专利名称：在倾斜状态下天线角度的测量方法
技术领域：
本发明涉及-种在雷达探测及微波通讯领域当天线座处于倾斜状态下，对 角度进行测量的技术和方法，所述方法允许天线在倾斜的状态下工作。
目前，无论是雷达探测还是微波通讯领域，所用的天线均须水平标定，即 天线底座的调平。为此，就目前的经典应用技术而言，固定站对天线底座必须 设置具有一定强度的调平机械结构；车载系统还需要通过人工或设置自动调平 系统来调整车辆千斤顶，以确保工作时车辆不摇晃并保证天线底座处于水平状 态；船载系统是将天线安装在自动调平平台上，以抵消船体的纵、横摇摆来确 保系统正常工作的。这些调平机构都是调整天线底座处在水平状态下来确保系 统正常工作的。
对于船载调平平台和车载自动调平系统，涉及较复杂的自动控制技术和机 械执行机构。对于车载自动调平系统，除了增加装备成本外，还大大增加了装 备的重量，直接影响车载系统的有效载荷和机动性以及系统的可靠性。就目前 技术和方法而言，还无法简化上述的工作方式，无法在天线底座处于倾斜状态 下确保系统正常工作。
本发明的目的在于设计一种在倾斜状态下天线角度的测量方法，利用这种 方法可在不用上述调平装置的前提下，即可对角度进行正确的快速测量并确保 系统正常工作，间接地实现自动调平。
按照本发明的技术方案，所述方法包括如下步骤
步骤一，设置传感器在天线底座平面或与底座平面平行的平面中设置一 个双维的倾角类传感器；
步骤二，测量底座的角度利用上述传感器测量天线底座平面的倾斜角， 然后根据下述公式得到天线底座平面与水平面的俯仰角a和方位角d;
其中
a:天线底座平面与水平面的俯仰角；
d:天线底座平面与水平面的方位角；
e:倾角类传感器所测量到的Y轴的倾斜角；
f:倾角类传感器所测量到的X轴的倾斜角；
步骤三，确定天线的角度当得到天线底座平面相对于水平面的方位角(d) 和俯仰角a后，再将上述天线在其底座倾斜的状态下由天线自身的测量系统测
背景技术：
发明内容量到的以倾斜平面为参照系的天线方位角C和俯仰角b的角度根据下述公式转
换成以水平面为参照系的真实的角度；
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其中，0:天线以水平面为参照系的俯仰角； a:天线以水平面为参照系的方位角。 本发明所述的另一种方法与上述方法的区别在于步骤三不同，这种包括如 下步骤
步骤一，设置传感器在天线底座平面或与底座平面平行的平面中设置一 个双维的倾角类传感器；
步骤二，测量底座的角度利用上述传感器测量天线底座平面的倾斜角， 然后根据下述公式得到天线底座平面与水平面的俯仰角a和方位角d;
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a:天线底座平面与水平面)的俯仰角；
d:天线底座平面与水平面的方位角；
e:倾角类传感器所测量到的Y轴的倾斜角；
f:倾角类传感器所测量到的X轴的倾斜角；
步骤三，确定天线的角度当得到天线底座平面相对于水平面的方位角d
和俯仰角a后，根据设定的以水平面为参照系的角度(方位角a和俯仰角P)，
根据下述公式转换得到天线在其底座倾斜状态下，天线在以该倾斜的平面为参
照系中的角度；<formula>formula see original document page 5</formula>
其中，天线以水平面为参照系的俯仰角； a:天线以水平面为参照系的方位角； b:以倾斜平面为参照系的天线的俯仰角； C:以倾斜平面为参照系的天线的方位角。 本发明通过对两个平面的夹角以及该夹角方位指向与参考平面上方位标志 角之间的夹角进行测量，通过计算可将以一个平面为参照系的指向角转换成相 对于另一个平面为参照系的角度。
首先要测量天线底座的平面与水平面的相对位置，这可通过一个双维(轴) 的倾角类传感器来实现。如图1所示，双轴的倾角传感器可测量一个平面X横 轴的倾斜角和Y纵轴的倾角，通过分析计算可得出该平面与水平面的夹角以及 夹角方位指向与水平面方位参考角(指北0。角)的相对位置。通过以上测量计算即已知倾斜平面(天线底座所处的平面)与水平面的夹 角和方位角关系，对于天线在倾斜的平面上所测得的方位、俯仰角再进行计算， 即可得到相对于水平面的真实的角度。这样就完全可在不用常规的调平装置的 前提下，实现角度的正确测量。
另外，要将天线在倾斜的平面中控制到真实的角度(相对于水平面的角度)， 也可用上述的原理计算出天线在倾斜的平面中的方位角和俯仰角。所以，在相 对于水平面大线所需的控制方式，即天线运动与定点的方式，在倾斜的平面中 只需天线伺服系统配合，也可同样实现。这种原理的运用在车载系统中可代替 自动调平系统，在船载系统中有望代替船用平台，前提是天线传动系统和其伺 服控制系统有足够的动态特性。
图l:倾角传感器测量面与水平面相互位置示意图。 图2:两个不同参照平面之间的空间关系示意图。
具体实施例方式
如图1所示在以R为半径的球形坐标中，倾角传感器处于球心位置O点， OX为水平面上X轴的方向，OY为水平面上Y轴的方向，OZ为与水平面垂直 的Z轴方向。
直线A20A,是水平面中的线(X轴)，直线B20B,是倾斜的平面中的线，倾 角传感器的X轴与直线B20B!重合，其Y轴坐标与直线A20A! —样均为0。 f 为倾角传感器测量到的X轴倾斜角，e为Y轴的倾斜角。
倾斜的平面与球面相交的弧线为Li、 L2， H点是弧线L,、 L2中Z坐标最高 (数值最大)的点。
如图2所示在以R为半径的球形坐标系统3中，天线处于球心位置O点， A^A,是水平面1中的X轴，EzOE,为天线底座所处的倾斜平面2在垂直平面 ZOX上的投影线，a为倾斜平面2与水平面1的夹角，当天线在倾斜的平面2 中以OP为中心轴、以b为俯仰角转动时，当转动到方位角c时，指向为6，天 线指向与球面的相交点在垂直平面ZOX上的投影为M点；当方位角为0°时指 向为4，与球面相交于F"当方位角为180°时指向为5，与球面相交于F2。线 段F,F2为天线指向与球面的相交弧线在垂直平面ZOX上的投影线。N为线段 F^2与Z轴的交点。7为设在天线底座倾斜平面2或与之平行的平面中的倾角传 感器，其X轴与E20Ei平行。
下面描述本发明的具体操作过程
步骤一，设置传感器在天线底座平面2或与底座平面2平行的平面中设 置一个双维的倾角类传感器7;
在天线底座平面(或与之平行的平面)中设置一个双维(轴)的倾角类传
感器。为了便于分析计算，假设系统处于一个如图1所示的球形系统中O为
球心(倾角类传感器所处的位置)，R为球半径，OA1为水平面上X轴的方向(指 向正北0°)， OY为水平面上Y轴的方向，OZ为与水平面垂直的Z轴方向。 倾斜的平面与球面相交的弧线为L2，其空间坐标为(X， Y， Z)，直线A20A,是水平面中的X轴，直线B20B,是倾斜的平面中的线，其Y轴坐标均 为0，并假设倾角传感器的X轴与直线B20B!重合。
步骤二，测量底座的角度利用上述传感器7测量天线底座平面2的倾斜 角，然后根据下述公式得到天线底座平面2与水平面1的俯仰角a和方位角d。
(1) :先通过倾角类传感器来测量倾斜平面的倾斜角f为倾角传感器测量到 的X轴倾^f角，e为Y轴的倾斜角。
贝lj: X=/cose -a/及2 -Z2 sin/.sine (式l) Z=f(z.)= sin/ .cose ■ Vi 2 -/2 +sine./ (式2)
(2) :计算最高点坐标
对(式l)、(式2)进行计算可得到弧线L" L2中Z坐标最高(数值最大) 点(H点)的坐标
即当/= ，A 2时
化2
Zh(丽尸 么2 +&22 (式3 )
+《 (k产sin /.cose k2=sine) 。):计算两平面夹角关系
当计算出弧线L。 L2中Z坐标最高(数值最大)点(H点)的坐标后，就 可进一步计算出倾斜的平面与水平面的夹角为a、方位夹角为d:
a=arc sin(Vsin2/■ cos2"sin2 ^ ) (式5)
j z sinc.cos6'cos2 人
d=arc cos( =) 匸瓦6 ，
^/sin2 / ■ cos2 e + sin2 e
步骤3，确定天线的角度。
步骤3可以有两种操作方式， 一种操作方式是当得到天线底座平面2相 对于水平面1的方位角d和俯仰角a后，再将上述天线在其底座倾斜的状态下 由天线自身的测量系统测量到的以倾斜平面2为参照系的天线方位角c和俯仰 角b的角度转换成以水平面为参照系的真实的角度；
(1):直接在倾斜的平面中测量目标的俯仰角b和方位角c
当系统工作于一个倾斜的平面中时，状态如图2所示为便于分析计算， 假设天线处于以R为球半径的球形坐标系统3的球心O处。A20A,是水平面1 中的X轴，E20Ei为天线底座所处的倾斜平面2在垂直平面ZOX上的投影线， a为倾斜平面2与水平面l的夹角，当天线在倾斜的平面2中以OP为中心轴、 以b为俯仰角转动时，当转动到方位角c时，指向为6，天线指向与球面的相交 点在垂直平面ZOX上的投影为M点；当方位角为0。时指向为4，与球面相交 于Fn当方位角为18Cf时指向为5，与球面相交于F2。线段F!F2为天线指向与球面的相交弧线在垂直平面ZOX上的投影线。N为线段F,F2与Z轴的交点。7 为设在天线底座倾斜平面2或与之平行的平面中的倾角传感器，其X轴与E20E,平行。
c和b是天线在其底座倾斜的状态下由天线自身的测量系统直接测量到的以 倾斜平面2为参照系的方位角和俯仰角。 (2)计算垂直面上投影线的X、 Z坐标 分析其空间关系，则线段F,F2的Z轴坐标满足以下公式
<formula>formula see original document page 8</formula>
当系统在倾斜的平面中转动到方位角c时，天线指向与球面的相交点在垂
直平面ZOX上的投影为M点，其X、 Z坐标为
<formula>formula see original document page 8</formula> (式7 )
<formula>formula see original document page 8</formula> (式8)
(》)、由X、 Z坐标计算目标对水平面坐标系真实的方位角a与俯仰角P
X、 Z坐标是对水平面坐标系而言的，因此，可以根据X、 Z坐标值求出对
于水平面的方位角a与俯仰角3
<formula>formula see original document page 8</formula> (式9)
<formula>formula see original document page 8</formula> (式10)
其中，d是两平面的方位夹角，对方位角a作相应修正。 在实际应用中，比如车载警戒雷达在车辆不调平的情况下测量到一架飞机 的方位角和俯仰角，由于车载警戒雷达的天线底座处于倾斜的状态，因此测量 到的飞机的方位角和俯仰角并不是真实相对于水平面的角度，这时，利用本发 明的方法，通过设置在天线底座平面2或与底座平面2平行的平面中设置一个 双维的倾角类传感器7;公式5和公式6先计算出车载警戒雷达的天线底座与水 平面的夹角，再通过公式9和公式10的计算，可以直接得到飞机对于水平面测 量体系的真实的方位角和俯仰角，从而可省去常规的机械调平机构。
步骤3的另一种操作方式是当得到天线底座平面2相对于水平面1的方 位角d和俯仰角a后，根据设定的以水平面为参照系的方位角a和俯仰角P ， 转换得到天线在其底座倾斜状态下，天线在以该倾斜的平面2为参照系中的角 度；当已知两平面夹角a和方位夹角d，要求将天线控制到以水平面为参照系下 的方位角a俯仰角P ，则在倾斜平面参照系中的方位角c和俯仰角b满足如下 关系:，
<formula>formula see original document page 8</formula>
通过计算可得到
<formula>formula see original document page 8</formula> (式ll)
<formula>formula see original document page 8</formula> (式12)在实际应用中，比如船载卫星通信系统，利用本发明的方法可不用设置昂 贵的船用平台系统。这时，由于卫星对于水平面测量系统的方位角和俯仰角是 已知的，利用本发明的方法，通过设置在天线底座平面2或与底座平面2平行 的平面中设置一个双维的倾角类传感器7;先利用公式5和公式6再配合船载罗 经系统对方位角进行修正，计算出天线底座与水平面的夹角，再通过公式ll和 公式12的计算，可以直接得到天线底座在倾斜的状态下应指向的角度，即在以 倾斜的平面为参照体系中的方位角和俯仰角。只要微波通信系统的天线传动系 统和伺服控制系统有足够的动态性能，就可实现这个操作。
权利要求
1、一种在倾斜状态下对天线角度测量的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤步骤一，设置传感器在天线底座平面(2)或与底座平面(2)平行的平面中设置一个双维的倾角类传感器(7)；步骤二，测量底座的角度利用上述传感器(7)测量天线底座平面(2)的倾斜角，然后根据下述公式得到天线底座平面(2)与水平面(1)的俯仰角(a)和方位角(d)；其中a天线底座平面(2)与水平面(1)的俯仰角；d天线底座平面(2)与水平面(1)的方位角；e倾角类传感器(7)所测量到的Y轴的倾斜角；f倾角类传感器(7)所测量到的X轴的倾斜角；步骤三，确定天线的角度当得到天线底座平面(2)相对于水平面(1)的方位角(d)和俯仰角(a)后，再将上述天线在其底座倾斜的状态下由天线自身的测量系统测量到的以倾斜平面(2)为参照系的天线方位角(c)和俯仰角(b)的角度根据下述公式转换成以水平面为参照系的真实的角度；其中，β天线以水平面(1)为参照系的俯仰角；α天线以水平面(1)为参照系的方位角。
2、 一种在倾斜状态下对天线角度测量的方法，其特征在于，所述方法包括 如下步骤步骤一，设置传感器在天线底座平面(2)或与底座平面(2)平行的平 面中设置一个双维的倾角类传感器(7);步骤二，测量底座的角度利用上述传感器(7)测量天线底座平面(2) 的倾斜角，然后根据下述公式得到天线底座平面(2)与水平面(1)的俯仰角 (a)和方位角(d);<formula>formula see original document page 2</formula>其中a:天线底座平面(2)与水平面(1)的俯仰角； d:天线底座平面(2)与水平面(1)的方位角； e:倾角类传感器(7)所测量到的Y轴的倾斜角； f:倾角类传感器(7)所测量到的X轴的倾斜角；步骤三，确定天线的角度当得到天线底座平面(2)相对于水平面(1) 的方位角(d)和俯仰角(a)后，根据设定的以水平面为参照系的角度(方位 角a和俯仰角e)，根据下述公式转换得到天线在其底座倾斜状态下，天线在以 该倾斜的平面(2)为参照系中的角度；<formula>formula see original document page 0</formula>其中，天线以水平面(1)为参照系的俯仰角； a:天线以水平面(1)为参照系的方位角； b:以倾斜平面(2)为参照系的天线的俯仰角; C:以倾斜平面(2)为参照系的天线的方位角。
全文摘要
本发明涉及一种在雷达探测及微波通讯领域当天线座处于倾斜状态下，对角度进行测量的技术和方法，所述方法允许天线在倾斜的状态下工作。按照本发明的技术方案，所述方法包括如下步骤步骤一，设置传感器在天线底座平面或与底座平面平行的平面中设置一个双维的倾角类传感器；步骤二，测量底座的角度利用上述传感器测量天线底座平面的倾斜角，得到天线底座平面与水平面的角度；步骤三，确定天线的角度当得到天线底座平面相对于水平面的角度后，再将上述天线在其底座倾斜的状态下由天线自身的测量系统测量到的以倾斜平面为参照系的天线角度转换成以水平面为参照系的真实的角度；利用这种方法可在不用上述调平装置的前提下，即可对角度进行正确的快速测量并确保系统正常工作，间接地实现自动调平。
文档编号G01S3/00GK101413999SQ20081023521
公开日2009年4月22日 申请日期2008年11月12日 优先权日2008年11月12日
发明者张鹿平, 颖 黄 申请人:张鹿平;黄 颖