CN116470950A - 卫星天线坐标系下多波束天线指向偏差的测量与校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种卫星天线坐标系下多波束天线指向偏差的测量与校准方法，属于卫星通信技术领域。本发明以移动通信卫星相控阵多波束天线指向偏差的测量与校准作为输入，建立指向测量关系模型，将地面标校站作为射频无线电传感器，利用地面标校站与卫星姿态间的关系模型，通过调整卫星姿态或相控阵天线波束成形参数，调整移动通信卫星相控阵多波束天线的波束指向，实现多波束天线指向偏差的校准。

Description

卫星天线坐标系下多波束天线指向偏差的测量与校准方法
技术领域
本发明涉及一种卫星天线坐标系下多波束天线指向偏差的测量与校准方法，本方法适用于卫星移动通信系统中多波束卫星天线指向的测量和校准，属于卫星通信技术领域。
背景技术
地球静止轨道移动通信卫星采用大型可展开多波束天线，用于支持大容量的手持机移动用户。由于受到太阳和月亮的牵引、地球引力场不均匀、太阳辐射压力等因素的影响，大型可展开多波束天线比传统通信卫星天线指向偏差较大；为了保证移动通信卫星多波束天线的指向，需要在卫星采用三轴姿态动态偏置方法基础上，使用星地一体化波束标校进一步提高波束的指向精度，满足系统使用要求。
波束标校可分为下行标校和上行标校。下行波束标校通常由信关站或卫星发射标校信号，地面设置波束标校接收站，接收站对不同波束标校信号的能量进行判别，得到天线指向偏差。上行波束标校则由地面波束标校站发射标校信号，卫星或信关站进行能量估计和场强对比，进而得到天线指向偏差。在系统在中地面标校站相当于射频无线电传感器。
无论下行标校还是上行标校，都需要在测量数据与天线指向偏差间建立测量关系，测量卫星天线的方位、俯仰和偏航的偏差值。由于基于射频无线电传感器测量方式对偏航值的测量误差远大于其他敏感器，影响了多波束天线指向偏差的校准精度。
发明内容
针对采用大型可展开天线的地球静止轨道移动通信卫星的天线指向校准问题，本发明提出了一种卫星天线坐标系下多波束天线指向偏差的测量与校准方法。本发明提供的方法可以通过调整卫星姿态或相控阵天线波束成形参数，实现多波束天线指向偏差的校准。
本发明所采取的技术方案为：
一种卫星天线坐标系下多波束天线指向偏差的测量与校准方法，包括如下步骤：
第1步：在卫星天线坐标系下设计标校波束组等功率交叠点的指向矢量；
第2步：通过地面标校站的测量得到卫星天线指向偏差的测量值；
第3步：将第1步得到的标校波束组等功率交叠点指向矢量和第2步得到的卫星天线指向偏差的测量值相加，得到地面标校站每时刻在卫星天线坐标系中的实际指向值；
第4步：根据地面标校站每时刻在卫星天线坐标系中的实际指向值、地面标校站的地理位置、卫星轨道数据和卫星天线安装矩阵，计算得到卫星姿态角的偏差值；
第5步：根据第2步得到卫星天线指向偏差的测量值与第4步得到的卫星姿态角的偏差值，建立测量模型；根据测量模型对卫星天线指向偏差进行定期校准。
进一步地，第1步中，每个标校波束组等功率交叠点的指向矢量在标称时刻的理论指向为地面标校站。
进一步地，第2步的具体方式为：
地面标校站通过计算接收到的标校组中各个波束信号的功率值得到卫星天线指向偏差的测量值；其中，卫星天线指向偏差的测量值属于卫星天线坐标系，包括方位偏差和俯仰偏差。
进一步地，步骤4中得到卫星姿态角的偏差值后，将该偏差值转化为相控阵天线波束成形参数的调整值；步骤5中的测量模型是直接利用第2步得到卫星天线指向偏差的测量值与第4步得到的相控阵天线波束成形参数的调整值之间的关系建立的。
进一步地，步骤4的具体方式为：
第4-1步：计算地面标校站所在的地理位置在地固系下的坐标矢量；
第4-2步：将地面标校站所在的地理位置在地固系下的坐标矢量通过坐标系转换转到东南坐标系下，该转换中包括卫星的轨道数据；
第4-3步：将第3步得到地面标校站每时刻在卫星天线坐标系中的实际指向值由卫星天线坐标系转换到卫星本体坐标系下；
第4-4步：根据卫星姿态角的设计值，将第4-3步得到的结果转换到东南坐标系下；
第4-5步：将第4-2步得到的东南坐标系下的结果与第4-4步得到的东南坐标系下的结果相减，得到卫星姿态角的偏差值；
第4-6步：将第4-5步得到卫星姿态角的偏差值转换为相控阵天线波束成形参数的调整值。
本发明与背景技术相比具有如下优点：
1、本发明方法在卫星的天线坐标下对天线指向偏差的进行测量，只需测量方位偏差和俯仰偏差，偏航值的准确度由射频无线电传感器外的其他传感器提供。
2、本发明通过在地面标校站的测量值与卫星的姿态值间建立连立关系，可以通过调整卫星的姿态值使地面标校站的测量值趋于理论设计值，从而对卫星天线视轴的指向偏差进行校准。
3、本发明通过地面标校站的测量值和卫星多波束天线每个波束中心指向的设计值，可以计算卫星多波束天线每个波束中心的指向偏差值，并通过调整相控阵天线波束成形参数，对每个波束中心的指向偏差进行校准。
实施方式
下面对本发明进行详细说明。
一种卫星天线坐标系下多波束天线指向偏差的测量与校准方法，包括如下步骤：
第（1）步：在卫星天线坐标系下设计标校波束组等功率交叠点的指向矢量；其中，一颗卫星可以设计一个或多个标校波束组，每个标校波束组等功率交叠点的指向矢量在标称时刻的理论指向为地面标校站。一个标校波束组中的标校波束为3个或4个波束，一个标校波束组中各个波束的标校信号的占用频率相同，通过码分多址或时分多址的方式进行无线传输。
第（2）步：通过地面标校站的测量得到卫星天线指向偏差的测量值；第（2）步具体为：地面标校站通过计算接收到的标校组中各个波束信号的功率值计算得到卫星天线指向偏差的测量值；其中，卫星天线指向偏差的测量值属于卫星天线坐标系，包括方位偏差和俯仰偏差。每一个地面标校站在卫星天线坐标系中的坐标，与卫星的轨道参数、卫星平台的姿态参数、以及卫星天线的变形相关。地面测量得到的波束指向偏差值是指地面标校站在卫星天线坐标系中的实际坐标矢量与等功率交叠点指向矢量的夹角在方位和俯仰两个方向的分解值。
第（3）步：地面标校站每时刻在卫星天线坐标系中的实际指向值由第（1）步得到标校波束组等功率交叠点指向矢量和第（2）步得到卫星天线指向偏差的测量值相加得到；
第（4）步：根据地面标校站每时刻在卫星天线坐标系中的实际指向值、地面标校站的地理位置、卫星轨道数据和卫星天线安装矩阵计算得到卫星姿态角的偏差值；进一步地，可以将该偏差值转化为相控阵天线波束成形参数的调整值；
第（4）步具体包括如下步骤：
第（4-1）步：计算地面标校站所在的地理位置在地固系下的坐标矢量；
第（4-2）步：将地面标校站所在的地理位置在地固系下的坐标矢量通过坐标系转换转到东南坐标系下，该转换中包括卫星的轨道数据；
第（4-3）步：将第（3）步得到地面标校站每时刻在卫星天线坐标系中的实际指向值等值由卫星天线坐标系转换到卫星本体坐标系下；
第（4-4）步：将第（4-3）步得到的结果根据卫星姿态角的设计值转换到东南坐标系下；
第（4-5）步：将第（4-2）步得到的东南坐标系下的结果与第（4-4）步得到的东南坐标系下的结果相减得到卫星姿态角的偏差值。
第（4-6）步：将第（4-5）步得到卫星姿态角的偏差值转换为相控阵天线波束成形参数的调整值。
第（5）步：根据第（2）步得到卫星天线指向偏差的测量值与第（4）步得到的卫星姿态角的偏差值（或由该偏差值转化的相控阵天线波束成形参数的调整值）之间的关系建立测量模型。根据系统的使用需求，通过测量模型对卫星天线指向偏差进行定期校准。
总之，本发明以移动通信卫星相控阵多波束天线指向偏差的测量与校准作为输入，建立指向测量关系模型，将地面标校站作为射频无线电传感器，利用地面标校站与卫星姿态间的关系模型，通过调整卫星姿态或相控阵天线波束成形参数，调整移动通信卫星相控阵多波束天线的波束指向，实现多波束天线指向偏差的校准。

Claims (5)

1.一种卫星天线坐标系下多波束天线指向偏差的测量与校准方法，其特征在于，包括如下步骤：
第1步：在卫星天线坐标系下设计标校波束组等功率交叠点的指向矢量；
第2步：通过地面标校站的测量得到卫星天线指向偏差的测量值；
第3步：将第1步得到的标校波束组等功率交叠点指向矢量和第2步得到的卫星天线指向偏差的测量值相加，得到地面标校站每时刻在卫星天线坐标系中的实际指向值；
第4步：根据地面标校站每时刻在卫星天线坐标系中的实际指向值、地面标校站的地理位置、卫星轨道数据和卫星天线安装矩阵，计算得到卫星姿态角的偏差值；
第5步：根据第2步得到卫星天线指向偏差的测量值与第4步得到的卫星姿态角的偏差值，建立测量模型；根据测量模型对卫星天线指向偏差进行定期校准。
2.根据权利要求1所述的卫星天线坐标系下多波束天线指向偏差的测量与校准方法，其特征在于，第1步中，每个标校波束组等功率交叠点的指向矢量在标称时刻的理论指向为地面标校站。
3.根据权利要求1所述的卫星天线坐标系下多波束天线指向偏差的测量与校准方法，其特征在于，第2步的具体方式为：
地面标校站通过计算接收到的标校组中各个波束信号的功率值得到卫星天线指向偏差的测量值；其中，卫星天线指向偏差的测量值属于卫星天线坐标系，包括方位偏差和俯仰偏差。
4.根据权利要求1所述的卫星天线坐标系下多波束天线指向偏差的测量与校准方法，其特征在于，步骤4中得到卫星姿态角的偏差值后，将该偏差值转化为相控阵天线波束成形参数的调整值；步骤5中的测量模型是直接利用第2步得到卫星天线指向偏差的测量值与第4步得到的相控阵天线波束成形参数的调整值之间的关系建立的。
5.根据权利要求4所述的卫星天线坐标系下多波束天线指向偏差的测量与校准方法，其特征在于，步骤4的具体方式为：
第4-1步：计算地面标校站所在的地理位置在地固系下的坐标矢量；
第4-2步：将地面标校站所在的地理位置在地固系下的坐标矢量通过坐标系转换转到东南坐标系下，该转换中包括卫星的轨道数据；
第4-3步：将第3步得到地面标校站每时刻在卫星天线坐标系中的实际指向值由卫星天线坐标系转换到卫星本体坐标系下；
第4-4步：根据卫星姿态角的设计值，将第4-3步得到的结果转换到东南坐标系下；
第4-5步：将第4-2步得到的东南坐标系下的结果与第4-4步得到的东南坐标系下的结果相减，得到卫星姿态角的偏差值；
第4-6步：将第4-5步得到卫星姿态角的偏差值转换为相控阵天线波束成形参数的调整值。
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