一种稳定有效的北斗动中通天线双模式跟踪控制方法与流程

1.本发明属于北斗卫星通信领域和动中通卫星天线及卫星跟踪技术领域，具体涉及一种稳定有效的北斗动中通天线双模式跟踪控制方法。


背景技术：

2.北斗卫星导航系统是我国自主研发的全球卫星导航系统，与美国的gps、俄罗斯的glonass和欧盟的galileo并称为全球四大卫星导航系统。
3.目前，北斗卫星导航系统被广泛应用于军事和民用领域。传统的卫星天线跟踪方法是依靠捕获卫星的agc信标实现对卫星的稳定跟踪，具体而言，是通过跟踪最强卫星信号波束，实现跟踪，该跟踪模式存在耗时长、稳定性差的问题。在跟踪系统启动之前，需在水平方位缓慢搜索一周，寻找最强卫星波束信息，耗时较长，且精度较低，甚至引入错误跟踪，例如因建筑物遮挡，造成的信号反射，表面跟踪到最强卫星信号波束，实际是反射信号，跟踪错误，造成跟踪系统丢星，且该种情况直至更换环境才会有所改善，适用性较差。
4.可见，传统的卫星跟踪方法无法很好地适用于隧道、桥梁、建筑物遮挡情况，因为在建筑物遮挡时，卫星信号有反射现象，会导致跟踪非实际卫星信号，甚至在隧道内，卫星信号丢失，导致跟踪系统丢星，进而给整个跟踪系统带来如下缺点，即易受干扰、易丢星、丢星后重新搜星时间长、稳定性差、自适应能力弱和跟踪精度低。
5.综上，传统的卫星跟踪系统无法提供长时间稳定、可靠、有效的卫星跟踪。


技术实现要素：

6.针对北斗通信卫星没有agc信标信号，北斗通信卫星载造比信号回传速率慢，卫星信号存在反射、单模式跟踪效率低等问题，本发明提出了一种稳定有效的北斗动中通天线双模式跟踪控制方法，以全面保证跟踪精度和跟踪效率。
7.本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：一种稳定有效的北斗动中通天线双模式跟踪控制方法，包括如下步骤：步骤1：北斗动中通天线的载体转台初始化复位；记录俯仰复位零点和方位复位零点，且将方位复位零点作为第一方位基准；步骤2：采用两个卫星天线组成测向系统；利用测向系统计算测向系统中两卫星天线连线与大地正北的夹角；步骤3：通过步骤2推算出方位复位后北斗动中通天线与大地正北方位的夹角z_zero，确定大地正北方位；步骤4：通过载体经纬度计算目标卫星在载体坐标系下的期望方位角e和期望俯仰角a；步骤5：根据目标卫星的期望方位角e和期望俯仰角a，载体的俯仰电机转至步骤4得到的期望俯仰角a，方位电机先顺时针转动360
°
，记录每个方位角度下北斗卫星的载噪比值snr，并对各个方位角度下北斗卫星的载噪比值snr进行降序排序；
方位电机转动一周后，选出最大载噪比值snr_max及其对应的方位角e_max，并以此方位角e_max作为副跟踪模式的期望方位角，备用；步骤6：根据步骤3得到的北斗动中通天线与大地正北方位的夹角z_zero以及步骤4得到的目标卫星的期望方位角e和期望俯仰角a，以步骤3得到的大地正北方位作为第二方位基准，方位电机和俯仰电机迅速转至期望方位角e和期望俯仰角a，进入测向跟踪模式；步骤7：在步骤6的测向跟踪模式下，若卫星信号实时载噪比snr_real低于预设通信阈值snr_thre，跟踪系统自动转为载噪比跟踪模式，即根据步骤5得到的载噪比跟踪模式下的期望方位角e_max，方位电机迅速转至e_max，实现跟踪模式的转换；步骤8：在步骤7的载噪比跟踪模式下，若卫星信号实时载噪比snr_real仍低于预设通信阈值snr_thre，跟踪系统会在第一预设时间后复位，重启步骤1；在第一预设时间的等待时间内，跟踪系统会实时检测载噪比值snr_real，若实时载噪比snr_real大于载噪比的预设通信阈值snr_thre，且持续第二预设时间，则取消复位，继续载噪比跟踪；否则，第一预设时间后跟踪系统自动复位，执行步骤1。
8.本发明具有如下优点：如上所述，本发明述及了一种稳定有效的北斗动中通天线双模式跟踪控制方法，该方法引入测向跟踪模式，根据地心坐标系到地理坐标系的三维矩阵转换，即可推算出目标卫星在地理坐标系下的实际方位角和俯仰角。跟踪系统可在1.7s内完成目标卫星的锁定；且该模式下的期望方位角和俯仰角，均是目标卫星的实际角度，跟踪精度高，误差仅有
±
0.5
°
。该测向跟踪模式打破传统单模式跟踪造成的抗干扰差、易跟踪错误卫星、跟踪精度差、跟踪效率低的现状。本发明双模式跟踪模式下，未摒弃传统的载噪比跟踪模式，而是添加跟踪精度更高的测向跟踪模式，其中测向跟踪为主跟踪模式，载噪比跟踪为副跟踪模式，两者可实时切换，切换时延仅有3s，两种模式相辅相成，提高整套跟踪系统的跟踪效率和跟踪精度。
附图说明
9.图1为本发明实施例中测向系统与大地正北的夹角示意图。
10.图2为本发明实施例中地心坐标系旋转到地理坐标系的旋转角度示意图。
11.图3为本发明实施例中卫星在地心坐标系下的投影及夹角示意图。
12.图4为本发明实施例中卫星在地理坐标下的投影及夹角示意图。
13.图5为本发明实施例中跟踪系统捕获目标卫星的延时示意图。
14.图6为本发明实施例中测向跟踪模式下的跟踪精度示意图。
15.图7为本发明实施例中载噪比跟踪模式下的跟踪精度示意图。
16.图8为本发明实施例中双跟踪模式下的模式切换时延示意图。
17.图9为图8中双跟踪模式下的模式切换时延（局部放大）示意图。
18.图10为本发明实施例中第一和第二方位基准转换示意图。
19.图11为本发明实施例中稳定有效的北斗动中通天线双模式跟踪控制方法的流程图。
20.图12为本发明实施例中硬件结构示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
实施例
22.本实施例述及了一种稳定有效的北斗动中通天线双模式跟踪控制方法，该方法引入测向系统，优化跟踪逻辑，拓展跟踪模式，实现双模式自动切换，以测向跟踪为主跟踪模式，以载噪比跟踪为辅跟踪模式，两者相辅相成、自由切换，实现稳定有效的北斗动中通天线双模式跟踪控制。
23.测向跟踪是通过目标卫星经纬度及载体经纬度，计算目标卫星在地理坐标系下的方位角和俯仰角，作为该跟踪模式下的期望方位角和期望俯仰角。
24.载噪比跟踪是通过搜索一周，记录实时载噪比，并进行排序，记录最大载噪比和其对应的方位角，并以此方位角作为该跟踪模式下的期望方位角。
25.两种跟踪模式下，方位陀螺仪和俯仰陀螺仪实时计算载体转台转动的方位角和俯仰角，作为反馈角，通过期望角和反馈角，可推算出跟踪系统补偿角，进而实现稳定跟踪。
26.在对本发明实施例中稳定有效的北斗动中通天线双模式跟踪控制方法进行详细说明之前，先介绍北斗动中通天线的载体转台的结构简单描述，如图12所示。
27.北斗动中通天线的载体转台包括测向系统主天线1、测向系统副天线2、北斗动中通天线3、俯仰电机4、方位电机5、限位开关6以及光耦开关7等。
28.方位电机5沿顺时针旋转。光耦开关7固定于底座上，挡片跟随天线载体顺时针旋转，当挡片进入光耦开关7时，改变开关电平，则方位电机5停止转动。
29.俯仰电机4自上而下转动，限位开关6固定于垂直支架上，天线锅盖自上而下，待压迫到限位开关6时，则改变开关电平，则俯仰电机4停止转动。
30.由测向系统主天线1、测向系统副天线2组成测向系统，测向系统用于计算测向系统中两卫星连线与大地正北的夹角。
31.如图11所示，稳定有效的北斗动中通天线双模式跟踪控制方法，包括如下步骤：步骤1：北斗动中通天线的载体转台初始化复位，记录俯仰复位零点和方位复位零点，且将方位复位零点作为第一方位基准。
32.载体转台按照俯仰自上而下、方位顺时针旋转的原则，使俯仰电机和方位电机以预设频率转动，当俯仰电机检测到俯仰零位的限位开关，方位电机检测到方位零位的光耦开关时，俯仰电机和方位电机停止运转；记录此时载体转台转动方位角yaw_g_offset和俯仰角pitch_g_offset，分别记录为方位复位零点和俯仰复位零点。
33.步骤2：采用两个卫星天线，即（测向系统主天线1和测向系统副天线2）组成测向系统；利用测向系统计算测向系统中两卫星连线与大地正北的夹角。
34.如图1所示，定义组成测向系统的两个卫星天线分别为卫星天线a(x1,y1,z1)、b(x2,y2,z2)。首先基于载波相位差分技术求出两个卫星天线组成的向量，即基线向量：； 然后根据几何关系求出航向角；
其中，即为此刻测向系统中两卫星天线连线与大地正北的夹角。
35.步骤3：根据步骤2测向系统中两卫星天线连线与大地正北的夹角，即可推算出地理坐标系下大地正北方位（第二方位基准）与方位复位零点的夹角z_zero=π/2﹣，完成两方位基准的方位转换，即由方位复位零点到大地正北方位的转换，如图10所示。
36.步骤4：通过载体经纬度计算目标卫星在载体坐标系下的期望方位角e和期望俯仰角a。
37.如图2所示，定义在地心坐标系os﹣x
syszs
下北斗卫星坐标为(xs,ys,zs)，在地理坐标系or﹣xryrzr下北斗卫星坐标为(xr,yr,zr)，载体的经度为αr，纬度为βr。
38.地心坐标系os﹣x
syszs
和地理坐标系or﹣xryrzr的转换公式如下：首先，坐标系os﹣x
syszs
沿着zs轴旋转角度αr，然后再沿着ys轴旋转βr角度，最后沿着xs轴向上平移地球半径距离r，得到地理坐标系or﹣xryrzr；设第一次旋转变换的旋转矩阵为p1，第二次旋转变换的旋转矩阵为p2，第三次平移变换的矩阵为p3，则：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）（3）
ꢀꢀꢀ
（4）在地心坐标系os﹣x
syszs
下，北斗卫星坐标为(xs,ys,zs)通过地球半径r、卫星高度h、北斗卫星投影与方向的夹角αs、北斗卫星投影与平面x
sosys
的夹角βs来表示，即北斗卫星的经度αs，纬度为βs，高度为r+h，其中北斗geo卫星属于地球同步轨道卫星，βs=0。
39.ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）将公式（2）、（3）、（4）、（5）代入到公式（1）得到公式（6）：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）在地理坐标系or﹣xryrzr下，北斗卫星坐标为(xr,yr,zr)，北斗卫星的方位角e和俯仰角a，如下表示：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（7）（8）将公式（6）代入到公式（7）和公式（8），分别得到：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（9）（10）。
40.步骤5：根据目标卫星的期望方位角e和期望俯仰角a，载体的俯仰电机转至步骤4得到的期望俯仰角a，方位电机先顺时针转动360
°
，记录每个方位角度下北斗卫星的载噪比值snr，并对各个方位角度下北斗卫星的载噪比值snr进行降序排序。
41.方位电机转动一周后，选出最大载噪比值snr_max及其对应的方位角e_max，并以此方位角e_max作为副跟踪模式的期望方位角，备用。
42.本实施例中方位陀螺仪和俯仰陀螺仪分别实时传输方位角度和俯仰角度，传输频率为1秒10次，即周期为100ms。通过图5可以看到，第17次传输的俯仰角度（即图5中示出的实际角度），达到了目标角度，则判定为1700ms实现目标卫星的跟踪。
43.步骤6：根据步骤3得到的北斗动中通天线与大地正北方位的夹角以及步骤4得到的目标卫星的期望方位角e和期望俯仰角a，以步骤3得到的大地正北方位（第二方位基准），方位电机和俯仰电机迅速转至期望方位角e和期望俯仰角a，进入测向跟踪模式。
44.步骤7：在步骤6的测向跟踪模式下，若卫星信号实时载噪比snr_real低于预设通信阈值snr_thre，跟踪系统自动转为载噪比跟踪模式，即根据步骤5得到的载噪比跟踪模式下的期望方位角e_max，方位电机迅速转至e_max，实现跟踪模式的转换。
45.在上述步骤5中已经提到，本实施例中方位陀螺仪和俯仰陀螺仪分别实时传输方位角度和俯仰角度，传输频率为1秒10次，即周期为100ms。
46.由于目标卫星的目标方位角和目标俯仰角是固定的，因此，通过目标角度减去实时角度即为跟踪角度误差，在统计大量样本的情况下，得到如图6和图7所示的跟踪精度。其中，测向跟踪模式下的跟踪精度，约为
±
0.5
°
，载噪比跟踪模式下的跟踪精度，约为
±1°
。
47.图8示出了双跟踪模式下的模式切换时延示意图，图9为图8中的局部细节放大。图中当载噪比为0时，出现了峰谷，表明载噪比为0时属于丢星状态。在此过程中，双跟踪模式进行了切换，如图9的横坐标细化刻度，可以看到峰谷占据3s（第18s~第21s）时长。
48.由图9中示出的峰谷占据时间，可以得到双模式跟踪切换时延，约为3s。
49.步骤8：在步骤7的载噪比跟踪模式下，若卫星信号实时载噪比snr_real仍低于预设通信阈值snr_thre，跟踪系统会在第一预设时间后复位，重启步骤1。
50.在第一预设时间的等待时间内，跟踪系统会实时检测载噪比值snr_real，若实时载噪比snr_real大于载噪比的预设通信阈值snr_thre，且持续第二预设时间，则取消复位，继续载噪比跟踪；否则，第一预设时间后跟踪系统自动复位，执行步骤1。
51.本实施例中第一预设时间例如设定为1分钟，第二预设时间例如设定为10s。
52.本发明方法可打破传统设备依靠单模式跟踪，造成跟踪精度差、易受干扰、跟踪稳定性差、跟踪效率低的现状；本发明方法以目标卫星的实际俯仰角和方位角为跟踪主线，以实时载噪比为跟踪辅线，两者实时切换，全面保证跟踪精度和跟踪效率。
53.当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

技术特征：
1.一种稳定有效的北斗动中通天线双模式跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：北斗动中通天线的载体转台初始化复位；记录俯仰复位零点和方位复位零点，且将方位复位零点作为第一方位基准；步骤2：采用两个卫星天线组成测向系统；利用测向系统计算测向系统中两卫星天线连线与大地正北的夹角；步骤3：通过步骤2推算出方位复位后北斗动中通天线与大地正北方位的夹角z_zero，确定大地正北方位；步骤4：通过载体经纬度计算目标卫星在载体坐标系下的期望方位角e和期望俯仰角a；步骤5：根据目标卫星的期望方位角e和期望俯仰角a，载体的俯仰电机转至步骤4得到的期望俯仰角a，方位电机先顺时针转动360
°
，记录每个方位角度下北斗卫星的载噪比值snr，并对各个方位角度下北斗卫星的载噪比值snr进行降序排序；方位电机转动一周后，选出最大载噪比值snr_max及其对应的方位角e_max，并以此方位角e_max作为副跟踪模式的期望方位角，备用；步骤6：根据步骤3得到的北斗动中通天线与大地正北方位的夹角z_zero以及步骤4得到的目标卫星的期望方位角e和期望俯仰角a，以步骤3得到的大地正北方位作为第二方位基准，方位电机和俯仰电机迅速转至期望方位角e和期望俯仰角a，进入测向跟踪模式；步骤7：在步骤6的测向跟踪模式下，若卫星信号实时载噪比snr_real低于预设通信阈值snr_thre，跟踪系统自动转为载噪比跟踪模式，即根据步骤5得到的载噪比跟踪模式下的期望方位角e_max，方位电机迅速转至e_max，实现跟踪模式的转换；步骤8：在步骤7的载噪比跟踪模式下，若卫星信号实时载噪比snr_real仍低于预设通信阈值snr_thre，跟踪系统会在第一预设时间后复位，重启步骤1；在第一预设时间的等待时间内，跟踪系统会实时检测载噪比值snr_real，若实时载噪比snr_real大于载噪比的预设通信阈值snr_thre，且持续第二预设时间，则取消复位，继续载噪比跟踪；否则，第一预设时间后跟踪系统自动复位，执行步骤1。2.根据权利要求1所述的稳定有效的北斗动中通天线双模式跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤1具体为：载体转台按照俯仰自上而下、方位顺时针旋转的原则，使俯仰电机和方位电机以预设频率转动，当俯仰电机检测到俯仰零位的限位开关，方位电机检测到方位零位的光耦开关时，俯仰电机和方位电机停止运转；记录此时载体转台转动方位角yaw_g_offset和俯仰角pitch_g_offset，分别记录为方位复位零点和俯仰复位零点。3.根据权利要求2所述的稳定有效的北斗动中通天线双模式跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤2具体为：定义组成测向系统的两个卫星天线分别为卫星天线a(x1,y1,z1)、b(x2,y2,z2)；首先基于载波相位差分技术求出两个卫星天线组成的向量，即基线向量 ；
然后根据几何关系求出航向角；其中，即为此刻测向系统中两卫星天线连线与大地正北的夹角。4.根据权利要求3所述的稳定有效的北斗动中通天线双模式跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤3具体为：根据步骤2测向系统中两卫星天线连线与大地正北的夹角，推算出地理坐标系下大地正北方位与方位复位零点之间的夹角z_zero，完成第一方位基准到第二方位基准的方位转换，即由方位复位零点到大地正北方位的转换；其中，z_zero=π/2﹣。5.根据权利要求3所述的稳定有效的北斗动中通天线双模式跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤4具体为：定义在地心坐标系o
s
﹣x
s
y
s
z
s
下北斗卫星坐标为(x
s
, y
s
, z
s
)，在地理坐标系o
r
﹣x
r
y
r
z
r
下北斗卫星坐标为(x
r
, y
r
, z
r
)，载体的经度为α
r
，纬度为β
r
；地心坐标系o
s
﹣x
s
y
s
z
s
和地理坐标系o
r
﹣x
r
y
r
z
r
的转换公式如下：首先，坐标系o
s
﹣x
s
y
s
z
s
沿着z
s
轴旋转角度α
r
，然后再沿着y
s
轴旋转β
r
角度，最后沿着x
s
轴向上平移地球半径距离r，得到地理坐标系o
r
﹣x
r
y
r
z
r
；设第一次旋转变换的旋转矩阵为p1，第二次旋转变换的旋转矩阵为p2，第三次平移变换的矩阵为p3，则：
ꢀꢀꢀ
（1）
ꢀꢀꢀ
（2）（3）
ꢀꢀ
（4）在地心坐标系o
s
﹣x
s
y
s
z
s
下，北斗卫星坐标为(x
s
, y
s
, z
s
)通过地球半径r、卫星高度h、北
斗卫星投影与方向的夹角α
s
、北斗卫星投影与平面x
s
o
s
y
s
的夹角β
s
来表示，即北斗卫星的经度α
s
，纬度为β
s
，高度为r+h，其中北斗geo卫星属于地球同步轨道卫星，β
s
=0；（5）将公式（2）、（3）、（4）、（5）代入到公式（1）得到公式（6）：（6）在地理坐标系o
r
﹣x
r
y
r
z
r
下，北斗卫星坐标为(x
r
, y
r
, z
r
)，北斗卫星的方位角e和俯仰角a，如下表示：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（7）
ꢀꢀ
（8）将公式（6）代入到公式（7）和公式（8），分别得到：（9）（10）。

技术总结
本发明属于北斗卫星通信领域和动中通卫星天线及卫星跟踪技术领域，公开了一种稳定有效的北斗动中通天线双模式跟踪控制方法。该方法引入测向跟踪模式，根据地心坐标系到地理坐标系的三维矩阵转换，即可推算出目标卫星在地理坐标系下的实际方位角和俯仰角，且该测向跟踪模式下的期望方位角和俯仰角均是目标卫星的实际角度，跟踪精度高，该模式打破传统单模式跟踪造成的抗干扰差、易跟踪错误卫星、跟踪精度差、跟踪效率低的现状。另外，本发明未摒弃传统的载噪比跟踪模式，而是添加跟踪精度更高的测向跟踪模式，其中测向跟踪为主跟踪模式，载噪比跟踪为副跟踪模式，两种模式可实时切换，切换时延短，两种模式相辅相成，提高了跟踪效率和跟踪精度。效率和跟踪精度。效率和跟踪精度。


技术研发人员：张浩 张怀峰 高永
受保护的技术使用者：青岛国数信息科技有限公司
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/8/5