CN101494318B - Ka波段移动卫星通信天线姿态自动调整方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Ka波段移动卫星通信天线姿态自动调整方法及装置，它首先使驱动天线转动的方位轴、滚转轴、俯仰轴三根轴呈空间正交安装在天线底座上，实现三根空间正交轴的角运动隔离；其次分别以方位轴、滚转轴、俯仰轴为中心配置天线构件，使俯仰轴上安装的天线构件的总质心落在俯仰轴上，使滚转轴轴线二侧安装的天线构件的总质心落在滚转轴上，使方位轴以上的天线构件的总质心落在方位轴上；最后以天线为天线指向偏差的检测基准，通过跟踪卫星的信标信号并交替驱动方位轴和/或俯仰轴的转角，来消除传感器漂移引起的指向偏差，使天线处于最佳接收状态。本发明具有精度高，结构简单，体积小，成本低的优点，可广泛应用于应急通信、抢险救灾，也可用于车、船、火车等商用目的。

Description

Ka波段移动卫星通信天线姿态自动调整方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其是一种在载体运动中通过自适应调整天线姿态实现与卫星通信的方法及装置，具体地说是一种Ka波段移动卫星通信天线姿态自动调整方法及装置。

背景技术

卫星通信地球站需要卫星通信天线的波束始终指向卫星。波束的定向技术主要有两种，一种是通过机械方法使天线主波束始终对准卫星，这种系统被称为机械式天线系统；另一种是使用电扫描跟踪，利用相控阵技术实现天线波束的扫描跟踪，天线的机械结构不动或少动，这种系统被称为相控阵天线系统。机械式天线系统具有结构简单，增益高，成本低的优点，而相控阵天线系统结构复杂，增益低，成本高，比机械式天线系统要贵很多，一般用户单位难以承受。

在移动载体上，如车、船等卫星通信场合，一种情况是通信主体可以移动空间位置，但要等通信设备或其载体移动结束后才能实现通信，不能边移动边通信，这种情况也叫机动通信，如现有的一些车载卫星地面站；另一种是能实现运动过程中的不间断通信，可在移动中通信，也叫“动中通”。对于使用抛物面天线进行卫星通信的系统，要在运动的载体上进行通信，就需要一套自动化程度很高的控制系统来保证天线的指向不受载体运动的影响，特别是在Ka波段，天线的波束更窄，对天线的指向精度要求十分严格，对其精度、可靠性及长时间指向稳定的要求更高。

在Ka波段，使用面天线系统实现移动中的卫星通信，保证运动载体上天线指向稳定的技术有稳定和跟踪二个基本要求，它涉及到：一、载体的运动是隔离还是通过天线的反向运动补偿来进行；二、指向信息的检测基准是建立在载体上还是稳定于绝对空间的平台上或直接建立在天线上；三、采用何种稳定方法；四、长时间工作所产生累积误差如何消除。

为了解决上述问题，目前共有三种方法：

第一种是在运动载体上引入绝对基准，然后检测天线相对于基准的偏差，再利用伺服系统控制天线纠正指向偏差。这种方法对基准和伺服系统的要求均很高，在载体运动比较剧烈的场合，这种方法在经济性和性能方面均难以达到实用的要求。

第二种方法是引入一个稳定水平平台使其在载体运动时保持在绝对空间相对不动，天线安装在平台上，平台本身用机械陀螺等装置加以稳定。

第三种方法是不设稳定平台，而实时检测载体的运动，然后控制天线作反向补偿运动，最终保持天线指向。

上述三种方法均难以胜任载体运动比较剧烈的场合，普遍存在精度不高，漂移误差修正困难，连续工作时间短的问题，无法满足战争条件下通信工作的要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有的动态卫星通信跟踪方法均无法适应剧烈运动载体的问题，发明一种能适合各种运载条件的精度高且能连续长时间工作的Ka波段移动卫星通信天线姿态自动调整方法及装置。

本发明的技术方案是：

一种Ka波段移动卫星通信天线姿态自动调整方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，利用GPS实时获取经纬度值控制天线的极化角、初始的方位角和仰角；

其次，将天线安装在采用三根正交轴组成的天线悬浮装置上，利用天线本身的重心为基本稳定核心，将运动载体的三个转动自由度和天线的三个转动自由度隔离开来，从而实现悬浮隔离；

第三，在进行悬浮隔离的过程中，采用在3根正交轴上分别配置3个驱动电机和3个FOG传感器(即光纤陀螺传感器，它们均被安装在底座的上部而与运载工具无关)的方法来消除机械轴支撑由于轴上轴承在转动时的摩擦力对天线指向精度的影响，利用FOG传感器直接检测天线相对于绝对空间的转动角速度，并将检测到的信号直接传给控制板，控制板将这些信号进行PID即比例积分微分变换后驱动3个对应的电机作相应的转动，从而驱动天线，使天线姿态稳定在预定位置指向上，并使天线瞬态指向偏差小于0.05°；

第四，通过跟踪卫星的信标信号消除前述FOG传感器漂移引起的积累偏差，也就是消除指向偏差，实现卫星通信功能；所述的跟踪卫星的信标信号的方法是：当天线接收设备接收到的信标信号小于设定值时，天线停止跟踪，保持稳定状态；当天线接收设备接收到的信标信号大于设定值时，通过交替驱动方位轴和/或俯仰轴的转角来保证天线对准通信卫星，以达到消除指向偏差的目的。

所述跟踪卫星的信标信号的方法是：当天线接收设备接收到的信标信号大于设定值时，立刻驱动天线的方位轴转动0.1～0.3度，控制板将转动后天线接收设备上接收到的信标信号值与前一个接收到的信标信号值进行比较：

如果比前一个信标信号值大，则表示天线转动的方向正确，控制器就再将方位轴转动0.1～0.3度，然后再进行比较，直至后一个信标信号值小于前一个信标信号值；

如果比前一个信标信号值小，则表示天线转动的方向不正确，控制板就将方位轴反方向转动0.1～0.3，然后再进行比较，直至后一个信标信号值小于前一个信标信号值，然后进行俯仰轴的如此跟踪，只要收到的信标信号大于设定值，系统就始终这样交替地跟踪，使天线处于最佳接收状态。

一种Ka波段移动卫星通信天线姿态自动调整装置，其特征是它包括底座7、方位轴2、滚转轴3、俯仰轴4、天线及馈源总成5、测控设备6、滚转梁11以及安装在底座7上部对应位置处的光纤传感器(FOG传感器)，底座7通过减振弹簧安装在载体1，方位轴2固定在底座7上，支承柱10通过一对轴承与方位轴2相连，支承柱10的上端通过一对支耳及其轴承与滚转梁11上的滚转轴3相连，俯仰轴4通过滚转梁11二侧的轴孔上的轴承与横梁连接，Ka功放、测控设备6和天线及馈源总成5安装在设备安装架8上，设备安装架8和俯仰轴4固连，另外Ka功放、测控设备6、天线及馈源总成5和设备安装架8这四个整件的总质心落在俯仰轴4上，而Ka功放、测控设备6、天线及馈源总成5、设备安装架8、俯仰轴4和滚转梁11这六个整件的总质心落在滚转轴3上；方位轴2以上的滚转梁11、滚转轴3、俯仰轴4、天线及馈源总成5、Ka功放、测控设备6和配重块的质心位于方位轴2上；所述的方位轴2、滚转轴3和俯仰轴4均连接有各自的驱动电机。本发明的所有传感器(如FOG传感器、水平传感器、信标传感器及所有与通信有关的传感器)均安装在底座7的上部需要检测相应参数的对应位置处。

所述的滚转轴3、俯仰轴4及方位轴2轴线的一侧或两侧加装有平衡力矩的配重块。

本发明的有益效果：

1、本发明的方法解决了长期以来以天线为检测基准的理论不能得到实践的问题，通过合理地布置天线系统的整体结构件，即可非常简单地使这一理论付诸实施。

2、利用本发明所提供的方法可以很方便地设计出满足通信要求的机械式定向天线系统，且结构简单，体积小，成本低。利用本发明的方法对天线系统的结构件进行布置，从实际上解决和保证了以天线为偏差检测基准的可靠性。

3、本发明的方法具有跟踪精度高，对设备要求低的优点，特别是可将传感器直接安装在天线上相应控制位置处，可大大降低对传感器精度的要求，有利于降低成本。

4、本发明对配套的天线电气控制系统无特殊要求，可采用常规的控制理论和方法加以实现，普通技术人员对现有的天线电气控制系统略加修改即可投入使用。

5、应用范围广，可用于应急通信、抢险救灾，也可用于车、船、火车等商用目的。

附图说明

图1是本发明的自适应调整装置的结构示意图。

图2是图1的俯视结构示意图。

图3是发明实施例的电气原理框图。

图4是本发明实施例的自动跟踪逻辑框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

一种Ka波段移动卫星通信天线姿态自动调整方法，使得天线始终对准通信卫星，从而实现载体移动中的卫星通信。它利用GPS所得的经纬度等值控制天线的极化角、初始的方位角和仰角并：

a、利用天线本身的“惯性”为基本稳定核心，采用三根正交轴支撑天线体使天线悬浮起来，这样就将载体的三个转动自由度和天线的三个转动自由度隔离开来，从而实现最基本(核心)的悬浮隔离；

b、由于采用机械轴进行支撑，轴上轴承在转动时的摩擦力虽然小，但是它不为零，所以必须要对摩擦力产生的影响(隔离度只能为：96％，这4％的偏差就是由三个轴的摩擦力产生的)进行消除。

C、为消除三个轴的摩擦力的影响，就要在3根轴上对应地配置3个驱动电机和3个FOG传感器，FOG传感器直接检测天线相对于绝对空间的转动角速度，并将检测到的信号直接传给控制板，控制板将这些信号进行PID(比例积分微分)变换，将变换后的信号驱动3个对应的电机作相应的转动，从而驱动天线，使天线姿态稳定在预定位置指向上，此时，天线瞬态指向偏差小于0.1度，

d、由于FOG传感器本身的误差(漂移)会产生积累偏差，影响天线的长期指向偏差精度，所以必须消除这个偏差。通过跟踪卫星的信标信号就可以消除传感器漂移引起的积累偏差，也就是消除指向偏差，实现卫星通信功能；

e、跟踪卫星的信标信号的方法是；当天线接收设备接收到的信标信号小于设定值时，天线停止跟踪，保持稳定状态；当天线接收设备接收到的信标信号大于设定值时，通过交替驱动方位轴和/或俯仰轴的转角来保证天线对准通信卫星，以达到消除指向偏差的目的。

理论上如果用于支撑的3根正交轴转动时的摩擦系数＝0，采用本发明方法的a步就能实现天线姿态的稳定(即：只要采用悬浮隔离法就行)，但事实是不可能的，所以必须要加入b、c步，如果FOG传感器没有误差，采用本发明方法的a、b、c步骤完全可以保证接收的效果，但实际上，由于传感器始终存在误差，因此必须对由于传感器漂移而产生的累积误差，也就是指向偏差进行修整，以实现对卫星的跟踪，故本发明方法中的d、e步骤也是必不可少的，只有这样才能构成本发明方法的整体技术方案。

当天线接收设备接收到的信标信号大于设定值时的具体跟踪方法为：当天线接收设备接收到的信标信号大于设定值时，立刻驱动天线的方位轴转动0.1～0.3度，控制板将转动后天线接收设备上接收到的信标信号值与前一个接收到的信标信号值进行比较：

如果比前一个信标信号值大，则表示天线转动的方向正确，控制器就再将方位轴转动0.1～0.3度，然后再进行比较，直至后一个信标信号值小于前一个信标信号值；

如果比前一个信标信号值小，则表示天线转动的方向不正确，控制板就将方位轴反方向转动0.1～0.3，然后再进行比较，直至后一个信标信号值小于前一个信标信号值，然后进行俯仰轴的如此跟踪，只要收到的信标信号大于设定值，系统就始终这样交替地跟踪，使天线处于最佳接收状态。

本发明的Ka波段移动卫星通信天线姿态调整方法首先用定向天线实现载体移动中的卫星通信，使驱动天线转动的方位轴、滚转轴、俯仰轴三根轴(以下统称为转轴)呈空间正交安装在天线底座上，实现三根空间正交轴的角运动隔离；转轴的支撑要求用摩擦力尽量小的轴承实现，以尽可能减小由于摩擦力引起的载体剧烈运动而使转轴产生的角运动，同时要保证在转轴上相对运动的构件之间安装的任何传感器和驱动装置或传动装置不应妨碍转轴的自动转动，即不应产生阻碍相对运动的力矩，以保证载体的剧烈角运动不会传递给天线。同时分别以方位轴、滚转轴、俯仰轴为中心配置天线构件，使俯仰轴上安装的天线构件对俯仰轴的重力矩为零，使滚转轴轴线二侧安装的天线构件对滚转轴的重力矩为零，使方位轴以上的天线构件对方位轴的重力矩为零；以保证载体的线加速度不会引起转轴产生角加速度，即载体剧烈线运动不会引起天线指向角的改变。在此基础上再以天线为天线指向偏差的检测基准，用传感器直接检测天线相对于绝对空间的转动角速度，并将检测到的信号直接传给控制板，控制板将这些信号进行PID(比例积分微分)变换，将变换后的信号驱动方位轴电机、俯仰轴电机和横滚电机作相应的转动，从而驱动天线，直至天线的天线指向偏差小于0.2度，使天线稳定在预定指向，再通过接收设备接收到的信标信号进行跟踪来消除传感器精度误差产生的累积偏差，从而保证天线对准卫星；

上述结构件的配置方法保证了载体的剧烈运动不会引起天线指向的剧烈变化，使得控制系统的任务仅为修正天线的缓慢漂移，大大减轻了对控制系统快速反应的要求，使得控制系统的设计更为简单。

同时由于结构配置的保证，天线相对于绝对空间的角速度将很小，角速度传感器的测量范围可以缩小而重点保证测量的灵敏度和精度，从而更好地保证天线的稳定。

理论上如果传感器没有误差，采用本发明方法的结构件布置方法完全可以保证接收的效果，但实际上，由于传感器始终存在误差，因此必须对由于传感器漂移而产生的累积误差，也就是指向偏差进行修整，以实现对卫星的跟踪，故本发明方法中的以天线为指向偏差的检测基准也是必不可少的，只有这样才能构成本发明方法的整体技术方案。

此外，天线的极化角、初始的方位角和俯仰角可利用GPS所得的经纬度值来加以控制。

对于角速度传感器的漂移引起的累积误差(即指向偏差)，可利用对卫星信标信号的跟踪来消除。

当天线接收设备接收到的信标信号小于设定值时，天线停止跟踪，保持稳定状态；当天线接收设备接收到的信标信号大于设定值时，通过交替驱动方位轴和/或俯仰轴的转角来保证天线对准通信卫星。具体跟踪方法：当设备接收到的信标信号大于设定值时，立刻驱动天线的方位轴转动0.1～0.3度，控制板将转动后天线接收设备上接收到的信标信号值与前一个接收到的信标信号值进行比较：

如果比前一个信标信号值大，则表示天线转动的方向正确，控制器就再将方位轴转动0.1～0.3度，然后再进行比较，直至后一个信标信号值小于前一个信标信号值；

如果比前一个信标信号值小，则表示天线转动的方向不正确，控制板就将方位轴反方向转动0.1～0.3，然后再进行比较，直至后一个信标信号值小于前一个信标信号值，然后进行俯仰轴的如此跟踪，只要收到的信标信号大于设定值，系统就始终这样交替地跟踪，使天线处于最佳接收状态。

实施例二。

如图1、2、3、4所示。

一种Ka波段移动卫星通信天线姿态自动调整装置，它包括底座7、方位轴2、滚转轴3、俯仰轴4、天线及馈源总成5、测控设备6、滚转梁11以及安装在底座7上部对应位置处的光纤传感器(即FOG传感器)，如图1、2所，底座7通过减振弹簧安装在载体1(如移动通信用汽车)上，方位轴2固定在底座7上，支承柱10通过一对轴承与方位轴2相连，支承柱10的上端通过一对支耳及其轴承与滚转梁11上的滚转轴3相连，俯仰轴4通过滚转梁11二侧的轴孔上的轴承与横梁连接，Ka功放、测控设备6和天线及馈源总成5安装在设备安装架8上，设备安装架8和俯仰轴4固连，另外Ka功放、测控设备6、天线及馈源总成5和设备安装架8这四个整件在结构布局上要尽可能使它们的总质心落在俯仰轴4上，而Ka功放、测控设备6、天线及馈源总成5、设备安装架8、俯仰轴4和滚转梁11这六个整件在结构布局上要尽可能使它们的总质心落在滚转轴3上。本实施例区别于现有技术的另一特点是所有传感器(如FOG传感器、水平传感器、信标传感器及所有与通信有关的传感器)均安装在底座7的上部需要检测相应参数的对应位置处。

方位轴2以上的结构件(包括滚转梁11、滚转轴3、俯仰轴4、天线及馈源总成5、Ka功放、测控设备6和配重块等)的质心位于方位轴2上。

本具体例中的方位轴2、滚转轴3、俯仰轴4均由各自的驱动电机驱动，所有传感器均安装在底座7以上、传感器需要检测的相应参数的相应部位上。

如果上述的滚转轴3轴线两侧所配置的结构件的重心不在滚转轴3轴线上，则可通过加装配重块的方法加以解决，同理，对俯仰轴4上安装的结构件(以天线及馈源总成5为主)也可通过加装配重块的方法使之实现对俯仰轴4的平衡力矩，对方位轴2以上所安装的所有结构件也可通过加装配重块的方法使之实现对方位轴2的平衡力矩。

此外，需要说明的是上述的结构件是指相应轴以上或轴线二侧所安装的所有零部件及配重块的总称，它并不是一个单独的零部件。

平衡力矩配置时应按先对俯仰轴4进行平衡力矩配置，然后对滚转轴3进行平衡力矩配置，最后对方位轴进行平衡力矩配置的次序分别进行，以保证三个空间正交的方位轴2、滚转轴3、俯仰轴4上的重力矩均为零，且无不干涉。

本具体例的电气控制原理框图如图3所示。图中左侧从上到下的横滚、俯仰、方位虚线框为本发明的控制板电原理图。

上述结构件的配置方法保证了载体的剧烈运动不会引起天线指向的剧烈变化，使得控制系统的任务仅为修正天线的缓慢漂移，大大减轻了对控制系统快速反应的要求，使得控制系统的设计更为简单。

同时由于结构配置的保证，天线及馈源总成5相对于绝对空间的角速度将很小，传感器的测量范围可以缩小而重点保证测量的灵敏度和精度，从而更好地保证天线及馈源总成5的稳定。天线的极化角可利用GPS所得的经纬度值来加以控制，使接收电平最大。

测控设备6接收到的信标信号小于设定值时，天线停止跟踪，保持稳定状态，当测控设备6接收到的信标信号大于设定值时，说明处于跟踪状态，此时可通过交替驱动方位轴2和/或俯仰轴4来保证跟踪达到最佳状态，而此时由于滚转轴3对接收信标信号的敏感度很低，所以其基本处于静止状态，最佳信标信号接收的调整过程为：先使方位轴和/或俯仰轴转动0.2度，控制板将转动后测控设备6上接收到的信标信号值与前一个接收到的、大于设定值的信标信号值进行比较：如果比前一个信标信号值大，则表示天线及馈源总成5转动的方向正确，则通过驱动方位轴2和/或俯仰轴4转动而驱动天线再转动0.2度，然后再进行比较，直至后一个信标信号值小于前一个信标信号值，方位轴2和俯仰轴3停止转动，此时接收质量最佳；如果比前一个信标信号值小，则表示收发及测控设备6转动的方向不正确，则通过驱动方位轴2和/或俯仰轴4转动而驱动天线及馈源总成5再转动0.1～0.3，然后再进行比较，直至后一个信标信号值大于前一个信标信号值，方位轴2和俯仰轴4停止转动，此时接收质量最佳。这一调整过程不断进行，使天线处于最佳接收状态。图4的跟踪逻辑框图就体现上述设计思想。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种Ka波段移动卫星通信天线姿态自动调整方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，利用GPS实时获取经纬度值控制天线的极化角、初始的方位角和仰角；

其次，将天线安装在采用三根正交轴组成的天线悬浮装置上，利用天线本身的重心为基本稳定核心，将运动载体的三个转动自由度和天线的三个转动自由度隔离开来，从而实现悬浮隔离；所述的天线悬浮装置的驱动天线转动的方位轴、滚转轴和俯仰轴三根轴呈空间正交安装在天线底座上，实现三根空间正交轴的角运动隔离；转轴的支撑通过轴承实现，以保证在转轴上相对运动的构件之间安装的任何传感器和驱动装置或传动装置不应妨碍转轴的自动转动，即不应产生阻碍相对运动的力矩，以保证载体因摩擦力引起的剧烈角运动不会传递给天线；同时分别以方位轴、滚转轴、俯仰轴为中心配置天线构件，使俯仰轴上安装的天线构件对俯仰轴的重力矩为零，使滚转轴轴线二侧安装的天线构件对滚转轴的重力矩为零，使方位轴以上的天线构件对方位轴的重力矩为零；以保证载体的线加速度不会引起转轴产生角加速度，即载体剧烈线运动不会引起天线指向角的改变，并且天线底座通过减振弹簧安装在载体上；

第三，在进行悬浮隔离的过程中，采用在每根正交轴上分别配置一个驱动电机和一个光纤陀螺传感器的方法来消除机械轴支撑由于轴上轴承在转动时的摩擦力对天线指向精度的影响，利用光纤陀螺传感器直接检测天线相对于绝对空间的转动角速度，并将检测到的信号直接传给控制板，控制板将这些信号进行PID即比例积分微分变换后驱动3个对应的电机作相应的转动，从而驱动天线，使天线姿态稳定在预定位置指向上，并使天线瞬态指向偏差小于0.05°；

第四，通过跟踪卫星的信标信号消除前述光纤陀螺传感器漂移引起的积累偏差，也就是消除指向偏差，实现卫星通信功能；所述的跟踪卫星的信标信号的方法是：当天线接收设备接收到的信标信号小于设定值时，天线停止跟踪，保持稳定状态；当天线接收设备接收到的信标信号大于设定值时，通过交替驱动三根正交轴中的方位轴和/或俯仰轴的转角来保证天线对准通信卫星，以达到消除指向偏差的目的。

2.一种Ka波段移动卫星通信天线姿态自动调整装置，其特征是它包括底座(7)、方位轴(2)、滚转轴(3)、俯仰轴(4)、天线及馈源总成(5)、测控设备(6)、滚转梁(11)以及安装在底座(7)上部的光纤传感器，底座(7)通过减振弹簧安装在载体(1)，方位轴(2)固定在底座(7)上，支承柱(10)通过一对轴承与方位轴(2)相连，支承柱(10)的上端通过一对支耳及其轴承与滚转梁(11)上的滚转轴(3)相连，俯仰轴(4)通过滚转梁(11)二侧的轴孔上的轴承与滚转梁连接，Ka功放、测控设备(6)和天线及馈源总成(5)安装在设备安装架(8)上，设备安装架(8)和俯仰轴(4)固连，另外Ka功放、测控设备(6)、天线及馈源总成(5)和设备安装架(8)这四个整件的总质心落在俯仰轴(4)上，而Ka功放、测控设备(6)、天线及馈源总成(5)、设备安装架(8)、俯仰轴(4)和滚转梁(11)这六个整件的总质心落在滚转轴(3)上；方位轴(2)以上的滚转梁(11)、滚转轴(3)、俯仰轴(4)、天线及馈源总成(5)、Ka功放、测控设备(6)和配重块的质心位于方位轴(2)上；所述的方位轴(2)、滚转轴(3)和俯仰轴(4)均连接有各自的驱动电机。

3.根据权利要求2所述的Ka波段移动卫星通信天线姿态自动调整装置，其特征是所述的滚转轴(3)、俯仰轴(4)或方位轴(2)的轴线的一侧或两侧加装有平衡力矩的配重块。

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