船载a-e-c三轴卫星通信天线波束指向跟踪控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种船载A-E-C三轴卫星通信天线波束指向跟踪控制方法，属于航天测控技术之试验通信【技术领域】。本发明应用船载卫星通信地球站A-E-C三轴天线坐标计算方法，推导出动态条件下船载卫星通信地球站天线座横倾角和纵倾角的计算公式，根据三轴天线的特点，提出了海上动态条件下三轴天线A、E、C各轴的控制方法。本发明的应用能够提高船载卫星通信地球站天线捕获跟踪效率和波束指向跟踪精度。
【专利说明】船载A-E-C三轴卫星通信天线波束指向跟踪控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种船载三轴稳定天线伺服控制技术，具体是涉及一种船载A-E-C三轴卫星通信天线波束指向跟踪控制方法，属于航天测控技术之试验通信【技术领域】。
【背景技术】
[0002]三轴稳定卫星通信天线具有独特的优点，它能够有效地克服船体运动带来的扰动，可靠地跟踪过天顶目标，实现波束的理想稳定。但由于结构和轴系运动比较复杂，因而对天线控制也提出了较高的要求。
[0003]船载卫星通信地球站天线座架一般采用A-E-C三轴形式，在方位轴(A轴)与俯仰轴(E轴)之间增加了一根第三轴-交叉轴(C轴)，它与俯仰轴在空间正交，C轴可利用正割补偿效应，使天线能够可靠地跟踪过天顶目标，三轴天线的结构如图1所示。
[0004]某型测量船船载卫星通信地球站天线伺服系统采用三轴稳定、两轴跟踪体制。三轴稳定是指方位随动航向，隔离航向变化对天线指向的影响，俯仰、交叉轴隔离船体的纵倾和横滚对天线指向的影响；两轴跟踪是指接收机通过天线接收卫星信标信号，解调出对星的误差信号，通过俯仰、交叉轴实现对星跟踪。
[0005]船载卫星地球站设计之初，根据当时卫星资源情况，船载卫星通信以使用圆极化方式工作为主，因此在设计中没有考虑天线电轴滚动的影响；且当时船用惯导还不能随时向船载卫星通信地球站提供精确的船姿船位信息，卫通天线伺服系统需立足于自身稳定，依靠安装在天线上的陀螺提供稳定平台隔离船体摇摆扰动。根据这一系列设计思想，船载卫星通信地球站A-E-C三轴天线在搜索捕获卫星时只需要简单的地理坐标计算，捕获目标后天线由自跟踪环闭环控制，无需计算轴系角度来引导天线，所以长期以来船载卫星通信地球站A-E-C三轴天线的精确坐标计算一直被忽视。
[0006]但随着在海上卫星通信技术发展越来越深入，原来的天线稳定跟踪体制逐渐暴露出天线坐标计算不完善所带来的一系列问题，如:伺服系统高度依赖陀螺的可靠性、恶劣海况下天线捕获目标因难、单脉冲跟踪以外天线缺少其它备用跟踪手段、跟踪线极化卫星时极化角误差不能实时修正等，而且一旦自跟踪环失效，天线会因缺少稳定指向目标卫星的手段而不能在海上动态条件下实施单脉冲跟踪接收机对星校相，在停靠港口前船载卫星通信地球站将无法正常工作。
[0007]建立船载卫星通信地球站A-E-C三轴天线坐标计算数学模型，利用船用惯导系统信号进行相关计算并作为外部稳定平台控制天线，实现数字引导跟踪，是船载卫星通信地球站A-E-C天线克服以上缺陷、完善伺服跟踪控制系统的迫切需要。
[0008]过去在船载卫星通信地球站A-E-C三轴天线控制领域虽然也曾提出过一些轴系角度的理论分析计算结果，但仅局限于针对特殊的问题运用几何方法计算得出单个问题部分结论，且推导过程复杂，计算方法不成体系。本发明专利通过理论分析，采用矩阵变换的方法。建立了一套完备的适用于船载卫星通信地球站A-E-C三轴天线坐标计算的数学模型，实现了对船载卫星通信地球站A-E-C天线波束指向跟踪的数字引导控制。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于克服上述不足，提供一种船载A-E-C三轴卫星通信天线波束指向跟踪控制方法，它有效利用船用惯导系统可以为船载卫星通信地球站A-E-C三轴天线提供精确船体姿态信息的有利条件，系统地分析船载卫星通信地球站A-E-C三轴天线座架结构和运动规律，建立天线坐标系，并通过推导地理坐标系、甲板坐标系和天线坐标系之间的转换关系，建立一套完备的船载卫星通信地球站A-E-C三轴天线坐标计算数学模型，实现天线波束指向角的数字引导跟踪，解决船载卫星通信地球站海上动态条件下伺服控制系统面临的诸多实际问题，能够有效提高船载卫星通信地球站天线捕获跟踪效率和波束指向跟踪精度。
[0010]本发明的目的是这样实现的:本发明一种船载A-E-C三轴卫星通信天线波束指向跟踪控制方法，它包括以下三部分内容:
1)、坐标系定义
对于船载卫星通信地球站A-E-C三轴天线，定义天线坐标系原点O位于天线稳定平台三轴中心，天线指向轴OZ垂直于俯仰轴与交叉轴所在的平面，OX轴平行于俯仰轴，OY轴平行于交叉轴，OX、OY与OZ轴满足右手法则，当天线方位和交叉为0°、俯仰为90°时，天线坐标系与甲板坐标系重合；
2)、船载卫星通信地球站A-E-C三轴天线地理坐标系、甲板坐标系和天线坐标系间的转换方法
定义地理坐标系0ΧΥΖ，原点O位于天线稳定平台三轴中心，OX轴平行于水平面指向正东，OY轴平行于水平面指向正北，OZ轴垂直于平面0ΧΥ，铅垂向上为正。
[0011]定义甲板坐标系OXdYdZd，原点O位于天线稳定平台三轴中心，OYd轴平行于艏艉线指向船艏为正，OXd轴与OYd垂直且平行于甲板平面，指向右舷为正，OZd轴与0Xd、OYd构成右手直角坐标系。
[0012]船舶载体的航向变化、纵摇变化、横摇变化用矩阵形式来描述，分别为航向变换矩阵mh、纵摇变换矩阵mp、横摇变换矩阵!V
【权利要求】
1.一种船载A-E-C三轴卫星通信天线波束指向跟踪控制方法，其特征在于它由以下三部分组成: (1)坐标系定义 对于船载卫星通信地球站A-E-C三轴天线，定义天线坐标系原点O位于天线稳定平台三轴中心，天线指向轴OZ垂直于俯仰轴与交叉轴所在的平面，OX轴平行于俯仰轴，OY轴平行于交叉轴，OX、OY与OZ轴满足右手法则，当天线方位和交叉为0°、俯仰为90°时，天线坐标系与甲板坐标系重合； (2)数字引导跟踪坐标计算方法 根据船载卫星通信地球站A-E-C三轴稳定天线的结构特点和船用惯性导航信号习惯取值方式，建立方位旋转矩阵、俯仰旋转矩阵和交叉旋转矩阵可表示为:
2.根据权利要求1所述的一种船载A-E-C三轴卫星通信天线波束指向跟踪控制方法，其特征在于:将横倾角和纵倾角计算结果作为天线各轴单脉冲自环跟踪的前馈补偿环节，可以提高跟踪环的船摇隔离度。
【文档编号】H01Q1/18GK103915673SQ201410110417
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年3月24日 优先权日:2014年3月24日
【发明者】黄昆, 陈雪军, 张沪玲, 赵乾宏, 胡湘江, 周建峰, 吉庆, 张建飞, 其他发明人请求不公开姓名 申请人:中国人民解放军63680部队