相控阵天线全空域搜星方法及装置与流程

1.本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种相控阵天线全空域搜星方法及装置的设计。


背景技术：

2.随着hts geo、leo、meo在全球范围内的快速部署，全球通信行业需要更多的软件定义、可灵活配置的智能化卫星通信终端，以满足卫星互联网、5g/6g移动通信产业的快速发展对各种用户终端的迫切需求。卫星通信已经成为当今社会一种主要通信方式，卫星通信设备在突发公共事件处理、应急指挥、信息实时传递等领域发挥着重要作用。
3.在卫星通信领域中，对于传统伺服天线而言，波束指向及扫描主要依赖于机械伺服的控制，其波束切换时间慢，无法实现目标的快速跟踪。相控阵天线则采用电扫描方式，能够对波束切换进行快速响应，在空域中能够迅速完成多角度扫描，从而实现快速跟踪目标，具有波束方向图捷变的优势。但相控阵天线指向扫描范围通常为法向
±
60
°
以内，由于作为载体的船舶晃动，将使相控阵指向范围进一步收缩，不适用于进行低轨卫星大范围的移动的跟踪。因此，现有技术并不支持于高、中、低轨卫星全空域搜星，有待改进。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有相控阵天线并不支持于高、中、低轨卫星全空域搜星，并且在开机搜星和对星过程中存在卫星搜索和对准耗时长的问题，提出了一种相控阵天线全空域搜星方法及装置。
5.本发明的技术方案为：第一方面，本发明提供了一种相控阵天线全空域搜星方法，包括以下步骤：s1、对相控阵天线进行初始化设置，将相控阵天线阵面控制到水平方向。
6.s2、计算相控阵天线所在地对准卫星的角度值。
7.s3、融合相控阵天线阵面的姿态数据，并根据相控阵天线所在地对准卫星的角度值计算相控阵天线的波束角度。
8.s4、根据波束角度配置相控阵天线，判断相控阵天线是否接收到有效信号，若是则进入步骤s6，否则进入步骤s5。
9.s5、控制相控阵天线进行偏移扫描，并返回步骤s3。
10.s6、记录最大信号强度对应的波束方位角和波束离轴角，进入步骤s7。
11.s7、根据最大信号强度对应的波束方位角和波束离轴角计算方位补偿角和俯仰补偿角。
12.s8、根据方位补偿角和俯仰补偿角驱动相控阵天线，使其对准卫星。
13.进一步地，步骤s2中相控阵天线所在地对准卫星的角度值包括方位角、俯仰角与极化角，其计算公式为：
;其中表示卫星经度，表示相控阵天线经度，表示相控阵天线纬度，表示地球平均半径，表示卫星相对于地球表面的距离。
14.进一步地，步骤s3包括以下分步骤：s31、将惯导设备固定设置在相控阵天线阵面上，获取相控阵天线阵面在惯导设备姿态坐标系下姿态数据，所述姿态数据包括横滚角、俯仰角和航向角。
15.s32、根据相控阵天线阵面在惯导设备姿态坐标系下姿态数据计算对星波束的指向角度。
16.s33、将对星波束的指向角度转换成相控阵天线的波束角度。
17.进一步地，步骤s32包括以下分步骤：s321、将相控阵天线阵面在惯导设备姿态坐标系下的姿态数据旋转成北东地坐标系下的姿态数据，旋转矩阵为：;其中、、分别表示绕x轴、y轴和z轴的旋转矩阵。
18.s322、根据相控阵天线阵面在北东地坐标系下的姿态数据得到相控阵天线阵面在北东地坐标系下的姿态向量。
19.s323、通过卫星定位器获取相控阵天线阵面当前所在位置，并根据相控阵天线阵面当前所在位置得到相控阵天线阵面在地心坐标系下的第一坐标向量。
20.s324、通过动中通的调制解调器获取目标卫星当前所在位置，并根据目标卫星当
前所在位置得到目标卫星在地心坐标系下的第二坐标向量。
21.s325、根据第一坐标向量和第二坐标向量计算得到目标向量。
22.s326、根据相控阵天线阵面在北东地坐标系下的姿态向量对目标向量进行坐标变换，得到相控阵天线应调整的俯仰角误差值和航向角误差值。
23.s327、根据俯仰角误差值和航向角误差值分别对俯仰电机和方位电机进行误差减少控制，更新得到对星波束的指向角度。
24.进一步地，步骤s327中的对星波束的指向角度包括相控阵天线在北东地坐标系下的方位角和俯仰角，其计算公式为：;进一步地，步骤s33中相控阵天线的波束角度包括方位角、俯仰角和极化角，其计算公式为：;其中表示相控阵天线法向时的极化角。
25.进一步地，步骤s5包括以下分步骤：s51、将俯仰波束角度偏移若干波束宽度。
26.s52、控制相控阵天线进行方位360
°
电扫描。
27.s53、判断在预设n次方位360
°
电扫描内是否扫描到有效信号，若是则返回步骤s3，否则进入步骤s54。
28.s54、控制俯仰电机将相控阵天线阵面抬升到45
°
，同时方位电机360
°
转动，配合方位360
°
电扫描，进行全空域扫描，当扫描到有效信号后，返回步骤s3。
29.进一步地，步骤s54中进行全空域扫描时，不同离轴角情况下扫描角度的宽度的计算公式为：;其中表示波束宽度因子，表示波长，表示相控阵天线的阵元数量，表示
两个阵元间的中心距离，表示相控阵天线的离轴角。
30.不同航向角情况下扫描角度的宽度的计算公式为：;其中、分别表示将波束宽度拟合成椭圆的两个轴的长度，表示相控阵天线的航向角。
31.进一步地，步骤s7中根据最大信号强度对应的波束方位角与惯导航向角做差值，得到方位补偿角；根据最大信号强度对应的波束离轴角与惯导俯仰角做差值，得到俯仰补偿角。
32.第二方面，本发明还提供了一种相控阵天线全空域搜星装置，用于配置执行上述相控阵天线全空域搜星方法。
33.本发明的有益效果是：（1）本发明采用相控阵天线电扫描与机械执行机构机械扫描结合，在完成低轨卫星通信过程中实现了相控阵天线的快速搜星和对星，并利用机械执行机构的伺服系统解决了相控阵天线电扫描角度受限的问题，另一方面，本发明采用相控阵天线电扫描与机械执行机构机械扫描结合的方式，支持高、中、低轨卫星全空域搜星和对星。
34.（2）本发明搜星逻辑简单，容易实现，搜星效率高效。
35.（3）本发明通过将将惯导设备固定设置在天线面上，可以更好地检测运动的天线面的姿态，且可以减小机械误差，与其他采用多个运动传感单元的现有技术相比，本发明成本更低，数据采集、控制更简单准确，功耗更低。
附图说明
36.图1所示为本发明实施例提供的相控阵天线全空域搜星方法流程图。
37.图2所示为本发明实施例提供的步骤s5的分步骤流程图。
具体实施方式
38.现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
39.实施例一：本发明实施例提供了一种相控阵天线全空域搜星方法，如图1所示，包括以下步骤s1~s8：s1、对相控阵天线进行初始化设置，将相控阵天线阵面控制到水平方向。
40.本发明实施例中，对相控阵天线进行初始化设置包括相控阵天线设备内置程序的自检、配置默认参数等过程。
41.本发明实施例中，将水平方向作为对相控阵天线阵面的调节、控制的默认初始方向，相对现有技术中以45
°
或其他角度作为调节、控制的默认初始方向起点相比，搜星周期更短，搜星效率更高。
42.s2、计算相控阵天线所在地对准卫星的角度值。
43.本发明实施例中，相控阵天线所在地对准卫星的角度值包括方位角、俯仰角与极化角，其计算公式为：;其中表示卫星经度，表示相控阵天线经度，表示相控阵天线纬度，表示地球平均半径，表示卫星相对于地球表面的距离。
44.s3、融合相控阵天线阵面的姿态数据，并根据相控阵天线所在地对准卫星的角度值计算相控阵天线的波束角度。
45.本发明实施例中，步骤s3包括以下分步骤s31~s33：s31、将惯性导航系统（简称惯导设备）固定设置在相控阵天线阵面上，获取相控阵天线阵面在惯导设备姿态坐标系下姿态数据，姿态数据包括横滚角、俯仰角和航向角。
46.本发明实施例中，将惯导设备固定设置在相控阵天线阵面上，这样还可以减小机械误差。
47.s32、根据相控阵天线阵面在惯导设备姿态坐标系下姿态数据计算对星波束的指向角度。
48.本发明实施例中，步骤s32包括以下分步骤s321~s327：s321、将相控阵天线阵面在惯导设备姿态坐标系下的姿态数据旋转成北东地坐标系下的姿态数据，旋转矩阵为：;
其中、、分别表示绕x轴、y轴和z轴的旋转矩阵。
49.s322、根据相控阵天线阵面在北东地坐标系下的姿态数据得到相控阵天线阵面在北东地坐标系下的姿态向量。
50.本发明实施例中，可以假设相控阵天线阵面在惯导设备的姿态坐标系下的姿态为a，通过步骤s321的旋转矩阵就可以旋转到北东地坐标系下的姿态b，然后利用、和这三个角度，可以得到在北东地坐标系下的姿态向量。
51.s323、通过卫星定位器获取相控阵天线阵面当前所在位置（即经纬度和高度），并根据相控阵天线阵面当前所在位置得到相控阵天线阵面在地心坐标系下的第一坐标向量。
52.本发明实施例中，为了避免信号干扰，卫星定位器需固定设置在相控阵天线阵面的载具上并远离相控阵天线阵面。
53.s324、通过动中通的调制解调器获取目标卫星当前所在位置（即经纬度和高度），并根据目标卫星当前所在位置得到目标卫星在地心坐标系下的第二坐标向量。
54.s325、根据第一坐标向量和第二坐标向量计算得到目标向量。
55.s326、根据相控阵天线阵面在北东地坐标系下的姿态向量对目标向量进行坐标变换，得到相控阵天线应调整的俯仰角误差值和航向角误差值。
56.本发明实施例中，由于相控阵天线指向卫星，根据三角函数投影关系可得到相控阵天线应调整的俯仰角误差值和航向角误差值。
57.s327、根据俯仰角误差值和航向角误差值分别对俯仰电机和方位电机进行误差减少控制，更新得到对星波束的指向角度。
58.本发明实施例中，对星波束的指向角度包括相控阵天线在北东地坐标系下的方位角和俯仰角，其计算公式为：;s33、将对星波束的指向角度转换成相控阵天线的波束角度。
59.本发明实施例中，相控阵天线的波束角度包括方位角、俯仰角和极化角，其计算公式为：
;其中表示相控阵天线法向时的极化角。
60.与普通平板天线不同，相控阵天线并不是法向对星，所以其极化角不能按照法向极化角来计算，可将法向极化线投影到水平面（即相控阵天线阵面所在平面），法向时，极化角为法向极化线与x轴之间的夹角，而对于相控阵天线阵面来说，其极化线应该为水平极化线与x轴的夹角。
61.s4、根据波束角度配置相控阵天线，判断相控阵天线是否接收到有效信号，若是则进入步骤s6，否则进入步骤s5。
62.s5、控制相控阵天线进行偏移扫描，并返回步骤s3。
63.本发明实施例中，如图2所示，步骤s5包括以下分步骤s51~s54：s51、将俯仰波束角度偏移若干波束宽度。
64.本发明实施例中，若干波束宽度需根据相控阵天线阵面大小、波束宽度、目标卫星轨道高度等实际情况来确定，可能小于一个波束宽度，也可能是大于或等于一个波束宽度。另外，俯仰偏移的方向优选按俯仰角增大的方向进行。
65.s52、控制相控阵天线进行方位360
°
电扫描。
66.本发明实施例中，电扫描为本领域通用用语，是指通过调节相位改变天线指向，对电扫描区域的电磁能量的扫描。
67.s53、判断在预设n次（本发明实施例中n优选为5）方位360
°
电扫描内是否扫描到有效信号，若是则返回步骤s3，重新融合姿态数据计算天线的波束角度，否则进入步骤s54。
68.当预设n次方位360
°
电扫描后，仍没有发现有效信号表明单纯靠电扫描不能搜索到目标卫星，此时需要加入机械扫描来配合电扫描实现全空域扫描。本发明实施例中，机械扫描是指通过机械执行机构改变相控阵天线阵面的俯仰角和方位角从而改变天线指向，实现对特定空域空间的扫描。在电扫描盲区，配合机械执行机构输出额外的俯仰角、方位角进行调节，从而实现全空域扫描。
69.s54、控制俯仰电机将相控阵天线阵面抬升到45
°
，同时方位电机360
°
转动，配合方位360
°
电扫描，进行全空域扫描，当扫描到有效信号后，返回步骤s3，根据所记录的相应的相控阵天线阵面的俯仰角度、相控阵天线阵面的方位角度、电扫描方位角度和电扫描俯仰角度，重新融合姿态数据计算天线的波束角度。
70.本发明实施例中，通过机械执行机构（优选伺服电机）将相控阵天线的俯仰角抬升到45
°
，最佳情况下可将相控阵天线阵面接收能力提升40%。
71.俯仰电机抬升到一定角度后，方位电机在360
°
的转动情况下，波束扫描时的离轴角和航向角也发生了变化，此时根据不同离轴角和航向角的情况下扫描角度的宽度计算，以波束宽度的1/10为扫描的角度。然后配合方位电机进行信号扫描，得到有信号的方位信
息。
72.本发明实施例中，针对不同离轴角情况下扫描角度的宽度，为了在扫描过程中使信号的波动性较小而又能快速找到信号的最大值，需要根据阵面的形状计算出不同方位角和离轴角下的波束宽度。由于不同相控阵天线阵面的形状不一样，其不同方向的波束宽度也不一样，一般以半功率点的波束宽度为相控阵的波束宽度，单个线阵的3db波束宽度的计算公式为：;其中表示波束宽度因子，3db波束宽度因子为0.886，表示波长，表示相控阵天线的阵元数量，表示两个阵元间的中心距离，表示相控阵天线的离轴角，离轴角与俯仰角是互余关系，相当于阵面的边长。
73.本发明实施例中，不同航向角情况下扫描角度的宽度，由于正常的阵面一般为矩形或正方形，不同的边长对应的波束宽度也不一样，所以可以通过将波束宽度拟合为一个椭圆来计算不同方位角上的波束宽度，椭圆的长轴对应阵面短边的波束宽度，椭圆的短轴对应阵面的长边的波束宽度，而不同方位上的波束宽度可以理解为椭圆的曲率半径：;其中、分别表示将波束宽度拟合成椭圆的两个轴的长度，表示相控阵天线的航向角。
74.s6、记录最大信号强度对应的波束方位角和波束离轴角，进入步骤s7。
75.s7、根据最大信号强度对应的波束方位角和波束离轴角计算方位补偿角和俯仰补偿角。
76.本发明实施例中，根据最大信号强度对应的波束方位角与惯导航向角做差值，得到方位补偿角；根据最大信号强度对应的波束离轴角与惯导俯仰角做差值，得到俯仰补偿角。
77.s8、根据方位补偿角和俯仰补偿角驱动相控阵天线，使其对准卫星。
78.本发明实施例中，将步骤s7所得到的方位补偿角和俯仰补偿角分别发送给方位电机和俯仰电机，方位电机和俯仰电机分别带动相控阵天线阵面运动方位补偿角和俯仰补偿角，从而使相控阵天线对准卫星。
79.实施例二：本发明实施例提供了一种相控阵天线全空域搜星装置，用于配置执行实施例一中的相控阵天线全空域搜星方法。
80.本发明实施例中的搜星装置可以为一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如实施例一中的相控阵天线全空域搜星方法的部分或全部步骤。
81.本发明实施例中，电子设备可以包括：处理器，存储器，总线和通信接口，处理器、
通信接口和存储器通过总线连接，存储器中存储有可在处理器上运行的计算机程序，处理器运行该计算机程序时执行本技术前述实施例一中的相控阵天线全空域搜星方法的部分或全部步骤。
82.本发明实施例中的搜星装置还可以为一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，执行所述计算机程序时实现如实施例一中的相控阵天线全空域搜星方法的部分或全部步骤。
83.上述计算机可读存储介质可以中由任何类型的易失性或非易失性存储设备或它们的组合实现，如静态随机存取存储器（sram），可擦除可维和只读存储器（eeprom），可擦除可编程只读存储器（eprom），可编程只读存储器（prom），只读存储器（rom），磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘，可读存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。可读存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该可读存储介质读取信息，且可向该可读存储介质写入信息，可读存储介质也可以是处理器组成部分，处理器和可读存储介质可以位于专用集成电路（asic）中，处理器和可读存储介质也可以作为分立组件存在于点去配准系统中。
84.本发明实施例可提供为方法、装置或计算机程序产品，因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且本发明可采用一个或多个其中包括有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。参照根据本发明实施例的方法、设备（装置）、和计算机程序产品的流程和/或方框图来描述的，应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中每一流程和/或方框图、以及流程图和/或方框图的结合，可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图中一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
85.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种相控阵天线全空域搜星方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、对相控阵天线进行初始化设置，将相控阵天线阵面控制到水平方向；s2、计算相控阵天线所在地对准卫星的角度值；s3、融合相控阵天线阵面的姿态数据，并根据相控阵天线所在地对准卫星的角度值计算相控阵天线的波束角度；s4、根据波束角度配置相控阵天线，判断相控阵天线是否接收到有效信号，若是则进入步骤s6，否则进入步骤s5；s5、控制相控阵天线进行偏移扫描，并返回步骤s3；s6、记录最大信号强度对应的波束方位角和波束离轴角，进入步骤s7；s7、根据最大信号强度对应的波束方位角和波束离轴角计算方位补偿角和俯仰补偿角；s8、根据方位补偿角和俯仰补偿角驱动相控阵天线，使其对准卫星。2.根据权利要求1所述的相控阵天线全空域搜星方法，其特征在于，所述步骤s2中相控阵天线所在地对准卫星的角度值包括方位角、俯仰角与极化角，其计算公式为：；其中表示卫星经度，表示相控阵天线经度，表示相控阵天线纬度，表示地球平均半径，表示卫星相对于地球表面的距离。3.根据权利要求2所述的相控阵天线全空域搜星方法，其特征在于，所述步骤s3包括以下分步骤：s31、将惯导设备固定设置在相控阵天线阵面上，获取相控阵天线阵面在惯导设备姿态坐标系下姿态数据，所述姿态数据包括横滚角、俯仰角和航向角；s32、根据相控阵天线阵面在惯导设备姿态坐标系下姿态数据计算对星波束的指向角度；s33、将对星波束的指向角度转换成相控阵天线的波束角度。4.根据权利要求3所述的相控阵天线全空域搜星方法，其特征在于，所述步骤s32包括以下分步骤：s321、将相控阵天线阵面在惯导设备姿态坐标系下的姿态数据旋转成北东地坐标系下
的姿态数据，旋转矩阵为：；其中、、分别表示绕x轴、y轴和z轴的旋转矩阵；s322、根据相控阵天线阵面在北东地坐标系下的姿态数据得到相控阵天线阵面在北东地坐标系下的姿态向量；s323、通过卫星定位器获取相控阵天线阵面当前所在位置，并根据相控阵天线阵面当前所在位置得到相控阵天线阵面在地心坐标系下的第一坐标向量；s324、通过动中通的调制解调器获取目标卫星当前所在位置，并根据目标卫星当前所在位置得到目标卫星在地心坐标系下的第二坐标向量；s325、根据第一坐标向量和第二坐标向量计算得到目标向量；s326、根据相控阵天线阵面在北东地坐标系下的姿态向量对目标向量进行坐标变换，得到相控阵天线应调整的俯仰角误差值和航向角误差值；s327、根据俯仰角误差值和航向角误差值分别对俯仰电机和方位电机进行误差减少控制，更新得到对星波束的指向角度。5.根据权利要求4所述的相控阵天线全空域搜星方法，其特征在于，所述步骤s327中的对星波束的指向角度包括相控阵天线在北东地坐标系下的方位角和俯仰角，其计算公式为：。6.根据权利要求5所述的相控阵天线全空域搜星方法，其特征在于，所述步骤s33中相控阵天线的波束角度包括方位角、俯仰角和极化角，其计算公式为：
；其中表示相控阵天线法向时的极化角。7.根据权利要求1所述的相控阵天线全空域搜星方法，其特征在于，所述步骤s5包括以下分步骤：s51、将俯仰波束角度偏移若干波束宽度；s52、控制相控阵天线进行方位360
°
电扫描；s53、判断在预设n次方位360
°
电扫描内是否扫描到有效信号，若是则返回步骤s3，否则进入步骤s54；s54、控制俯仰电机将相控阵天线阵面抬升到45
°
，同时方位电机360
°
转动，配合方位360
°
电扫描，进行全空域扫描，当扫描到有效信号后，返回步骤s3。8.根据权利要求7所述的相控阵天线全空域搜星方法，其特征在于，所述步骤s54中进行全空域扫描时，不同离轴角情况下扫描角度的宽度的计算公式为：；其中表示波束宽度因子，表示波长，表示相控阵天线的阵元数量，表示两个阵元间的中心距离，表示相控阵天线的离轴角；不同航向角情况下扫描角度的宽度的计算公式为：;其中、分别表示将波束宽度拟合成椭圆的两个轴的长度，表示相控阵天线的航向角。9.根据权利要求1所述的相控阵天线全空域搜星方法，其特征在于，所述步骤s7中根据最大信号强度对应的波束方位角与惯导航向角做差值，得到方位补偿角；根据最大信号强度对应的波束离轴角与惯导俯仰角做差值，得到俯仰补偿角。10.一种相控阵天线全空域搜星装置，其特征在于，所述相控阵天线全空域搜星装置用于配置执行如权利要求1-9任一所述的相控阵天线全空域搜星方法。

技术总结
本发明公开了一种相控阵天线全空域搜星方法及装置，针对现有相控阵天线并不支持于高、中、低轨卫星全空域搜星，并且在开机搜星和对星过程中存在卫星搜索和对准耗时长的问题，采用相控阵天线电扫描与机械执行机构机械扫描结合，在完成低轨卫星通信过程中实现了相控阵天线的快速搜星和对星，并利用机械执行机构的伺服系统解决了相控阵天线电扫描角度受限的问题，另一方面，本发明采用相控阵天线电扫描与机械执行机构机械扫描结合的方式，支持高、中、低轨卫星全空域搜星和对星。本发明搜星逻辑简单，容易实现，搜星效率高效。搜星效率高效。搜星效率高效。


技术研发人员：李庆安 吴科松 张志强 杜寒松
受保护的技术使用者：成都迅翼卫通科技有限公司
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/8/1