CN115175204B - 一种基于大型可旋转阵面的多星对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大型可旋转阵面的多星对准方法。该方法对于可绕三轴旋转的天线阵面，通过多星群星历以及天线阵位置，经坐标轴旋转统一到同一站心坐标系后，计算星群中心相对阵面的大地角度后，通过阵面伺服旋转至阵面法线对准星群中心；然后，计算各星位置相对于旋转后的阵面坐标系的两维角度，后依据俯仰角与方位角最大扩展值，近似求解曲线俯仰角，并绕法线旋转阵面，从而达到阵面波束同时对准多星的效果。该方法可解决大型阵面波束宽度较窄难以同时对准多颗卫星的问题，使大型阵面波束可同时对准多星区域。

Description

一种基于大型可旋转阵面的多星对准方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种大型可旋转阵面的多星对准方法，可以用于大型固定或可移动阵面同时接收/发射多星信号。

背景技术

阵面波束对准卫星是地面固定或可移动接收站接收卫星下行信号的关键步骤。通过所需接收卫星的位置，计算该卫星相对阵面的角度，机械转动阵面方位角和俯仰角，使得阵面法线对准卫星，当接收阵面功率足够，则可接收到卫星下发信号。但是，当需要同时接收相距较远的多颗卫星的信号，由于多颗卫星相对于接收站扩张开的俯仰角较大，而为了大功率接收信号，往往阵列波束极窄，波束无法同时覆盖多颗卫星区域。此时需要根据多星扩展角度及波束范围，适当旋转阵面三轴角度，使得阵面能够同时接收多颗卫星信号。但是，现有技术中尚没有这样的技术。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种大型可旋转阵面的多星对准方法。该方法易于实现，适用范围广泛，可达到阵面波束同时对准多星的效果。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于大型可旋转阵面的多星对准方法，包括如下步骤：

步骤1，设置所需同时对准的卫星个数N，这N颗卫星在WGS-84坐标系中的星历分别为(J_i,W_i,H_i)，i＝1～N，接收阵面位置为(J,W,H)；

步骤2，将接收阵面以及N颗卫星在WGS-84坐标系中的位置分别转换到地心地固坐标系ECEF中，分别表示为(x^ECEF,y^ECEF,z^ECEF)和转换公式为：

其中，B、L、H分别对应WGS-84坐标系中同一位置的经度、纬度、高度，ρ是当地卯酉圈曲率半径，e²＝0.00669437999013是第一偏心率平方，即

其中，α＝6378137m±2m是椭球长半轴；

步骤3，根据接收阵面在WGS-84坐标系中的位置(J,W,H)，得到从ECEF坐标系到以接收阵面为原点的ENU坐标系的转换矩阵R_o：

步骤4，将N颗卫星在ECEF坐标系中的位置通过转换矩阵R_o转换到ENU坐标系中，得到N个位置(x_i,y_i,z_i)，转换公式：

步骤5，在ENU坐标系中，计算N颗卫星的中心位置(x₀,y₀,z₀)：

计算(x₀,y₀,z₀)相对于ENU坐标系原点的方位角和俯仰角同时计算N颗卫星分别相对于ENU坐标系原点的方位角和俯仰角/>

步骤6，将传递给阵面伺服，调整接收阵面的俯仰角，使得接收阵面的法线对准N颗卫星的中心位置；

步骤7，完成接收阵面法线对准N颗卫星中心位置后，计算此时N颗卫星相对于接收阵面的方位角和俯仰角计算公式如下：

θ′_i＝θ_i-θ_o

步骤8，根据方位角和俯仰角的最大范围，计算角度曲线斜率的近似值：

步骤9，控制接收阵面围绕法线旋转角度ω，完成阵面同时对准N颗卫星。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明方法实现简便。

2、本发明方法适用于任何地面、空中、固定、移动载荷平台。

3、本发明方法适用于任意固定、移动的地面、空中接收阵面的多星同时对准任务。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为接收阵面与接收多星的相对位置关系示意图。

图3、图4为初始状态下N颗卫星相对于接收阵面的方位角和俯仰角曲线图。

图5、图6为完成伺服机械旋转使阵面法线对准N颗卫星的中心后的方位角和俯仰角曲线图。

图7为完成阵面倾斜前后的俯仰角对比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

一种基于大型可旋转阵面的多星对准方法，该方法通过多星群星历以及天线阵位置，经坐标轴旋转统一到同一站心坐标系后，计算星群中心相对阵面的大地角度后，通过阵面伺服旋转至阵面法线对准星群中心。然后，计算各星位置相对于旋转后的阵面坐标系的两维角度，后依据俯仰角与方位角最大扩展值，近似求解曲线俯仰角，并绕法线旋转阵面，从而达到阵面波束同时对准多星的效果，如图2所示。

参照图1，该方法的具体实施步骤如下：

步骤1，设接收阵面位置在WGS-84坐标系中为(J,W,H)，所需同时对准的卫星个数为N，N颗卫星在WGS-84坐标系中的星历分别为(J_i,W_i,H_i)，其中i＝1～N。

步骤2，坐标系转换，将接收阵面以及N颗卫星在WGS-84坐标系中的位置分别转换到地心地固坐标系ECEF中，分别表示为(x^ECEF,y^ECEF,z^ECEF)和转换公式为：

其中，B、L、H分别对应WGS-84坐标系中同一位置的经度、纬度、高度，ρ是当地卯酉圈曲率半径，e²＝0.00669437999013是第一偏心率平方，即

其中，α＝6378137m±2m是椭球长半轴。

步骤3，根据接收阵面在WGS-84坐标系中的位置(J,W,H)，得到从ECEF坐标系到以接收阵面为原点的ENU坐标系的转换矩阵R_o：

此时接收阵面在ENU中为坐标原点(0,0,0)。

步骤4，将N颗卫星在ECEF坐标系中的位置通过坐标转换矩阵转换到ENU坐标系中，得到N个位置(x_i,y_i,z_i)，转换公式：

步骤5，在ENU坐标系中，计算N颗卫星的中心位置(x₀,y₀,z₀)：

计算(x₀,y₀,z₀)相对于ENU坐标系坐标原点的方位角和俯仰角同时计算N颗卫星分别相对于坐标原点的方位角和俯仰角/>计算公式如下：

其中，i＝0～N。

步骤6，将传递给阵面伺服，通过旋转阵面俯仰角，使得阵面法线对准N颗卫星的中心位置。

步骤7，伺服完成阵面法线对准N颗卫星中心位置后，计算此时N颗卫星相对于阵面的方位角和俯仰角计算公式如下：

θ_i'＝θ_i-θ_o

其中，i＝1～N。

步骤8，根据方位角和俯仰角的最大范围，近似计算角度曲线斜率：

步骤9，阵面围绕法线旋转角度ω，完成阵面同时对准N颗卫星。

本发明的效果可以通过下述仿真实验加以说明：

1.实验环境与条件

设置所需同时对准的卫星个数N＝9，在WGS-84坐标系中其星历分别为(J_i,W_i,H_i)＝(90,38_i,800e3)+(2,0,0)*i，接收阵面位置为(J,W,H)＝(114,38,0)。

2.实验内容与结果

图3、图4为初始状态下N颗卫星相对于接收阵面的方位角和俯仰角曲线其角度扩张范围较大。

图5、图6为完成伺服机械旋转使阵面法线对准N颗卫星的中心后的方位角和俯仰角曲线，从结果可知，其角度数值变小，但扩张范围依旧为改变。

图7为完成阵面倾斜前后的俯仰角对比曲线，可知完成阵面俯仰角旋转后，扩张角度由4°缩小为2°，此时可以在小波束范围内完成波束覆盖。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于大型可旋转阵面的多星对准方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，设置所需同时对准的卫星个数N，这N颗卫星在WGS-84坐标系中的星历分别为(J_i,W_i,H_i)，i＝1～N，接收阵面位置为(J,W,H)；

步骤2，将接收阵面以及N颗卫星在WGS-84坐标系中的位置分别转换到地心地固坐标系ECEF中，分别表示为(x^ECEF,y^ECEF,z^ECEF)和转换公式为：

其中，B、L、H分别对应WGS-84坐标系中同一位置的经度、纬度、高度，ρ是当地卯酉圈曲率半径，e²＝0.00669437999013是第一偏心率平方，即

其中，α＝6378137m±2m是椭球长半轴；

步骤3，根据接收阵面在WGS-84坐标系中的位置(J,W,H)，得到从ECEF坐标系到以接收阵面为原点的ENU坐标系的转换矩阵R_o：

步骤4，将N颗卫星在ECEF坐标系中的位置通过转换矩阵R_o转换到ENU坐标系中，得到N个位置(x_i,y_i,z_i)，转换公式：

步骤5，在ENU坐标系中，计算N颗卫星的中心位置(x₀,y₀,z₀)：

计算(x₀,y₀,z₀)相对于ENU坐标系原点的方位角和俯仰角同时计算N颗卫星分别相对于ENU坐标系原点的方位角和俯仰角/>

步骤6，将传递给阵面伺服，调整接收阵面的俯仰角，使得接收阵面的法线对准N颗卫星的中心位置；

步骤7，完成接收阵面法线对准N颗卫星中心位置后，计算此时N颗卫星相对于接收阵面的方位角和俯仰角计算公式如下：

θ′_i＝θ_i-θ_o

步骤8，根据方位角和俯仰角的最大范围，计算角度曲线斜率的近似值：

步骤9，控制接收阵面围绕法线旋转角度ω，完成阵面同时对准N颗卫星。