一种具有物理水平平台的VSAT天线系统卫星捕获跟踪方法与流程

本发明涉及卫星移动跟踪通信技术领域。特别适用于船载等移动载体卫星通信的一种VSAT天线卫星捕获与跟踪方法。

背景技术：

VSAT是“Very Small Aperture Terminal”的缩写，意为“甚小口径天线地球站“。而移动VSAT系统就是我们通常所说的”动中通“系统。其功能是在汽车、舰船、飞机等各类载体运动过程中通过移动VSAT系统实时跟踪地球同步通信卫星等通信平台，不间断的为载体提供数据、语音和视频等多种通信服务。移动VSAT系统作为为各类运动载体提供互联网接入的终端产品，市场前景广阔。目前在军用及特种行业已有较多成功的应用。但由于现有产品价格及通信费用较为高昂，民用领域仍然存在难以推广的问题。

固定VSAT天线系统的电轴指向控制是基于天线所在的当地地理坐标系中绕方位轴和俯仰轴的角度进行的。只要获取天线所在位置的经、纬度数据以及所需捕获的卫星轨道数据，即可通过成熟的公式准确计算出天线电轴指向的方位角、俯仰角和极化角。通过伺服控制单元分别将天线指向的方位、俯仰和极化角控制到计算出的理论角度，即可实现卫星的捕获并进行准确跟踪。然而对于移动VSAT系统，由于载体的运动导致天线的运动基准与当地地理坐标系发生偏离，使得上述跟踪方式失效。

为解决上述问题，现有移动VSAT系统通常是通过获取载体的运动参数，进行坐标变换，将天线指向卫星时相对于当地地理坐标系的方位俯仰角度换算到载体坐标系，从而控制天线准确指向卫星，并通过扫描跟踪或单脉冲跟踪方式在运动中始终保持指向卫星。此种方法需要惯导系统或其它设备提供载体的准确运动状态。而跟踪技术中的扫描跟踪是通过在二维空间上的附加扫描动作来获取天线的指向误差，因此增益存在损失且算法较为复杂。单脉冲跟踪方式的跟踪精度和速度都较高，但单脉冲馈源结构复杂、价格昂贵。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种具有物理水平平台的VSAT天线系统卫星捕获跟踪方法，该方法适用的控制对象为方位、俯仰、横滚三轴(A-E-C)座架形式天线系统。通过在天线系统中建立一个物理水平平台，并将当地地理坐标系建立在其上，从而使天线指向相对于固定当地地理坐标系的理论方位、俯仰角与相对此物理水平平台上的移动当地地理坐标系的方位、俯仰角一致。在此基础上以与固定天线相仿的方式，控制天线电轴准确指向卫星，并在载体移动时自动跟踪卫星。

本发明的技术方案为：

所述一种具有物理水平平台的VSAT天线系统卫星捕获跟踪方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：对VSAT天线系统上电并初始化；

步骤2：控制VSAT天线系统的物理平台保持水平：所述物理平台上具有平台姿态测量单元和伺服控制单元，伺服控制单元以平台姿态测量单元中的俯仰倾角传感器以及横滚倾角传感器输出量作为位置反馈，以对应轴上的角速率陀螺输出量作为速度反馈，构成具有倾角位置环和陀螺速度环的闭环控制系统，控制VSAT天线系统的物理平台始终保持水平；

步骤3：根据VSAT天线系统的GNSS模块给出的地理位置数据和卫星经度数据计算出天线指向相对于大地水平坐标系的理论方位、俯仰和极化角：

其中θ1为天线指向相对于大地水平坐标系的理论方位角，θ2为天线指向相对于大地水平坐标系的理论俯仰角，θ3为理论极化角；Ant_longitude为天线所在位置经度，Ant_latitude为天线所在位置纬度，Sat_longitude为卫星经度；

步骤4：根据计算得到的天线指向理论方位、俯仰和极化角；伺服控制单元驱动天线各轴电机进行天线理论走位；

步骤5：天线理论走位完成后，伺服控制单元驱动方位电机进行扫描，天线逻辑主控单元实时采集卫星信号接收机数据，并记录其信号强度最大值时所对应的方位角位置；在扫描完成后，天线逻辑主控单元控制伺服控制单元将天线指向返回信号强度最大值位置，若天线指向保持在信号强度最大值位置后能够接收到锁定信号，则判定已捕获卫星，若在扫描完成后未收到锁定信号，则扩大扫描范围继续进行扫描直至捕获卫星；

步骤6：捕获卫星后，采用以下步骤进行跟踪：

步骤6.1：给天线方位伺服控制单元输入频率为f，幅值为A的正弦扫描信号θ＝Asin(2πft)，使天线方位角以正弦波方式扫描，实现在天线接收机AGC直流电平上叠加频率为f的正弦信号；

步骤6.2：依据设定的天线旋转的正负方向，分别计算扫描的正负半周的AGC直流电平平均值P_average和N_average；

步骤6.3：根据P_average和N_average，确定方位调整的方向和大小：

Δθ＝k(P_average-N_average)

其中Δθ为天线方位角度差；k为比例系数；

步骤6.4：将天线方位角度差输入天线方位伺服控制系统，控制天线对准卫星。

进一步的优选方案，所述一种具有物理水平平台的VSAT天线系统卫星捕获跟踪方法，其特征在于：步骤2中，对平台姿态测量单元中的俯仰倾角传感器以及横滚倾角传感器的输出量采用以下步骤进行修正：

步骤2.1：根据VSAT天线系统的GNSS模块给出的航向、速度数据，计算直线加速度α_t和向心加速度α_n：

α_t＝(V_n-V_n-1)/ΔT

α_n＝[(H_n-H_n-1)/ΔT]V_n

其中V_n和V_n-1为第n次以及第n-1次对GNSS模块采样得到的速度，H_n和H_n-1为第n次以及第n-1次对GNSS模块采样得到的航向角，ΔT为采样时间间隔；

步骤2.2：计算直线加速度α_t和向心加速度α_n在平台姿态测量单元中的俯仰倾角传感器以及横滚倾角传感器敏感方向上的分量

a_c＝α_nsin(H-H_n)-α_tcos(H-H_n)

a_e＝α_ncos(H-H_n)+α_tsin(H-H_n)

其中a_c为加速度在横滚倾角传感器敏感方向的分量，a_e为加速度在俯仰倾角传感器敏感方向的分量，H为天线理论方位角；

步骤2.3：使用加速度横滚方向分量a_c和加速度俯仰方向分量a_e，计算横滚和俯仰倾角传感器敏感方向相对水平面的倾斜角：

Θ_c＝sin^-1((A_c-a_c)/g)

Θ_e＝sin^-1((A_e-a_e)/g)

其中Θ_c为横滚倾角传感器敏感方向相对水平面的倾角，Θ_e为俯仰倾角传感器敏感方向相对水平面的倾角，A_c为横滚倾角传感器敏感方向比力测量值，A_e为俯仰倾角传感器敏感方向比力测量值，g为重力加速度。

进一步的优选方案，所述一种具有物理水平平台的VSAT天线系统卫星捕获跟踪方法，其特征在于：步骤6.2中，分别计算正弦信号正负半周对应的AGC直流电平的和值：

正半周对应的AGC直流电平的和值

负半周对应的AGC直流电平的和值

P_Count为正弦信号正半周对应的AGC直流电平个数，N_Count为正弦信号负半周对应的AGC直流电平个数；并在扫描完成一个周期后，计算得到正负半周的AGC直流电平平均值

有益效果

本发明具有以下效果：

1、采用本发明提供的方法，对VSAT天线系统本身和附加装置的要求降低，无需安装价格昂贵的单脉冲馈源和惯导系统，从而大大降低了产品成本。

2、本发明提供的方法无需复杂的坐标变换算法，有效降低了系统运算量，对控制器性能要求降低，从而降低了硬件电路成本。

3、本发明提供的方法，使扫描跟踪从传统的二维扫描降至一维，有效降低了扫描对天线指向的扰动，提高了通信信号质量，同时使扫描跟踪算法的软件复杂度降低，从而在提高软件可靠性的同时，大大降低了产品开发周期。

4、本发明提供的方法在捕获、跟踪过程中无需载体实时航向姿态参与运算，因此无需载体安装船载罗经系统，对载体的环境条件要求有所降低，有利于在设备预算和设备资源有限的小吨位民用船只或水面载体上应用推广。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：本发明的控制方法流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的特征是：

1.控制对象为具有方位、俯仰、横滚三轴(A-E-C)座架形式的天线系统；

2.在天线系统中建立一个物理水平平台，并将当地地理坐标系建立在其上；

3.所建立的当地地理坐标系的方位角由安装于物理水平平台上的电子磁罗盘提供；

4.所建立的当地地理坐标系的原点为当地地理坐标点，由GNSS模块提供；

5.物理水平平台通过控制系统隔离载体绕俯仰轴和横滚轴的运动，始终保持水平；

6.天线的俯仰角和极化角，按固定VSAT系统在大地坐标系的公式计算得出并通过控制系统控制；

7.由于建立在物理平台上的当地地理坐标系的电子磁罗盘方位角与理论方位角有较大误差，需要以天线准确指向时的方位角为基准进行标定；

8.由于建立在物理平台上的大地坐标系的电子磁罗盘方位角与理论方位角有较大误差，所以天线运动到电子磁罗盘方位角时，还需以方位扫描方式捕获卫星；

9.由于载体的运动，移动VSAT系统理论方位角是变化的；所以在天线方位控制上采用小角度正弦扫描调制的方式，获取天线电轴指向的方位误差，并将误差反馈到方位控制系统，实时控制天线电轴准确跟踪指向卫星。

10.由于载体的运动，移动VSAT系统理论极化角和俯仰角也需要根据地理位置变化进行调整。调整方式为以步进电机走一步经传动机构对应到各电轴的步距作为阈值进行调整，当GNSS地理位置的变化造成新的理论俯仰、极化角与当前俯仰、极化角之间的偏差大于调整阈值时，进行一次主动调整。从而保证移动VSAT天线系统在载体行进过程中始终精确保持卫星指向。

具体如下所述：

本发明的控制对象是一种方位、俯仰、横滚三轴座架(A-E-C)形式抛物面天线，其中俯仰轴和横滚轴相互垂直。平台姿态测量单元以与俯仰轴平行并可以绕俯仰轴转动的模式固联，其中传感器安装平面为天线系统的物理水平平台，并将当地地理坐标系建立在其上；传感器安装平面上安装有两个相互垂直的微机械倾角传感器，其中一个倾角传感器的敏感方向与俯仰轴垂直，因此将其称为俯仰倾角仪，另一个则称为横滚倾角仪；三个相互垂直的微机械角速率陀螺，其中两个角速率陀螺敏感轴分别与俯仰倾角仪和横滚倾角仪敏感方向垂直，另一个角速率陀螺的敏感轴与物理平台垂直，因此将其分别称为俯仰、横滚、方位角速率陀螺；一个两轴电子磁罗盘与传感器安装平面平行安装，所建立的当地地理坐标系的方位角由安装于物理水平平台上的电子磁罗盘提供。天线方位轴、俯仰轴和横滚轴均通过皮带与无刷直流电机相连接；极化轴和平台姿态测量单元传感器平面俯仰轴分别与步进电机相连接。GNSS天线模块安装在VSAT天线抛物面顶端，所建立的当地地理坐标系的原点为当地地理坐标点，由GNSS模块提供。卫星信号接收机安装在天线立柱中。

本发明用于具有方位、俯仰、横滚三轴(A-E-C)座架形式的天线系统。其控制部分主要有：逻辑主控单元，平台姿态测量单元、伺服控制单元、GNSS模块和卫星信号接收机。其中逻辑主控单元、平台姿态测量单元、伺服控制单元和卫星信号接收机通过CAN总线相连接，以实现数据和指令的交互；逻辑主控单元与GNSS模块通过RS-232连接实现航速、航向以及地理位置信息的采集。伺服控制单元与两路步进电机和三路无刷直流电机相连接，分别称为天线指向俯仰步进电机、极化步进电机、方位无刷直流电机、平台俯仰、平台横滚无刷直流电机，以实现对天线指向和平台姿态的控制；平台姿态测量单元中的三路微机械角速率陀螺、两路微机械倾角传感器和一个两轴电子磁罗盘，用于向逻辑主控单元和伺服控制单元提供各类天线和平台姿态数据。

本发明提出的捕获跟踪方法可分为五个阶段，分别为初始化、物理水平平台建立、天线理论角走位、卫星捕获和稳定跟踪阶段，具体步骤如下：

步骤1：对VSAT天线系统上电并初始化。

步骤2：初始化成功后，伺服控制单元根据平台姿态测量单元的平台俯仰倾角和横滚倾角数据，控制俯仰和横滚无刷直流电机带动俯仰和横滚轴运动至各自倾角数据为零的位置，建立物理水平平台，并持续保持水平，这是本发明实现捕获、跟踪的基础。具体过程为：所述物理平台上具有平台姿态测量单元和伺服控制单元，伺服控制单元以平台姿态测量单元中的俯仰倾角传感器以及横滚倾角传感器输出量作为位置反馈，以对应轴上的角速率陀螺输出量作为速度反馈，构成具有倾角位置环和陀螺速度环的闭环控制系统，控制VSAT天线系统的物理平台始终保持水平；

由于微机械倾角传感器受工作原理所限，因此在载体进行转弯或直线加速时其输出倾角数据将受水平或向心加速度的影响产生偏差，导致物理平台失去水平状态，最终使天线偏离正确指向。针对这一问题，本发明优选使用GNSS模块提供的航向和航速数据计算出直线加速度和向心加速度，对倾角数据进行修正，得出相对于水平面的真实倾角数据。

对平台姿态测量单元中的俯仰倾角传感器以及横滚倾角传感器的输出量采用以下步骤进行修正：

步骤2.1：根据VSAT天线系统的GNSS模块给出的航向、速度数据，计算直线加速度α_t和向心加速度α_n：

α_t＝(V_n-V_n-1)/ΔT

α_n＝[(H_n-H_n-1)/ΔT]V_n

其中V_n和V_n-1为第n次以及第n-1次对GNSS模块采样得到的速度，H_n和H_n-1为第n次以及第n-1次对GNSS模块采样得到的航向角，ΔT为采样时间间隔；

步骤2.2：计算直线加速度α_t和向心加速度α_n在平台姿态测量单元中的俯仰倾角传感器以及横滚倾角传感器敏感方向上的分量

a_c＝α_nsin(H-H_n)-α_tcos(H-H_n)

a_e＝α_ncos(H-H_n)+α_tsin(H-H_n)

其中a_c为加速度在横滚倾角传感器敏感方向的分量，a_e为加速度在俯仰倾角传感器敏感方向的分量，H为天线理论方位角；

步骤2.3：使用加速度横滚方向分量a_c和加速度俯仰方向分量a_e，计算横滚和俯仰倾角传感器敏感方向相对水平面的倾斜角：

Θ_c＝sin^-1((A_c-a_c)/g)

Θ_e＝sin^-1((A_e-a_e)/g)

其中Θ_c为横滚倾角传感器敏感方向相对水平面的倾角，Θ_e为俯仰倾角传感器敏感方向相对水平面的倾角，A_c为横滚倾角传感器敏感方向比力测量值，A_e为俯仰倾角传感器敏感方向比力测量值，g为重力加速度。

经过上述修正后，可保证平台姿态测量单元的倾角数据不受向心加速度和直线加速度的影响，使物理平台在载体运动的情况下始终保持水平状态。

步骤3：在物理水平平台建立后进入天线理论角走位阶段，根据VSAT天线系统的GNSS模块给出的地理位置数据和卫星经度数据计算出天线指向相对于大地水平坐标系的理论方位、俯仰和极化角：

其中θ1为天线指向相对于大地水平坐标系的理论方位角，θ2为天线指向相对于大地水平坐标系的理论俯仰角，θ3为理论极化角；Ant_longitude为天线所在位置经度，Ant_latitude为天线所在位置纬度，Sat_longitude为卫星经度。

步骤4：根据计算得到的天线指向理论方位、俯仰和极化角；伺服控制单元驱动天线各轴电机进行天线理论走位。其中理论方位角走位使用电子磁罗盘的方位角数据进行引导，天线指向的俯仰角和极化角则根据理论俯仰角和极化角的角度与对应步进电机的步距计算出需要调整的步数，进行走位。本实施例中天线的极化步进电机与极化轴之间的减速比为75.48，天线指向俯仰步进电机与天线指向俯仰角之间的减速比为10，两个步进电机均经过二细分配置后原始步距为每步0.9°，经过减速后每一步对应在极化轴上的步距约等于0.011924°，对应在天线指向俯仰角上的步距为0.09°。而KL9002的天线口径为90mm，其半功率角为1.87°，因此天线的俯仰和极化角使用步进电机的走位精度能够满足天线精确指向的需求。

步骤5：天线理论走位完成后，进入卫星捕获阶段。由于电子磁罗盘受外界磁场环境影响存在误差，并且外界磁场随载体运动是不断变化的，因此以电子磁罗盘作为基准进行方位引导后，天线的实际方位角通常会偏离正确指向一定的角度，因此需要通过方位扫描来实现卫星的搜索和捕获。

伺服控制单元驱动方位电机进行扫描，天线逻辑主控单元实时采集卫星信号接收机数据，并记录其信号强度最大值时所对应的方位角位置；在扫描完成后，天线逻辑主控单元控制伺服控制单元将天线指向返回信号强度最大值位置，若天线指向保持在信号强度最大值位置后能够接收到锁定信号，则判定已捕获卫星，若在扫描完成后未收到锁定信号，则扩大扫描范围继续进行扫描直至捕获卫星。

步骤6：捕获卫星后进入跟踪阶段。此阶段采用小角度正弦方位扫描调制方式。根据正弦正负半周接收机信号强度平均值的方向和大小决定方位调整的方向和大小。在天线电轴对准波瓣中心时，正负半周接收机信号强度平均值之差为零，以此作为对准卫星的依据，最终将使天线指向在波瓣中心附近做微小的线扫描，从而实现载体运动过程中始终保持指向卫星的功能。具体采用以下步骤进行跟踪：

步骤6.1：给天线方位伺服控制单元输入频率为f，幅值为A的正弦扫描信号θ＝Asin(2πft)，使天线方位角以正弦波方式扫描，实现在天线接收机AGC直流电平上叠加频率为f的正弦信号。

步骤6.2：依据设定的天线旋转的正负方向，分别计算扫描的正负半周的AGC直流电平平均值P_average和N_average；通过一下过程实现：分别计算正弦信号正负半周对应的AGC直流电平的和值：

正半周对应的AGC直流电平的和值

负半周对应的AGC直流电平的和值

P_Count为正弦信号正半周对应的AGC直流电平个数，N_Count为正弦信号负半周对应的AGC直流电平个数；并在扫描完成一个周期后，计算得到正负半周的AGC直流电平平均值

步骤6.3：根据P_average和N_average，确定方位调整的方向和大小：

Δθ＝k(P_average-N_average)

其中Δθ为天线方位角度差；k为比例系数。

步骤6.4：将天线方位角度差输入天线方位伺服控制系统，控制天线对准卫星。

由于载体运动会造成天线系统所在地理位置的改变，因此天线指向的方位、俯仰和极化角随地理位置的变化也需要进行调整。但由于在载体运行过程中天线方位角通过小角度正弦扫描调制跟踪使天线方位角始终保持正确指向，因此无需考虑地理位置改变带来的方位角变化。而极化角和俯仰角则需要根据地理位置变化进行调整，但由于载体运动距离相对于同步卫星轨道高度非常小，因此类似船只这类低速载体一定时间内的运动带来的地理位置变化反映在俯仰和极化角上的变化很小，因此无需实时进行调整。所以我们以步进电机走一步经传动机构对应在电轴上的步距的作为阈值，当GNSS地理位置的变化造成新计算的理论俯仰角和极化角与当前俯仰角与极化角之间的偏差大于调整阈值时，电机驱动单元将进行一次俯仰和极化角主动调整。此举能够保证移动VSAT天线系统在载体行进过程中始终精确保持卫星指向。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。