确定卫星数字波束天线来波方向的方法及装置与流程
本发明涉及卫星测试系统，具体地，涉及一种确定卫星数字波束天线来波方向的方法及装置。
背景技术：
随着卫星技术的发展，数字波束天线在卫星领域得到了越来越广泛的应用，与之对应信号来波方向(Direction Of Arrival，DOA)估计技术在也得以广泛采用。
波束指向性能是卫星数字波束天线的重要指标，而来波方向估计性能将直接决定波束指向的正确性。来波方向估计性能的评估方法是将实际来波方向和估计来波方向进行比较，得出两者之间的误差。常规的来波方向估计性能测试是在暗室条件和远场条件下进行的，即分别在屏蔽环境中和开放环境中通过控制转台的方位角、俯仰角进行来波方向的控制，通过比对估计值和转台设置值之间的误差进行测试。
常规测试方法需要二维转台及大量的辅助设备，完成场地的确定、标校，转台的安装、调试、调节、控制等复杂工作。与实际使用情况相比，二维转台是一种的标准测试方法，存在切面单一，测试的灵活性低的缺点，无法在外场远距离条件及实际干扰环境下对多个来波方向的信号同时进行确定。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种确定卫星数字波束天线来波方向的方法及装置，其解决了外场远距离条件及实际干扰环境下对多个来波方向的信号同时进行确定的问题，实现了在外场条件卫星数字波束天线来波快速、准确确定，提高了测试有效性和灵活性。
根据本发明的一个方面，提供一种确定卫星数字波束天线来波方向的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、使用北斗/GPS终端获取地心大地坐标系中信号源和数字波束天线的位置坐标(α1,δ1,h1),…,(αn,δn,hn)和(α0,δ0,h0)，其中α表示地理经度，δ表示地理纬度，h表示大地高程，下标1,…,n表示信号源所处的n个点P1,…,Pn，下标0表示数字波束天线的位置点P0；
步骤二、将信号源和数字波束天线在地心大地坐标系的位置坐标(α1,δ1,h1),…,(αn,δn,hn)和(α0,δ0,h0)转换为地心空间直角坐标系中的位置坐标(x1,y1,z1),…,(xn,yn,zn)和(x0,y0,z0)；
步骤三、将地心空间直角坐标系中的位置坐标(x1,y1,z1),…,(xn,yn,zn)和(x0,y0,z0)转换为地心空间直角坐标系中的位置矢量a1,…,an，位置矢量a1,…,an的指向分别为由P0指向P1,…,Pn；
步骤四、将地心空间直角坐标系中的位置矢量a1,…,an转换为站心地平坐标系中的位置矢量b1,…,bn；
步骤五、将位置矢量b1,…,bn转换为站心地平坐标系中的来波方向角其中θ′表示俯仰角，表示方位角，下标1,…,n表示对应的位置矢量b1,…,bn；
步骤六、使用经纬仪获取数字波束天线相对于站心地平坐标系的俯仰角A和方位角B；
步骤七、根据来波方向角和俯仰角A、方位角B得到相对于数字波束天线的实际来波方向角
步骤八、获取数字波束天线DOA模块的估计来波方向角度遥测值
步骤九、将实际来波方向角与数字波束天线DOA模块得到估计来波方向角进行比较，得出数字波束天线DOA模块的角估计误差Δ1,…,Δn，来判断数字波束天线DOA模块的估计来波方向角是否准确。
优选地，所述步骤二包括以下步骤：
步骤二十一、将各(α,δ,h)转换为球坐标的表达式(r′,α′,δ′)；其中α′＝α，cotδ′＝(1-f)2tanδ，
步骤二十二、利用球坐标和直角坐标系的转换关系x＝r′sinδ′cosα′；y＝r′sinδ′sinα′；z＝r′cosδ′，分别计算出(x1,y1,z1),…,(xn,yn,zn)和(x0,y0,z0)。
优选地，所述步骤四通过欧拉角转动的形式转换至站心地平坐标系，其转换顺序为Z-Y-Z，角度分别为Z轴α′，Y轴-(90°-δ′)，Z轴0，其转换关系为：
本发明还提供一种确定卫星数字波束天线来波方向的装置，其特征在于，包括包含测试塔、数字波束天线、数字波束天线DOA模块、信号源、北斗/GPS终端、经纬仪；
所述测试塔：用于架高数字波束天线，以避免地表反射信号的影响；
所述数字波束天线：用于接收信号源发射的信号；
所述数字波束天线DOA模块：用于对数字波束天线接收的信号进行处理，输出估计来波方向角度遥测值；
所述信号源：用于发射测试信号；
所述北斗/GPS终端：用于获取所在位置的北斗/GPS定位数据；
所述经纬仪：用于测量数字波束天线的方位角和俯仰角；
利用所述北斗/GPS终端获取到所在位置的北斗/GPS定位数据经过坐标转换和计算得到来波方向角；利用所述经纬仪测量数字波束天线的方位角和俯仰角；根据来波方向角和数字波束天线的俯仰角、方位角通过欧拉角转动的形式转换到得到相对于数字波束天线的实际来波方向角；利用所述信号源发射测试信号，架设在所述测试塔上的所述数字波束天线接收信号源发射的信号，后送给所述数字波束天线DOA模块对数字波束天线接收的信号进行处理，输出估计来波方向角度遥测值；将实际来波方向角与数字波束天线DOA模块得到估计来波方向角进行比较，来判断数字波束天线DOA模块的估计来波方向角是否准确。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明测试灵活性高，无需使用二维转台，可以在由于外场自然条件因素无法使用二维转台的场合使用；
(2)本发明测试精度高，使用北斗/GPS终端和经纬仪来波方向的确定，影响测试误差的因素少；
(3)本发明可以对信号源任意位置进行测试，且可以对多个信号源多个方向同时进行测试，避免了二维转台切面单一的缺点。
(4)本发明克服了现有二维转台方法切面单一，测试的灵活性低，无法对来自多个方向的信号同时进行标定的问题。本发明经过地面各项试验测试以及卫星发射试验的考核，证明其技术方案有效、稳定可靠。
(5)本发明所公开的措施方法对各种型号卫星以及其他航天器的系统测试具有一定的通用性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明外场远距离条件下确定卫星数字波束天线来波方向的方法流程图。
图2为本发明外场远距离条件下确定卫星数字波束天线来波方向装置示意图。
图3为信号源或数字波束天线在地心大地坐标系的位置示意图。
图4为信号源和数字波束天线在地心空间直角坐标系中和站心地平坐标系的位置示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明解决了外场远距离条件下卫星数字波束天线来波方向快速、准确确定的问题。本发明方法使用北斗/GPS终端及经纬仪获取信号源和数字波束天线的位置、指向信息并结合地球模型将其进行转化为相对于数字波束天线的来波方向角。
图1为本发明流程图，表示外场远距离条件下确定卫星数字波束天线来波方向的方法的实施例。该方法包括如下步骤：
步骤一、使用北斗/GPS终端获取地心大地坐标系中信号源和数字波束天线的位置坐标(α1,δ1,h1),…,(αn,δn,hn)和(α0,δ0,h0)，其中α表示地理经度，δ表示地理纬度，h表示大地高程，下标1,…,n表示信号源所处的n个点P1,…,Pn，下标0表示数字波束天线的位置点P0。
北斗/GPS终端坐标系为地心大地坐标系(WGS-84坐标系)，参考图3，其定义如下：
原点为地球的质点，坐标系的Z轴指向BIH(1984.0)定义的地级(CTP)方向；X轴指向BIH定义的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z、X轴构成右手坐标系。坐标基本参数为长半轴a＝6378.137km，扁率f＝1/298.257。
步骤二、将信号源和数字波束天线在地心大地坐标系的位置坐标(α1,δ1,h1),…,(αn,δn,hn)和(α0,δ0,h0)转换为地心空间直角坐标系中的位置坐标(x1,y1,z1),…,(xn,yn,zn)和(x0,y0,z0)。
其转换步骤为：
步骤二十一、将各(α,δ,h)转换为球坐标的表达式(r′,α′,δ′)。
其中α′＝α，cotδ′＝(1-f)2tanδ，
步骤二十二、利用球坐标和直角坐标系的转换关系x＝r′sinδ′cosα′；y＝r′sinδ′sinα′；z＝r′cosδ′，分别计算出(x1,y1,z1),…,(xn,yn,zn)和(x0,y0,z0)。
步骤三、将地心空间直角坐标系中的位置坐标(x1,y1,z1),…,(xn,yn,zn)和(x0,y0,z0)转换为地心空间直角坐标系中的位置矢量a1,…,an，位置矢量a1,…,an的指向分别为由P0指向P1,…,Pn，参考图4。对于任意ai(i＝1,…,n)，其表达式为ai＝(xi-x0,yi-y0,zi-z0)T。
步骤四、将地心空间直角坐标系中的位置矢量a1,…,an转换为站心地平坐标系中的位置矢量b1,…,bn。
通过欧拉角转动的形式转换至站心地平坐标系，其转换顺序为Z-Y-Z，角度分别为Z轴α′，Y轴-(90°-δ′)，Z轴0，其转换关系为
步骤五、将位置矢量b1,…,bn转换为站心地平坐标系中的来波方向角其中θ′表示俯仰角，表示方位角，下标1,…,n表示对应的位置矢量b1,…,bn。转换关系为
其中bi的坐标为(x″i,y″i,z″i)T，i＝1,…,n。
步骤六、使用经纬仪获取数字波束天线相对于站心地平坐标系的俯仰角A和方位角B(以正南方向为基准)。
步骤七、根据来波方向角和俯仰角A、方位角B得到相对于数字波束天线的实际来波方向角
通过欧拉角转动的形式转换到相对于数字波束天线的实际来波方向角其转换顺序为X-Y-Z，角度分别为X轴角180°+B，Y轴角A，Z轴0，满足如下关系：
步骤八、获取数字波束天线DOA模块的估计来波方向角度遥测值
步骤九、将实际来波方向角与数字波束天线DOA模块得到估计来波方向角进行比较，得出数字波束天线DOA模块的角估计误差Δ1,…,Δn，来判断数字波束天线DOA模块的估计来波方向角是否准确。
其中角估计误差的计算公式为
实施时，若发现θmi≈θ0,则上式可以简化，简化公式为
使用简化公式可以快速计算出角度差。
图2为本发明外场远距离条件下确定卫星数字波束天线来波方向装置的一个实施例,该装置包括：测试塔、数字波束天线、数字波束天线DOA模块、信号源、北斗/GPS终端、经纬仪。
所述测试塔：用于架高数字波束天线，以避免地表反射信号的影响。
所述数字波束天线：用于接收信号源发射的信号。
所述数字波束天线DOA模块：用于对数字波束天线接收的信号进行处理，输出估计来波方向角度遥测值。
所述信号源：用于发射测试信号。
所述北斗/GPS终端：用于获取所在位置的北斗/GPS定位数据。
所述经纬仪：用于测量数字波束天线的方位角和俯仰角。
利用所述北斗/GPS终端获取到所在位置的北斗/GPS定位数据经过坐标转换和计算得到来波方向角。利用所述经纬仪测量数字波束天线的方位角和俯仰角。根据来波方向角和数字波束天线的俯仰角、方位角通过欧拉角转动的形式转换到得到相对于数字波束天线的实际来波方向角。利用所述信号源发射测试信号，架设在所述测试塔上的所述数字波束天线接收信号源发射的信号，后送给所述数字波束天线DOA模块对数字波束天线接收的信号进行处理，输出估计来波方向角度遥测值。将实际来波方向角与数字波束天线DOA模块得到估计来波方向角进行比较，来判断数字波束天线DOA模块的估计来波方向角是否准确。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
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