一种惯性/GNSS/卫星信标组合式动中通天线稳定跟踪方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201410353558.8

申请日:

2014.07.24

公开号:

CN104124528A

公开日:

2014.10.29

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情:

著录事项变更IPC(主分类):H01Q 3/02变更事项:发明人变更前:徐烨烽变更后:徐烨烽 徐韬|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H01Q 3/02申请日:20140724|||公开

IPC分类号:

H01Q3/02

主分类号:

H01Q3/02

申请人:

北京星网卫通科技开发有限公司

发明人:

徐烨烽

地址:

100176 北京市北京经济技术开发区兴业街2号3幢410

优先权:

2014.05.05 CN 201410185132.6

专利代理机构:

代理人:

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内容摘要

一种基于惯性/GNSS/卫星信标组合式天线稳定跟踪系统,采用低成本MEMS惯性/GNSS组合导航系统作为运动传感器,该系统安装在天线稳定跟踪控制系统的基座部分,控制系统将组合导航系统输出的角速率经过坐标变换后解算得到天线面的运动角速度,对天线进行第一级惯性稳定跟踪控制;此外,惯性/GNSS组合导航系统可以通过Kalman滤波组合导航算法计算得到较高精度的基座的俯仰角、横滚角、方位角,可对天线面进行二级稳定跟踪控制;在此基础上,通过天线面主动扫描运动及信号峰值识别技术,卫星信号接收机可以计算得到当前天线面偏离卫星的方位角和俯仰角,完成第三级的稳定跟踪控制,从而控制天线得到更好的跟踪效果,形成闭环式稳定控制。

权利要求书

1.  一种惯性/GNSS/卫星信标组合式动中通天线稳定跟踪方法,其特征在于:包括下列步骤:
①将惯性系统测量的基座角速率信息通过坐标转换得到天线坐标系下的角速率信息其中:
ω‾a=Cba×ω‾b]]>

θa,γa分别为基座坐标系相对于天线坐标系的俯仰角、横滚角、方位角;
②将作为指令角,对天线进行第一级稳定跟踪控制,其中ω‾a=ωaxωayωazT,ωax,ωay,ωaz]]>分别为天线坐标系俯仰轴、极化轴、方位轴的运动角速度;
③通过惯性/GNSS组合导航系统输出的俯仰角θb、γb计算天线面为对准卫星需要的俯仰指令角θp,极化指令角γp、方位指令角
④将步骤③计算得到俯仰指令角θp,极化指令角γp、方位指令角作为控制指令,控制电机驱动天线面,对天线进行第二级稳定跟踪控制,使得天线面能够对准卫星;
⑤在上述稳定的基础上,通过天线面主动扫描运动及信号峰值识别技术,卫星信号接收机可以计算得到当前天线面偏离卫星的方位角和俯仰角Δθp,将两个偏角作为控制指令,对天线面的方位角、俯仰角进行修正控制,完成第三级的稳定跟踪控制;
⑥通过以及Δθp修正后得到了正确的方位指令角和俯仰指令角θ′p,通过坐标反变换,可以反推得到惯导系统的俯仰、横滚、方位角修正指令Δθb、Δγb并计算得到正确的惯导俯仰、横滚、方位角为:
θ′b=θb+Δθb
γ′b=γb+Δγb

重复执行步骤①-⑥,可实现对天线的稳定跟踪控制。

2.
  一种惯性/GNSS/卫星信标组合式动中通天线稳定跟踪方法,其特征在于:所述步骤⑤天线面主动扫描运动及信号峰值识别技术的实现方法为:
1)当天线面完全对准卫星时,天线接收到的信号的强度最大,当天线面的方位角、俯仰角偏离卫星一定角度时,天线接收到的信号的强度将有所减弱,控制天线面的方位轴、俯仰轴在一定范围内做扫描运动,记录扫描过程中天线接收到的卫星信号的强度,可以建立天线面俯仰、方位轴偏离角与信号强度之间的函数关系:

式中,Vmax表示天线面对准卫星时最大的卫星信号强度值,V表示当前状态下卫星信号强度值,表示方位偏角引起的卫星信号强度的下降值;f2(Δθ)表示俯仰偏角Δθ引起的卫星信号强度的下降值;
2)控制天线面绕其方位轴和俯仰轴在空间内按一定的规律运动,其运动规律为:
ωtrackx=ω0×sin2πft]]>
ωtrackz=ω0×cos2πft]]>
式中,分别为天线面俯仰轴、方位轴的扫描运动角速度,ω0为俯仰方向、方位方向扫描运动的最大角速度,f为天线面扫描运动的频率;
3)记录天线面扫描运动过程中的卫星信号强度V以及对应的扫描运动角Δθ和并可以建立对应关系如下:

4)根据步骤2)可知,Δθ和相位相差90°,当|Δθ|最大时,为0;当最大时,Δθ为0;根据步骤1),定义在为0时,Δθ正向最大时的信号强度为Δθ负向最大时的信号强度为在Δθ为0时,正向最大时的信 号强度为负向最大时的信号强度为
5)将代入步骤1)所述的天线面俯仰、方位轴偏离角与信号强度之间的函数关系,可以计算得到天线面与卫星的偏离角Δθ和的值。

说明书

一种惯性/GNSS/卫星信标组合式动中通天线稳定跟踪方法
技术领域
本发明涉及一种动中通天线稳定跟踪方法,特别是一种惯性/GNSS/卫星信标组合式动中通天线稳定跟踪方法。
背景技术
动中通是利用地球同步卫星作为中继,可以在移动载体(运动中的车、船等)之间实现实时、高带宽、不间断地传递图像、视频、话音等多媒体信息,是卫星通信业最具前景的发展方向。
动中通的关键技术在于天线平台的稳定和跟踪技术,这是一个复杂的多学科的技术密集综合体,它包含了惯性导航技术、数据采集及信号处理技术、精密机械设计技术、精密机械运动学、伺服控制技术、卫星通信技术和系统工程等多项技术。这类稳定跟踪系统是机电一体化、自动控制技术为主体,是多学科有机结合的产物。
国外从七十年代就开始致力于移动卫星通信的研究,其中美国、日本和加拿大处于领先地位。据了解,美日等国早已研制出移动卫星电视接收系统,将天线平台的稳定跟踪技术应用于商业领域,如美国的许多商用游艇、日本的新干线子弹头火车、福特的汽车、波音公司的飞机上等都装备了移动卫星电视接收系统。
国外的动中通设备发展更为迅速,如美国格鲁曼公司、KVH公司、海洋通信(Sea Tel)公司、日本NHK公司的海事卫星车载站、船载站、机载站等已经是推向市场的相当稳定的产品,广泛应用于商用和军用领域。国外的动中通设备虽然具有质量可靠、性能稳定等优点,但存在几个不可避免的问题:(1)、技术方案一般采用传统的稳控方案,系统选用较高成本的惯性器件,系统的控制精度完全依赖于惯性器件的精度,一般需要选用光纤或者激光惯性导航系统,系统的成本很难得到控制;同时,由于进口关税以及代理商的中间利润,使得用 户采购的价格往往较高,一般的用户很难承受其销售价格,因此无法大面积推广使用;(2)、国外产品涉及到进口,产品的供货时间和供货数量无法得到保障,同时,产品的技术支持以及售后服务无法得到及时保障,尤其是涉及到用户使用特点的技术改造,一般无法完成,从而限制了推广;(3)部分国家的主要天线禁止或限制向中国进口,尤其是一些高性能涉及军事应用的天线,如KU、KA双频段天线,KA天线等均限制出口;(4)动中通天线一般均使用在政府、公安、武警、军队等应急通信领域,对通信系统的保密性有着十分苛刻的要求,而国外进口产品在保密性上完全无法保障和控制;(5)进口动中通天线一般都使用GPS定位系统没有配备北斗导航定位系统,这使得系统在紧急情况下降无法使用。
相比于国外,我国的移动卫星通信产业起步时间不长,虽然缺少部分经验,但已经取得了初步的成功,已经有一些厂家研制出动中通产品,比如电子科技集团的54所、38所、39所、714所,航天科技集团503所等。如54所研制的KU波段车载动中通天线已经在军队系统得到了小范围的应用推广,38所研制的动中通天线已经在神州7号、8号、9号返回舱搜救保障系统中得到了成功应用。但从目前国内已有的动中通天线开发情况来看,主要存在如下几个问题:(1)这些研究所开发的动中通天线系统主要是面向政府及部队等对价格相对不敏感的部门,没有对系统的成本进行有效的控制,同时由于技术方案相对比较保守,采用的均是传统的高精度惯导稳定控制方案,系统成本无法从根本上得到控制,因此,产品的应用推广同样受到很大的限制;(2)目前国内的动中通开发厂家主要都是传统的微波通信研究院所,这些院所的专业特长主要是天线系统、通信链路的设计,对运动测量系统、伺服跟踪控制系统的研究一般相对较少,而动中通天线的技术核心和关键是高精度实时运动测量和伺服跟踪控制系统,因此,目前已研发成功的动中通天线的稳定效果、实时跟踪精度、运动条件适应性等性能指标都不是十分理想。
运动传感和反馈控制是卫星天线系统指向稳定和实时高精度跟踪的基础, 传统的天线稳定跟踪系统往往有三种解决方案:第一种控制方案是采用陀螺角速率反馈和卫星信号扫描相结合的方案,该方案实现方式比较简单,具有较高的带宽及实时性,但往往存在如下3个问题:1、系统只是基于角速率跟踪和信号反馈控制,没有引入姿态角、方位角的概念,天线一旦没有跟踪上卫星,重新寻星会变得非常困难,同时,由于陀螺漂移的存在,动态条件下寻星及丢星再捕获显得更加困难;2、低成本MEMS陀螺的漂移使得系统的指向精度很难得到保证,如果选用高精度陀螺则成本也较难控制;3、优于卫星信号扫描的频率相对较低,一般不超过1Hz,当角速率跟踪存在误差时,单纯靠卫星信号扫描跟踪往往不能确保较好的跟踪效果,系统的整体跟踪精度不高,尤其在颠簸、连续转弯等路段,系统的跟踪性能会大大下降,一般很难满足用户需求。第二种控制方案是采用陀螺角速率反馈和单脉冲跟踪相结合的方案,该方案与第一种方案同样存在具有较高的带宽及实时性,但方案一所述的问题1和问题2同样存在,此外,单脉冲接收机是基于卫星信号强度和相位比较原理设计的微波信号处理器,可以实时高带宽地输出天线的跟踪误差角,系统可以确保具有较好的跟踪效果,但单脉冲接收机的微波网络和电路系统均十分复杂,成本非常昂贵,一般用户很难承受;第三种控制方案是基于高精度惯导系统的姿态反馈方案,该方案直接采用姿态角、方位角反馈控制,天线指向角较为精确,但由于姿态角、方位角输出较角速率慢一帧,系统及时性有所下降,同时,为了获得较高精度的姿态测量信息,一般也需要选用高精度的光纤或者激光惯性导航系统,系统的成本极其昂贵。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供一种惯性/GNSS/卫星信标组合式动中通天线稳定跟踪方法。
本发明技术解决方案为:
本发明提出一种基于惯性/GNSS/卫星信标组合式天线稳定跟踪系统,系统采用低成本MEMS惯性/GNSS组合导航系统作为运动传感器,该组合导航系统 安装在天线稳定跟踪控制系统的基座部分,可以输出基座的角速率、加速度、位置、速度、姿态等信息。控制系统将组合导航系统输出的角速率经过坐标变换后解算得到天线面的运动角速度,并用此角速率作为内环稳定指令,对天线进行第一级惯性稳定;此外,惯性/GNSS组合导航系统可以通过Kalman滤波组合导航算法计算得到较高精度的基座的俯仰角、横滚角、方位角,控制系统将这三个角通过坐标变换后得到天线面相对于卫星的三轴偏角,并以此作为输入指令,对天线面进行二级稳定及姿态跟踪;在此基础上,通过天线面主动扫描运动及信号峰值识别技术,卫星信号接收机可以计算得到当前天线面偏离卫星的方位角和俯仰角,一方面,这两个偏角可以直接作为控制指令,对天线面的方位角、俯仰角进行修正控制,完成第三级的稳定跟踪,得到更为精确的跟踪效果,与此同时,将此偏角经过坐标反变换后可以得到惯性/GNSS组合导航系统的姿态角及陀螺角速率输出误差,并对组合导航系统进行姿态角、角速率修正,以使惯性/GNSS组合导航系统在卫星信标的辅助下得到更为精确的姿态、航向输出信息,从而控制天线得到更好的跟踪效果,形成闭环式稳定控制。
一种惯性/GNSS/卫星信标组合式动中通天线稳定跟踪方法,包括下列步骤:
①将惯性系统测量的基座角速率信息通过坐标转换得到天线坐标系下的角速率信息其中:
ω‾a=Cba×ω‾b---(1)]]>

θa,γa分别为基座坐标系相对于天线坐标系的俯仰角、横滚角、方位角;
②将作为指令角,对天线进行第一级稳定跟踪控制,其中ω‾a=ωaxωayωazT,ωax,ωay,ωaz]]>分别为天线坐标系俯仰轴、极化轴、方位轴的运动角速度;
③通过惯性/GNSS组合导航系统输出的俯仰角θb、γb计算天线面为对准卫星需要的俯仰指令角θp,极化指令角γp、方位指令角
④将步骤③计算得到俯仰指令角θp,极化指令角γp、方位指令角作为控制指令,控制电机驱动天线面,进行第二级稳定跟踪控制,使得天线面能够对准卫星。
⑤在上述稳定的基础上,通过天线面主动扫描运动及信号峰值识别技术,卫星信号接收机可以计算得到当前天线面偏离卫星的方位角和俯仰角Δθp,将两个偏角作为控制指令,对天线面的方位角、俯仰角进行修正控制,完成第三级的稳定跟踪控制。
⑥通过以及Δθp修正后得到了正确的方位指令角和俯仰指令角θ′p,通过坐标反变换,可以反推得到惯导系统的俯仰、横滚、方位角修正指令Δθb、Δγb并计算得到正确的惯导俯仰、横滚、方位角为:
θ′b=θb+Δθb
γ′b=γb+Δγb

将上式(3)代入式(1)、式(2),重复执行步骤①-⑥,可实现对天线的稳定跟踪控制。
所述步骤⑤天线面主动扫描运动及信号峰值识别技术的实现方法为:
1)当天线面完全对准卫星时,天线接收到的信号的强度最大,当天线面的方位角、俯仰角偏离卫星一定角度时,天线接收到的信号的强度将有所减弱,控制天线面的方位轴、俯仰轴在一定的小范围内做扫描运动,记录扫描过程中天线接收到的卫星信号的强度,可以建立天线面俯仰、方位轴偏离角与信号强度之间的函数关系:

式中,Vmax表示天线面对准卫星时最大的卫星信号强度值,V表示当前状态 下卫星信号强度值,表示方位偏角引起的卫星信号强度的下降值;f2(Δθ)表示俯仰偏角Δθ引起的卫星信号强度的下降值;
2)控制天线面绕其方位轴和俯仰轴在空间内按一定的规律运动,其运动规律为:
ωtrackx=ω0×sin2πft]]>
    (5)
ωtrackz=ω0×cos2πft]]>
式中,分别为天线面俯仰轴、方位轴的扫描运动角速度,ω0为俯仰方向、方位方向扫描运动的最大角速度,f为天线面扫描运动的频率;
3)记录天线面扫描运动过程中的卫星信号强度V以及对应的扫描运动角Δθ和并可以建立对应关系如下:

4)根据式(5)可知,Δθ和相位相差90°,当|Δθ|最大时,为0;当最大时,Δθ为0;根据式(4)和式(5),定义在为0时,Δθ正向最大时的信号强度为Δθ负向最大时的信号强度为在Δθ为0时,正向最大时的信号强度为负向最大时的信号强度为
5)将代入式(4)所述的天线面俯仰、方位轴偏离角与信号强度之间的函数关系,可以计算得到天线面与卫星的偏离角Δθ和的值。
本发明的工作原理为:移动卫星通信天线(简称“动中通”),可使卫星天线在移动的载体(车、船、飞机)上始终对准地球同步卫星,实现高带宽的实时图像及数据传输,在国防、边防、反恐、应急救灾、远洋运输、政府等部门具有十分广泛的应用前景,是应急通信及偏远通信的最重要的手段,可真正实现“互联无处不在”。
伺服跟踪控制系统技术是“动中通”天线的核心技术,为了使得卫星天线可以实时高精度地跟踪卫星,必须解决以下2个主要问题:
(1)在载体运动过程中,需要有高性能的传感器实时、高精度地测量载体的运动姿态和位置变化量;
(2)根据载体的姿态变化,实时解算天线指向角在空间的变化量,并通过高性能电机组成的伺服跟踪控制系统快速隔离载体的运动,使得天线指向角在惯性空间保持一致,确保锁定卫星信号的最大值。
动中通天线的底座上安装有一套惯性导航系统,该系统可以准确地测量出载体的位置信息(经度、纬度)、姿态信息(俯仰、横滚、方位)和三轴角速度信息,控制系统根据所使用的卫星经度和载体的位置信息计算出地理坐标系下的卫星俯仰角、极化角、方位角,再结合惯导姿态信息并通过坐标系转换,将地理坐标系的卫星俯仰角、极化角、方位角转换为载体(如车体)坐标系下的天线转角。伺服系统将实时根据载体的位置、航向和姿态信息计算出天线相对卫星的方位角、俯仰角和极化角,根据位置闭环(采用编码器反馈实现)控制电机调整到相应的转角对准卫星。
本发明与现有技术相比的优点在于:本发明提出一种陀螺、组合导航系统、卫星信号三级反馈的稳定跟踪技术,系统首先利用陀螺角速率反馈信号进行前馈控制,确保系统的及时性;然后将低成本MEMS惯性器件与卫星导航系统(GPS/北斗)进行信息融合,实现姿态测量的稳定性及准确性,同时利用姿态信号进行二级反馈,确保天线指向角的准确性,由于系统采用GPS/北斗信号辅助惯性测量,修正MEMS惯性器件的误差,从而使得低成本惯性器件可以满足高精度控制的要求,在确保控制系统性能的基础上,大大降低了系统的成本;最后将卫星信号引入闭环控制系统,利用卫星信号识别技术估计天线的跟踪偏角,通过三级反馈确保天线指向角始终处于信号最大位置,再次确保指向精度,提高了系统的跟踪可靠性,系统可在组合导航系统性能下降或不工作的情况下保证系统工作的稳定性及可靠性,且可进一步放宽控制系统对惯性器件的精度依赖,进一步降低成本。此外,卫星信标信号可以修正惯性/GNSS组合导航系统的姿态误差,并进一步估计得到陀螺的角速率误差,从而可以提高第一级(速率环)和第二级(姿态环)的稳定跟踪精度。
附图说明
图1为本发明的天线稳定跟踪方法流程图。
具体实施方式
1、一种惯性/GNSS/卫星信标组合式动中通天线稳定跟踪方法,其实施过程如图1所示,具体包括下列步骤:
①将惯性系统测量的基座角速率信息通过坐标转换得到天线坐标系下的角速率信息其中:
ω‾a=Cba×ω‾b---(1)]]>

θa,γa分别为基座坐标系相对于天线坐标系的俯仰角、横滚角、方位角;
②将作为指令角,对天线进行第一级稳定跟踪控制,其中ω‾a=ωaxωayωazT,ωax,ωay,ωaz]]>分别为天线坐标系俯仰轴、极化轴、方位轴的运动角速度。
③通过惯性/GNSS组合导航系统输出的俯仰角θb、γb计算天线面为对准卫星需要的俯仰指令角θp,极化指令角γp、方位指令角
④将步骤③计算得到俯仰指令角θp,极化指令角γp、方位指令角作为控制指令,控制电机驱动天线面,实现第二级的稳定跟踪控制,从而确保天线面能够精确对准卫星。
⑤在上述稳定的基础上,通过天线面主动扫描运动及信号峰值识别技术,卫星信号接收机可以计算得到当前天线面偏离卫星的方位角和俯仰角Δθp,将两个偏角作为控制指令,对天线面的方位角、俯仰角进行修正控制,完成第三级的稳定跟踪控制。
⑥通过以及Δθp修正后得到了正确的方位指令角和俯仰指令角θ′p,通 过坐标反变换,可以反推得到惯导系统的俯仰、横滚、方位角修正指令Δθb、Δγb并计算得到正确的惯导俯仰、横滚、方位角为:
θ′b=θb+Δθb
γ′b=γb+Δγb

将上式(3)代入式(1)、式(2),重复执行步骤①-⑥,可实现对天线的稳定跟踪控制。
所述步骤⑤天线面主动扫描运动及信号峰值识别技术的实现方法为:
1)当天线面完全对准卫星时,天线接收到的信号的强度最大,当天线面的方位角、俯仰角偏离卫星一定角度时,天线接收到的信号的强度将有所减弱,控制天线面的方位轴、俯仰轴在一定的小范围内做扫描运动,记录扫描过程中天线接收到的卫星信号的强度,可以建立天线面俯仰、方位轴偏离角与信号强度之间的函数关系:

式中,Vmax表示天线面对准卫星时最大的卫星信号强度值,V表示当前状态下卫星信号强度值,表示方位偏角引起的卫星信号强度的下降值;f2(Δθ)表示俯仰偏角Δθ引起的卫星信号强度的下降值;
2)控制天线面绕其方位轴和俯仰轴在空间内按一定的规律运动,其运动规律为:
ωtrackx=ω0×sin2πft]]>
    (5)
ωtrackz=ω0×cos2πft]]>
式中,分别为天线面俯仰轴、方位轴的扫描运动角速度,ω0为俯仰方向、方位方向扫描运动的最大角速度,f为天线面扫描运动的频率;
3)记录天线面扫描运动过程中的卫星信号强度V以及对应的扫描运动角Δθ和并可以建立对应关系如下:

4)根据式(5)可知,Δθ和阳位相差90°,当|Δθ|最大时,为0;当最大时,Δθ为0;根据式(4)和式(5),定义在为0时,Δθ正向最大时的信号强度为Δθ负向最大时的信号强度为在Δθ为0时,正向最大时的信号强度为负向最大时的信号强度为
5)将代入式(4),可以计算得到天线面与卫星的偏离角Δθ和的值。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
显然,对于本领域的普通技术人员来说,参照上文所述的实施例还可能做出其它的实施方式。本发明中的实施例都只是示例性的、而不是局限性的。所有的在本发明的权利要求技术方案的本质之内的修改都属于其所要求保护的范围。

一种惯性/GNSS/卫星信标组合式动中通天线稳定跟踪方法.pdf_第1页
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一种惯性/GNSS/卫星信标组合式动中通天线稳定跟踪方法.pdf_第3页
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1、10申请公布号CN104124528A43申请公布日20141029CN104124528A21申请号201410353558822申请日20140724201410185132620140505CNH01Q3/0220060171申请人北京星网卫通科技开发有限公司地址100176北京市北京经济技术开发区兴业街2号3幢41072发明人徐烨烽54发明名称一种惯性/GNSS/卫星信标组合式动中通天线稳定跟踪方法57摘要一种基于惯性/GNSS/卫星信标组合式天线稳定跟踪系统,采用低成本MEMS惯性/GNSS组合导航系统作为运动传感器,该系统安装在天线稳定跟踪控制系统的基座部分,控制系统将组合导航系统。

2、输出的角速率经过坐标变换后解算得到天线面的运动角速度,对天线进行第一级惯性稳定跟踪控制;此外,惯性/GNSS组合导航系统可以通过KALMAN滤波组合导航算法计算得到较高精度的基座的俯仰角、横滚角、方位角,可对天线面进行二级稳定跟踪控制;在此基础上,通过天线面主动扫描运动及信号峰值识别技术,卫星信号接收机可以计算得到当前天线面偏离卫星的方位角和俯仰角,完成第三级的稳定跟踪控制,从而控制天线得到更好的跟踪效果,形成闭环式稳定控制。66本国优先权数据51INTCL权利要求书2页说明书7页附图1页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书7页附图1页10申请公布号CN1041。

3、24528ACN104124528A1/2页21一种惯性/GNSS/卫星信标组合式动中通天线稳定跟踪方法,其特征在于包括下列步骤将惯性系统测量的基座角速率信息通过坐标转换得到天线坐标系下的角速率信息其中A,A,分别为基座坐标系相对于天线坐标系的俯仰角、横滚角、方位角;将作为指令角,对天线进行第一级稳定跟踪控制,其中分别为天线坐标系俯仰轴、极化轴、方位轴的运动角速度;通过惯性/GNSS组合导航系统输出的俯仰角B、B、计算天线面为对准卫星需要的俯仰指令角P,极化指令角P、方位指令角将步骤计算得到俯仰指令角P,极化指令角P、方位指令角作为控制指令,控制电机驱动天线面,对天线进行第二级稳定跟踪控制,使。

4、得天线面能够对准卫星;在上述稳定的基础上,通过天线面主动扫描运动及信号峰值识别技术,卫星信号接收机可以计算得到当前天线面偏离卫星的方位角和俯仰角P,将两个偏角作为控制指令,对天线面的方位角、俯仰角进行修正控制,完成第三级的稳定跟踪控制;通过以及P修正后得到了正确的方位指令角和俯仰指令角P,通过坐标反变换,可以反推得到惯导系统的俯仰、横滚、方位角修正指令B、B、并计算得到正确的惯导俯仰、横滚、方位角为BBBBBB重复执行步骤,可实现对天线的稳定跟踪控制。2一种惯性/GNSS/卫星信标组合式动中通天线稳定跟踪方法,其特征在于所述步骤天线面主动扫描运动及信号峰值识别技术的实现方法为1当天线面完全对准。

5、卫星时,天线接收到的信号的强度最大,当天线面的方位角、俯仰角偏离卫星一定角度时,天线接收到的信号的强度将有所减弱,控制天线面的方位轴、俯仰轴在一定范围内做扫描运动,记录扫描过程中天线接收到的卫星信号的强度,可以建立天线面俯仰、方位轴偏离角与信号强度之间的函数关系权利要求书CN104124528A2/2页3式中,VMAX表示天线面对准卫星时最大的卫星信号强度值,V表示当前状态下卫星信号强度值,表示方位偏角引起的卫星信号强度的下降值;F2表示俯仰偏角引起的卫星信号强度的下降值;2控制天线面绕其方位轴和俯仰轴在空间内按一定的规律运动,其运动规律为式中,分别为天线面俯仰轴、方位轴的扫描运动角速度,0为。

6、俯仰方向、方位方向扫描运动的最大角速度,F为天线面扫描运动的频率;3记录天线面扫描运动过程中的卫星信号强度V以及对应的扫描运动角和并可以建立对应关系如下4根据步骤2可知,和相位相差90,当|最大时,为0;当最大时,为0;根据步骤1,定义在为0时,正向最大时的信号强度为负向最大时的信号强度为在为0时,正向最大时的信号强度为负向最大时的信号强度为5将代入步骤1所述的天线面俯仰、方位轴偏离角与信号强度之间的函数关系,可以计算得到天线面与卫星的偏离角和的值。权利要求书CN104124528A1/7页4一种惯性/GNSS/卫星信标组合式动中通天线稳定跟踪方法技术领域0001本发明涉及一种动中通天线稳定跟。

7、踪方法,特别是一种惯性/GNSS/卫星信标组合式动中通天线稳定跟踪方法。背景技术0002动中通是利用地球同步卫星作为中继,可以在移动载体运动中的车、船等之间实现实时、高带宽、不间断地传递图像、视频、话音等多媒体信息,是卫星通信业最具前景的发展方向。0003动中通的关键技术在于天线平台的稳定和跟踪技术,这是一个复杂的多学科的技术密集综合体,它包含了惯性导航技术、数据采集及信号处理技术、精密机械设计技术、精密机械运动学、伺服控制技术、卫星通信技术和系统工程等多项技术。这类稳定跟踪系统是机电一体化、自动控制技术为主体,是多学科有机结合的产物。0004国外从七十年代就开始致力于移动卫星通信的研究,其中。

8、美国、日本和加拿大处于领先地位。据了解,美日等国早已研制出移动卫星电视接收系统,将天线平台的稳定跟踪技术应用于商业领域,如美国的许多商用游艇、日本的新干线子弹头火车、福特的汽车、波音公司的飞机上等都装备了移动卫星电视接收系统。0005国外的动中通设备发展更为迅速,如美国格鲁曼公司、KVH公司、海洋通信SEATEL公司、日本NHK公司的海事卫星车载站、船载站、机载站等已经是推向市场的相当稳定的产品,广泛应用于商用和军用领域。国外的动中通设备虽然具有质量可靠、性能稳定等优点,但存在几个不可避免的问题1、技术方案一般采用传统的稳控方案,系统选用较高成本的惯性器件,系统的控制精度完全依赖于惯性器件的精。

9、度,一般需要选用光纤或者激光惯性导航系统,系统的成本很难得到控制;同时,由于进口关税以及代理商的中间利润,使得用户采购的价格往往较高,一般的用户很难承受其销售价格,因此无法大面积推广使用;2、国外产品涉及到进口,产品的供货时间和供货数量无法得到保障,同时,产品的技术支持以及售后服务无法得到及时保障,尤其是涉及到用户使用特点的技术改造,一般无法完成,从而限制了推广;3部分国家的主要天线禁止或限制向中国进口,尤其是一些高性能涉及军事应用的天线,如KU、KA双频段天线,KA天线等均限制出口;4动中通天线一般均使用在政府、公安、武警、军队等应急通信领域,对通信系统的保密性有着十分苛刻的要求,而国外进口。

10、产品在保密性上完全无法保障和控制;5进口动中通天线一般都使用GPS定位系统没有配备北斗导航定位系统,这使得系统在紧急情况下降无法使用。0006相比于国外,我国的移动卫星通信产业起步时间不长,虽然缺少部分经验,但已经取得了初步的成功,已经有一些厂家研制出动中通产品,比如电子科技集团的54所、38所、39所、714所,航天科技集团503所等。如54所研制的KU波段车载动中通天线已经在军队系统得到了小范围的应用推广,38所研制的动中通天线已经在神州7号、8号、9号返回舱搜救保障系统中得到了成功应用。但从目前国内已有的动中通天线开发情况来看,主要存在说明书CN104124528A2/7页5如下几个问题。

11、1这些研究所开发的动中通天线系统主要是面向政府及部队等对价格相对不敏感的部门,没有对系统的成本进行有效的控制,同时由于技术方案相对比较保守,采用的均是传统的高精度惯导稳定控制方案,系统成本无法从根本上得到控制,因此,产品的应用推广同样受到很大的限制;2目前国内的动中通开发厂家主要都是传统的微波通信研究院所,这些院所的专业特长主要是天线系统、通信链路的设计,对运动测量系统、伺服跟踪控制系统的研究一般相对较少,而动中通天线的技术核心和关键是高精度实时运动测量和伺服跟踪控制系统,因此,目前已研发成功的动中通天线的稳定效果、实时跟踪精度、运动条件适应性等性能指标都不是十分理想。0007运动传感和反馈控。

12、制是卫星天线系统指向稳定和实时高精度跟踪的基础,传统的天线稳定跟踪系统往往有三种解决方案第一种控制方案是采用陀螺角速率反馈和卫星信号扫描相结合的方案,该方案实现方式比较简单,具有较高的带宽及实时性,但往往存在如下3个问题1、系统只是基于角速率跟踪和信号反馈控制,没有引入姿态角、方位角的概念,天线一旦没有跟踪上卫星,重新寻星会变得非常困难,同时,由于陀螺漂移的存在,动态条件下寻星及丢星再捕获显得更加困难;2、低成本MEMS陀螺的漂移使得系统的指向精度很难得到保证,如果选用高精度陀螺则成本也较难控制;3、优于卫星信号扫描的频率相对较低,一般不超过1HZ,当角速率跟踪存在误差时,单纯靠卫星信号扫描跟。

13、踪往往不能确保较好的跟踪效果,系统的整体跟踪精度不高,尤其在颠簸、连续转弯等路段,系统的跟踪性能会大大下降,一般很难满足用户需求。第二种控制方案是采用陀螺角速率反馈和单脉冲跟踪相结合的方案,该方案与第一种方案同样存在具有较高的带宽及实时性,但方案一所述的问题1和问题2同样存在,此外,单脉冲接收机是基于卫星信号强度和相位比较原理设计的微波信号处理器,可以实时高带宽地输出天线的跟踪误差角,系统可以确保具有较好的跟踪效果,但单脉冲接收机的微波网络和电路系统均十分复杂,成本非常昂贵,一般用户很难承受;第三种控制方案是基于高精度惯导系统的姿态反馈方案,该方案直接采用姿态角、方位角反馈控制,天线指向角较为。

14、精确,但由于姿态角、方位角输出较角速率慢一帧,系统及时性有所下降,同时,为了获得较高精度的姿态测量信息,一般也需要选用高精度的光纤或者激光惯性导航系统,系统的成本极其昂贵。发明内容0008本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足,提供一种惯性/GNSS/卫星信标组合式动中通天线稳定跟踪方法。0009本发明技术解决方案为0010本发明提出一种基于惯性/GNSS/卫星信标组合式天线稳定跟踪系统,系统采用低成本MEMS惯性/GNSS组合导航系统作为运动传感器,该组合导航系统安装在天线稳定跟踪控制系统的基座部分,可以输出基座的角速率、加速度、位置、速度、姿态等信息。控制系统将组合导航系统输出的角速率经。

15、过坐标变换后解算得到天线面的运动角速度,并用此角速率作为内环稳定指令,对天线进行第一级惯性稳定;此外,惯性/GNSS组合导航系统可以通过KALMAN滤波组合导航算法计算得到较高精度的基座的俯仰角、横滚角、方位角,控制系统将这三个角通过坐标变换后得到天线面相对于卫星的三轴偏角,并以此作为输入指令,对天线面进行二级稳定及姿态跟踪;在此基础上,通过天线面主动扫描运动及信号峰值说明书CN104124528A3/7页6识别技术,卫星信号接收机可以计算得到当前天线面偏离卫星的方位角和俯仰角,一方面,这两个偏角可以直接作为控制指令,对天线面的方位角、俯仰角进行修正控制,完成第三级的稳定跟踪,得到更为精确的跟。

16、踪效果,与此同时,将此偏角经过坐标反变换后可以得到惯性/GNSS组合导航系统的姿态角及陀螺角速率输出误差,并对组合导航系统进行姿态角、角速率修正,以使惯性/GNSS组合导航系统在卫星信标的辅助下得到更为精确的姿态、航向输出信息,从而控制天线得到更好的跟踪效果,形成闭环式稳定控制。0011一种惯性/GNSS/卫星信标组合式动中通天线稳定跟踪方法,包括下列步骤0012将惯性系统测量的基座角速率信息通过坐标转换得到天线坐标系下的角速率信息其中001300140015A,A,分别为基座坐标系相对于天线坐标系的俯仰角、横滚角、方位角;0016将作为指令角,对天线进行第一级稳定跟踪控制,其中分别为天线坐标。

17、系俯仰轴、极化轴、方位轴的运动角速度;0017通过惯性/GNSS组合导航系统输出的俯仰角B、B、计算天线面为对准卫星需要的俯仰指令角P,极化指令角P、方位指令角0018将步骤计算得到俯仰指令角P,极化指令角P、方位指令角作为控制指令,控制电机驱动天线面,进行第二级稳定跟踪控制,使得天线面能够对准卫星。0019在上述稳定的基础上,通过天线面主动扫描运动及信号峰值识别技术,卫星信号接收机可以计算得到当前天线面偏离卫星的方位角和俯仰角P,将两个偏角作为控制指令,对天线面的方位角、俯仰角进行修正控制,完成第三级的稳定跟踪控制。0020通过以及P修正后得到了正确的方位指令角和俯仰指令角P,通过坐标反变换。

18、,可以反推得到惯导系统的俯仰、横滚、方位角修正指令B、B、并计算得到正确的惯导俯仰、横滚、方位角为0021BBB0022BBB00230024将上式3代入式1、式2,重复执行步骤,可实现对天线的稳定跟踪控说明书CN104124528A4/7页7制。0025所述步骤天线面主动扫描运动及信号峰值识别技术的实现方法为00261当天线面完全对准卫星时,天线接收到的信号的强度最大,当天线面的方位角、俯仰角偏离卫星一定角度时,天线接收到的信号的强度将有所减弱,控制天线面的方位轴、俯仰轴在一定的小范围内做扫描运动,记录扫描过程中天线接收到的卫星信号的强度,可以建立天线面俯仰、方位轴偏离角与信号强度之间的函数。

19、关系00270028式中,VMAX表示天线面对准卫星时最大的卫星信号强度值,V表示当前状态下卫星信号强度值,表示方位偏角引起的卫星信号强度的下降值;F2表示俯仰偏角引起的卫星信号强度的下降值;00292控制天线面绕其方位轴和俯仰轴在空间内按一定的规律运动,其运动规律为00300031500320033式中,分别为天线面俯仰轴、方位轴的扫描运动角速度,0为俯仰方向、方位方向扫描运动的最大角速度,F为天线面扫描运动的频率;00343记录天线面扫描运动过程中的卫星信号强度V以及对应的扫描运动角和并可以建立对应关系如下003500364根据式5可知,和相位相差90,当|最大时,为0;当最大时,为0;根。

20、据式4和式5,定义在为0时,正向最大时的信号强度为负向最大时的信号强度为在为0时,正向最大时的信号强度为负向最大时的信号强度为00375将代入式4所述的天线面俯仰、方位轴偏离角与信号强度之间的函数关系,可以计算得到天线面与卫星的偏离角和的值。0038本发明的工作原理为移动卫星通信天线简称“动中通”,可使卫星天线在移动的载体车、船、飞机上始终对准地球同步卫星,实现高带宽的实时图像及数据传输,在国防、边防、反恐、应急救灾、远洋运输、政府等部门具有十分广泛的应用前景,是应急通信及偏远通信的最重要的手段,可真正实现“互联无处不在”。0039伺服跟踪控制系统技术是“动中通”天线的核心技术,为了使得卫星天。

21、线可以实时高精度地跟踪卫星,必须解决以下2个主要问题00401在载体运动过程中,需要有高性能的传感器实时、高精度地测量载体的运动姿态和位置变化量;说明书CN104124528A5/7页800412根据载体的姿态变化,实时解算天线指向角在空间的变化量,并通过高性能电机组成的伺服跟踪控制系统快速隔离载体的运动,使得天线指向角在惯性空间保持一致,确保锁定卫星信号的最大值。0042动中通天线的底座上安装有一套惯性导航系统,该系统可以准确地测量出载体的位置信息经度、纬度、姿态信息俯仰、横滚、方位和三轴角速度信息,控制系统根据所使用的卫星经度和载体的位置信息计算出地理坐标系下的卫星俯仰角、极化角、方位角,。

22、再结合惯导姿态信息并通过坐标系转换,将地理坐标系的卫星俯仰角、极化角、方位角转换为载体如车体坐标系下的天线转角。伺服系统将实时根据载体的位置、航向和姿态信息计算出天线相对卫星的方位角、俯仰角和极化角,根据位置闭环采用编码器反馈实现控制电机调整到相应的转角对准卫星。0043本发明与现有技术相比的优点在于本发明提出一种陀螺、组合导航系统、卫星信号三级反馈的稳定跟踪技术,系统首先利用陀螺角速率反馈信号进行前馈控制,确保系统的及时性;然后将低成本MEMS惯性器件与卫星导航系统GPS/北斗进行信息融合,实现姿态测量的稳定性及准确性,同时利用姿态信号进行二级反馈,确保天线指向角的准确性,由于系统采用GPS。

23、/北斗信号辅助惯性测量,修正MEMS惯性器件的误差,从而使得低成本惯性器件可以满足高精度控制的要求,在确保控制系统性能的基础上,大大降低了系统的成本;最后将卫星信号引入闭环控制系统,利用卫星信号识别技术估计天线的跟踪偏角,通过三级反馈确保天线指向角始终处于信号最大位置,再次确保指向精度,提高了系统的跟踪可靠性,系统可在组合导航系统性能下降或不工作的情况下保证系统工作的稳定性及可靠性,且可进一步放宽控制系统对惯性器件的精度依赖,进一步降低成本。此外,卫星信标信号可以修正惯性/GNSS组合导航系统的姿态误差,并进一步估计得到陀螺的角速率误差,从而可以提高第一级速率环和第二级姿态环的稳定跟踪精度。附。

24、图说明0044图1为本发明的天线稳定跟踪方法流程图。具体实施方式00451、一种惯性/GNSS/卫星信标组合式动中通天线稳定跟踪方法,其实施过程如图1所示,具体包括下列步骤0046将惯性系统测量的基座角速率信息通过坐标转换得到天线坐标系下的角速率信息其中004700480049A,A,分别为基座坐标系相对于天线坐标系的俯仰角、横滚角、方位角;说明书CN104124528A6/7页90050将作为指令角,对天线进行第一级稳定跟踪控制,其中分别为天线坐标系俯仰轴、极化轴、方位轴的运动角速度。0051通过惯性/GNSS组合导航系统输出的俯仰角B、B、计算天线面为对准卫星需要的俯仰指令角P,极化指令角。

25、P、方位指令角0052将步骤计算得到俯仰指令角P,极化指令角P、方位指令角作为控制指令,控制电机驱动天线面,实现第二级的稳定跟踪控制,从而确保天线面能够精确对准卫星。0053在上述稳定的基础上,通过天线面主动扫描运动及信号峰值识别技术,卫星信号接收机可以计算得到当前天线面偏离卫星的方位角和俯仰角P,将两个偏角作为控制指令,对天线面的方位角、俯仰角进行修正控制,完成第三级的稳定跟踪控制。0054通过以及P修正后得到了正确的方位指令角和俯仰指令角P,通过坐标反变换,可以反推得到惯导系统的俯仰、横滚、方位角修正指令B、B、并计算得到正确的惯导俯仰、横滚、方位角为0055BBB0056BBB00570。

26、058将上式3代入式1、式2,重复执行步骤,可实现对天线的稳定跟踪控制。0059所述步骤天线面主动扫描运动及信号峰值识别技术的实现方法为00601当天线面完全对准卫星时,天线接收到的信号的强度最大,当天线面的方位角、俯仰角偏离卫星一定角度时,天线接收到的信号的强度将有所减弱,控制天线面的方位轴、俯仰轴在一定的小范围内做扫描运动,记录扫描过程中天线接收到的卫星信号的强度,可以建立天线面俯仰、方位轴偏离角与信号强度之间的函数关系00610062式中,VMAX表示天线面对准卫星时最大的卫星信号强度值,V表示当前状态下卫星信号强度值,表示方位偏角引起的卫星信号强度的下降值;F2表示俯仰偏角引起的卫星信。

27、号强度的下降值;00632控制天线面绕其方位轴和俯仰轴在空间内按一定的规律运动,其运动规律为0064006550066说明书CN104124528A7/7页100067式中,分别为天线面俯仰轴、方位轴的扫描运动角速度,0为俯仰方向、方位方向扫描运动的最大角速度,F为天线面扫描运动的频率;00683记录天线面扫描运动过程中的卫星信号强度V以及对应的扫描运动角和并可以建立对应关系如下006900704根据式5可知,和阳位相差90,当|最大时,为0;当最大时,为0;根据式4和式5,定义在为0时,正向最大时的信号强度为负向最大时的信号强度为在为0时,正向最大时的信号强度为负向最大时的信号强度为00715将代入式4,可以计算得到天线面与卫星的偏离角和的值。0072本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。0073显然,对于本领域的普通技术人员来说,参照上文所述的实施例还可能做出其它的实施方式。本发明中的实施例都只是示例性的、而不是局限性的。所有的在本发明的权利要求技术方案的本质之内的修改都属于其所要求保护的范围。说明书CN104124528A101/1页11图1说明书附图CN104124528A11。

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