CN113765574A - 一种高通量卫星多频点同步寻星方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高通量卫星多频点同步寻星方法，载波信号包括射频频率、符号率、LNB的本振信息、极化方式，为了提高搜索效率，搜索过程按照对于极化方式、LNB本振的不同来分组，同一组内的不同载波同步搜索的方式来加快搜索进度，DVB模块获取的中频频率计算方法为：中频频率=射频载波频率‑LNB本振频率，因而每个DVB中频频率可以根据所选用的LNB本振来分组，将每一组的频率同时进行搜索。本发明通过改进DVB载波接收机，让DVB载波接收机可以同步接收两个或多个载波，并改进寻星算法，可以极大提高搜索效率，在卫星信号跟踪的过程中，通过多路载波数据拟合寻找最优点，提高了跟踪精度。

Description

一种高通量卫星多频点同步寻星方法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种高通量卫星多频点同步寻星方法。

背景技术

高通量卫星作为未来发展趋势，由于其采用点波束技术，实现在不同区域内的不同频点的波束覆盖，极大提高了卫星通信容量。目前采用高通量点波束技术的卫星，地面卫星通信终端会根据GPS/BD等获取当前的地理位置信息，由天线控制器提供给卫星调制解调器，卫星调制解调器会根据当前的地理位置信息，从数据库中读取到目前DVB载波信息，并发送给天线控制器，天线控制器会根据此载波来进行卫星搜寻。但是这种通过卫星调制解调器根据地理位置信息判断当前所用波束的方式，存在经常有地点处于两个甚至三个波束的重合点，卫星调制解调器会发送多个DVB载波信息，而天线控制器会根据此载波信息，调整天线的方位、俯仰角度进行目标卫星搜索，其可能存在没有尚未在正确的方位、俯仰的姿态角度情况下，卫星调制解调器重新发送新的载波信号，或者载波信号有错误，会导致搜索过程很长，甚至不能正确搜索到卫星，导致地面卫星天线搜索效率低下、不能正确搜索至最高信号强度等问题，或者是利用不同的DVB信号重复搜星过程的办法，由于受到方位、俯仰角度误差带来的偏差可能会过大，会导致搜星时间过长，客户难以接受。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种高通量卫星多频点同步寻星方法，通过改进DVB载波接收机，让DVB载波接收机可以同步接收两个或多个载波，并改进寻星算法，可以极大提高搜索效率，在卫星信号跟踪的过程中，多路载波通过数据拟合寻找最优点，提高跟踪精度。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种高通量卫星多频点同步寻星方法，该方法包括以下步骤：

步骤1）系统上电后，首先读取上次成功搜索卫星的DVB载波信号；

步骤2）设备展开后，天线控制器通过GPS/BD传感器获取新的地理位置信息，根据当前地理位置信息以及目标载体地理位置信息对星计算方位角度、俯仰角度和极化角度，配置极化方式和LNB本振信息，并将上次的DVB载波信号中的射频载波频率和符号率写入DVB载波接收机，天线旋转到目标俯仰、方位、极化角度，开始搜索卫星；

同步的，天线控制器将新的地理位置信息通过相应协议发送给卫星调制解调器，卫星调制解调器获取到地理位置信息之后，会根据当前数据库信息，计算可能的载波信号，并下发给天线控制器，天线控制器判断发送来的载波信号是否为新的载波信号，若否，则卫星调制解调器继续计算可能的载波信号，若是，则继续判断是否相同本振，若是，天线控制器根据新载波信号，配置DVB载波接收机其他通道，若否，则对于不同组别的信息，根据LNB本振和极化方式分组，存入其他组内；

同步的，天线控制器根据当前地理位置信息以及数据库中卫星波束中给定的经纬度信息，计算距离最近的最可能的点波束，并下载此波束的载波对星参数，天线控制器判断发送来的载波信号是否为新的载波信号，若否，则卫星调制解调器继续计算可能的载波信号，若是，则继续判断是否相同本振，若是，天线控制器根据新载波信号，配置DVB载波接收机其他通道，若否，则对于不同组别的信息，根据LNB本振和极化方式分组，存入其他组内；

步骤3）判断DVB载波接收机的各通道中的最大信号强度是否大于0，若是，则说明搜索到卫星信号，进入下一步骤，若否，则说明未搜索到卫星信号，修改目标方位和俯仰角度，并根据指令是否结束搜索，若是，则重新配置极化方式和LNB本振信息，并读取相应组内的之前搜集到的多路载波数据，配置给DVB载波接收机，进行卫星搜索，直至结束，若否，则继续将天线旋转到目标俯仰、方位、极化角度，搜索卫星；

步骤4）当搜索到卫星信号之后，选择最大信号强度的DVB载波信号，天线根据该DVB载波信号进行方位精对准和俯仰精对准；

步骤5）结束。

进一步的，所述步骤2）中，对于卫星调制解调器发送的频率，按照LNB本振频率来分组，当处于当前组时，配置剩下的DVB解调通道，并继续搜索目标卫星，当处于不同组时，保存在相应的数组中，准备下次搜索使用。

进一步的，所述步骤2）中，计算方位角度、俯仰角度和极化角度的方法为：

方位角：

，

俯仰角为：

，

极化角：

，

其中，

为星下点与地球站之间的经度差，

是地球站纬度信息。

进一步的，所述天线控制器控制天线指向目标的方位角度、俯仰角度和极化角度，天线控制器根据目前的地磁传感器、加速度传感器获取到天线的方位角度以及姿态角度，由于姿态角度偏差，会在目标角度附近进行画框搜索，直至搜索结束，改变LNB本振频率继续搜索。

进一步的，针对相控阵天线，同时将天线波束指向两个或多个不同的指向，在保证单独波束能量足够的前提下，将其切分成多个波束，由多个波束得到的能量同步进行搜索，如果收到信号再逐步确认精确波束，对于波束能量的划分，参考天线的波束与等效口径存在一定的关系，按照一般圆形口径天线，半功率差波束带宽

采用下式估算：

，其中，

为工作波长，D是天线口面直径，k是与天线口径面上的场分布有关的常数。

进一步的，所述步骤4）中，天线的方位精对准和俯仰精对准包括以下步骤：

步骤4.1）天线向左运动直至无接收信号位置；

步骤4.2）天线向右低速转动至无信号位置；

步骤4.3）利用最小二乘法计算最优角度；

步骤4.4）天线向左旋转至初始无信号位置；

步骤4.5）天线向右旋转至最优角度；

步骤4.6）天线向上运动直至无接收信号位置；

步骤4.7）天线向下低速转动至无信号位置；

步骤4.8）利用最小二乘法计算最优角度；

步骤4.9）天线向上旋转至初始无信号位置；

步骤4.10）天线向下旋转至最优角度。

进一步的，天线的增益与角度的关系在方向图定点附近近似表示为：

，在通常测量时，包括DVB载波接收机计算输出，对其功率取对数的关系，以输出信噪比：

，其中，

为固定系数；

在信号最大值附近通过最小二乘法，将信号强度看成是二阶线性函数，以实现拟合，由于其在空间的分布，通过方位、俯仰两轴的拟合，得到信号最优点；

若存在两路或多路信号，则对多路信号同时采集：

对于第i个点，第k路数据有：

，写成矩阵形式：

，其中：

，

，

，其中有n组测试点，通过最小二乘法，可以得到对于系数矩阵的估计：

。

本发明的有益效果是:

本发明通过改进DVB载波接收机，让DVB载波接收机可以同步接收两个或多个载波，并改进寻星算法，可以极大提高搜索效率，在卫星信号跟踪的过程中，通过多路载波数据拟合寻找最优点，提高了跟踪精度。

附图说明

图1为本发明的寻星流程图；

图2为本发明的精对准过程图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

如图1所示，一种高通量卫星多频点同步寻星方法，完整的载波信号包括射频频率、符号率、LNB的本振信息、极化方式，为了提高搜索效率，搜索过程按照对于极化方式、LNB本振的不同来分组，同一组内的不同载波同步搜索的方式来加快搜索进度，DVB模块获取的中频频率计算方法为：中频频率=射频载波频率-LNB本振频率，因而每个DVB中频频率可以根据所选用的LNB本振来分组，将每一组的频率同时进行搜索，具体搜索方法包括以下步骤：

步骤1）系统上电后，首先读取上次成功搜索卫星的DVB载波信号；

步骤2）设备展开后，天线控制器通过GPS/BD传感器获取新的地理位置信息，根据当前地理位置信息以及目标载体地理位置信息对星计算方位角度、俯仰角度和极化角度，配置极化方式和LNB本振信息，并将上次的DVB载波信号中的射频载波频率和符号率写入DVB载波接收机，天线旋转到目标俯仰、方位、极化角度，开始搜索卫星；

同步的，天线控制器将新的地理位置信息通过相应协议发送给卫星调制解调器，卫星调制解调器获取到地理位置信息之后，会根据当前数据库信息，计算可能的载波信号，并下发给天线控制器，天线控制器判断发送来的载波信号是否为新的载波信号，若否，则卫星调制解调器继续计算可能的载波信号，若是，则继续判断是否相同本振，若是，天线控制器根据新载波信号，配置DVB载波接收机其他通道，若否，则对于不同组别的信息，根据LNB本振和极化方式分组，存入其他组内；

同步的，天线控制器根据当前地理位置信息以及数据库中卫星波束中给定的经纬度信息，计算距离最近的最可能的点波束，并下载此波束的载波对星参数，天线控制器判断发送来的载波信号是否为新的载波信号，若否，则卫星调制解调器继续计算可能的载波信号，若是，则继续判断是否相同本振，若是，天线控制器根据新载波信号，配置DVB载波接收机其他通道，若否，则对于不同组别的信息，根据LNB本振和极化方式分组，存入其他组内；

步骤3）判断DVB载波接收机的各通道中的最大信号强度是否大于0，若是，则说明搜索到卫星信号，进入下一步骤，若否，则说明未搜索到卫星信号，修改目标方位和俯仰角度，并根据指令是否结束搜索，若是，则重新配置极化方式和LNB本振信息，并读取相应组内的之前搜集到的多路载波数据，配置给DVB载波接收机，进行卫星搜索，直至结束，若否，则继续将天线旋转到目标俯仰、方位、极化角度，搜索卫星；

步骤4）当搜索到卫星信号之后，选择最大信号强度的DVB载波信号，天线根据该DVB载波信号进行方位精对准和俯仰精对准；

步骤5）结束。

所述步骤2）中，对于卫星调制解调器发送的频率，按照LNB本振频率来分组，当处于当前组时，配置剩下的DVB解调通道，并继续搜索目标卫星，当处于不同组时，保存在相应的数组中，准备下次搜索使用。

在本实施例中，相应的，卫星搜索方式除了DVB载波信号，也可根据信标信号、检波信号或者其他类型的信号进行搜索，也可以与此方法中的DVB载波信号联合同步搜索。

目前采用的DVB解调器支持DVB-S2、DVB-S2X或DVB-S2Annex-M标准，通过内部的调制解调器可实现8路窄带(150Mbps)或两路宽带(600Mbps)，并且后续可以升级支持更多的并行计算处理。

所述步骤2）中，计算方位角度、俯仰角度和极化角度的方法为：

方位角：

，

俯仰角为：

，

极化角：

，

其中，

为星下点与地球站之间的经度差，

是地球站纬度信息。

所述天线控制器控制天线指向目标的方位角度、俯仰角度和极化角度，天线控制器根据目前的地磁传感器、加速度传感器获取到天线的方位角度以及姿态角度，由于姿态角度偏差，会在目标角度附近进行画框搜索，直至搜索结束，改变LNB本振频率继续搜索。

针对相控阵天线，相控阵天线有多个天线单元按照一定顺序排列组成，每一个天线单元带有可控移项器和衰减器，天线整体的辐射函数由多个单独的天线单元辐射叠加而成，因而，其可以同时将天线波束指向两个或多个不同的指向，为了提高天线搜索效率，在保证单独波束能量足够的前提下，将其切分成多个波束，比如不同的俯仰角度，而方位角度一致等等，由于天线的波束与等效口径存在一定的关系，按照一般圆形口径天线，半功率差波束带宽

采用下式估算：

，其中，

为工作波长，D是天线口面直径，k是与天线口径面上的场分布有关的常数，根据上式可以得知，其能量越弱，等效口径越小，波束角度宽度越大，因而可以根据天线口径做一定的选择波束成形的角度偏差以及数量。

如图2所示，所述步骤4）中，天线的方位精对准和俯仰精对准包括以下步骤：

步骤4.1）天线向左运动直至无接收信号位置；

步骤4.2）天线向右低速转动至无信号位置；

步骤4.3）利用最小二乘法计算最优角度；

步骤4.4）天线向左旋转至初始无信号位置；

步骤4.5）天线向右旋转至最优角度；

步骤4.6）天线向上运动直至无接收信号位置；

步骤4.7）天线向下低速转动至无信号位置；

步骤4.8）利用最小二乘法计算最优角度；

步骤4.9）天线向上旋转至初始无信号位置；

步骤4.10）天线向下旋转至最优角度。

天线的增益与角度的关系在方向图定点附近近似表示为：

，在通常测量时，包括DVB载波接收机计算输出，对其功率取对数的关系，以输出信噪比：

，其中，

为固定系数；

在信号最大值附近通过最小二乘法，将信号强度看成是二阶线性函数，以实现拟合，由于其在空间的分布，通过方位、俯仰两轴的拟合，得到信号最优点；

若存在两路或多路信号，则对多路信号同时采集：

对于第i个点，第k路数据有：

，写成矩阵形式：

，其中：

，

，

，其中有n组测试点，通过最小二乘法，可以得到对于系数矩阵的估计：

。

在工程实践中，由于机械结构的空回，以及信号采集的延迟带来的误差，从左到右旋转与从右到左旋转得到的数据不一致，为弥补信号采集带来的误差，在运动到极值的过程中，采取从同样方向运动过去的方式。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高通量卫星多频点同步寻星方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1）系统上电后，首先读取上次成功搜索卫星的DVB载波信号；

步骤2）设备展开后，天线控制器通过GPS/BD传感器获取新的地理位置信息，根据当前地理位置信息以及目标载体地理位置信息对星计算方位角度、俯仰角度和极化角度，配置极化方式和LNB本振信息，并将上次的DVB载波信号中的射频载波频率和符号率写入DVB载波接收机，天线旋转到目标俯仰、方位、极化角度，开始搜索卫星；

同步的，天线控制器将新的地理位置信息通过相应协议发送给卫星调制解调器，卫星调制解调器获取到地理位置信息之后，会根据当前数据库信息，计算可能的载波信号，并下发给天线控制器，天线控制器判断发送来的载波信号是否为新的载波信号，若否，则卫星调制解调器继续计算可能的载波信号，若是，则继续判断是否相同本振，若是，天线控制器根据新载波信号，配置DVB载波接收机其他通道，若否，则对于不同组别的信息，根据LNB本振和极化方式分组，存入其他组内；

同步的，天线控制器根据当前地理位置信息以及数据库中卫星波束中给定的经纬度信息，计算距离最近的最可能的点波束，并下载此波束的载波对星参数，天线控制器判断发送来的载波信号是否为新的载波信号，若否，则卫星调制解调器继续计算可能的载波信号，若是，则继续判断是否相同本振，若是，天线控制器根据新载波信号，配置DVB载波接收机其他通道，若否，则对于不同组别的信息，根据LNB本振和极化方式分组，存入其他组内；

步骤3）判断DVB载波接收机的各通道中的最大信号强度是否大于0，若是，则说明搜索到卫星信号，进入下一步骤，若否，则说明未搜索到卫星信号，修改目标方位和俯仰角度，并根据指令是否结束搜索，若是，则重新配置极化方式和LNB本振信息，并读取相应组内的之前搜集到的多路载波数据，配置给DVB载波接收机，进行卫星搜索，直至结束，若否，则继续将天线旋转到目标俯仰、方位、极化角度，搜索卫星；

步骤4）当搜索到卫星信号之后，选择最大信号强度的DVB载波信号，天线根据该DVB载波信号进行方位精对准和俯仰精对准；

步骤5）结束。

2.根据权利要求1所述的高通量卫星多频点同步寻星方法，其特征在于，所述步骤2）中，对于卫星调制解调器发送的频率，按照LNB本振频率来分组，当处于当前组时，配置剩下的DVB解调通道，并继续搜索目标卫星，当处于不同组时，保存在相应的数组中，准备下次搜索使用。

3.根据权利要求1所述的高通量卫星多频点同步寻星方法，其特征在于，所述步骤2）中，计算方位角度、俯仰角度和极化角度的方法为：

方位角：

，

俯仰角为：

，

极化角：

，

其中，

为星下点与地球站之间的经度差，

是地球站纬度信息。

4.根据权利要求3所述的高通量卫星多频点同步寻星方法，其特征在于，所述天线控制器控制天线指向目标的方位角度、俯仰角度和极化角度，天线控制器根据目前的地磁传感器、加速度传感器获取到天线的方位角度以及姿态角度，由于姿态角度偏差，会在目标角度附近进行画框搜索，直至搜索结束，改变LNB本振频率继续搜索。

5.根据权利要求4所述的高通量卫星多频点同步寻星方法，其特征在于，针对相控阵天线，同时将天线波束指向两个或多个不同的指向，在保证单独波束能量足够的前提下，将其切分成多个波束，由多个波束得到的能量同步进行搜索，如果收到信号再逐步确认精确波束，对于波束能量的划分，参考天线的波束与等效口径存在一定的关系，按照一般圆形口径天线，半功率差波束带宽

采用下式估算：

，其中，

为工作波长，D是天线口面直径，k是与天线口径面上的场分布有关的常数。

6.根据权利要求3所述的高通量卫星多频点同步寻星方法，其特征在于，所述步骤4）中，天线的方位精对准和俯仰精对准包括以下步骤：

步骤4.1）天线向左运动直至无接收信号位置；

步骤4.2）天线向右低速转动至无信号位置；

步骤4.3）利用最小二乘法计算最优角度；

步骤4.4）天线向左旋转至初始无信号位置；

步骤4.5）天线向右旋转至最优角度；

步骤4.6）天线向上运动直至无接收信号位置；

步骤4.7）天线向下低速转动至无信号位置；

步骤4.8）利用最小二乘法计算最优角度；

步骤4.9）天线向上旋转至初始无信号位置；

步骤4.10）天线向下旋转至最优角度。

7.根据权利要求6所述的高通量卫星多频点同步寻星方法，其特征在于，天线的增益与角度的关系在方向图定点附近近似表示为：

，在通常测量时，包括DVB载波接收机计算输出，对其功率取对数的关系，以输出信噪比：

，其中，

为固定系数；

在信号最大值附近通过最小二乘法，将信号强度看成是二阶线性函数，以实现拟合，由于其在空间的分布，通过方位、俯仰两轴的拟合，得到信号最优点；

若存在两路或多路信号，则对多路信号同时采集：

对于第i个点，第k路数据有：

，写成矩阵形式：

，其中：

，

，

，其中有n组测试点，通过最小二乘法，可以得到对于系数矩阵的估计：

。

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