴(以下称天线座Y轴)与船体横摇轴平行，天线座Z轴可绕其所在轴线在0°～360°内转动，将复位时状态时，船头指向的方位角定义为天线座Z轴0°方位角，船头指向定义为天线座Z轴0°指向。
步骤二：计算船体处于初始位置状态下，各时刻天线波束指向对准所述目标卫星，天线波束指向相对于船头指向的方位角αj并将所述方位角αj发送给控制模块，具体过程如下：
(2-1)计算天线座Z轴转动的角速度。
根据卫星运动轨迹和船体的初始位置计算得到船体处于初始位置状态下(即静止状态下)，天线座跟踪卫星的轨迹起点参数为(α0,β0,t0)，跟踪终点参数为(αN,βN,tN)，任意跟踪时刻ti，卫星轨迹点参数为(αi，βi，ti)，在卫星跟踪的过程中，为计算和控制方便，设定天线座Z轴做匀速转动，即天线座Z轴转动的角速度为固定值，天线座Z轴转动的角速度可以根据卫星跟踪起点方位角和卫星跟踪终点方位角参数信息获取，天线座Z轴转动的角速度见公式(1)：
Figure BDA0002880392700000111
tN＝t0+N·Δt，N＝0,1,2…i
(2-2)根据天线座Z轴转动的角速度，计算各时刻天线波束实际指向相对于天线座Z轴0°指向的方位角；
天线座在实时卫星轨迹跟踪过程中，天线座Z轴始终按照角速度Δαv做匀速转动，则i·Δt时刻后，天线座Z轴转动的方位角即为天线波束实际转动的方位角,则该时刻天线波束实际指向的方位角的计算即见公式(2)：
Figure BDA0002880392700000121
式(1)和式(2)中，Δαv为天线座Z轴转动的角速度，a0为船体处于初始位置状态下，跟踪起点天线波束指向相对于天线座Z轴0°指向的方位角，αj为跟踪时刻ti，天线波束实际指向相对于天线座Z轴0°指向的方位角，aN为跟踪终点天线波束指向相对于天线座Z轴0°指向的方位角，t0卫星跟踪起点时刻，tN为跟踪终点时刻，Δt为天线座Z轴转动角度时间步进，N＝0,1,2…i；i＝0,1,2…；Δαv为天线座Z轴转动的角速度，0°≤θzi≤360°，计算过程中，若出现超过360°角度值时需减去360°，小于0°角度值时需加上360°。
步骤三：计算船体处于无纵摇和横摇的行驶状态下,天线波束指向对准目标卫星,天线座水平轴各时刻转动所需达到的角度θxi，天线座俯仰轴各时刻转动所需达到的角度θyi，所述角度θxi为水平轴初始角度，所述角度θyi为俯仰轴初始角度。
由于设定天线座Z轴做匀速变化，因此，在任意时刻，天线座Z轴转动后的天线波束实际指向的方位角与天线波束对准卫星(天线波束指向卫星)的方位角必然存在偏差，而这种天线波束指向的方位角偏差可通过转动X轴和Y轴进行补偿，具体计算过程如下：
(3-1)获取船体处于无纵摇和横摇的行驶状态下，卫星运动轨迹和船体的实时位置，计算得到各时刻下，天线座跟踪卫星轨迹起点参数为(αa0,βe0,t0)，跟踪卫星轨迹终点参数为(αaN,βeN,tN)，任意跟踪时刻ti，卫星轨迹点参数为(αai，βai，ti)。
(3-2)计算天线波束指向卫星应当满足的方位角：
Figure BDA0002880392700000131
(3-3)计算天线波束指向卫星应当满足的俯仰角：
βi＝βai(4)
上述公式中，A为跟踪时刻ti，船头指向相对于正北角的方位角；αai为跟踪时刻ti，天线波束指向卫星相对于正北角的方位角；αi为跟踪时刻ti，天线波束指向卫星相对于船头指向的方位角；βi为第i·Δt时刻天线波束指向卫星的俯仰角。
具体的，A为航向角，可通过差分GPS获取；αai为所述天线波束指向卫星相对于正北角的方位角，可通过卫星运动轨迹和船体的实时位置计算得到，卫星运动轨迹和船体的实时位置可分别通过卫星运行控制中心和差分GPS获得。
(3-4)计算水平轴初始角度和俯仰轴初始角度。
由于天线座Z轴始终做匀速转动，不符合卫星实际跟踪实际需求，在第i·Δt(i＝0,1,2…)时刻天线座Z轴转动后的天线波束实际指向的方位角与天线波束指向卫星的方位角必然偏差，为了实现天线波束对卫星的准确跟踪，即实现天线波束对准目标卫星，补偿天线波束指向的方位角偏差，天线座X轴所需转动的角度为：
Figure BDA0002880392700000132
为了实现天线波束对卫星的准确跟踪，补偿天线波束指向的方位角偏差，天线座Y轴所需转动的角度为：
θyi＝90°-arcsin(cosΔaicosβi) (6)
Δαi＝αj-αi (7)
θxi为无纵摇和横摇的行驶状态下，第i·Δt时刻，为补偿天线波束指向的方位角偏差，X轴应当旋转的角度，即水平轴初始角度；θyi为无纵摇和横摇的行驶状态下，第i·Δt时刻，为补偿天线波束指向的方位角偏差，Y轴应当旋转的角度，即俯仰轴初始角度；Δαi为第i·Δt时刻，天线波束指向卫星应当满足的方位角与实际天线波束指向的方位角偏差，βi为第i·Δt时刻天线波束指向卫星的俯仰角；αi为跟踪时刻ti，天线波束指向卫星相对于船头指向的方位角；αj为跟踪时刻ti，天线波束实际指向相对于天线座Z轴0°指向的方位角。
假设某时刻，理论上，天线波束指向卫星应当满足为方位角19.5°，俯仰角βi为20°，但天线座Z轴只匀速转动到了方位角为17.6°，据此可得，Δai＝1.9°将方位角、俯仰角以及Δai＝1.9代入上述公式(5)和公式(6)，可得θyi≈20.086，θxi≈5.205。
因此，当船体处于无纵摇和横摇的行驶状态下，具体跟踪过程如下：
跟踪起点时刻，分别转动天线座Z轴、天线座X轴、转动天线座Z轴，使天线波束对准卫星，此时天线波束对应一个方位角和一个俯仰角；在船体无纵摇和横摇的情况下，在任意时刻跟踪时刻ti，只需要满足：天线座Z轴始终做方位角变化率为Δαv的转动，X轴转动的角度满足θxi，X轴转动的角度满足θyi即可实现卫星精确跟踪和过顶跟踪，如图4和图5所示，分别为一个具体卫星过顶跟踪过程中，卫星跟踪过程中各轴转动的角度以及卫星跟踪过程中天线波束指向的方位值和俯仰值。
步骤四：计算船体处于纵摇和/或横摇的行驶状态下，各时刻天线波束对准所述目标卫星所需的水平轴的旋转校准角度以及和俯仰轴的旋转校准角度，以补偿船体横摇和/或船体纵摇导致的天线波束指向的偏差。
在船体存在横摇和纵摇情况下：船体摇动产生纵摇角度和横摇角度，从而带来天线波束指向以及船体法线方向的偏移，这种偏移可通过转动X轴、Y轴进行校准补偿，具体的校准补偿角度(即水平轴旋转校准角度和俯仰轴的旋转校准角度)计算过程如下：
(4-1)根据横摇角度和纵摇角度计算横摇、纵摇导致船体法线指向变化，变化后的船体法线指向为
Figure BDA0002880392700000151
其中αi′为船体法线
Figure BDA0002880392700000152
指向相对于天线座Z轴0°指向的方位角，βi′为
Figure BDA0002880392700000153
的俯仰角。
具体的，以天线座装置为中心，船体不存在横摇、纵摇时，建立空间坐标系1(X1、Y1、Z1)，其中坐标系X1轴与船(或舰)正横平行，坐标系Y1轴与船(或舰)首尾线平行，坐标系Z1轴(即船体法线
Figure BDA0002880392700000154
)指向地心反方向，
Figure BDA0002880392700000155
与船(或舰)正横、首尾线垂直，指向与天线座Z轴平行。横摇、纵摇导致船体法线
Figure BDA0002880392700000156
指向的变化，且
Figure BDA0002880392700000157
指向变化与天线座Z轴指向变化一致。在无纵摇和横摇的情况下，假定船体法线
Figure BDA0002880392700000158
相对于天线座Z轴0°指向的方位角为0，当船存在横摇、纵摇时，船体法线
Figure BDA0002880392700000159
指向发生变化，波束指向偏离卫星，此时，
Figure BDA00028803927000001510
的方位角为αi′，俯仰角为βi′。
当横摇角-90°＜θRi≤0°、纵摇角0°≤θPi＜90°，船体法线
Figure BDA00028803927000001511
指向的方位角αi′位于为第一象限，即方位角αi′的范围为0°～90°，αi′的计算如公式(8)所示：
Figure BDA00028803927000001512
当横摇角-90°＜θRi＜90°、纵摇角-90°＜θPi≤0°，船体法线
Figure BDA00028803927000001513
指向的方位角αi′位于为第二、三象限，即方位角αi′的范围为90°～270°，αi′的计算如公式(9)所示：
Figure BDA0002880392700000161
当横摇角0°≤θRi＜90°、纵摇角0°≤θPi＜90°，船体法线
Figure BDA0002880392700000162
指向的方位角αi′位于为第四象限(方位角范围270°～360°)，αi′的计算如公式(10)所示：
Figure BDA0002880392700000163
横摇角-90°＜θRi＜90°、纵摇角-90°＜θPi＜90°，船体法线
Figure BDA0002880392700000164
指向对应的俯仰角范围0°～90°，βi′的计算如公式(11)为：
βi′＝arcsin(cos(θRi)×cos(θPi)) (11)
上述公式中，αi′为纵摇和横摇情况下，船体法线
Figure BDA0002880392700000165
指向相对于天线座Z轴0°指向的方位角，也即天线座Z轴指向相对于天线座Z轴0°的方位角，βi′为
Figure BDA0002880392700000166
的俯仰角，θRi为船横摇角，θPi为船纵摇角；
(4-2)将船体法线
Figure BDA0002880392700000167
指向取反得到
Figure BDA0002880392700000168
船体法线
Figure BDA0002880392700000169
指向取反是抵消该时刻横摇、纵摇带来天线波束指向的方向角和俯仰角变化，X轴，Y轴转动所需要转动达到波束指向变化，Ai′的计算如公式(12)所示：
Figure BDA00028803927000001610
βi"＝βi'
上述公式中，αi′为纵摇和横摇情况下，船体法线
Figure BDA00028803927000001611
指向相对于天线座Z轴0°指向的方位角，Ai′为
Figure BDA00028803927000001612
指向相对于天线座Z轴0°指向的方位角，βi"为
Figure BDA00028803927000001613
的俯仰角，βi′为
Figure BDA00028803927000001614
的俯仰角。
(4-3)计算跟踪时刻下，
Figure BDA00028803927000001615
指向相对于该时刻天线座Z轴指向的方位角。
天线座装置在卫星跟踪过程中，随着天线座Z轴转动，天线座中X轴、Y轴指向与船头方向将发生变化，则第i·Δt时刻，指向
Figure BDA0002880392700000171
相对于天线座Z轴指向的方位角Ci′计算如公式(13)所示：
Figure BDA0002880392700000172
θzi＝aj
上述公式中，θzi为跟踪时刻i·Δt，天线座Z轴指向相对于天线座Z轴0°的方位角，Ai′为跟踪时刻，
Figure BDA0002880392700000173
指向相对于天线座Z轴0°指向的方位角，Ci′为跟踪时刻，
Figure BDA0002880392700000174
指向相对于该时刻天线座Z轴指向的方位角；αj为跟踪时刻ti，天线波束实际指向相对于天线座Z轴0°指向的方位角。
(4-4)根据
Figure BDA0002880392700000175
指向相对于该时刻天线座Z轴指向的方位角以及
Figure BDA0002880392700000176
指向的俯仰角，计算天线座水平轴旋转校准角度和俯仰轴旋转校准角度。
为了补偿船体横摇和纵摇导致的跟踪误差，天线座X轴和天线座Y轴的旋转校准角度θxi′和θyi′的计算如公式(14)和公式(15)所示：
Figure BDA0002880392700000177
θyi′＝90°-arcsin(cosCi'cosβi”) (15)
上述公式中，Ci′为跟踪时刻，
Figure BDA0002880392700000178
指向相对于该时刻天线座Z轴指向的方位角，βi"为
Figure BDA0002880392700000179
的俯仰角,θxi′为水平轴旋转校准角度，θyi′为俯仰轴旋转校准角度。
(4-4)计算各时刻天线波束指向向卫星，天线座水平轴旋转角度、俯仰轴旋转角度和方位轴旋转角度。
各时刻，天线波束跟踪卫星，天线座X轴、天线座Y轴和天线座Z轴转动的角度轨迹，即各时刻对应的水平轴旋转角度、俯仰轴旋转角度和方位轴旋转角度如公式(16)-(18)所示：
θXi＝θxi+θxi′ (16)
θYi＝θyi+θyi′ (17)
Figure BDA0002880392700000181
上述公式中，Ci′为跟踪时刻第i·Δt时刻，
Figure BDA0002880392700000182
指向相对于该时刻天线座Z轴指向的方位角，θxi′为水平轴旋转校准角度；θyi′为俯仰轴旋转校准角度；θxi为水平轴初始角度；θyi为俯仰轴初始角度；θXi为水平轴旋转角度，θYi为俯仰轴旋转角度，θZi为方位轴旋转角度；Δαv为天线座方位轴转动的角速度。
具体的，所述θxi、θYi、θXi、θYi、θZi、Δαv均具有方向性，正值代表顺时针方向转动时，负值代表逆时针方向转动。
尽管上面已经详细描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种船载卫星天线座，其特征在于，包括:方位轴(1)、水平轴(2)、俯仰轴(3)以及伺服驱动机构、所述水平轴(2)设置于所述方位轴(1)上、所述俯仰轴(3)设置于所述水平轴(2)上，所述俯仰轴(3)与所述水平轴垂直，所述伺服驱动机构用于分别驱动所述方位轴(1)、水平轴(2)以及所述俯仰轴(3)分别绕各自的轴线转动。
2.根据权利要求1所述的船载卫星天线座，其特征在于，所述伺服驱动机构包括用于驱动所述方位轴(1)绕其轴线旋转的第一伺服电机、用于驱动所述水平轴(2)绕其轴线旋转的第二伺服电机以及用于驱动所述俯仰轴(3)绕其轴线旋转第三伺服电机，所述方位轴(1)下端固定于所述第一伺服电机的转轴上，所述第二伺服电机固定于所述方位轴(1)上端，所述水平轴(2)一端固定于所述第二伺服电机的转轴上，所述第三伺服电机固定于所述水平轴(2)的另一端，所述俯仰轴(3)固定于所述第三伺服电机的转轴上。
3.一种船载卫星天线跟踪系统，其特征在于，包括：
如权利要求1或2所述的天线座，所述天线座设置于所述船体上，所述方位轴(1)平行于船体法线设置；
天线(4)，所述天线(4)固定于所述俯仰轴(3)上；
获取模块，用于获取卫星运动轨迹、获取船体位置、船体的横摇角、纵摇角以及航向角，并将所述卫星运动轨迹、船体位置、横摇角、纵摇角和航向角发送给跟踪计算模块；
跟踪计算模块，用于根据接收到的所述卫星运动轨迹、船体位置、航向角、横摇角和纵摇角，计算船体航行状态下，各时刻天线波束对准目标卫星所需的方位轴旋转角度、水平轴旋转角度以及俯仰轴旋转角度，并将方位轴旋转角度、水平轴旋转角度以及俯仰轴旋转角度发送给控制模块；
控制模块，用于根据接收到的所述方位轴旋转角度、水平轴旋转角度以及所述俯仰轴旋转角度，控制所述伺服驱动机构驱动所述方位轴、水平轴以及所述俯仰轴分别绕各自的轴线转动相应的角度。
4.根据权利要求3所述的船载卫星天线跟踪系统，其特征在于，所述跟踪计算模块包括：
第一计算单元，用于根据接收到的所述卫星运动轨迹和船体的初始位置，计算船体处于初始位置状态下，各时刻天线波束指向对准所述目标卫星，天线波束指向相对于船头指向的方位角αj并将所述方位角αj发送给控制模块，所述方位角αj为所述天线波束对准目标卫星所需的方位轴旋转角度；
第二计算单元，用于根据接收到的所述卫星运动轨迹、船体的实时位置以及航向角，计算船体处于无纵摇和横摇的行驶状态下，各时刻天线波束指向对准目标卫星，天线波束指向相对于船头指向的方位角αi以及天线波束的俯仰角βi；用于根据各时刻下的所述方位角αi与所述方位角αj的之间的差以及所述俯仰角βi，计算无纵摇和横摇的行驶状态下,各时刻天线波束指向对准目标卫星,天线座水平轴转动所需达到的角度θxi，天线座俯仰轴转动所需达到的角度θyi，并将角度θxi和角度θyi发送给第四计算单元；所述角度θxi为水平轴初始角度，所述角度θyi为俯仰轴初始角度；
第三计算单元，用于船体处于纵摇和/或横摇的行驶状态下，根据接收到的船体的横摇角度、纵摇角度以及船体处于初始位置状态下的天线波束指向相对于船头指向的方位角αj，根据所述横摇角度、纵摇角度以及方位角αj，计算船体纵摇和/或横摇的行驶状态下，各时刻天线波束对准所述目标卫星所需的水平轴的旋转校准角度以及和俯仰轴的旋转校准角度，以补偿船体横摇和/或船体纵摇导致的天线波束指向的偏差，并将所述水平轴的旋转校准角度以及和俯仰轴的旋转校准角度发送给第四计算单元；
第四计算单元，用于对接收到的各时刻水平轴初始角度和水平轴旋转校准角度加和得到船体航行状态下水平轴实际转动所需要达到的所述水平轴旋转角度；根据对接收到的水平轴的旋转校准角度以及和俯仰轴的旋转校准角度进行加和得到船体航行状态下俯仰轴实际转动所需达到的所述俯仰轴旋转角度，并将所述俯仰轴的初始角度和俯仰轴旋转校准角度发送给控制模块。
5.根据权利要求3所述的船载卫星天线跟踪系统，其特征在于，所述俯仰轴(3)的旋转角度范围为0°～95°，所述俯仰轴(3)的旋转角度为0时，所述天线波束指向与水平轴(2)轴线重合；所述俯仰轴(3)的旋转角度范围为90°时，所述天线波束指向向上且垂直于所述水平轴(2)的轴线。
6.根据权利要求3所述的船载卫星天线跟踪系统，其特征在于，还包括差分GPS和倾角传感器，所述差分GPS设置于船体上，用于实时测定船体位置和航向角并将所述船体位置和所述航向角发送给所述获取模块，所述倾角传感器设置于船体上，用于实时测定船体的横摇角和纵摇角并将所述横摇角和所述纵摇角发送给所述获取模块。
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