CN113391138B - 基于跟踪轨迹拟合的天线副瓣识别及其自动转主瓣方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于轨迹拟合的天线副瓣跟踪识别及其自动转主瓣方法，首先利用天线实时闭环跟踪数据与目标理论引导数据，经中心化处理后，得到相对于理论引导的二维跟踪轨迹，然后对轨迹曲线采用圆弧最小二乘拟合的方法获得圆弧曲线的几何中心位置与几何半径参数，再由几何半径的大小判断出主副瓣，由几何中心位置得到电轴相对目标引导数据的方位与俯仰位置偏差，最后在理论引导的基础上对偏差加以修正，自动引导天线电轴对准目标，完成天线自动转主瓣跟踪。解决现有技术中副瓣识别方法的不足以及不能自动转主瓣的问题。

Description

基于跟踪轨迹拟合的天线副瓣识别及其自动转主瓣方法
技术领域
本发明提出一种基于跟踪轨迹拟合的天线副瓣识别及其自动转主瓣方法，适用于航天测控、卫星通信、雷达测量等需要进行副瓣跟踪识别的相关工程领域。
背景技术
天线辐射方向图除主瓣外，还存在多个能量较小的副瓣。当天线主瓣对准目标时，接收能量最强，处于跟踪状态时，天线能够跟随目标稳定运行，而当天线副瓣对准目标时，由于其幅相特性发生了变化，天线跟踪将变得不再稳定，不仅跟踪精度下降，更多的是由于副瓣的信号能量低于主瓣，其信噪比较低，造成各种测量数据异常，有时甚至导致目标跟踪丢失。特别是副瓣中信号最强的第一副瓣，因其离主瓣最近，其信号强度较强，给副瓣跟踪识别增加了一定难度。因此，副瓣识别一直是广大工程技术人员研究的热点和难点课题。
在中国专利(CN103207389B)中，针对当前雷达天线不能采用小引导天线进行主副瓣识别以及在应用小引导天线进行主副瓣识别中存在门限设置不合理、目标信号复杂跟踪到副瓣的风险较大的问题，公开了一种基于信号幅相特性的雷达天线副瓣识别算法，根据雷达和差信号在雷达天线主瓣和副瓣时的不同幅相特性，采用支持向量机分类方法对和差信号进行分类，识别出主瓣、副瓣，解决雷达测量中的副瓣识别问题。但在实际工程中,往往一套设备存在多套接链路组合,不同组合间的和差支路幅相特性均存在不同程度的差异,需要采样大量训练样本集，时间消耗非常长，一定程度上增加了工程实现难度。另外，中国专利(CN106772466B)中针对大口径天线主瓣窄，当大动态目标或航天器失去轨道控制变得不可准确预测时，目标的搜索和捕获变得困难这一问题，公开了一种基于形状特征的目标捕获算法，该算法的核心思想是利用天线幅度方向图的特性，判断目标进入天线波瓣的轨迹来获得目标与天线电轴的相对位置，完成目标的自动捕获，可辅助完成天线副瓣识别。然而，当目标处于低仰角时受地杂波以及多径效应影响以及目标信号不稳定时，天线接收到的信号电平起伏较大，一定程度上降低了目标捕获成功率，从而影响了航天测控设备自动化运行效率。
上述现有技术，重点放在了副瓣识别功能上，对识别出副瓣如何转主瓣未提出很好的技术方案。随着我国航天事业的发展，特别是商业航天业务的不断扩展，越来越多的测控天线设备加入到航天发射与测控工程中，其设备处于自动化运行状态，研究解决目标进站受地面干扰影响信号起伏大、目标接收信号异常抖动造成目标丢失后异常重捕等情况造成天线设备副瓣跟踪问题，特别是能够在判断出副瓣跟踪时能够自动完成副瓣转主瓣跟踪，提升设备自动化运行成功率，具有非常大的工程和商业价值。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种基于跟踪轨迹拟合的天线副瓣识别及其自动转主瓣方法，该方法实时分析天线闭环跟踪轨迹，估算出轨迹的几何参数，获得天线电轴中心位置偏差，自动引导天线电轴对准目标，完成副瓣识别与自动转主瓣跟踪。
本发明的技术方案是：一种基于跟踪轨迹拟合的天线副瓣识别及其自动转主瓣方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)实时获取一定数量的天线闭环跟踪时的方位、俯仰编码器角度以及跟踪目标的方位、俯仰理论引导角度数据；
(2)对所述的数据进行中心化、方位过零以及方位正割反补偿处理后，获得多组横向误差、纵向误差数据；并由此形成二维平面误差曲线；
(3)采用圆弧曲线拟合方法获得所述二维平面误差曲线的几何中心坐标与几何半径；
(4)根据该几何半径与天线主瓣宽度的大小比较，完成天线主副瓣识别；依据闭环曲线几何半径是否大于或小于等于此天线半波束宽度来判断天线是否为副瓣跟踪；如果几何半径小于半波束宽度，则判断为主瓣跟踪；如果几何半径大于半波束宽度，则判断为副瓣跟踪；
(5)借助目标方位、俯仰引导角度叠加步骤二获得的几何中心坐标参数引导天线电轴中心指向目标，完成天线副瓣自动转主瓣。
步骤(2)中，所述的二维平面误差曲线是在对实时采集一定数量的天线闭环跟踪时当前编码角度与目标引导角度数据，对其进行中心化、方位过零以及方位正割反补偿处理后形成。
进行中心化的方法为：以首点方位编码角、俯仰编码角、方位引导角、俯仰引导角为基准点，后续数据均减去基准点数据，再计算出方位、俯仰的编码角与引导角之间的误差量。
步骤(3)中，所述的圆弧曲线拟合方法采用最小二乘法。
本发明的技术效果是：能够自动引导天线电轴对准目标，完成天线自动转主瓣跟踪。解决了现有技术中副瓣识别方法的不足以及不能自动转主瓣的问题。相对于现有技术，本发明无需对天线进行目标搜索，也无需事先进行样本集进行机器学习，副瓣识别实时性强，可以有效应对目标信号异常引起的异常跟踪问题。
附图说明
图1a是典型天线差路经和路归一化三维方向示意图；
图1b是图1a的俯视图；
图2是典型天线和路与差路平面方向图；
图3是典型卡塞格伦天线主副瓣跟踪位置分布图；
图4是本发明实施例天线闭环跟踪时判断为主瓣跟踪的跟踪轨迹效果图；天线主副瓣跟踪识别效果图(主瓣跟踪)；
图5是本发明实施例天线闭环跟踪时判断为副瓣跟踪的跟踪轨迹效果图。
具体实施方式
参见图1-图5，本发明的具体实施步骤如下：
步骤一：实时获取天线闭环跟踪时n组方位编码角、俯仰编码角、方位引导角、俯仰引导角数据。
当天线处于跟踪状态时，以每秒20点实时获取n点天线闭环跟踪时的方位编码角CurAz[i]、俯仰编码角CurEl[i]、方位引导角GuiAz[i]、俯仰引导角GuiEl[i]数据,i＝1,2,…n。n取值可根据天线动态性能确定，本实施例取n＝200,即10秒钟闭环跟踪数据。
步骤二：对步骤一获得n组天线闭环跟踪数据作中心化、方位过零以及方位正割反补偿处理后，形成n组横向误差、纵向误差数据。
具体中心化方法为以首点方位编码角CurAz[1]、俯仰编码角CurEl[1]、方位引导角GuiAz[1]、俯仰引导角GuiEl[1]为基准点，后续数据均减去基准点数据，再计算出方位、俯仰的编码角与引导角误差数据ErrAz[i]、ErrEl[i]，即：
Figure BDA0002410399480000031
对(1)式中的方位误差数据作过零处理，即：
Figure BDA0002410399480000032
对经式(1)、(2)处理后的方位误差数据进行正割反补偿后，结合式(1)形成横向误差x[i]、纵向误差y[i]数据式(3)：
Figure BDA0002410399480000033
根据上面获得的n组横向误差、纵向误差数据，构建一个二维平面曲线。
步骤三：采用圆弧曲线拟合方法获得该二维平面曲线的几何中心坐标
Figure BDA0002410399480000034
Figure BDA0002410399480000035
与几何半径
Figure BDA0002410399480000036
由天线跟踪原理以及天线方向图空间对称特性，结合图1a和图1b可知，采用圆弧曲线拟合方法，既符合理想天线方向图的几何意义，又可快速获得天线闭环曲线几何中心位置和几何半径，具体圆弧曲线几何参数解算方法由公知可知有很多方法，常用的有牛顿迭代法和最小二乘法，因最小二乘理论计算相对简单，可满足拟合精度要求，工程较为常用。本发明实施例采用但不限于最小二乘圆弧曲线几何参数拟合法。从图1a和图1b中可以看出，理想条件下，差支路零深为方向图位置中心(如图1a、1b中A所示位置)，而第一副瓣深度则为以差支路零深为圆心、以第一副瓣宽度为直径的圆(如如图1a、1b中C所示圆周位置)
设圆弧曲线方程如式(4)所示：
f(x,y)＝x2+y2+ax+by+c＝0 (4)
其圆弧曲线几何中心坐标为：
Figure BDA0002410399480000041
几何半径为
Figure BDA0002410399480000042
公式中的a、b、c均为常数。
已知曲线上任一点(xi,yi)，可得到如式(5)所示误差方程式。
Figure BDA0002410399480000043
当曲线上有n个点时(n>3)，其曲线参数的最小二乘解如式(6)所示。
Figure BDA0002410399480000044
式(6)中：
Figure BDA0002410399480000045
“(ATA)-1”为矩阵求逆，T为矩阵转置。
由公式⑥可求得圆弧曲线的几何中心、几何半径等参数。
步骤四：由步骤三计算圆弧曲线几何半径
Figure BDA0002410399480000046
将其与天线主瓣宽度进行比较，可完成天线主副瓣识。
由天线基本理论可知，通常以天线最大辐射方向两侧，辐射功率下降3dB的两个方向的夹角即为主瓣宽度。由于接收信号受噪声影响，通常主瓣跟踪时，天线闭环跟踪时其闭环收敛点应在最大辐射中心附近呈随机扰动，天线闭环跟踪轨迹所形成的闭环曲线几何半径远远小于天线半波束宽度。而当天线处于副瓣跟踪时，通常由于其副瓣的幅相特性的变化，闭环不稳定。由图1所示的某型天线差路经和路归一化三维方向图可知，其副瓣跟踪将围绕副瓣中心所形成的圆周作环绕运动，即工程中通常所见的天线跟踪不稳定，一直处于画圈状态。故可依据闭环曲线几何半径是否大于或小于等于此天线半波束宽度来判断天线是否为副瓣跟踪。
由图2和图3可以看出，可根据天线的平面方向图直观地看出天线副瓣跟踪时的天线电轴偏离中心位置范围大小。本实施例某型卡塞格伦天线主瓣宽度为0.504度，第一副瓣距离天线电轴中心为0.785度，判断主副瓣的门限值设定为主瓣宽度的一半即0.25度，当闭环曲线几何半径小于等于0.25度时，天线为主瓣跟踪，当闭环曲线几何半径大于0.25度时，天线为副瓣跟踪。
图4为本实施例天线闭环跟踪时判断为主瓣跟踪的跟踪轨迹效果图，根据计算出的其圆弧半径为0.0014度，远小于0.25度的判决门限，故判断为主瓣跟踪。图5为本实施例天线闭环跟踪时判断为副瓣跟踪的跟踪轨迹效果图，根据计算出的其圆弧半径为0.7759度，大于0.25度的半波束宽度，故判断为副瓣跟踪。由图4和图5可知，可根据计算出的圆弧半径与主副瓣判决门限值，完成天线主副瓣跟踪识别。
步骤五：由步骤三计算出的圆弧曲线几何中心位置
Figure BDA0002410399480000051
结合天线实时引导数据，自动转至主瓣跟踪。
若步骤四识别出天线为副瓣跟踪，可根据步骤三计算出的圆弧曲线几何中心位置数据，自动完成天线副瓣转主瓣工作。
设天线实时方位、俯仰引导角度为(GuiAz、GuiEl)，圆弧曲线几何中心位置
Figure BDA0002410399480000052
此刻天线电轴实时指向方位、俯仰角应修正为
Figure BDA0002410399480000053
Figure BDA0002410399480000054
以此为新的天线实时引导数据，可完成天线副瓣跟踪自动转为主瓣跟踪。

Claims (4)

1.一种基于跟踪轨迹拟合的天线副瓣识别及其自动转主瓣方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)实时获取一定数量的天线闭环跟踪时的方位、俯仰编码器角度以及跟踪目标的方位、俯仰理论引导角度数据；
(2)对所述的数据进行中心化、方位过零以及方位正割反补偿处理后，获得多组横向误差、纵向误差数据；并由此形成二维平面误差曲线；
(3)采用圆弧曲线拟合方法获得所述二维平面误差曲线的几何中心坐标与几何半径；
(4)根据该几何半径与天线主瓣宽度的大小比较，完成天线主副瓣识别；依据闭环曲线几何半径是否大于或小于等于此天线半波束宽度来判断天线是否为副瓣跟踪；如果几何半径小于半波束宽度，则判断为主瓣跟踪；如果几何半径大于半波束宽度，则判断为副瓣跟踪；
(5)借助目标方位、俯仰引导角度叠加步骤二获得的几何中心坐标参数引导天线电轴中心指向目标，完成天线副瓣自动转主瓣。
2.根据权利要求1所述的基于跟踪轨迹拟合的天线副瓣识别及其自动转主瓣方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的二维平面误差曲线是在对实时采集一定数量的天线闭环跟踪时当前编码角度与目标引导角度数据，对其进行中心化、方位过零以及方位正割反补偿处理后形成。
3.根据权利要求2所述的基于跟踪轨迹拟合的天线副瓣识别及其自动转主瓣方法，其特征在于，具体的中心化方法为：以首点方位编码角、俯仰编码角、方位引导角、俯仰引导角为基准点，后续数据均减去基准点数据，再计算出方位、俯仰的编码角与引导角之间的误差量。
4.根据权利要求1所述的基于跟踪轨迹拟合的天线副瓣识别及其自动转主瓣方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的圆弧曲线拟合方法采用最小二乘法。
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