CN113300106B - 一种两轴天线过顶方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两轴天线过顶方法，属于天线技术领域。本发明的天线俯仰轴在0‑180度范围内能连续转动。本发明首先实时获得天线载体的姿态信息，然后根据目标卫星信息计算天线对星指向角度的理论值，并根据对星指向角度的理论值和载体运动过程中位置姿态的变化，实时计算天线的对星指向甲板角，从而判断俯仰轴是否需要过顶。采用本发明方法，天线俯仰角度范围可达0‑180度，两轴天线在星下位置过顶时，俯仰轴可直接超过90度实现过顶，不需要方位快速的转动。在降低跟踪精度指标要求情况下，本发明可满足跟踪和通信要求。

Description

一种两轴天线过顶方法

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别是指一种两轴天线过顶方法。

背景技术

通信天线需要根据目标卫星信息和载体运动过程中位置姿态变化，实时计算天线的对星指向角，并控制天线快速对准来卫星实施跟踪，保证通信信号的传输。

传统小口径两轴天线跟踪方法在高纬度地区，俯仰仰角较低时，随着载体运动，方位转动范围、速度和加速度较小，能很好的满足跟踪和通信要求，但过顶跟踪时无法满足跟踪和通信要求。目前，已有的天线过顶方法存在以下不足：

1)传统两轴天线俯仰角度范围为0-90度，两轴天线在星下位置过顶时，俯仰轴角度无法超过90度；

2)两轴天线在星下位置过顶时，俯仰轴角度接近90度，理论上单控制周期方位最大需要转动180度，需要的转动速度很大，远远超出方位最大转动速度和加速度，天线无法完成跟踪任务，即使降低跟踪精度指标要求，目前两轴天线在过顶跟踪时仍无法满足跟踪和通信要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种两轴天线过顶方法，其针对传统两轴小口径天线过顶跟踪过程中的不足，增大了俯仰转动范围，降低了两轴天线过顶时单位控制周期所需转动的范围，降低方位转动速度、加速度，有效提高了两轴天线的过顶跟踪能力。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种两轴天线过顶方法，所述两轴天线的俯仰轴转动范围为0-180度，包括以下步骤：

1)实时获得天线载体的姿态信息，包括载体的经纬度、航向、横滚以及俯仰信息；

2)根据目标卫星信息计算天线对星指向角度的理论值，包括方位理论角A和俯仰理论角E；

3)根据对星指向角度的理论值和载体运动过程中位置姿态的变化，实时计算天线的对星指向甲板角，包括对星指向方位甲板角A_j和对星指向俯仰甲板角E_j；

4)判断俯仰轴是否需要过顶，具体方式为：

计算对星指向方位甲板角和当前方位甲板角的差值ΔA，在ΔA大于90度时，则通过驱动器控制天线俯仰轴过顶转动到180-E_j度，并通过驱动器控制天线方位轴反向转动180-ΔA度；在ΔA小于90度时，则通过驱动器控制天线俯仰轴过顶转动到E_j度，并通过驱动器控制天线方位轴转动到A_j度。

进一步的，方位理论角A的计算方式为：

俯仰理论角E的计算方式为：

式中，λ为卫星精度，λ_e为天线精度，φ为天线纬度，R为地球半径，R_e为地球半径与卫星高度之和。

进一步的，对星指向方位甲板角A_j的计算方式为：

对星指向俯仰甲板角E_j的计算方式为：

E_j＝sin^-1(-cos E cos(A-k)sin p cos r+sin E cos p cos r+cos E sin(A-k)sin p)

式中，k为航向角，p为俯仰角，r为横滚角。

进一步的，步骤4)中，当俯仰角达到90度±Δθ时，天线方位轴停止转动；Δθ为0-8度。

本发明相比传统两轴小口径天线过顶跟踪具有如下优点：

1)采用本发明方法，天线俯仰角度范围可达0-180度，两轴天线在星下位置过顶时，俯仰轴角度可以直接超过90度。

2)采用本发明方法，两轴天线在星下位置过顶时，俯仰轴可直接超过90度实现过顶，不需要方位快速的转动。和传统方法相比，单控制周期转动范围不超过90度，降低了两轴天线过顶时单位控制周期所需转动的范围，降低方位转动速度、加速度，有效得提高了两轴天线的过顶跟踪能力。

3)采用本发明方法，在降低跟踪精度指标要求情况下，两轴天线在过顶跟踪时能满足跟踪和通信要求。

附图说明

图1是本发明实施例中天线过顶方法的流程图。

图2是传统两轴天线和本发明过顶跟踪时方位甲板角的变化曲线对比图。

图3是传统两轴天线和本发明过顶跟踪时俯仰甲板角的变化曲线对比图。

图4是传统两轴天线和本发明过顶跟踪时方位转速的变化曲线对比图。

图5是传统两轴天线和本发明过顶跟踪时的方位加速度的变化曲线对比图。

图6是传统两轴天线和本发明过顶跟踪时的方位地理指向角的变化曲线对比图。

图7是传统两轴天线和本发明过顶跟踪时的俯仰地理指向角的变化曲线对比图。

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作进一步的详细说明。

一种两轴天线过顶方法，该方法在天线的结构设计上，和传统两轴天线相比，俯仰轴转动范围设计为0-180度。该方法根据目标卫星信息和载体运动过程中位置姿态变化，实时计算天线的对星指向角，判断方位目标甲板角和当前甲板角的差值是否过大，以此为依据采取不同的跟踪方式，以此来降低方位转动的范围，降低方位转动速度和加速度，提高两轴天线跟踪能力。参照图1，具体的过顶方法为：

1)根据目标卫星信息，由使用者设置卫星参数；

2)与惯导等设备通信，实时获得载体的姿态信息，包括经纬度、航向、横滚、俯仰等信息；

3)计算对星指向角度。

根据目标卫星信息计算天线对星的理论值：

方位理论角：

俯仰理论角：

式中，λ为卫星精度，λ_e为天线精度，φ为天线纬度，R为地球半径，R_e为地球半径与卫星高度之和。

根据对星理论值和载体运动过程中位置姿态变化，实时计算天线的对星指向甲板角：

方位甲板角：

俯仰甲板角：

E_j＝sin^-1(-cos E cos(A-k)sin p cos r+sin E cos p cos r+cos E sin(A-k)sin p)

式中，k为航向角，p为俯仰角，r为横滚角。

4)判断俯仰轴是否需要过顶。

计算对星指向方位甲板角和当前方位甲板角差值(记为ΔA)，在ΔA大于90度时，则通过驱动器控制天线俯仰轴过顶转动到(180-E_j)度，通过驱动器控制天线方位轴反向转动(180-ΔA)度；在ΔA小于90度时，通过驱动器控制天线俯仰轴过顶转动到E_j度，通过驱动器控制天线方位轴转动到A_j度。

此外，当俯仰角接近90度时(即90度±Δθ，Δθ可自行设置，一般取0-8度)，方位转速过大会造成控制系统不稳定，因此俯仰角在高仰角时，方位应停止转动，从而对控制系统进行保护。待俯仰角离开高仰角范围时，继续转向目标甲板角。

以下为一个更具体的例子：

一种两轴小口径天线过顶方法，包括以下步骤：

1)根据目标卫星信息，由使用者设置卫星参数，仿真中地理指向角设为方位180度，俯仰45度；

2)与惯导等设备通信，实时获得载体的姿态信息，包括经纬度、航向、横滚、俯仰等，仿真中模拟摇摆台工作，按照8度5秒，相位0,120,240的条件进行摇摆，添加一个45度斜墩，摇摆台静止时对星俯仰甲板角为90度；

3)计算对星指向角度

根据目标卫星信息计算天线对星的理论值：

方位理论角：

俯仰理论角：

根据对星理论值和载体运动过程中位置姿态变化，实时计算天线的对星指向甲板角。

方位甲板角：

俯仰甲板角：

E_j＝sin^-1(-cos E cos(A-k)sin p cos r+sin E cos p cos r+cos E sin(A-k)sin p)

其中，A为方位理论角，E为俯仰理论角，p为俯仰角，r为横滚角。

4)判断俯仰轴是否需要过顶

计算对星指向方位甲板角和当前方位甲板角差值(记为ΔA)，在ΔA大于90度时，则通过驱动器控制天线俯仰轴过顶转动到(180-E_j)度，通过驱动器控制天线方位轴反向转动(180-ΔA)度；在ΔA小于90度时，通过驱动器控制天线俯仰轴过顶转动到E_j度，通过驱动器控制天线方位轴转动到A_j度。

5)方位转动保护

当俯仰角接近90度时，方位转速过大会造成控制系统不稳定，因此俯仰角在高仰角时，方位停止转动。

在MATLAB中进行仿真验证，可得到传统两轴天线和本发明过顶跟踪时方位甲板角、俯仰甲板角、方位转速、方位加速度、方位地理指向角、俯仰地理指向角的变化曲线对比图，见图2-7。

从图中可见，本发明方法的俯仰角度范围可达0-180度，两轴天线在星下位置过顶时，俯仰轴可直接超过90度实现过顶，不需要方位快速的转动。并且，与传统方法相比，单控制周期转动范围不超过90度，降低了两轴天线过顶时单位控制周期所需转动的范围，降低方位转动速度、加速度，有效得提高了两轴天线的过顶跟踪能力。

总之，本发明方法可用于两轴小口径通信天线的过顶跟踪，解决传统两轴小口径天线过顶时俯仰轴角度不超过90度，方位转动能力不足的问题，是对现有技术的一种重要改进。

Claims (3)

1.一种两轴天线过顶方法，其特征在于，所述两轴天线的俯仰轴转动范围为0-180度，包括以下步骤：

1）实时获得天线载体的姿态信息，包括载体的经纬度、航向、横滚以及俯仰信息；

2）根据目标卫星信息计算天线对星指向角度的理论值，包括方位理论角A和俯仰理论角E；

方位理论角A的计算方式为：

俯仰理论角E的计算方式为：

式中，λ为卫星精度，λ _e 为天线精度，

为天线纬度，R为地球半径，R _e 为地球半径与卫星 高度之和；

3）根据对星指向角度的理论值和载体运动过程中位置姿态的变化，实时计算天线的对星指向甲板角，包括对星指向方位甲板角A _j 和对星指向俯仰甲板角E _j ；

4）判断俯仰轴是否需要过顶，具体方式为：

计算对星指向方位甲板角和当前方位甲板角的差值ΔA，在ΔA大于90度时，则通过驱动器控制天线俯仰轴过顶转动到180-E _j 度，并通过驱动器控制天线方位轴反向转动180-Δ A度；在ΔA小于90度时，则通过驱动器控制天线俯仰轴过顶转动到E _j 度，并通过驱动器控制天线方位轴转动到A _j 度。

2.根据权利要求1所述的一种两轴天线过顶方法，其特征在于，对星指向方位甲板角A _j 的计算方式为：

对星指向俯仰甲板角E _j 的计算方式为：

式中，k为航向角，p为俯仰角，r为横滚角。

3.根据权利要求1所述的一种两轴天线过顶方法，其特征在于，步骤4）中，当俯仰角达到90度±∆θ时，天线方位轴停止转动；∆θ为0-8度。

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