一种动中通卫星通信平板阵列天线跟踪装置及方法与流程

本发明属于卫星通信系统天线波束跟踪技术领域，涉及一种动中通卫星通信平板阵列天线跟踪装置及方法。

背景技术：

动中通卫星通信(简称“动中通”)是指安装卫星天线的运动载体(如汽车、火车、飞机、轮船等)能够与静止卫星(即同步轨道卫星—目标卫星)建立通信链路并能够在载体快速运动的过程中保持通信链路的畅通以实现实时通信的移动卫星通信系统。

动中通需要安装于载体的顶部才能实现与赤道上空的地球同步轨道卫星进行通信，低轮廓动中通不需要在载体顶部挖洞或开槽，对载体外观改动少，可保持载体外观的完整性；另外，安装低轮廓动中通的载体运动过程中产生的风阻小，遇到陆地上的桥梁、涵洞时可通过性好。基于于反射面天线的动中通一般采用空间馈电的结构，其高度较高、体积庞大、灵活性较差，尽管有许多方法可以降低其高度，但效果并不理想；而平板阵列天线通常采用强制馈电，不需要反射面和喇叭馈电结构，是实现动中通低轮廓的常见方法。

与传统的固定卫星通信相比，动中通天线安装于运动载体上，天线的波束指向会受到载体运动的干扰，动中通要实现可靠通信，其天线必须克服这种干扰，并精确对准目标卫星。但动中通卫星通信的天线增益高，波束窄，载体运动尤其是陆地载体的运动会导致波束的指向与姿态剧烈变化，为此动中通天线对目标卫星必须具备快速、精确的跟踪能力。

实际使用过程中，影响动中通卫星通信性能的主要因素包括动中通载体的运动姿态和系统跟踪能力，要实现运动过程中的可靠卫星通信，动中通卫星通信的天线波束必须在方位、俯仰两个轴同时进行精密跟踪控制。

步进跟踪、圆锥扫描跟踪和单脉冲跟踪是雷达、声呐、卫星通信等领域中常用的天线跟踪方式。这三种跟踪技术虽能应用于动中通跟踪系统的设计，但在不同程度上制约了动中通卫星通信系统的普及和应用，如圆锥扫描和单脉冲跟踪的实现必须引入额外的器件，必将增加系统的复杂性和成本；传统的步进跟踪具有动态滞后、跟踪精度较低、跟踪速度较慢等缺陷和不足。2012年1月21日公开的发明专利CN1469132A(课题组前期专利)中披露了一种动中通卫星通信天线波束跟踪方法，但其跟踪方法主要针对传统的机械扫描天线，虽然也可用于平板阵列天线，但与传统跟踪方法一样，要求平板天线具有精密的移相器参数模型以及严格的阵元通道一致性，这对平板阵列天线的设计提出了很高的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种动中通卫星通信平板阵列天线跟踪装置及方法，该装置及方法能够实现平板阵列天线对目标卫星的精确、快速对准，并且对平板阵列天线的要求较低。

为达到上述目的，本发明所述的动中通卫星通信平板阵列天线跟踪装置包括主控计算机、方位伺服单元、俯仰波控单元、移动载体、安装于移动载体上的平板阵列天线、用于实时对移动载体所在经纬度进行检测的地理位置检测单元、用于实时对移动载体的姿态信息进行检测的载体姿态检测单元、以及用于实时对平板阵列天线接收的信号的强度进行检测的信号强度检测单元，主控计算机与方位伺服单元及俯仰波控单元相连接，方位伺服单元及俯仰波控单元与移动载体相连接。

载体姿态检测单元为陀螺仪或加速度计。

平板阵列天线中阵元的分布方式为均匀间距分布、非均匀间距离散分布及非均匀间距连续分布中的一种分布或者两种组合而成的分布。

本发明所述的动中通卫星通信平板阵列天线跟踪方法包括以下步骤：

1)主控计算机控制方位伺服单元及俯仰波控单元使平板阵列天线初始对准目标卫星；

2)设置动中通卫星通信系统跟踪的目标函数，根据动中通卫星通信系统跟踪的目标函数计算平板阵列天线当前的波束指向；

3)根据平板阵列天线当前的波束指向初始化平板阵列天线波束指向θ的控制参数μ＝[w Az]^T＝[w₁,w₂,…,w_N,Az]^T，再计算平板阵列天线的步长控制因子a_k、扰动增益b_k及小幅扰动值c_k，其中，

a_k＝a/(A+k+1)^α、b_k＝b/(k+1)^γ及c_k＝c/(k+1)^γ，a、b、c、A、α及γ均为常数，设k的初始值为0；

4)主控计算机采用蒙特卡罗方法生成N+1维随机扰动向量τ_k＝(τ_k1，τ_k2…τ_kN+1)^T及N维随机扰动向量ξ_k＝(ξ_k1，ξ_k2…ξ_kN)^T，则扰动随机向量Δ_ki＝b_kd_iξ_ki+c_kτ_ki，其中，i＝1，2…N，Δ_kN+1＝b_kΔAz+c_kτ_kN+1，d_i为第i个阵元的位置；

5)主控计算机根据扰动随机向量Δ_k对平板阵列天线的波束指向按照+Δ_k及-Δ_k通过方位伺服单元及俯仰波控单元进行两次扰动驱动，并获取两次扰动驱动后信号强度检测单元输出的电压值P(μ_k+Δ_k)及P(μ_k-Δ_k)，主控计算机根据信号强度检测单元输出的电压值P(μ_k+Δ_k)及P(μ_k-Δ_k)估计平板阵列天线的波束进行调整的梯度值g(μ_k)；

6)主控计算机计算本次跟踪过程中平板阵列天线的跟踪误差信号a_k·g(μ_k)，其中，μ_k+1＝μ_k-a_k·g(μ_k)，μ_k及μ_k+1分别为对平板阵列天线波束指向进行调整前后平板阵列天线波束指向角的向量值，主控计算机根据平板阵列天线的跟踪误差信号a_k·g(μ_k)通过方位伺服单元及俯仰波控单元调整平板阵列天线的波束指向，使本次信号强度检测单元输出的电压值最大化。

7)对k进行更新，使更新后的k等于更新之前的k+1，再重复步骤3)、4)、5)及6)，同时实时更新控制平板阵列天线波束指向的向量值μ_k，使信号强度检测单元输出的电压值最大化；当信号强度检测单元输出的电压值逐渐变小时，则转至步骤1)。

步骤1)的具体操作为：

11)地理位置检测单元检测移动载体所在经纬度主控计算机根据移动载体所在经纬度与用户输入的目标卫星经度信息计算平板阵列天线在静止状态下指向目标卫星的理论方位角Az及俯仰角El；

12)载体姿态检测单元检测移动载体的姿态信息，主控计算机根据移动载体的姿态信息对平板阵列天线在静止状态下指向目标卫星的理论方位角Az及俯仰角El进行修正，主控计算机根据修正后的平板阵列天线在静止状态下指向目标卫星的理论方位角Az及俯仰角El通过方位伺服单元及俯仰波控单元控制平板阵列天线，使平板阵列天线的波束初始对准目标卫星。

平板阵列天线在静止状态下指向目标卫星的理论方位角Az及俯仰角El为：

其中，r为地球半径，r＝6378km，R为目标卫星距地球地心的高度，R＝42218km。

步骤1)中，当前理论空域中无法使平板阵列天线获得目标卫星信号时，主控计算机控制平板阵列天线的波束在当前理论空域附近其他空域进行搜索，在搜索过程中，当信号强度检测单元的输出电压大于等于预设电压值时，则表明平板阵列天线的波束初始对准目标卫星，当信号强度检测单元的输出电压小于预设电压值时，表明平板阵列天线的波束没有初始对准目标卫星，则控制平板阵列天线的波束在下一个空域进行搜索，直至平板阵列天线的波束初始对准目标卫星为止。

步骤2)中动中通卫星通信系统跟踪的目标函数为：

maxP(w,Az)s.t.w^Hw＝1

其中，(·)^H为共轭转置，P为平板阵列天线接收的信号强度，Az为平板阵列天线波束的方位角，w＝[w₁,w₂,…,w_N]^T为控制平板阵列天线波束俯仰指向的移相器输出值，N为平板阵列天线中的移相器数量，(·)^T为转置，w^Hw＝1表示在跟踪在过程中只调整阵元接收信号的相位，不调整接收信号的幅度。

步骤3)中主控计算机采用蒙特卡罗方法生成N+1维随机扰动向量τ_k＝(τ_k1，τ_k2…τ_kN+1)^T及N维随机扰动向量ξ_k＝(ξ_k1，ξ_k2…ξ_kN)^T，其中，随机扰动向量τ_k中的N+1个元素及随机扰动向量ξ_k中的N个元素均相互独立，且E{τ_ki}＝0，i＝1，2…N+1，E{ξ_ki}＝0，i＝1，2…N。

步骤5)中估计得到的平板阵列天线的波束进行调整的梯度值g(μ_k)为：

g(μ_k)＝0.5[P(μ_k+Δ_k)-P(μ_k-Δ_k)][(Δ_k1，Δ_k2…Δ_kN+1)^T]^-1。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的动中通卫星通信平板阵列天线跟踪装置及方法在具体操作时，先使平板阵列天线初始对准目标卫星，再计算平板阵列天线的步长控制因子a_k、扰动增益b_k及小幅扰动值c_k，同时采用蒙特卡罗方法生成N+1维随机扰动向量τ_k及N维随机扰动向量ξ_k，由于b_k、d_i及ξ_ki用于校正移相器因阵元位置不同对波束指向的影响，c_k及τ_ki用于补偿移相器的个体差异以及随机扰动方向，从而直接扰动平板阵列天线的移相器控制量，提高平板阵列天线波束对目标卫星的精确。同时，本发明通过迭代的方法使平板阵列天线接收到的信号电压最大化，提高平板阵列天线对准目标卫星的精度，并且结构简单，操作方便，天线跟踪精度高、速度快，能够有效的克服现有平板阵列天线需要精密的波控元件、馈电网络参数变化及阵元位置误差等因素影响跟踪过程的问题，极大提高了天线跟踪的稳定性，降低平板天线设计的硬件要求及成本。

附图说明

图1为本发明动中通卫星通信平板阵列天线3跟踪装置的电路原理框图；

图2为本发明动中通卫星通信平板阵列天线3跟踪方法的流程图。

其中，1为地理位置检测单元、2为载体姿态检测单元、3为平板阵列天线、4为俯仰波控单元、5为方位伺服单元、6为信号强度检测单元、7为主控计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的动中通卫星通信平板阵列天线跟踪装置包括主控计算机7、方位伺服单元5、俯仰波控单元4、移动载体、安装于移动载体上的平板阵列天线3、用于实时对移动载体所在经纬度进行检测的地理位置检测单元1、用于实时对移动载体的姿态信息进行检测的载体姿态检测单元2、以及用于实时对平板阵列天线3接收的信号的强度进行检测的信号强度检测单元6，主控计算机7与方位伺服单元5及俯仰波控单元4相连接，方位伺服单元5及俯仰波控单元4与移动载体相连接。

载体姿态检测单元2为陀螺仪或加速度计；平板阵列天线3中阵元的分布方式为均匀间距分布、非均匀间距离散分布及非均匀间距连续分布中的一种分布或者两种组合而成的分布。

参考图2，本发明所述的动中通卫星通信平板阵列天线跟踪方法包括以下步骤：

1)主控计算机7控制方位伺服单元5及俯仰波控单元4使平板阵列天线3初始对准目标卫星；

2)设置动中通卫星通信系统跟踪的目标函数，根据动中通卫星通信系统跟踪的目标函数计算平板阵列天线3当前的波束指向；

3)根据平板阵列天线3当前的波束指向初始化平板阵列天线3波束指向θ的控制参数μ＝[w Az]^T＝[w₁,w₂,…,w_N,Az]^T，再计算平板阵列天线3的步长控制因子a_k、扰动增益b_k及小幅扰动值c_k，其中，

a_k＝a/(A+k+1)α、b_k＝b/(k+1)^γ及c_k＝c/(k+1)^γ，a、b、c、A、α及γ均为常数，设k的初始值为0；

4)主控计算机7采用蒙特卡罗方法生成N+1维随机扰动向量τ_k＝(τ_k1，τ_k2…τ_kN+1)^T及N维随机扰动向量ξ_k＝(ξ_k1，ξ_k2…ξ_kN)^T，则扰动随机向量Δ_ki＝b_kd_iξ_ki+c_kτ_ki，其中，i＝1，2…N，Δ_kN+1＝b_kΔAz+c_kτ_kN+1，d_i为第i个阵元的位置；

5)主控计算机7根据扰动随机向量Δ_k对平板阵列天线3的波束指向按照+Δ_k及-Δ_k通过方位伺服单元5及俯仰波控单元4进行两次扰动驱动，并获取两次扰动驱动后信号强度检测单元6输出的电压值P(μ_k+Δ_k)及P(μ_k-Δ_k)，主控计算机7根据信号强度检测单元6输出的电压值P(μ_k+Δ_k)及P(μ_k-Δ_k)估计平板阵列天线3的波束进行调整的梯度值g(μ_k)；

6)主控计算机7计算本次跟踪过程中平板阵列天线3的跟踪误差信号a_k·g(μ_k)，其中，μ_k+1＝μ_k-a_k·g(μ_k)，μ_k及μ_k+1分别为对平板阵列天线3波束指向进行调整前后平板阵列天线3波束指向角的向量值，主控计算机7根据平板阵列天线3的跟踪误差信号a_k·g(μ_k)通过方位伺服单元5及俯仰波控单元4调整平板阵列天线3的波束指向，使本次信号强度检测单元6输出的电压值最大化。

7)对k进行更新，使更新后的k等于更新之前的k+1，再重复步骤3)、4)、5)及6)，同时实时更新控制平板阵列天线3波束指向的向量值μ_k，使信号强度检测单元6输出的电压值最大化；当信号强度检测单元6输出的电压值逐渐变小时，则转至步骤1)。

步骤1)的具体操作为：

11)地理位置检测单元1检测移动载体所在经纬度主控计算机7根据移动载体所在经纬度与用户输入的目标卫星经度信息计算平板阵列天线3在静止状态下指向目标卫星的理论方位角Az及俯仰角El；

12)载体姿态检测单元2检测移动载体的姿态信息，主控计算机7根据移动载体的姿态信息对平板阵列天线3在静止状态下指向目标卫星的理论方位角Az及俯仰角El进行修正，主控计算机7根据修正后的平板阵列天线3在静止状态下指向目标卫星的理论方位角Az及俯仰角El通过方位伺服单元5及俯仰波控单元4控制平板阵列天线3，使平板阵列天线3的波束初始对准目标卫星。

平板阵列天线3在静止状态下指向目标卫星的理论方位角Az及俯仰角El为：

其中，r为地球半径，r＝6378km，R为目标卫星距地球地心的高度，R＝42218km。

步骤1)中，当前理论空域中无法使平板阵列天线3获得目标卫星信号时，主控计算机7控制平板阵列天线3的波束在当前理论空域附近其他空域进行搜索，在搜索过程中，当信号强度检测单元6的输出电压大于等于预设电压值时，则表明平板阵列天线3的波束初始对准目标卫星，当信号强度检测单元6的输出电压小于预设电压值时，表明平板阵列天线3的波束没有初始对准目标卫星，则控制平板阵列天线3的波束在下一个空域进行搜索，直至平板阵列天线3的波束初始对准目标卫星为止。

步骤2)中动中通卫星通信系统跟踪的目标函数为：

maxP(w,Az)s.t.w^Hw＝1

其中，(·)^H为共轭转置，P为平板阵列天线3接收的信号强度，Az为平板阵列天线3波束的方位角，w＝[w₁,w₂,…,w_N]^T为控制平板阵列天线3波束俯仰指向的移相器输出值，N为平板阵列天线3中的移相器数量，(·)^T为转置，w^Hw＝1表示在跟踪在过程中只调整阵元接收信号的相位，不调整接收信号的幅度。

步骤3)中主控计算机7采用蒙特卡罗方法生成N+1维随机扰动向量τ_k＝(τ_k1，τ_k2…τ_kN+1)^T及N维随机扰动向量ξ_k＝(ξ_k1，ξ_k2…ξ_kN)^T，其中，随机扰动向量τ_k中的N+1个元素及随机扰动向量ξ_k中的N个元素均相互独立，且E{τ_ki}＝0，i＝1，2…N+1，E{ξ_ki}＝0，i＝1，2…N。

步骤5)中估计得到的平板阵列天线3的波束进行调整的梯度值g(μ_k)为：

g(μ_k)＝0.5[P(μ_k+Δ_k)-P(μ_k-Δ_k)][(Δ_k1，Δ_k2…Δ_kN+1)^T]^-1。

需要说明的是，理论方位角Az以正北为零度且顺时针方向为正，理论俯仰角El以水平方向为零度且水平面上方为正，b_k、d_i及ξ_ki用于校正移相器因阵元位置不同对波束指向的影响，c_k及τ_ki用于补偿移相器的个体差异以及随机扰动方向。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。