CN115242296B - 一种位置传感器辅助的卫星通讯终端 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种位置传感器辅助的卫星通讯终端，包括相控阵天线、天线调整杆、夹紧块、天线仰角调整机构、转动框、第一天线方位角调整机构、第一锥齿轮、第二天线方位角调整机构、第二锥齿轮、T型连杆、底座、第三锥齿轮、电源数据线，相控阵天线上设置有天线仰角传感器，转动框上设置有天线方位角传感器，本发明借助位置传感器获取卫星通讯终端的位置信息，根据卫星星轨，卫星通讯终端自动调整天线方位角与天线仰角，对准通讯卫星，缩短了卫星对准时间，减小了卫星通讯终端的相控阵天线角度扫描范围，降低了卫星通讯终端相控阵天线的设计难度，体积小、重量轻、易于小型化。

Description

一种位置传感器辅助的卫星通讯终端
技术领域
本发明涉及卫星通讯领域，具体为一种位置传感器辅助的卫星通讯终端。
背景技术
轨道高度低于2000千米的低轨道卫星通讯技术近年来发展迅速，与地球同步静止轨道或其它中高轨道卫星通信相比，低轨道卫星通信具有低时延、信号衰减小且部署成本低的优点，自上世纪九十年代摩托罗拉公司铱星系统落地运行以来，低轨卫星通信技术取得很大发展，卫星发射及卫星制造成本不断降低，提供了一种方便森林、沙漠、海洋、高山、偏远地区用户接入互联网的有效方式，卫星互联网技术正逐步成熟，在5G/6G通讯系统中发挥重要作用。
卫星绕地球飞行的轨道越低则飞行速度越快，在300-1000千米的低轨卫星轨道上，卫星飞行速度将达到7.3～7.7千米/秒，一颗通讯卫星与地面卫星通讯终端连接通讯的时间通常只有几分钟，在更短时间内迅速准确地对准卫星通讯，为卫星通讯提供大的收发天线增益，成为一个必须解决的问题。现有的卫星通讯系统中，一种方式是卫星通讯终端使用VSAT抛物面天线，虽然天线增益高，但是终端体积与重量都较大，调整对准通讯卫星需要依赖下行同步信号捕获及天线角度机械转动，速度慢且天线设备容易磨损，不适合低轨卫星互联网通讯；一些卫星通讯终端中使用了相控阵天线技术，通过对天线阵元的接收信号做幅度与相位的加权调整，形成对准卫星的指向性天线波束，与常规VSAT天线通信使用机械调整角度对准卫星相比，具有响应速度快、不磨损天线设备的优点，但是高性能的相控阵天线对射频、中频及数字波束赋形技术要求高，如果对方位角及仰角都实现大角度范围内的指向性波束对准，则设计难度较大，成本高且不容易保证性能。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种位置传感器辅助的卫星通讯终端，以解决背景技术中提出的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种位置传感器辅助的卫星通讯终端，包括相控阵天线、天线仰角传感器、天线调整杆、夹紧块、天线仰角调整机构、转动框、天线方位角传感器、第一天线方位角调整机构、第一锥齿轮、第二天线方位角调整机构、第二锥齿轮、T型连杆、底座、第三锥齿轮、数据电源线；
所述相控阵天线上设置有天线仰角传感器，相控阵天线向下平面上设置有天线调整杆；
所述转动框上部位置设置有天线仰角调整机构，相控阵天线通过天线调整杆与夹紧块连接，所述夹紧块与天线仰角调整机构连接；
所述转动框框架上设置有天线方位角传感器；
所述转动框下部对称设置第一天线方位角调整机构和第二天线方位角调整机构，第一天线方位角调整机构与第一锥齿轮连接，第二天线方位角调整机构与第二锥齿轮连接；
第一锥齿轮与第二锥齿轮通过轴承分别与T型连杆的上部两端连接；T型连杆的下端通过轴承与底座连接；
底座的上部设置有第三锥齿轮，第三锥齿轮与所述的第一锥齿轮及第二锥齿轮啮合；
所述相控阵天线通过金属导线分别与天线仰角调整机构、第一天线方位角调整机构、第二天线方位角调整机构、天线仰角传感器、天线方位角传感器连接；
所述相控阵天线为盒体结构，其内部自上而下依次设置有天线阵元电路板、前端功率放大电路板、波束赋形电路板、信息处理及控制电路板；
所述天线阵元电路板与前端功率放大电路板通过金属导线连接；
所述前端功率放大电路板与波束赋形电路板通过金属导线连接；
所述波束赋形电路板与信息处理及控制电路板通过金属导线连接；
所述的信息处理及控制电路板上设置有数据电源线，与外部电源及数据设备连接；
优选地，所述天线仰角调整机构包括电机与减速器；
所述的电机通过转动轴及法兰与减速器连接；
所述的夹紧块中央位置处设置有一个夹紧孔；
所述的减速器通过转动轴与夹紧块连接，所述的天线调整杆末端向下穿过夹紧孔。
优选地，所述数据电源线为POE以太网供电线。
优选地，所述信息处理及控制电路板设置有GPS通讯电路。
优选地，所述数据电源线另一端与WiFi设备连接。
优选地，所述第一天线方位角调整机构包括电机与减速器。
优选地，所述第二天线方位角调整机构包括电机与减速器。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供了一种位置传感器辅助的卫星通讯终端，借助地面位置传感器获取卫星通讯终端天线的方位角与仰角信息，利用角度调整系统转动电机，调整相控阵天线方位角与仰角，对准通讯卫星，在完成与卫星同步通讯后，在此角度附近较小角度范围内，再利用相控阵天线调整完成卫星通讯终端与通讯卫星的天线方向角度对准，从而为卫星通讯提供良好的收发天线增益；与常规的VSAT或相控阵卫星通讯终端相比，本发明既有相控阵天线通讯体积小，调整对准快且不磨损设备的优点，又通过缩小相控阵天线调整对准角度范围，降低了相控阵天线的设计难度与实现复杂度，稳定了系统性能。
(2)本发明能借助预先判断卫星星轨位置，通过电机调整卫星通讯终端的天线方向角对准待通讯卫星，不需要通过大角度范围盲检测的方法来搜索卫星，减小了常规同步通讯方法中通讯信号盲监测误判的概率。
(3)本发明装置重量轻、体积小，易于设备小型化且方便布署。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为低轨卫星通信示意图；
图2为位置传感器辅助的卫星通讯终端的斜视图；
图3为相控阵天线内部构成示意图；
图4为天线仰角调整机构及夹紧块的结构示意图；
图5为TLE格式卫星星轨的参数表；
图6为地球球面坐标系中卫星轨迹示意图；
图7为卫星绕地球飞行轨迹上的角度示意图；
图8为地面卫星通讯终端到卫星天线的方位角示意图；
图9为地面卫星通讯终端到卫星天线的仰角示意图；
图10为地面卫星通讯终端在C点连接WiFi设备后的使用场景示意图。
附图标记说明：
100-相控阵天线、101-天线阵元电路板、102-前端功率放大电路板、103-波束赋形电路板、104-信息处理及控制电路板、110-天线仰角传感器、120-天线调整杆、130-夹紧块、131-夹紧孔、140-天线仰角调整机构、141-仰角调整电机、142-仰角调整电机减速器、200-转动框、210-天线方位角传感器、220-第一天线方位角调整机构、230-第一锥齿轮、240-第二天线方位角调整机构、250-第二锥齿轮、300-T型连杆、400-底座、410-第三锥齿轮、420-数据电源线、510-卫星轨道倾角、520-卫星轨道升交点赤经、530-卫星轨道偏心率、540-卫星的近地点幅角、550-卫星的平近点角、560-卫星每天环绕地球飞行圈数、600-地球球面坐标系X轴(春分点方向)、610-地球赤道、620-卫星轨道的升交点、630-卫星、700-地球质心、710-卫星绕地球飞行的椭圆轨道、800-卫星通讯终端、900-WiFi路由器、910-WiFi无线接入点、920-手机、920-笔记本电脑。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图2～图4所示，本发明提供了一种位置传感器辅助的卫星通讯终端800，包括相控阵天线100、天线仰角传感器110、天线调整杆120、夹紧块130、天线仰角调整机构140、转动框200、天线方位角传感器210、第一天线方位角调整机构220、第一锥齿轮230、第二天线方位角调整机构240、第二锥齿轮250、T型连杆300、底座400、第三锥齿轮410、数据电源线420；
所述相控阵天线100上设置有天线仰角传感器110，相控阵天线100向下平面上设置有天线调整杆120；
所述转动框200上部位置设置有天线仰角调整机构140，相控阵天线100通过天线调整杆120与夹紧块130连接，所述夹紧块120与天线仰角调整机构140连接；
所述转动框200框架上设置有天线方位角传感器210；
所述转动框200下部对称设置第一天线方位角调整机构220和第二天线方位角调整机构240，第一天线方位角调整机构220与第一锥齿轮230连接，第二天线方位角调整机构240与第二锥齿轮250连接；
第一锥齿轮230与第二锥齿轮250通过轴承分别与T型连杆300的上部两端连接；T型连杆300的下端通过轴承与底座400连接；
底座400的上部设置有第三锥齿轮410，第三锥齿轮410与所述的第一锥齿轮230及第二锥齿轮250啮合；
所述相控阵天线100通过金属导线分别与天线仰角调整机构140、第一天线方位角调整机构220、第二天线方位角调整机构240、天线仰角传感器110、天线方位角传感器210连接；
所述相控阵天线100为盒体结构，其内部自上而下依次设置有天线阵元电路板101、前端功率放大电路板102、波束赋形电路板103、信息处理及控制电路板104；
所述天线阵元电路板101与前端功率放大电路板102通过金属导线连接；
所述前端功率放大电路板102与波束赋形电路板103通过金属导线连接；
所述波束赋形电路板103与信息处理及控制电路板104通过金属导线连接；
所述的信息处理及控制电路板104上设置有数据电源线420，与外部电源及数据设备连接；
所述天线仰角调整机构140包括电机141与减速器142；
所述的电机141通过转动轴及法兰与减速器142连接；
所述的夹紧块130中央位置处设置有一个夹紧孔131；
所述的减速器142通过转动轴与夹紧块130连接，所述的天线调整杆120末端向下穿过夹紧孔131；
所述数据电源线420为POE以太网供电线；
所述信息处理及控制电路板104设置有GPS通讯电路；
所述数据电源线420另一端与WiFi设备连接；
所述第一天线方位角调整机构220包括电机与减速器。
所述第二天线方位角调整机构240包括电机与减速器。
使用原理
参考图1～图10，地球通信卫星630绕地球飞行时，地面卫星通讯终端800需要调整自身天线的方位角及仰角，使天线方向对准卫星天线方向，从而使得通讯中收发天线的有效增益最大，保障通讯正常进行。在本发明的实施例中，将卫星通讯终端800的底座400安装固定在适当位置后，有两种工作方式，工作方式一参考图5～图9：首先，信息处理及控制电路板104通过数据电源线420接口从外部获取卫星星轨的TLE(Tow-Line Orbital Element)信息，得到卫星630绕地球的飞行轨道及在飞行轨道上的位置信息，参见图5，包括：
轨道倾角510、升交点赤经520、轨道偏心率530、近地点幅角540、平近点角550、每天环绕地球圈数560；
再参考图6，图中Ω代表升交点赤经、ω代表近地点辐角、T代表真近点角、i代表卫星飞行轨道710相对于地球赤道610的倾角；
由卫星630每天环绕地球圈数信息560可以得到卫星630的飞行周期t，设万有引力常数为G及地球质量为W，根据开普勒第三定律公式，可计算出卫星椭圆轨道的长半轴a的数值，公式如下：
然后，参考图7，设E为卫星630的偏近点角、M为卫星630的平近点角、r为卫星630到地球质心700的距离及e为卫星轨道710的椭圆偏心率，M及e均可以从TLE信息中得到，根据开普勒方程M＝E-e*sin(E)，迭代求解后可得到偏近点角E；
进而，设卫星630的真近点角为T，由图7得到关系等式一：
a*cos(E)＝r*cos(T)+a*e；
根据开普勒第一定律椭圆轨道方程列出关系等式二：
联立关系等式一与关系等式二，求解得到卫星630与地球质心700的距离r与真近点角T。
参考图6，进一步将卫星在地球球面坐标系的角度位置转化为地球直角坐标系中的x，y，z坐标数值：
其中：u＝ω+T，ω为近地点辐角540，Ω为升交点赤经520，i为卫星轨道710的倾角510。
得到卫星630位置的x、y、z坐标后，可查表计算得到卫星630在地球表面投影点的纬度与经度数值；进一步，参考图8，其中D表示卫星通讯终端800的在地球表面的位置，S1点表示卫星630在地球表面下的投影点位置，P表示地球地理北极，Δλ表示卫星通讯终端800地面位置与卫星630地面投影点位置的经度差，L′表示卫星630地面投影点位置与卫星通讯终端800地面位置在地球球面上的连线距离，表示卫星通讯终端800地面位置的纬度，表示与卫星630地面投影点位置的纬度(/>可以从卫星通讯终端800的信息处理及控制电路板104上的GPS通讯模块获得)，A表示从卫星通讯终端800的相控阵天线100对准卫星630天线时的方位角，根据球面正弦定理与余弦定理，可以得到下面的关系等式：
其中，
从而得到对准卫星630时的天线方位角：
进一步，参考图9，其中rE表示地球半径，rs表示卫星630距离地球质心700的距离，E表示地面卫星通讯终端800天线100的仰角，β表示卫星630与地球质心700连线及卫星通讯终端800位置与地球质心700连线的夹角，L′表示卫星630地面投影点与卫星通讯终端800在地球球面上的连线，S2表示在通讯时刻卫星630在绕地球飞行轨道上的位置，从而得到下面等式：
从而得到地面卫星通讯终端800到卫星630的仰角：其中，β＝L′,rs＝rE+h，h为卫星630的高度，rs可以通过卫星630的x，y，z坐标数值而得到。
除上述计算步骤外，因为从外部获得的TLE星轨数据不是卫星630的实时位置数据，比如，美国空间探索公司发射的低轨互联网星链星座卫星，其TLE数据大约每天不定时更新三次，那么，为了在确定的时间点与特定卫星通讯，则需要在获取的过往时刻TLE数据基础上，预测待通讯时刻卫星630的TLE信息。具体做法是将偏近点角E、平近点角M都增加一个相应的角度变量，此角度变量数值是卫星630飞行角速度与观测通讯时间差的乘积；再者，考虑到日、月引力及地球非对称性等因素对卫星630飞行轨迹产生摄动影响，则也应在预测卫星630位置计算中考虑这些轨道摄动变化因素。
通过以上公式计算与模型预测，得到了待观测时刻卫星通讯终端800对准卫星630需要的天线方位角与仰角，进一步，卫星通讯终端800的信息处理及控制电路板104部分从天线方位角传感器210与天线仰角传感器110得到卫星通讯终端800在通讯时刻开始前的相控阵天线100的方位角与仰角信息，卫星通讯终端800通过天线仰角调整机构140调整仰角角度，通过第一天线方位角调整机构220与第二天线方位角调整机构240来调整方位角与仰角角度，在调整过程中，不断比较当前角度与目标角度之间的差值，在角度差达到设定的门限数值范围之内时，即完成对准通讯卫星630的调整。在后续与卫星630通信中，卫星通讯终端800利用相控阵天线100在小范围内微调方位角与仰角，保持对准卫星630天线；随着卫星630的飞行移动，当卫星630将要超出相控阵天线100的微调范围时，卫星通讯终端800的天线仰角调整机构140、第一天线方位角调整机构220及第二天线方位角调整机构240联合随动调整卫星通讯终端800的指向，使得卫星630的天线对准始终在相控阵天线100的波束角度调整范围之内，保障卫星通讯过程中，保持卫星通讯终端800的相控阵天线100波束对准通讯卫星630。
然而，在某些情况下，地面卫星通讯终端800无法预先获取卫星630的TLE信息，则卫星通讯终端800需要处于工作方式二：卫星通讯终端800的信息处理及控制电路板104将跳过卫星天线方位角及仰角计算与比较的步骤，采用盲检测的方式，同步卫星630在下行发射的同步信号，通过仰角调整140、第一天线方位角调整机构220及第二天线方位角调整机构240联合调整相控阵天线100指向，完成卫星630对准；然后，类似于工作方式一的操作，利用相控阵天线100在小范围内调整方位角与仰角来保持卫星630对准；在后续卫星630飞行移动过程中，卫星通讯终端800使用天线仰角调整机构140、第一天线方位角调整机构220及第二天线方位角调整机构240调整相控阵天线100对卫星630的指向，使得卫星通讯终端800随动跟踪卫星630，再利用相控阵天线100来在小范围内调整波束指向，对准卫星630进行通讯。
在上述通讯过程中，卫星通讯终端800的相控阵天线100调整波束指向时，利用前端功率放大电路板102完成接收信号下变频及低噪声信号放大处理或发射信号的上变频及放大，波束赋形电路板103完成滤波、信号幅度与相位调整，信息处理及控制板104完成信息的调制与解调，并读取天线仰角传感器110、天线方位角传感器210信息及控制天线仰角调整机构140、第一天线方位角调整机构220及第二天线方位角调整机构240；其中前端功率放大电路板102与波束赋形电路板103之间这样的功能划分只是一种举例的实现形式，如果有必要，可以将前端功率放大电路板102的全部功能或者部分功能转移合并到波束赋形电路板103上进行。
卫星通讯终端800与卫星630连接通讯后，通过数据电源线420连接外部的互联网通信设备，包括WiFi路由器900与WiFi无线接入点910，进而，手机920及笔记本电脑920等设备等通过接入WiFi无线接入点910而接通卫星互联网。
以上，即是本发明的卫星通讯终端800的工作原理。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (7)

1.一种位置传感器辅助的卫星通讯终端，包括相控阵天线、天线仰角传感器、天线调整杆、夹紧块、天线仰角调整机构、转动框、天线方位角传感器、第一天线方位角调整机构、第一锥齿轮、第二天线方位角调整机构、第二锥齿轮、T型连杆、底座、第三锥齿轮、数据电源线；
所述相控阵天线上设置有天线仰角传感器，相控阵天线向下平面上设置有天线调整杆；
所述转动框上部位置设置有天线仰角调整机构，相控阵天线通过天线调整杆与夹紧块连接，所述夹紧块与天线仰角调整机构连接；
所述转动框框架上设置有天线方位角传感器；
所述转动框下部对称设置第一天线方位角调整机构和第二天线方位角调整机构，第一天线方位角调整机构与第一锥齿轮连接，第二天线方位角调整机构与第二锥齿轮连接；
第一锥齿轮与第二锥齿轮通过轴承分别与T型连杆的上部两端连接；T型连杆的下端通过轴承与底座连接；
底座的上部设置有第三锥齿轮，第三锥齿轮与所述的第一锥齿轮及第二锥齿轮啮合；
所述相控阵天线通过金属导线分别与天线仰角调整机构、第一天线方位角调整机构、第二天线方位角调整机构、天线仰角传感器、天线方位角传感器连接；
所述相控阵天线为盒体结构，其内部自上而下依次设置有天线阵元电路板、前端功率放大电路板、波束赋形电路板、信息处理及控制电路板；
所述天线阵元电路板与前端功率放大电路板通过金属导线连接；
所述前端功率放大电路板与波束赋形电路板通过金属导线连接；
所述波束赋形电路板与信息处理及控制电路板通过金属导线连接；
所述的信息处理及控制电路板上设置有数据电源线，与外部电源及数据设备连接。
2.如权利要求1所述的一种位置传感器辅助的卫星通讯终端，其特征在于，所述天线仰角调整机构包括电机与减速器；
所述的电机通过转动轴及法兰与减速器连接；
所述的夹紧块中央位置处设置有一个夹紧孔；
所述的减速器通过转动轴与夹紧块连接，所述的天线调整杆末端向下穿过夹紧孔。
3.如权利要求1所述的一种位置传感器辅助的卫星通讯终端，其特征在于，所述数据电源线为POE以太网供电线。
4.如权利要求1所述的一种位置传感器辅助的卫星通讯终端，其特征在于，所述信息处理及控制电路板设置有GPS通讯电路。
5.如权利要求1所述的一种位置传感器辅助的卫星通讯终端，其特征在于，所述数据电源线另一端与WiFi设备连接。
6.如权利要求1所述的一种位置传感器辅助的卫星通讯终端，其特征在于，所述第一天线方位角调整机构包括电机与减速器。
7.如权利要求1所述的一种位置传感器辅助的卫星通讯终端，其特征在于，所述第二天线方位角调整机构包括电机与减速器。
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