CN113644989A - 一种双极化卫星天线的标定方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种双极化卫星天线的标定方法，包括用于发射信号的发射天线和用于采集信号的双极化卫星天线，该方法包括：获取发射天线和双极化卫星天线的位置信息，计算所述发射天线和双极化卫星天线的相对位置和相对角度；根据所述相对角度调整所述发射天线或双极化卫星天线的角度；根据所述相对位置和定位系统的误差，计算所述发射天线和双极化卫星天线的角度误差；根据所述角度误差，通过误差扫描对齐所述发射天线和双极化卫星天线的中心线；根据预设频段和步进对所述双极化卫星天线进行标定。本申请解决了卫星天线的批量生产所遇到的效率及可靠性等方面的痛点。

Description

一种双极化卫星天线的标定方法

技术领域

本申请涉及卫星天线技术领域，特别涉及一种双极化卫星天线的标定方法。

背景技术

在卫星通信广播中，一般采用正交极化频率复用技术，即在同一频带内传送不同的信号，实现卫星和地面站天线主波束内的频谱复用，增加对地静止卫星的轨道容量。这样就存在一个正交极化同频道的干扰问题。为了避免这个问题，卫星天线的交叉极化隔离度(轴比)是衡量天线的一项重要指标，包括天线发射极化隔离度和接收极化隔离度。对于收发双向天线，在获准进入有关卫星公司的卫星空间段之前，发射极化隔离度是天线入网验证测试的必做项目。对于天线生产厂家来说，极化隔离度的出厂标定是一个技术门槛较高的环节。

对于交叉极化隔离度(轴比)的测试，一般有两种，一种是卫星源法，一种是场地法。

对于传统的卫星地面站，由于其不可移动以及馈源不可旋转的特性，只能通过卫星源法进行测试，也就是通过在轨的卫星及辅助站(检测站)来完成。

另外就是场地法，场地法的原理很简单，主要就是通过旋转天线90°，实现水平和垂直极化波的转换。对于线极化天线直接测量然后求差值即可获得极化隔离度，对于圆极化天线，由于圆极化波可以通过在x，y方向的两项线极化分量来描述，也可以通过线极化的定向增益天线来测量其极化分量并通过公式推导。目前的场地法分为远场，近场及紧缩场三种。这三种测试方法各有优劣，其中远场测试主要特点是建设成本较低，缺点一是测试场地比较大，二是由于散射信号一般比较弱，对于精确测量的要求比较高。

发明内容

有鉴于此，本申请通过引入北斗、5G等定位与通信技术，对传统的远场测试方法进行优化，提出一种低成本、高精度并且操作简单的双极化卫星天线的标定方法，同时适用于线极化天线及圆极化天线，解决了卫星天线的批量生产所遇到的效率及可靠性等方面的痛点。

本申请提供了一种双极化卫星天线的标定方法，包括用于发射信号的发射天线和用于采集信号的双极化卫星天线，该方法包括：

获取发射天线和双极化卫星天线的位置信息，计算所述发射天线和双极化卫星天线的相对位置和相对角度；

根据所述相对角度调整所述发射天线或双极化卫星天线的角度；

根据所述相对位置和定位系统的误差，计算所述发射天线和双极化卫星天线的角度误差；

根据所述角度误差，通过误差扫描对齐所述发射天线和双极化卫星天线的中心线；

根据预设频段和步进对所述双极化卫星天线进行标定。

由上，通过获取发射天线和双极化卫星天线的位置信息，并计算发射天线和双极化卫星天线的相对位置和相对角度，并根据该相对角度调整发射天线或双极化卫星天线，同时，还根据该两个天线的角度误差，按照圆锥扫描法进行调整，使该两个天线的中心线完全对齐，然后按照频段和步进对双极化卫星天线进行标定。本方法提供的双极化卫星天线的标定方法具备高精度、操作简单的优点，适用于线极化天线及圆极化天线，提高了卫星天线的批量生产中的效率及可靠性。

可选的，所述位置信息包括发射天线的三维坐标信息(x1,y1,z1)和双极化卫星天线的三维坐标信息(x2,y2,z2)，所述相对角度包括相对俯仰角θ和相对方位角

可选的，所述根据所述相对角度调整所述发射天线或双极化卫星天线的角度包括：

调整所述发射天线的角度为所述相对俯仰角θ和相对方位角

或者

调整所述双极化卫星天线的角度为所述相对俯仰角θ和相对方位角

由上，根据发射天线和双极化卫星天线的三维坐标，计算发射天线和双极化卫星天线的相对俯仰角和相对方位角，并根据该相对角度调整发射天线或双极化卫星天线，从而使该发射天线或双极化卫星天线的角度保持一致，以实现中心线的对齐。

可选的，所述定位系统的误差是根据用户等效测距误差确定的高程定位误差H1和水平定位误差L1。

可选的，所述计算所述发射天线和双极化卫星天线的角度误差包括：

计算发射天线和双极化卫星天线的俯仰角误差θ1：

计算发射天线和双极化卫星天线的方位角误差

由上，本方法的定位系统可采用北斗定位系统，根据北斗系统的数据格式具体含义(spec)，从用户等效测距误差(UERE)来看，当UERE为1米时，北斗三号(BDS-3)系统的全球定位精度预计在1.3-2.7米，其中水平定位精度预计在0.7-1.5米，高程定位精度预计在1.1-2.4米，本实施例中，可以取高程最大误差为H1＝2.4米，水平最大误差为L1＝1.5米，根据该高程最大误差和水平最大误差，即可计算发射天线和双极化卫星天线的俯仰角误差θ1和方位角误差

可选的，所述通过误差扫描对齐所述发射天线和双极化卫星天线的中心线包括：

以双极化卫星天线的位置为第一圆心，以

为第一扫描半径，进行圆锥扫描，确定第一扫描轨迹中的第一最大信号值点位；

以所述第一圆心和所述第一最大信号值点位的中心点为第二圆心，以

为第二扫描半径，进行圆锥扫描，确定第二扫描轨迹中的第二最大信号值点位；

以所述第二圆心和所述第二最大信号值点位的中心点为第三圆心，以

为第三扫描半径，进行圆锥扫描，确定第三扫描轨迹中的第三最大信号值点位；

以此执行多次圆锥扫描，直至扫描半径小于双极化卫星天线的精度公差时，停止扫描。

由上，本申请采用圆锥扫描法，根据预设的圆心和半径，进行圆锥扫描，并在每次圆锥扫描后，选择新的圆心和半径，以执行多次圆锥扫描，直至扫描半径小于双极化卫星天线的精度公差时停止扫描。

可选的，还包括：

获取所述圆锥扫描过程中最大信号值点位，调整所述双极化卫星天线的角度，以对齐所述发射天线和双极化卫星天线的中心线。

由上，根据多次圆锥扫描过程中获取的最大信号值点位，调整双极化卫星天线的角度，以对齐发射天线和双极化卫星天线的中心线。

可选的，所述根据预设频段和步进对所述双极化卫星天线进行标定包括：

根据预设频段和步进，控制所述发射天线发射信号；

控制所述双极化卫星天线采集所述信号；

根据所述发射信号的信号值和所述采集信号的信号值，计算极化隔离度，以对所述双极化卫星天线的其中一个频段进行标定。

由上，完成中心线的对齐后，可控制发射天线案子预设频段和步进，依次发射信号，控制双极化卫星天线采集信号，然后根据发射信号的信号值和采集信号的信号值，进行计算，即可得到双极化卫星天线的极化隔离度，以此完成双极化卫星天线中的该频段标定。

可选的，还包括：

完成所述双极化卫星天线的其中一个频段的标定后，旋转所述发射天线的角度，并重新对齐所述发射天线和双极化卫星天线的中心线，执行对所述双极化卫星天线的另一频段的标定。

由上，完成双极化卫星天线的一个频段的标定后，旋转发射天线90度后，重新对发射天线和射频天线的中心线进行对齐后，重复执行上述信号发射和信号采集，以实现对双极化卫星天线的其他频段的标定。

本申请的这些和其它方面在以下(多个)实施例的描述中会更加简明易懂。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种双极化卫星天线标定系统的原理图；

图2为本申请实施例提供的一种5G通信模块的示意图；

图3为本申请实施例提供的一种双极化卫星天线的标定流程的示意图；

图4为本申请实施例提供的建立同步网络的示意图；

图5为本申请实施例提供的一种天线中心线定位的流程图；

图6为本申请实施例提供的测试平台和被测平台的相对位置示意图；

图7为本申请实施例提供的一种圆锥扫描法的示意图。

应理解，上述结构示意图中，各框图的尺寸和形态仅供参考，不应构成对本申请实施例的排他性的解读。结构示意图所呈现的各框图间的相对位置和包含关系，仅为示意性地表示各框图间的结构关联，而非限制本申请实施例的物理连接方式。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

说明书和权利要求书中使用的术语“包括”不应解释为限制于其后列出的内容；它不排除其它的元件或步骤。因此，其应当诠释为指定所提到的所述特征、整体、步骤或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或更多其它特征、整体、步骤或部件及其组群。因此，表述“包括装置A和B的设备”不应局限为仅由部件A和B组成的设备。

本说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意味着与该实施例结合描述的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在本说明书各处出现的用语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都指同一实施例，但可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，能够以任何适当的方式组合各特定特征、结构或特性，如从本公开对本领域的普通技术人员显而易见的那样。

下面结合附图对本申请实施例进行详细说明。

如图1所示为本申请实施例提供的一种双极化卫星天线标定系统的原理图，本申请实施例通过引入北斗、5G等定位与通信技术，对传统的远场测试系统进行优化，提出一种低成本、高精度并且操作简单的双极化卫星天线标定系统，同时适用于线极化天线及圆极化天线，解决了卫星天线的批量生产所遇到的效率及可靠性等方面的痛点。如图1，该双极化卫星天线标定系统包括测试平台、被测平台以及数据后台；

其中，测试平台作为双极化卫星天线标定过程中的信号发射端，起到模拟信标塔的作用，为解决场地法测试中对场地要求的限制，可采用可移动测试平台的方式，可随时移动到被测平台附近，以便于对各个地区的双极化卫星天线进行测试或标定。具体的，该测试平台包括工控电脑210、喇叭天线220、频谱分析仪230、信号发生器231、通信模块240、定位模块241；

该工控电脑210可以通过其外部接口分别连接通信模块240、定位模块241，该通信模块240可采用5G通信模块，以实现与公网的5G通信，该定位模块241可采用北斗定位模块，以实现对该测试平台上的喇叭天线220的精确定位，该外部接口可以为USB接口或Type-C接口等，该工控电脑210中可安装有VPN客户端，从而实现基于5G公网的VPN数据同步模式，该工控电脑210中还包括数据采集模块，用于通过总线连接频谱分析仪230和信号发生器231，用于控制该信号发生器231通过喇叭天线220发射测试所需的射频信号，同时控制该频谱分析仪230对喇叭天线发射的信号数据进行采集；

该信号发生器231通过射频线缆连接喇叭天线220，用于对信号发生器231生成的射频信号进行增益，以传输至被测平台的双极化卫星天线。同时，该信号发生器231还通过射频开关实现KA频段信号或KU频段信号的切换；

该喇叭天线220可以采用可更换的不同工作频段的定向增益天线，该喇叭天线220可通过可控制转轴和固定支架安装于摇摆台221上，该摇摆台221可以为六向摇摆台，该摇摆台221的控制可通过工控电脑210中配置的六向伺服控制器实现，从而实现对喇叭天线220进行x、y、z三轴六个方向的调节。

其中，被测平台作为双极化卫星天线标定过程中的信号接收端，可用于安装待测的双极化卫星天线，通过采集该双极化卫星天线接收的信号量，并将采集的数据发送至数据平台进行计算，可实现对该双极化卫星天线的交叉极化隔离度的测试。该被测平台包括工控电脑110、通信模块120、定位模块121、频谱分析仪130和待测的双极化卫星天线131；

该工控电脑110可以通过其外部接口分别连接通信模块120、定位模块121，该通信模块120可采用5G通信模块，以实现与公网的5G通信，该定位模块121可采用北斗定位模块，以实现对该被测平台上的双极化卫星天线131的精确定位，该外部接口可以为USB接口或Type-C接口等。该工控电脑110中可安装有VPN客户端，从而实现基于5G公网的VPN数据同步模式，该工控电脑110中还包括数据处理模块，用于通过总线连接频谱分析仪130，用于控制该频谱分析仪130对双极化卫星天线131的信号数据进行采集和处理。该工控电脑110中还配置有天线伺服控制器，可通过OpenAMIP通信协议实现对双极化卫星天线131的方向控制。

其中，数据后台300可用于对测试平台、被测平台通过5G公网的VPN数据进行采集、存储和处理，该数据后台300中也可安装有VPN客户端，并通过网线实现与公网的VPN数据交互。该数据后台300中还配置有sql数据库，用于存储对双极化卫星天线标定过程中的标定数据。同时该数据后台300还配置有用户UI界面，以便于修改测试频段，并进行标定过程中的监控，并根据采集和处理的数据生成报告，以便于随时查阅。

如图2所示为本申请实施例中的一种5G通信模块的示意图，该5G通信模块包括多个USB插槽01，可用于连接PCIE总线，多个sim卡槽02，用于插接手机sim卡，以使用通信运营商的提供的5G网络，除此之外，还包括多个外置天线03，每个外置天线03通过UFL接口04连接到该5G通信模块上。该5G通信模块支持5G备份功能，可在某家运营商网络不稳定的情况下自动切换至备份模块，还具备向下兼容4G网络的功能。

基于图1所示的双极化卫星天线标定系统，本申请实施例提供了一种双极化卫星天线的标定流程，如图3所示为该双极化卫星天线的标定流程的示意图，该标定流程包括：

S10：安装或更换标准增益天线；

根据待测的双极化卫星天线，在测试平台上安装或替换标准的喇叭天线，以匹配该待测的双极化卫星天线。

S20：确认测试平台位置；

本步骤中，测试平台的工控电脑通过北斗定位模块采集的定位数据，可确定该测试平台的位置，具体包括经度、维度、高度等位置信息和坐标信息。

S30：建立同步网络；

如图4所示，本步骤中，建立同步网络包括两部分：

首先是测试平台和被测平台分别通过5G通信模块接入公网后，通过VPN连接后台数据中心，从而通过无线通信在网络层面打通测试平台、被测平台和数据后台三部分，使其之间的数据交互成为可能；

其次在测试平台和被测平台分别调用不同设备的接口函数，整合包含测试仪器、摇摆台传感器等设备，使其在数据后台可交互。

S40：天线中心线定位；

本步骤的天线中心线定位为本申请实施例的重点部分，通过对测试平台的喇叭天线和被测平台的双极化卫星天线进行中心线定位后，可便于后续的测试和标定过程得到精确的数据，从而完成对双极化卫星天线的精确标定。如图5所示，该天线中心线定位过程包括：

S401：获取测试平台和被测平台的定位信息；

该定位信息包括精度long、纬度lat、高度h的三维坐标。

S402：根据测试平台和被测平台的定位信息，计算被测平台相对于测试平台的方位角和俯冲角；

如图6所示，假设测试平台为图6中的A点，被测平台为图6中的B点，则根据测试平台的坐标值A(x1,y1,z1)和被测平台B的坐标值(x2,y2,z2)即可计算被测平台B相对于测试平台A的距离S、方位角

和俯仰角θ，该计算过程包括：

计算AB之间的相对距离S为：

计算方位角

为：

计算俯仰角θ为：

S403：中心点对齐；

测试平台A根据上述计算得到的方位角

和俯仰角θ，控制六向摇摆台，调整喇叭天线的角度为方位角

和俯仰角θ，或者，被测平台B根据该方位角

和俯仰角θ，调整待测的双极化卫星天线的角度为方位角

和俯仰角θ，从而使得喇叭天线和双极化卫星天线的角度一致。

S404：校准误差；

由于喇叭天线和双极化卫星天线的角度均已调整为方位角

和俯仰角θ，因此理论上该两个天线的中心线应该是完全对齐的，然而由于定位误差和机械误差，两个天线的中心线通常会存在一定误差，因此可根据计算得到的误差对其中的一个天线进行调整，使两个天线的中心线对齐。本实施例可通过调整待测的双极化卫星天线的方位角和俯仰角，以校准误差，过程如下：

根据北斗系统的数据格式具体含义(spec)，从用户等效测距误差(UERE)来看，当UERE为1米时，北斗三号(BDS-3)系统的全球定位精度预计在1.3-2.7米，其中水平定位精度预计在0.7-1.5米，高程定位精度预计在1.1-2.4米，本实施例中，可以取高程最大误差为H1＝2.4米，水平最大误差为L1＝1.5米；

此时计算俯仰角误差θ1为：

计算方位角误差

为：

S405：通过误差扫描对齐中心点；

被测平台B根据计算得到的俯仰角误差θ1和方位角误差

确认扫描角度偏离，按照预设的步进值，进行误差扫描来对齐中心点。如图7所示为该误差扫描过程中的扫描轨迹的平面投影图，该误差扫描的扫描逻辑如下：

在平面投影中的圆心O相当于被测平台的双极化卫星天线，半径取

方位和俯仰电机同时工作，使待测的双极化卫星天线的中心点从A0开始，按照半径

绕圆心一周，轨迹如图圆C1；

通过频谱仪获得最大一周最大的信号点位值X0点；

此时通过计算，新的扫描圆心为：连接圆心O及信号最大点位X0的中心点，半径为

其扫描轨迹为C2；

获取C2的最大信号点位，连接C1圆心，中心点位为C3的圆心，半径为

以此类推，直至圆的半径小于待测天线的电机精度公差，停止扫描。

S606：获取整个扫描过程中频谱分析仪采集的频谱数据的最大值点位，调整双极化卫星天线的角度，完成中心点对齐。

S50：扫频数据采集；

完成上述中心点对齐后，测试平台的信号发生器可通过喇叭天线按照预设的频段及步进，发射射频信号；

被测平台的双极化卫星天线对喇叭天线发射的信号进行采集，并通过被测平台的频谱分析仪测试采集的信号强度，并上传至数据后台。

当完成本频段的所有测试点位后，测试平台通过六向摇摆台控制喇叭天线旋转90度，被测平台重新执行上述步骤S40的天线中心线定位过程，完成两个天线的中心线对齐。

然后由被测平台的信号发生器，按照预设频段及步进，重新测试并上传测试数据到数据后台。

S60：数据处理；

数据后台根据接收的测试数据，计算极化隔离度，并判断是否符合要求，如符合要求，则完成该双极化卫星天线的其中一个频段的标定，此时可重复步骤S10-S60进行另一个频段的标定；如不符合要求，则执行步骤S70。

由于该双极化卫星天线中的其中一个频段采用了线极化，另一个频段采用了圆极化，因此，对于线极化天线的极化隔离度的计算，可直接测量然后求差值即可获得该线极化天线的极化隔离度；对于圆极化天线的极化隔离度的计算，由于圆极化波可以通过在x，y方向的两项线极化分量来描述，我们也可以通过线极化的定向增益天线来测量其极化分量并通过公式推导，即可获得该圆极化天线的极化隔离度。

S70：极化隔离度标定；

若不符合要求，则需要对该双极化卫星天线进行标定，并重新执行步骤S50的测试和数据采集，直至符合要求。

需要说明的是，可根据标定次数判断该双极化卫星天线是否符合生产要求，例如，当超过10次标定失败后，则可以判断该产品不符合生产要求，作为不合格产品进行生产维修环节。

S80：标定完成；

完成双极化卫星天线的其中一个频段的标定后，可重复上述步骤S10-S70，以进行该双极化卫星天线的另一个频段的标定，直至完成该双极化卫星天线的标定。

综上，本申请实施例通过可移动测试平台的方式，解决了场地法测试中对场地要求的限制，可使得该标定过程适应各种地形情况。还通过引入北斗定位系统、5G通信系统等硬件模块，以及基于该硬件模块的圆锥扫描和VPN数据同步方法，来解决测试平台移动位置后需要重新初始化测试环境的问题，同时，基于北斗定位系统的圆锥扫描发，相比于传统的手动找最强信号的方法，圆锥扫描法具备速度更快、准确性更高的优势，并且北斗定位系统的精度更高、误差更小，保证圆锥扫描的效率和精度。

注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请的构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本申请的保护范畴。

Claims (9)

1.一种双极化卫星天线的标定方法，其特征在于，包括用于发射信号的发射天线和用于采集信号的双极化卫星天线，该方法包括：

获取发射天线和双极化卫星天线的位置信息，计算所述发射天线和双极化卫星天线的相对位置和相对角度；

根据所述相对角度调整所述发射天线或双极化卫星天线的角度；

根据所述相对位置和定位系统的误差，计算所述发射天线和双极化卫星天线的角度误差；

根据所述角度误差，通过误差扫描对齐所述发射天线和双极化卫星天线的中心线；

根据预设频段和步进对所述双极化卫星天线进行标定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述位置信息包括发射天线的三维坐标信息(x1,y1,z1)和双极化卫星天线的三维坐标信息(x2,y2,z2)，所述相对角度包括相对俯仰角θ和相对方位角

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述相对角度调整所述发射天线或双极化卫星天线的角度包括：

调整所述发射天线的角度为所述相对俯仰角θ和相对方位角

或者

调整所述双极化卫星天线的角度为所述相对俯仰角θ和相对方位角

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述定位系统的误差是根据用户等效测距误差确定的高程定位误差H1和水平定位误差L1。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述计算所述发射天线和双极化卫星天线的角度误差包括：

计算发射天线和双极化卫星天线的俯仰角误差θ1：

计算发射天线和双极化卫星天线的方位角误差

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通过误差扫描对齐所述发射天线和双极化卫星天线的中心线包括：

以双极化卫星天线的位置为第一圆心，以

为第一扫描半径，进行圆锥扫描，确定第一扫描轨迹中的第一最大信号值点位；

以所述第一圆心和所述第一最大信号值点位的中心点为第二圆心，以

为第二扫描半径，进行圆锥扫描，确定第二扫描轨迹中的第二最大信号值点位；

以所述第二圆心和所述第二最大信号值点位的中心点为第三圆心，以

为第三扫描半径，进行圆锥扫描，确定第三扫描轨迹中的第三最大信号值点位；

以此执行多次圆锥扫描，直至扫描半径小于双极化卫星天线的精度公差时，停止扫描。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：

获取所述圆锥扫描过程中最大信号值点位，调整所述双极化卫星天线的角度，以对齐所述发射天线和双极化卫星天线的中心线。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的方法，其特征在于，所述根据预设频段和步进对所述双极化卫星天线进行标定包括：

根据预设频段和步进，控制所述发射天线发射信号；

控制所述双极化卫星天线采集所述信号；

根据所述发射信号的信号值和所述采集信号的信号值，计算极化隔离度，以对所述双极化卫星天线的其中一个频段进行标定。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：

完成所述双极化卫星天线的其中一个频段的标定后，旋转所述发射天线的角度，并重新对齐所述发射天线和双极化卫星天线的中心线，执行对所述双极化卫星天线的另一频段的标定。

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