CN1960056B - 移动式天线跟踪运动目标的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明针对现有的带有惯性陀螺仪的跟踪天线存在的数据慢性漂移、精度差等问题，公开了一种基于卫星导航定位技术的无惯性陀螺仪的移动式天线跟踪运动目标的方法及系统，其中系统包括移动平台和天线系统、移动平台多点接收小天线系统、移动天线多点接收小天线系统、移动平台多点接收，处理和变换系统、移动天线多点接收，处理和变换系统、目标方位角和俯仰角计算系统、变换和放大设备和驱动天线波束设备等，通过合理设计使得它具有多功能、性能优越、使用灵活、并可跨领域推广的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线跟踪技术，尤其是一种移动式天线跟踪运动目标的方法及系统。
背景技术
移动式天线跟踪控制系统是为实现移动天线和运动目标(如车辆、船舶、飞机或外空目标等)之间的通信传输、电视收发、遥控遥测和跟踪测量等任务而使移动式天线跟踪运动目标的自动控制系统。传统的移动式天线跟踪控制系统由移动平台(如陆基车辆、海基、空基和天基等平台)、安装在移动平台上的移动天线、确定移动平台及移动天线位置的陆基或移动平台载的导航定位系统、确定移动平台姿态的机电式惯性陀螺仪、确定天线相对于移动平台的方位角及俯仰角的光电角度码盘、驱动天线转动的伺服跟踪系统等组成。运动目标的位置可给定(计算产生)或通过目标反射或辐射信号用天线跟踪测量获得。传统的移动式天线跟踪控制系统的关键设备——机电式惯性陀螺仪和精密角度码盘，由此而存在一系列严重缺陷：
(1)机电惯性陀螺仪数据慢性漂移较大，故需不断进行校准(即使采用激光陀螺仪，同样存在慢性漂移)；
(2)机电惯性陀螺仪在不同地理位置(经纬度)需进行水平调整；
(3)机电惯性陀螺仪有高速转动部件，可靠性差，启动慢；
(4)机电惯性陀螺仪价格昂贵；
(5)光电角度码盘使用不方便，可靠性差；
(6)移动平台载的原有的导航定位系统定位精度差。
发明内容
本发明的目的是针对现有的带有惯性陀螺仪的跟踪天线存在的一系列严重缺陷问题，充分利用卫星导航定位技术，发明一种无惯性陀螺仪的移动式天线跟踪运动目标的方法及系统。
本发明的技术方案是：
一种移动式天线跟踪运动目标的方法，其特征是：
a.在移动平台上设置移动平台多点接收小天线系统，这些小天线选择同时接收三颗或四颗全球导航定位卫星信号和数据，并送入移动平台多点接收和处理系统，移动平台多点接收和处理系统给出移动平台位置和相对于当地水平坐标系的姿态角即航向角、俯仰角和横滚角的数据；
b.在移动天线上设置移动天线多点接收小天线系统，这些小天线选择同时接收三颗或四颗全球导航定位卫星信号和数据，并送入移动天线多点接收和处理系统，移动天线多点接收和处理系统给出移动天线位置和相对于当地水平坐标系的姿态角即航向角、俯仰角和横滚角的数据；
c.利用移动平台位置和相对于当地水平坐标系的姿态角数据和移动天线位置和相对于当地水平坐标系的姿态角数据可以计算出移动天线相对于移动平台的方位角α和俯仰角ε数据；
d、根据目标位置或轨道预报数据以及上述所得的移动天线位置数据和移动平台相对于当地水平坐标系的姿态角数据计算出目标相对于移动平台的方位角αm和俯仰角εm数据；
e、计算移动天线和目标之间的方位角误差αm-α和俯仰角误差εm-ε的值，并送入变换和放大设备，在变换和放大设备中进行D/A变换和功率放大，再送入天线驱动设备；
f、天线驱动设备驱动移动天线的方位轴和俯仰轴，使上述的方位角误差αm-α和俯仰角误差εm-ε趋向零，即使αm＝α及εm＝ε，从而实现移动天线对目标的跟踪。
其中：
移动天线相对于移动平台的方位角α和俯仰角ε数据可以从移动天线精密角度码盘直接读出。
如不具备移动天线精密角度码盘，则可利用移动天线的位置数据及相对于当地水平坐标系的姿态角数据和移动平台的位置数据及相对于当地水平坐标系的姿态角数据计算出移动天线相对于移动平台的方位角α和俯仰角ε数据，用以取代精密角度码盘的方位角α和俯仰角ε数据。
在移动平台上设置的接收小天线系统的数量为三个或四个，这些小天线选择同时接收三颗(用于测量移动平台姿态角)或四颗(第四颗用于移动平台定位)全球导航定位卫星信号和数据，并送入移动平台多点接收和处理系统，在移动平台多点接收和处理系统中进行放大、变换、相位差精确测量、消除相位差模糊和计算给出移动平台位置和相对于当地水平坐标系的姿态角即航向角、俯仰角和横滚角的数据，以替代机电惯性陀螺数据。
在移动天线上设置的小天线的数量为三个或四个，这些小天线选择同时接收三颗(测量移动天线姿态角)或四颗(第四颗用于移动天线定位)全球导航定位卫星信号和数据，并送入移动天线多点接收和处理系统，在移动天线多点接收和处理系统中进行放大、变换、相位差精确测量、消除相位差模糊和计算给出移动天线位置和相对于当地水平坐标系的姿态角即航向角、俯仰角和横滚角的数据。
根据目标位置或轨道预报数据、上述所得的移动天线位置数据和移动平台相对于当地水平坐标系的姿态角即方位角、俯仰角和横滚角的数据计算出目标相对于移动平台的方位角αm和俯仰角εm数据。
计算移动天线和目标之间的方位角误差αm-α和俯仰角误差εm-ε的值，并送入变换和放大设备，在机械跟踪天线中，方位角和俯仰角误差αm-α数据和εm-ε数据进行D/A变换和功率放大；在相控阵天线中为波束控制计算和功率放大。再送入天线驱动设备。
天线驱动设备在机械跟踪天线中，为马达及传动装置；天线驱动设备驱动移动天线的方位轴和俯仰轴，使上述的方位角误差αm-α和俯仰角误差εm-ε趋向零，即使αm＝α及εm＝ε，从而实现移动天线对目标的跟踪。在相控阵天线中为控制天线阵移相器，使天线波束对准目标。
所述的全球导航定位卫星包括全球定位系统GPS、全球导航卫星系统 GLONASS、欧洲GALILEO全球卫星导航系统或我国未来新型北斗全球定位系统。
所述的移动平台为车辆、船舶、飞机、太空飞行器或各种武器系统。
本发明的系统由移动天线多点接收、处理和变换系统1、目标方位角和俯仰角计算系统2、移动天线多点接收小天线系统4、变换和放大设备12、天线驱动设备13、移动平台多点接收小天线系统15、移动平台多点接收、处理和变换系统16组成，移动天线多点接收小天线系统4的输出与移动天线多点接收、处理和变换系统1的输入相连，移动天线多点接收、处理和变换系统1的方位角输出信号5与目标方位角和俯仰角系统2的方位角输出8比较后送入变换和放大设备12，移动天线多点接收、处理和变换系统1的俯仰角输出信号6与目标方位角和俯仰角系统2的俯仰角输出信号7比较后也送入变换和放大设备12中，变换和放大设备12的输出与天线驱动设备13的信号输入端相连，移动平台多点接收小天线系统15的输出端与移动平台多点接收、处理和变换系统16的输入端相连接，移动平台多点接收、处理和变换系统16的移动平台姿态角数据输出端与移动天线多点接收、处理和变换系统1的输入相连接，移动平台多点接收、处理和变换系统16的移动平台位置数据输出端与移动天线多点接收、处理和变换系统1的输入相连接。所述的目标方位角和俯仰角计算系统2还连接有目标位置或轨道预报装置3。
本发明的有益效果：
(1)新型移动式跟踪天线控制系统可用于陆地、海上、空中和外空；
(2)预装多个装备或目标控制软件，可以快速任选或按程序转换跟踪或瞄准不同目标；
(3)用多点(3点或4点)的接收和处理系统取代机电惯性陀螺仪的功能，给出的姿态数据在任何地理位置都是基于当地水平坐标系的，因而无需在不同地理位置进行水平调整；不存在数据漂移，故不需经常校准；
(4)用导航定位信号角度码盘代替光电角度码盘，使用方便；
(5)降低系统成本；
(6)提高系统可靠性；
(7)可在没有目标信号时跟踪目标。
附图说明
图1是本发明系统结构框图。
图2是本发明的天线高放在移动平台固连坐标系的布局示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1、2所示。
一种移动式天线跟踪运动目标的方法，其步骤为：
a.在移动平台上设置多点接收小天线系统，这些小天线选择同时接收3和4颗全球导航定位卫星信号和数据，并送入移动平台多点接收和处理系统，移动平台多点接收和处理系统给出移动平台位置和相对于当地水平坐标系的姿态角即航向角、俯仰角和横滚角的数据；
b.在移动天线上设置多点接收小天线系统，这些小天线选择同时接收3和4颗全球导航定位卫星信号和数据，并送入移动天线多点接收和处理系统，移动天线多点接收和处理系统给出移动天线位置和相对于当地水平坐标系的姿态角即航向角、俯仰角和横滚角的数据；
c.利用移动平台位置和相对于当地水平坐标系的姿态角数据和移动天线位置和相对于当地水平坐标系的姿态角数据可以计算出移动天线相对于移动平台的方位角α和俯仰角ε数据；
d、根据目标位置或轨道预报数据以及上述所得的移动天线位置数据和移动平台相对于当地水平坐标系的姿态角数据计算出目标相对于移动平台的方位角αm和俯仰角εm数据；
e、计算移动天线和目标之间的方位角误差αm-α和俯仰角误差εm-ε的值，并送入变换和放大设备，在变换和放大设备中进行D/A变换和功率放大，再送入天线驱动设备；
f、天线驱动设备驱动移动天线的方位轴和俯仰轴，使上述的方位角误差αm-α和俯仰角误差εm-ε趋向零，即使αm＝α及εm＝ε，从而实现移动天 线对目标的跟踪。
详述如下：
(1)选定移动平台固连坐标系oxyz：坐标原点o选在移动平台上适合的位置。在移动平台框架上设置ox轴，并使ox轴与移动平台的纵轴平行，指向前方。oy轴通过原点o指向上方；oz轴与ox轴及oy轴组成右手系(见图2)，oxz平面为移动平台的基准平面。
(2)移动平台姿态角数据17的形成：将三个(或四个)接收小天线分别架设在移动平台的框架的三个(或四个)点上，形成移动平台多点接收小天线系统15(可代替精密角度码盘)。假设三个接收小天线组成的三角形平面垂直于移动平台的纵轴ox，并距移动平台中心(原点)的距离为a(见图2)。其中3号接收小天线位于移动平台的上方，距ox的距离为b。1及2号接收小天线可安装在移动平台纵轴的两侧(对称)，距ox的距离均为c。如果有需要，则4号接收小天线可安装在移动平台中心(坐标原点或其他位置)。对三个(1，2，3号)接收小天线接收(多通道接收机—下同)的全球导航定位卫星信号的相位差在移动平台多点接收和处理系统16中进行处理和变换可得到移动平台角的姿态角(航向角、俯仰角和横滚角)数据。移动平台多点接收和处理系统给出移动平台的位置数据18和姿态角数据17。将移动平台的姿态角数据17送入移动天线多点接收和处理系统1，将移动平台的位置数据18送入目标方位角和俯仰角计算设备2中。如利用4号接收小天线，则对三个接收小天线相对于第四个接收小天线的相位差进行处理和变换可得到移动平台的姿态角(即航向角、俯仰角和横滚角)数据17。利用任一个(或第四个)接收小天线接收四颗全球导航定位卫星信号及数据，进行处理和变换便可得到移动平台位置数据。
(3)移动天线相对于移动平台的方位角α数据5和俯仰角ε数据6的形成：首先建立移动天线固连坐标系o′x′y′z′：为移动天线建一框架，其上设置o′x′轴，并使o′x′轴与移动天线的波束轴重合或平行，指向前方。为了安装和测试的方便，坐标原点o′可在机电跟踪移动天线的方位轴及俯仰轴的交点上；o′y′轴通过原点o′指向移动天线的上方；o′z′轴与o′x′轴及o′y′轴组成右 手系(类似图2)。将三个接收小天线分别架设在移动平台的天线的支架的三个点上，形成移动天线多点接收小天线系统4。假设三个全球导航定位卫星信号接收小天线组成的三角形平面垂直于天线电轴o′x′，并距天线中心点的距离为a′。其中一个接收小天线位于天线的上方，距o′x′的距离为b′。另两个接收小天线位于移动天线波束轴的两侧(对称)，距o′x′的距离均为c′。对三个接收小天线接收(多通道接收机—下同)的全球导航定位卫星信号的相位差在多点接收和处理系统1中进行处理和变换可得到移动天线相对于当地水平坐标系的姿态角(航向角、俯仰角和横滚角)数据和移动天线位置数据11。通过移动天线姿态角和移动平台姿态角数据的变换，可得到移动天线相对于移动平台的方位角α数据5和俯仰角ε数据处理6。在机械跟踪天线的方位轴和俯仰轴分别安装普通精度的方位码盘和俯仰码盘，作为备用，可给出粗略的方位角和俯仰角数据，还可用于消除相位差测量模糊。
(4)目标方位角和俯仰角计算设备2：根据目标位置或轨道预报数据、天线位置数据和移动平台相对于当地水平坐标系的姿态角(即方位角、俯仰角和横滚角)数据计算出目标相对于移动平台的方位角αm数据8和俯仰角εm数据7。
(5)计算方位角和俯仰角误差αm-α数据10和εm-ε数据9
(6)变换和放大设备12：在机械跟踪天线中，方位角和俯仰角误差αm-α数据10和εm-ε数据9进行D/A变换和功率放大；在相控阵天线中为波束控制计算和功率放大。
(7)驱动天线设备13：在机械跟踪天线中，为马达及传动装置；在相控阵天线中为控制天线阵移相器。经过天线驱动设备13驱动使方位角和俯仰角误差αm-α数据10和εm-ε数据9趋于零，即使αm＝α及εm＝ε。从而实现移动天线对目标的跟踪14。
(8)结构设计方面的考虑：一体化小天线和高放、全球导航定位卫星信号多通道接收机、相位差测量电路(含消除相位差测量模糊)等应采用一体化标准设计。
(9)本发明提供了一种移动式天线跟踪运动目标的设计思路及方法， 具体实现该设计思路的方法和途径很多，实例中仅给出了一种方案，但本发明不仅限于该方案，凡利用本发明的原理实现移动式天线跟踪运动目标均属于本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
本发明的天线跟踪系统如图1所示，它主要由全球导航卫星信号多点接收、处理和变换系统1、目标方向角和俯仰角系统2、多点接收小天线系统4、信号变换和放大设备12、天线驱动设备13组成，多点接收小天线系统4的输出与全球导航卫星信号多点接收、处理和变换系统1的输入相连，全球导航卫星信号多点接收、处理和变换系统1的方位角输出信号5与目标方向角和俯仰角系统2的方位角输出信号8比较后送入信号变换和放大设备12，全球导航卫星信号多点接收、处理和变换系统1的俯仰角角输出信号6与目标方向角和俯仰角系统2的俯仰角输出信号7比较后也送入信号变换和放大设备12中，信号变换和放大设备12的输出与天线驱动设备13的信号输入端相连。如图1所示，图中1为移动天线多点接收、处理和变换系统，2为目标方位角和俯仰角计算系统，3为目标位置或轨道预报，4为移动天线多点接收小天线系统，5为多点接收和处理系统计算出天线的方位角α，6为多点接收和处理系统计算出天线的俯仰角ε，7为计算出的目标俯仰角εm，8为计算出的目标方位角αm，9为目标俯仰角和天线的俯仰角之差εm-ε，10为目标方位角和天线的方位角之差αm-α，11为移动天线位置数据，12为变换和放大设备，13为驱动天线设备，14为跟踪目标，15.移动平台多点接收小天线系统，16.移动平台多点接收、处理和变换系统，17.移动平台姿态角移动平台，18.移动平台位置数据。
上述涉及到电路和控制部分均可采用现有技术加以实现。
利用若干现有的全球定位卫星作为参照系，通过安装在移动天线上的相应数量的小天线来取代现有的陀螺仪是本发明的关键，因此实现这一方法的系统不仅仅限于上述实施例所公开的方法，凡利用此原理设计的各类系统均属于本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种移动式天线跟踪运动目标的方法，其特征是：
a.在移动平台上设置移动平台多点接收小天线系统，这些小天线选择同时接收三颗或四颗全球导航定位卫星信号和数据，并送入移动平台多点接收和处理系统，移动平台多点接收和处理系统给出移动平台位置和相对于当地水平坐标系的姿态角的数据，所述的姿态角是航向角、俯仰角和横滚角；
b.在移动天线上设置移动天线多点接收小天线系统，这些小天线选择同时接收三颗或四颗全球导航定位卫星信号和数据，并送入移动天线多点接收和处理系统，移动天线多点接收和处理系统给出移动天线位置和相对于当地水平坐标系的姿态角的数据，所述的姿态角是航向角、俯仰角和横滚角；
c.利用移动平台位置和相对于当地水平坐标系的姿态角数据和移动天线位置和相对于当地水平坐标系的姿态角数据计算出移动天线相对于移动平台的方位角α和俯仰角ε数据；
d.根据目标位置或轨道预报数据以及上述所得的移动天线位置数据和移动平台相对于当地水平坐标系的姿态角数据计算出目标相对于移动平台的方位角αm和俯仰角εm数据；
e.计算移动天线和目标之间的方位角误差αm-α和俯仰角误差εm-ε的值，并送入变换和放大设备，在变换和放大设备中进行D/A变换和功率放大，再送入天线驱动设备；
f.天线驱动设备驱动移动天线的方位轴和俯仰轴，使上述的方位角误差αm-α和俯仰角误差εm-ε趋向零，从而实现移动天线对目标的跟踪。
2.根据权利要求1所述的移动式天线跟踪运动目标的方法，其特征是在移动平台上设置的接收小天线系统的数量为三个或四个，这些小天线选择同时接收三颗或四颗全球导航定位卫星信号和数据，并送入移动平台多点接收和处理系统，在移动平台多点接收和处理系统中进行放大、变换、相位差精确测量、消除相位差模糊和计算给出移动平台位置和相对于当地水平坐标系的姿态角的数据，以替代机电惯性陀螺数据，所述的姿态角是航向角、俯仰角和横滚角。
3.根据权利要求1所述的移动式天线跟踪运动目标的方法，其特征是在移动天线上设置的小天线的数量为三个或四个，这些小天线选择同时接收三颗或四颗全球导航定位卫星信号和数据，并送入移动天线多点接收和处理系统，在移动天线多点接收和处理系统中进行放大、变换、相位差精确测量、消除相位差模糊和计算给出移动天线位置和相对于当地水平坐标系的姿态角的数据，所述的姿态角是航向角、俯仰角和横滚角。
4.根据权利要求1所述的移动式天线跟踪运动目标的方法，其特征是利用移动天线的位置数据及相对于当地水平坐标系的姿态角数据和移动平台的位置数据及相对于当地水平坐标系的姿态角数据计算出移动天线相对于移动平台的方位角α和俯仰角ε数据，用以取代精密角度码盘的方位角α和俯仰角ε数据。
5.根据权利要求1所述的移动式天线跟踪运动目标的方法，其特征是天线驱动设备在机械跟踪天线中，为马达及传动装置；天线驱动设备驱动移动天线的方位轴和俯仰轴，使上述的方位角误差αm-α和俯仰角误差εm-ε趋向零，从而实现移动天线对目标的跟踪；在相控阵天线中为控制天线阵移相器，使天线波束对准目标。
6.根据权利要求1所述的移动式天线跟踪运动目标的方法，其特征是所述的全球导航定位卫星包括全球定位系统GPS、全球导航卫星系统GLONASS、欧洲GALILEO全球卫星导航系统和我国未来新型北斗全球定位系统。
7.根据权利要求1所述的移动式天线跟踪运动目标的方法，其特征是所述的移动平台为车辆、船舶、飞机、太空飞行器或各种武器系统。
8.一种实现权利要求1所述方法的系统，其特征是它由移动天线多点接收、处理和变换系统(1)、目标方位角和俯仰角计算系统(2)、移动天线多点接收小天线系统(4)、变换和放大设备(12)、天线驱动设备(13)、移动平台多点接收小天线系统(15)、移动平台多点接收、处理和变换系统(16)组成，移动天线多点接收小天线系统(4)的输出与移动天线多点接收、处理和变换系统(1)的输入相连，移动天线多点接收、处理和变换系统(1)的方位角输出信号(5)与目标方位角和俯仰角系统(2)的方位角输出(8)比较后送入变换和放大设备(12)，移动天线多点接收、处理和变换系统(1)的俯仰角输出信号(6)与目标方位角和俯仰角系统(2)的俯仰角输出信号(7)比较后也送入变换和放大设备(12)中，信号变换和放大设备(12)的输出与天线驱动设备(13)的信号输入端相连，移动平台多点接收小天线系统(15)的输出端与移动平台多点接收、处理和变换系统(16)的输入端相连接，移动平台多点接收、处理和变换系统(16)的移动平台姿态角数据输出端与移动天线多点接收、处理和变换系统(1)的输入相连接，移动平台多点接收、处理和变换系统(16)的移动平台位置数据输出端与移动天线多点接收、处理和变换系统(1)的输入相连接。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20110720 Termination date: 20140922 |
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