船載a-e-c三軸衛(wèi)星通信天線波束指向跟蹤控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種船載A-E-C三軸衛(wèi)星通信天線波束指向跟蹤控制方法，屬于航天測控技術(shù)之試驗(yàn)通信【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明應(yīng)用船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線坐標(biāo)計(jì)算方法，推導(dǎo)出動(dòng)態(tài)條件下船載衛(wèi)星通信地球站天線座橫傾角和縱傾角的計(jì)算公式，根據(jù)三軸天線的特點(diǎn)，提出了海上動(dòng)態(tài)條件下三軸天線A、E、C各軸的控制方法。本發(fā)明的應(yīng)用能夠提高船載衛(wèi)星通信地球站天線捕獲跟蹤效率和波束指向跟蹤精度。
【專利說明】船載A-E-C三軸衛(wèi)星通信天線波束指向跟蹤控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種船載三軸穩(wěn)定天線伺服控制技術(shù)，具體是涉及一種船載A-E-C三軸衛(wèi)星通信天線波束指向跟蹤控制方法，屬于航天測控技術(shù)之試驗(yàn)通信【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]三軸穩(wěn)定衛(wèi)星通信天線具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，它能夠有效地克服船體運(yùn)動(dòng)帶來的擾動(dòng)，可靠地跟蹤過天頂目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)波束的理想穩(wěn)定。但由于結(jié)構(gòu)和軸系運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，因而對(duì)天線控制也提出了較高的要求。
[0003]船載衛(wèi)星通信地球站天線座架一般采用A-E-C三軸形式，在方位軸(A軸)與俯仰軸(E軸)之間增加了一根第三軸-交叉軸(C軸)，它與俯仰軸在空間正交，C軸可利用正割補(bǔ)償效應(yīng)，使天線能夠可靠地跟蹤過天頂目標(biāo)，三軸天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0004]某型測量船船載衛(wèi)星通信地球站天線伺服系統(tǒng)采用三軸穩(wěn)定、兩軸跟蹤體制。三軸穩(wěn)定是指方位隨動(dòng)航向，隔離航向變化對(duì)天線指向的影響，俯仰、交叉軸隔離船體的縱傾和橫滾對(duì)天線指向的影響；兩軸跟蹤是指接收機(jī)通過天線接收衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)，解調(diào)出對(duì)星的誤差信號(hào)，通過俯仰、交叉軸實(shí)現(xiàn)對(duì)星跟蹤。
[0005]船載衛(wèi)星地球站設(shè)計(jì)之初，根據(jù)當(dāng)時(shí)衛(wèi)星資源情況，船載衛(wèi)星通信以使用圓極化方式工作為主，因此在設(shè)計(jì)中沒有考慮天線電軸滾動(dòng)的影響；且當(dāng)時(shí)船用慣導(dǎo)還不能隨時(shí)向船載衛(wèi)星通信地球站提供精確的船姿船位信息，衛(wèi)通天線伺服系統(tǒng)需立足于自身穩(wěn)定，依靠安裝在天線上的陀螺提供穩(wěn)定平臺(tái)隔離船體搖擺擾動(dòng)。根據(jù)這一系列設(shè)計(jì)思想，船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線在搜索捕獲衛(wèi)星時(shí)只需要簡單的地理坐標(biāo)計(jì)算，捕獲目標(biāo)后天線由自跟蹤環(huán)閉環(huán)控制，無需計(jì)算軸系角度來引導(dǎo)天線，所以長期以來船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線的精確坐標(biāo)計(jì)算一直被忽視。
[0006]但隨著在海上衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展越來越深入，原來的天線穩(wěn)定跟蹤體制逐漸暴露出天線坐標(biāo)計(jì)算不完善所帶來的一系列問題，如:伺服系統(tǒng)高度依賴陀螺的可靠性、惡劣海況下天線捕獲目標(biāo)因難、單脈沖跟蹤以外天線缺少其它備用跟蹤手段、跟蹤線極化衛(wèi)星時(shí)極化角誤差不能實(shí)時(shí)修正等，而且一旦自跟蹤環(huán)失效，天線會(huì)因缺少穩(wěn)定指向目標(biāo)衛(wèi)星的手段而不能在海上動(dòng)態(tài)條件下實(shí)施單脈沖跟蹤接收機(jī)對(duì)星校相，在?？扛劭谇按d衛(wèi)星通信地球站將無法正常工作。
[0007]建立船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線坐標(biāo)計(jì)算數(shù)學(xué)模型，利用船用慣導(dǎo)系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算并作為外部穩(wěn)定平臺(tái)控制天線，實(shí)現(xiàn)數(shù)字引導(dǎo)跟蹤，是船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C天線克服以上缺陷、完善伺服跟蹤控制系統(tǒng)的迫切需要。
[0008]過去在船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線控制領(lǐng)域雖然也曾提出過一些軸系角度的理論分析計(jì)算結(jié)果，但僅局限于針對(duì)特殊的問題運(yùn)用幾何方法計(jì)算得出單個(gè)問題部分結(jié)論，且推導(dǎo)過程復(fù)雜，計(jì)算方法不成體系。本發(fā)明專利通過理論分析，采用矩陣變換的方法。建立了一套完備的適用于船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線坐標(biāo)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C天線波束指向跟蹤的數(shù)字引導(dǎo)控制。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種船載A-E-C三軸衛(wèi)星通信天線波束指向跟蹤控制方法，它有效利用船用慣導(dǎo)系統(tǒng)可以為船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線提供精確船體姿態(tài)信息的有利條件，系統(tǒng)地分析船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線座架結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立天線坐標(biāo)系，并通過推導(dǎo)地理坐標(biāo)系、甲板坐標(biāo)系和天線坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立一套完備的船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線坐標(biāo)計(jì)算數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)天線波束指向角的數(shù)字引導(dǎo)跟蹤，解決船載衛(wèi)星通信地球站海上動(dòng)態(tài)條件下伺服控制系統(tǒng)面臨的諸多實(shí)際問題，能夠有效提高船載衛(wèi)星通信地球站天線捕獲跟蹤效率和波束指向跟蹤精度。
[0010]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:本發(fā)明一種船載A-E-C三軸衛(wèi)星通信天線波束指向跟蹤控制方法，它包括以下三部分內(nèi)容:
1)、坐標(biāo)系定義
對(duì)于船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線，定義天線坐標(biāo)系原點(diǎn)O位于天線穩(wěn)定平臺(tái)三軸中心，天線指向軸OZ垂直于俯仰軸與交叉軸所在的平面，OX軸平行于俯仰軸，OY軸平行于交叉軸，OX、OY與OZ軸滿足右手法則，當(dāng)天線方位和交叉為0°、俯仰為90°時(shí)，天線坐標(biāo)系與甲板坐標(biāo)系重合；
2)、船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線地理坐標(biāo)系、甲板坐標(biāo)系和天線坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換方法
定義地理坐標(biāo)系0ΧΥΖ，原點(diǎn)O位于天線穩(wěn)定平臺(tái)三軸中心，OX軸平行于水平面指向正東，OY軸平行于水平面指向正北，OZ軸垂直于平面0ΧΥ，鉛垂向上為正。
[0011]定義甲板坐標(biāo)系OXdYdZd，原點(diǎn)O位于天線穩(wěn)定平臺(tái)三軸中心，OYd軸平行于艏艉線指向船艏為正，OXd軸與OYd垂直且平行于甲板平面，指向右舷為正，OZd軸與0Xd、OYd構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。
[0012]船舶載體的航向變化、縱搖變化、橫搖變化用矩陣形式來描述，分別為航向變換矩陣mh、縱搖變換矩陣mp、橫搖變換矩陣!V
【權(quán)利要求】
1.一種船載A-E-C三軸衛(wèi)星通信天線波束指向跟蹤控制方法，其特征在于它由以下三部分組成: (1)坐標(biāo)系定義 對(duì)于船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線，定義天線坐標(biāo)系原點(diǎn)O位于天線穩(wěn)定平臺(tái)三軸中心，天線指向軸OZ垂直于俯仰軸與交叉軸所在的平面，OX軸平行于俯仰軸，OY軸平行于交叉軸，OX、OY與OZ軸滿足右手法則，當(dāng)天線方位和交叉為0°、俯仰為90°時(shí)，天線坐標(biāo)系與甲板坐標(biāo)系重合； (2)數(shù)字引導(dǎo)跟蹤坐標(biāo)計(jì)算方法 根據(jù)船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸穩(wěn)定天線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和船用慣性導(dǎo)航信號(hào)習(xí)慣取值方式，建立方位旋轉(zhuǎn)矩陣、俯仰旋轉(zhuǎn)矩陣和交叉旋轉(zhuǎn)矩陣可表示為:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種船載A-E-C三軸衛(wèi)星通信天線波束指向跟蹤控制方法，其特征在于:將橫傾角和縱傾角計(jì)算結(jié)果作為天線各軸單脈沖自環(huán)跟蹤的前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，可以提高跟蹤環(huán)的船搖隔離度。
【文檔編號(hào)】H01Q1/18GK103915673SQ201410110417
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月24日
【發(fā)明者】黃昆, 陳雪軍, 張滬玲, 趙乾宏, 胡湘江, 周建峰, 吉慶, 張建飛, 其他發(fā)明人請(qǐng)求不公開姓名 申請(qǐng)人:中國人民解放軍63680部隊(duì)