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CN111897370A - 基于航姿仪的动态天线跟星参数校正方法 - Google Patents

基于航姿仪的动态天线跟星参数校正方法 Download PDF

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CN111897370A
CN111897370A CN202010777893.6A CN202010777893A CN111897370A CN 111897370 A CN111897370 A CN 111897370A CN 202010777893 A CN202010777893 A CN 202010777893A CN 111897370 A CN111897370 A CN 111897370A
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CN
China
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satellite
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angle
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刘艳
倪侃俊
钱伟
王新雅
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Shanghai Advanced Avionics Co ltd
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Shanghai Advanced Avionics Co ltd
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D3/00—Control of position or direction
    • G05D3/12—Control of position or direction using feedback

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于航姿仪的动态天线跟星参数校正方法，包括如下步骤：S1：获取天线的位置，根据卫星星历，运用SGP4算法计算当前时刻卫星相对于天线的方位角和俯仰角；S2：计算在大地坐标系下的卫星坐标；S3：通过航姿仪实时获取天线的姿态信息；S4：通过坐标系变换，得到天线坐标系中卫星的坐标；S5：计算天线坐标系下的卫星的方位角和俯仰角；S6：通过校正后的方位角和俯仰角控制天线转台转动，进行卫星跟踪。本发明利用航姿仪监测天线姿态变化，实时校正跟星参数；综合考虑天线平台姿态变化对卫星跟踪精度的影响，跟踪精度高；仅用航姿仪完成天线姿态信息监视，体积小，便于集成，成本低。

Description

基于航姿仪的动态天线跟星参数校正方法
技术领域
本发明涉及一种天线跟星参数校正方法，尤其涉及一种基于航姿仪的动态天线跟星参数校正方法。
背景技术
近年来，低轨卫星领域风起云涌。相较于高轨卫星系统、地面光纤系统，由几十颗至几千颗不等的低轨卫星进行组网的低轨卫星星座具有全球覆盖、部署简便、高速传输等优势，在远程医疗、远程教育、视频会议、在线游戏等远端在线服务领域具有广泛的应用前景。
低轨卫星在距地球表面500-2000公里的范围运行，运动角速度快，对地面站天线跟星任务，尤其是基于车载/船载的动态天线，提出严峻挑战。跟星任务即利用卫星位置和地面站位置，计算并调整天线的方位角和俯仰角，实现卫星和地面站间的数据通信。这种方式计算所得方位角和俯仰角的参考坐标系为地理正北、水平面以及垂直重力方向组成的大地坐标系。事实上，该坐标系与天线本身坐标系存在偏差，因此，基于大地坐标系的方位角和俯仰角不能直接用于天线指向控制。
目前，针对计算所得大地坐标系下方位角、俯仰角的校正，一般采取以下两种方法：
(1)固定安装天线，然后测量天线转台与地理正北，水平面的偏差，用该偏差对计算所得大地坐标系下的方位角、俯仰角进行补偿。该方法的天线采用固定安装方式，灵活性差，移动天线后需要重新测量偏差值。并且，天线地基随着时间发生形变，造成测量偏差值发生改变，卫星跟踪精度降低。
(2)通过安装双定位传感器和内置加速度计，获取天线转台与地理正北，水平面的偏差，用该偏差对计算所得大地坐标系下的方位角、俯仰角进行补偿。该方法利用两个定位传感器差分测向，测向精度依赖于定位传感器定位精度。并且，该方法没有将天线转台的横滚角偏差进行补偿，卫星跟踪精度低。
因此，现有技术有待改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于航姿仪的动态天线跟星参数校正方法，利用高精度航姿仪和坐标系变换的方法，充分考虑天线平台姿态变化对卫星跟踪精度的影响，跟踪精度高，操作简单。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种基于航姿仪的动态天线跟星参数校正方法，包括如下步骤：S1：获取地天线的位置，根据卫星星历，运用SGP4算法计算当前时刻卫星相对于天线的方位角和俯仰角；S2：根据步骤S1中计算所得卫星相对于天线的方位角及俯仰角，计算大地坐标系下卫星的坐标；S3：通过航姿仪实时获取天线的姿态信息；S4：根据步骤S3中获取的天线姿态信息，通过坐标系变换，得到天线坐标系中卫星的坐标；S5：通过步骤S4中转换后的卫星坐标，计算天线坐标系下的卫星的方位角和俯仰角，即为校正后的方位角和俯仰角；S6：通过校正后的方位角和俯仰角控制天线转台转动，进行卫星跟踪。
进一步地，所述步骤S2具体包括：设大地坐标系下天线方位角为
Figure BDA0002619148530000025
俯仰角为θ,设卫星与地面站的距离为1单位，则大地坐标系下卫星的坐标计算公式为：
Figure BDA0002619148530000021
进一步地，所述步骤S3中实时获取的天线的姿态信息包括：天线转台机械零度相对地理正北的夹角α、与水平面的倾角β和横滚角γ。
进一步地，所述步骤S4利用坐标系变换，将步骤S1中大地坐标系下卫星坐标转换为天线坐标系下的卫星坐标，转换后的卫星坐标计算公式如下：
Figure BDA0002619148530000022
进一步地，所述根据步骤S3中转换后的卫星坐标，计算天线坐标系下卫星的方位角
Figure BDA0002619148530000023
和俯仰角θ′，计算公式如下：
Figure BDA0002619148530000024
进一步地，所述天线设置在车载/船载天线转台上，所述航姿仪安装在天线转台上，装载天线转台的车/船为地面站。
进一步地，所述步骤S1具体包括：S11：通过GPS获取天线位置信息，所述天线位置信息包括经纬度信息和高度信息；S12：获取卫星的两行轨道数据；S13：运用SGP4算法计算当前时刻卫星相对于天线的方位角和俯仰角。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的基于航姿仪的动态天线跟星参数校正方法，利用航姿仪监测天线姿态变化，实时校正跟星参数；综合考虑天线平台姿态变化对卫星跟踪精度的影响，包括天线机械零度与地理真北的夹角，与水平面的倾角和横滚角，跟踪精度高；仅用航姿仪作为唯一姿态传感器，完成天线姿态信息监视，体积小，便于集成，成本低；适用于各种应用场景，尤其是车载/船载的动态天线平台的卫星跟踪。
附图说明
图1为本发明实施例中基于航姿仪的动态天线跟星参数校正方法流程图；
图2为本发明实施例中卫星坐标计算示意图；
图3为本发明实施例中大地坐标系和天线坐标系变换示意图。
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描述。
图1为本发明实施例中基于航姿仪的动态天线跟星参数校正方法流程图。
请参见图1，本发明实施例的基于航姿仪的动态天线跟星参数校正方法，包括如下步骤：
步骤S1：获取大地坐标系下的卫星相对于天线的方位角和俯仰角；天线设置在车载/船载天线转台上，所述航姿仪安装在天线转台上，装载天线转台的车/船为地面站。
通过GPS获取地天线的位置，根据卫星星历，即用于描述太空飞行体位置和速度的两行轨道数据，运用SGP4算法计算当前时刻卫星相对于天线的方位角和俯仰角。SGP4模型(Simplified General Perturbations)即简化常规摄动模型，是由Ken Cranford在1970年开发的，用于近地卫星,该模型是对Lane和Cranford(1969年)广泛解析理论的简化，SGP4可以应用于轨道周期小于225分钟的近地球物体。
步骤S2：根据步骤S1中计算所得卫星相对于天线的方位角及俯仰角，计算大地坐标系下卫星的坐标。
请参见图2，设大地坐标系下天线方位角为
Figure BDA0002619148530000041
俯仰角为θ,设卫星与地面站的距离为1单位，则大地坐标系下卫星的坐标计算公式为：
Figure BDA0002619148530000042
步骤S3：通过航姿仪实时获取天线的姿态信息；包括：天线转台机械零度相对地理正北的夹角α、与水平面的倾角β和横滚角γ。
步骤S4：根据步骤S3中获取的天线姿态信息，通过坐标系变换，得到天线坐标系中卫星的坐标；
请参见图3，X1Y1Z1为大地坐标系绕Z轴旋转α角度的结果，X2Y2Z2为X1Y1Z1坐标系绕Y轴旋转β角度的结果，X3Y3Z3为X2Y2Z2坐标系绕X轴旋转γ角度的结果。X轴指向地理正北，XOY平面为水平面。
转换后的卫星坐标计算公式如下：
Figure BDA0002619148530000043
步骤S5：通过步骤S4中转换后的卫星坐标，计算天线坐标系下的卫星的方位角和俯仰角，即为校正后的方位角和俯仰角；计算天线坐标系下卫星的方位角
Figure BDA0002619148530000044
和俯仰角θ′的公式如下：
Figure BDA0002619148530000045
步骤S6：通过校正后的方位角和俯仰角控制天线转台转动，进行卫星跟踪。
综上所述，本发明实施例的基于航姿仪的动态天线跟星参数校正方法，利用航姿仪监测天线姿态变化，实时校正跟星参数；综合考虑天线平台姿态变化对卫星跟踪精度的影响，包括天线机械零度与地理真北的夹角，与水平面的倾角和横滚角，跟踪精度高；仅用航姿仪作为唯一姿态传感器，完成天线姿态信息监视，体积小，便于集成，成本低；适用于各种应用场景，尤其是车载/船载的动态天线平台的卫星跟踪。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (7)

1.一种基于航姿仪的动态天线跟星参数校正方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：获取地天线的位置，根据卫星星历，运用SGP4算法计算当前时刻卫星相对于天线的方位角和俯仰角；
S2：根据步骤S1中计算所得卫星相对于天线的方位角及俯仰角，计算大地坐标系下卫星的坐标；
S3：通过航姿仪实时获取天线的姿态信息；
S4：根据步骤S3中获取的天线姿态信息，通过坐标系变换，得到天线坐标系中卫星的坐标；
S5：通过步骤S4中转换后的卫星坐标，计算天线坐标系下的卫星的方位角和俯仰角，即为校正后的方位角和俯仰角；
S6：通过校正后的方位角和俯仰角控制天线转台转动，进行卫星跟踪。
2.如权利要求1所述的基于航姿仪的动态天线跟星参数校正方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：设大地坐标系下天线方位角为
Figure FDA0002619148520000011
俯仰角为θ,设卫星与地面站的距离为1单位，则大地坐标系下卫星的坐标计算公式为：
Figure FDA0002619148520000012
3.如权利要求2所述的基于航姿仪的动态天线跟星参数校正方法，其特征在于，所述步骤S3中实时获取的天线的姿态信息包括：天线转台机械零度相对地理正北的夹角α、与水平面的倾角β和横滚角γ。
4.如权利要求3所述的基于航姿仪的动态天线跟星参数校正方法，其特征在于，所述步骤S4利用坐标系变换，将步骤S1中大地坐标系下卫星坐标转换为天线坐标系下的卫星坐标，转换后的卫星坐标计算公式如下：
Figure FDA0002619148520000013
5.如权利要求4所述的基于航姿仪的动态天线跟星参数校正方法，其特征在于，所述根据步骤S3中转换后的卫星坐标，计算天线坐标系下卫星的方位角
Figure FDA0002619148520000014
和俯仰角θ′，计算公式如下：
Figure FDA0002619148520000021
6.如权利要求1所述的基于航姿仪的动态天线跟星参数校正方法，其特征在于，所述天线设置在车载/船载天线转台上，所述航姿仪安装在天线转台上，装载天线转台的车/船为地面站。
7.如权利要求1所述的基于航姿仪的动态天线跟星参数校正方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
S11：通过GPS获取天线位置信息，所述天线位置信息包括经纬度信息和高度信息；
S12：获取卫星的两行轨道数据；
S13：运用SGP4算法计算当前时刻卫星相对于天线的方位角和俯仰角。
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