[發(fā)明專利]船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線坐標(biāo)計(jì)算方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410110197.4
• 申請(qǐng)日: 2014-03-24
• 公開（公告）號(hào): CN103913163A
• 公開（公告）日: 2014-07-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃昆;陳雪軍;張滬玲;趙乾宏;胡湘江;周建峰;吉慶;張建飛;其他發(fā)明人請(qǐng)求不公開姓名
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍63680部隊(duì)
• 主分類號(hào): G01C21/00
• 分類號(hào): G01C21/00
• 代理公司: 江陰市同盛專利事務(wù)所(普通合伙) 32210
• 代理人: 唐紉蘭

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種船載三軸穩(wěn)定天線伺服控制技術(shù)，具體是涉及一種船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線坐標(biāo)計(jì)算方法，屬于航天測(cè)控技術(shù)之試驗(yàn)通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

軸穩(wěn)定衛(wèi)星通信天線具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，它能夠有效地克服船體運(yùn)動(dòng)帶來的擾動(dòng)，可靠地跟蹤過天頂目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)波束的理想穩(wěn)定。但由于結(jié)構(gòu)和軸系運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，因而對(duì)天線控制也提出了較高的要求。

船載衛(wèi)星通信地球站天線座架一般采用A-E-C三軸形式，在方位軸（A軸）與俯仰軸（E軸）之間增加了一根第三軸-交叉軸（C軸），它與俯仰軸在空間正交，C軸可利用正割補(bǔ)償效應(yīng)，使天線能夠可靠地跟蹤過天頂目標(biāo)，三軸天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

某型測(cè)量船船載衛(wèi)星通信地球站天線伺服系統(tǒng)采用三軸穩(wěn)定、兩軸跟蹤體制。三軸穩(wěn)定是指方位隨動(dòng)航向，隔離航向變化對(duì)天線指向的影響，俯仰、交叉軸隔離船體的縱傾和橫滾對(duì)天線指向的影響；兩軸跟蹤是指接收機(jī)通過天線接收衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)，解調(diào)出對(duì)星的誤差信號(hào)，通過俯仰、交叉軸實(shí)現(xiàn)對(duì)星跟蹤。

船載衛(wèi)星地球站設(shè)計(jì)之初，根據(jù)當(dāng)時(shí)衛(wèi)星資源情況，船載衛(wèi)星通信以使用圓極化方式工作為主，因此在設(shè)計(jì)中沒有考慮天線電軸滾動(dòng)的影響；當(dāng)時(shí)的船用慣導(dǎo)還不能長(zhǎng)時(shí)間不間斷向船載衛(wèi)星通信地球站提供精確的船姿船位信息，船載衛(wèi)星通信天線伺服系統(tǒng)需立足于自身穩(wěn)定，依靠安裝在天線上的伺服陀螺提供穩(wěn)定平臺(tái)隔離船體搖擺擾動(dòng)。根據(jù)這一系列設(shè)計(jì)思想，船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線僅在搜索捕獲衛(wèi)星時(shí)需要簡(jiǎn)單的坐標(biāo)計(jì)算，通過在一定范圍掃描捕獲目標(biāo)完成后，天線進(jìn)入自跟蹤環(huán)閉環(huán)控制，無需再計(jì)算軸系角度，所以長(zhǎng)期以來船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線的精確坐標(biāo)計(jì)算一直被忽視。

但隨著在海上使用線極化衛(wèi)星通信的應(yīng)用發(fā)展越來越深入，原來的天線穩(wěn)定跟蹤體制逐漸暴露出天線坐標(biāo)計(jì)算不完善所帶來的一系列問題，如：惡劣海況下捕獲目標(biāo)因難、極化角誤差難以實(shí)時(shí)修正、船搖隔離手段單一和對(duì)伺服陀螺可靠性的過度依賴，而且當(dāng)自跟蹤環(huán)失效后，天線會(huì)因缺少長(zhǎng)時(shí)間高精度穩(wěn)定指向的手段，不能在海上實(shí)施單脈沖跟蹤接收機(jī)對(duì)星校相。

建立船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線坐標(biāo)計(jì)算數(shù)學(xué)模型，利用船用慣導(dǎo)系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算并作為外部穩(wěn)定平臺(tái)控制天線，實(shí)現(xiàn)數(shù)字引導(dǎo)跟蹤，是船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C天線克服以上缺陷、完善伺服跟蹤控制系統(tǒng)的迫切需要。

本發(fā)明專利通過理論分析，采用矩陣變換的方法。建立了一套完備的適用于船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線坐標(biāo)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C天線指向角和極化角的實(shí)時(shí)解算。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線坐標(biāo)計(jì)算方法，有效利用船用慣導(dǎo)系統(tǒng)可為船載衛(wèi)星通信地球站提供精確船體姿態(tài)信息的有利條件，系統(tǒng)地分析船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸穩(wěn)定天線座架結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立天線坐標(biāo)系，并通過推導(dǎo)船載A-E-C三軸天線地理坐標(biāo)系、甲板坐標(biāo)系和天線坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立一套完備的船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線坐標(biāo)計(jì)算數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)天線指向角和極化角的實(shí)時(shí)解算，解決船載衛(wèi)星通信地球站海上動(dòng)態(tài)條件下伺服控制系統(tǒng)面臨的諸多實(shí)際問題。?

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：本發(fā)明一種船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線坐標(biāo)計(jì)算方法，它包括以下內(nèi)容：

1）坐標(biāo)系定義

定義地理坐標(biāo)系OXYZ，原點(diǎn)O位于天線穩(wěn)定平臺(tái)三軸中心，OX軸平行于水平面指向正東，OY軸平行于水平面指向正北，OZ軸垂直于平面OXY，鉛垂向上為正。

定義甲板坐標(biāo)系OX_dY_dZ_d，原點(diǎn)O位于天線穩(wěn)定平臺(tái)三軸中心，OY_d軸平行于艏艉線指向船艏為正，OX_d軸與OY_d垂直且平行于甲板平面，指向右舷為正，OZ_d軸與OX_d、OY_d構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。

2）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算方法

船舶載體的航向變化、縱搖變化、橫搖變化用矩陣形式來描述，分別為航向變換矩陣m_h、縱搖變換矩陣m_p、橫搖變換矩陣m_r：

，，

其中H為航向角，P為縱搖角，R為橫搖角。

地理坐標(biāo)系OXYZ至甲板坐標(biāo)系OX_dY_dZ_d的坐標(biāo)變換：