CN1469132A - 移动卫星地面站系统 - Google Patents

Abstract

本发明用梯度法解决移动卫星地面站天线对准卫星的问题，克服了现行技术(车载移动卫星通信系统，专利号：99118037.2)的缺点。如只能与静止卫星通信：不适应突发工作；不适应在轻型运载器上工作：成本高等。本发明技术根据地面站的大致经纬度λ_GΦ_G(如由地图查得或用简易小型GPS接收机测得等)、欲观测卫星高度h和星下点的经纬度λ_SΦ_S算出地面站天线观测卫星的方位角A和仰角E。伺服系统驱动天线在估算的A、E附近搜索(例如按N字形或螺旋形搜索)。当判明接收机输出电平U>V_TH，则继电器动作，转入跟踪。跟踪采用梯度法跟踪。梯度法是根据移动卫星地面站天线波束的梯度来跟踪卫星的。当天线波束对准卫星时梯度为零。当天线波束向一边偏离卫星时梯度为正。当天线波束向另一边偏离卫星时梯度为负。故可用梯度信号驱动伺服系统使移动卫星地面站天线对准卫星。

Description

移动卫星地面站系统

技术领域    移动卫星地面站

背景技术    固定卫星通信地面站的技术是公知的。现许多用户要求将地面站放在船只、车辆、飞机、低轨卫星等高速运载器上，构成移动卫星地面站。关键问题是如何使移动地面站天线在高速运动下对准卫星。重庆巴山仪器厂利用激光陀螺指向保持不变这一性能实现了移动地面站天线对准同步卫星，并获发明专利(车载移动卫星通信系统，专利号：99118037.2)。理论与实践证明“99118037.2”专利技术有以下问题：①激光陀螺只能保持指向同步轨道上的静止卫星，不能跟踪中低轨道上的移动卫星。而目前中低轨卫星通信与遥感发展很快，应用越来越广。②激光陀螺工作需预热，不适应突发工作③激光陀螺重量重(约20 kg)，不适应在轻型运载器(如小型无人驾驶飞机，小卫星等)上使用。④激光陀螺价格昂贵，目前还需进口。为此我们提出用“梯度法”构成移动卫星地面站。本技术放弃了用激光陀螺跟踪同步卫星的概念，而用单片机计算地面站天线指向卫星的剃度来跟踪卫星，克服了“99118037.2”专利的上述缺点，因而是新颖、先进的技术。

发明内容    移动地面站天线对准卫星分搜索与跟踪两步：(1)、搜索阶段：

根据地面站的大致经纬度λ_GΦ_G(如由地图查得或用简易小型GPS接收机测得等)、欲观测卫星高度h和星下点的经纬度λ_SΦ_S算出地面站天线观测卫星的方位角A和仰角E(A从正北算起，E从地平面算起)。 $A={\mathrm{Sin}}^{-1}\frac{\mathrm{Sin\Δ\λCos}{\mathrm{\Φ}}_S}{\sqrt{1-{(\mathrm{Sin}{\mathrm{\Φ}}_G\mathrm{Sin}{\mathrm{\Φ}}_S+\mathrm{Cos}{\mathrm{\Φ}}_G\mathrm{Cos}{\mathrm{\Φ}}_S\mathrm{Cos\Δ\λ})}^2}}$ $E={\mathrm{Tan}}^{-1}\frac{\mathrm{Sin}{\mathrm{\Φ}}_G\mathrm{Sin}{\mathrm{\Φ}}_S+\mathrm{Cos}{\mathrm{\Φ}}_G\mathrm{Cos}{\mathrm{\Φ}}_S\mathrm{Cos\Δ\λ}-r/R}{\sqrt{1-{(\mathrm{Sin}{\mathrm{\Φ}}_G\mathrm{Sin}{\mathrm{\Φ}}_S+\mathrm{Cos}{\mathrm{\Φ}}_G\mathrm{Cos}{\mathrm{\Φ}}_S\mathrm{Cos\Δ\λ})}^2}}$ 对同步卫星Φ_S＝0，则有： $A={\mathrm{Sin}}^{-1}\frac{\mathrm{Sin\Δ\λ}}{\sqrt{1-{\left(\mathrm{Cos}{\mathrm{\Φ}}_G\mathrm{Cos\Δ\λ}\right)}^2}}$ $E={\mathrm{Tan}}^{-1}\frac{\mathrm{Cos}{\mathrm{\Φ}}_G\mathrm{Cos\Δ\λ}-r/R}{\sqrt{1-{\left(\mathrm{Cos}{\mathrm{\Φ}}_G\mathrm{Cos\Δ\λ}\right)}^2}}$ 式中Δλ＝地面站与被观测卫星的经纬度差＝λ_S-λ_G。r＝6378Km＝地球赤道半径。R＝r+h。对同步静止卫星R＝42166Km。

伺服系统驱动天线在估算的A、E附近搜索。当判明接收机输出电平U＞V_TH，则继电器动作，转入跟踪。

(2)、跟踪阶段：

本专利采用梯度法跟踪。梯度法是根据移动卫星地面站天线波束的梯度来跟踪卫星的。当天线波束对准卫星时梯度为零。当天线波束向一边偏离卫星时梯度为正。当天线波束向另一边偏离卫星时梯度为负。故可用梯度信号驱动伺服系统使移动卫星地面站天线对准卫星。

附图说明    整个系统如图1所示。1是用GPS或其他方法确定地面站大致经纬度。2是估计出的地面站大致经纬度λ_GΦ_G。3是计算地面站对准卫星的方位、俯仰角A、E。4是A，E的计算结果。5是搜索处理器在计算的A，E附近搜索(例如按N字形或螺旋形搜索)目标。6是搜索处理器输出的扫描搜索电压。7是天线-接收机系统。8是接收机输出电平U₁₀。当地面站天线对准卫星(包括天线以一定速度扫掠过卫星)时U₁₀增大。9是梯度跟踪处理器。10是梯度跟踪处理器输出的方位差信号ΔA和俯仰差信号ΔE。11是判决比较器。12是门限电压V_TM。13是伺服系统。14是继电器。当U₁₀大于V_TH时，继电器把梯度跟踪处理器输出的方位差信号ΔA和俯仰差信号ΔE送到伺服系统。当U₁₀小于V_TH时，继电器则把搜索处理器输出的扫描搜索电压送到伺服系统。15是天线转台。

具体实施方式    搜索阶段由单片机根据计算的方位角、俯仰角产生N字形或螺旋形的搜索电压，驱动伺服系统进行搜索。跟踪阶段的跟踪误差信号由单片机通过软件产生。梯度跟踪处理器分别对方位与俯仰跟踪进行处理，设先作俯仰跟踪。①假设初始仰角为E₁，记录下接收电平为U₁₀。设置一小的初始ΔE₀。②使天线仰角E步进ΔE₀，ΔE0执行完后，记录与E₂对应的电平U₂③算出梯度 ${\▿}_E=\left(\frac{U_2-U_1}{\mathrm{\ΔE}}\right)$ ④算出ΔE＝_Ek_E(k_E是一适当常数，取大了跟踪发散，取小了收敛太慢，影响跟踪速度)，使U₁＝U₂。⑤驱使天线转ΔE。ΔE执行完后，记录下接收电平为U₂，再按③算出梯度_E，如此，直到_E＜ε(ε＝事先选定的任意小数)⑥转入方位角跟踪，程序与俯仰跟踪同。跟踪程序的流程图如图2所示。当然，方位跟踪与俯仰跟踪也可在两只单片机上同时并行进行。

Claims (2)

1 一种移动卫星通信地面站方案，其特征在于系统由搜索处理器、梯度跟踪处理器和常规的接收机、天线、转台、伺服系统等通过接口电路、逻辑判决电路连接而成。系统工作分搜索和跟踪两个阶段。两个阶段自动切换。

2 根据权利要求1所述的移动卫星通信地面站方案而设计的梯度跟踪法。其特征在于跟踪是用地面站天线方向图对准卫星的梯度信号，经过处理形成角误差信号，驱动伺服系统来完成的。

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