一种“动中通”卫星指向、捕获与跟踪方法及其系统的制作方法

专利名称：一种“动中通”卫星指向、捕获与跟踪方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及移动跟踪通信技术领域，特别涉及适用于车载(船载、或机载)卫星移动通信的一种“动中通”卫星指向、捕获与跟踪方法及其系统。
背景技术：
在卫星通信领域、特别是在静止状态使用的情况下，大多使用抛物面碟形天线，这类天线价格低廉，因而具有很大的市场。然而，由于卫星的距离遥远，不仅要求天线有很大的增益，而且需要有极高的对星精度。对于运动状态，而非静止状态下的应用(如，车船载或机载)，要能在行驶中保持通信的畅通，系统就要复杂得多。
车载(船载或机载)卫星移动通信系统通常又称为“动中通”。动中通以往大多采用抛物面碟形天线，其致命缺点是轮廓高(即高度高)，体积大、重量重、在行驶中阻力大、对星捕星速度慢，因而不适合在高速行驶的情况下使用。相对而言，平板天线具有低轮廓的优势，特别适合在高速行驶的载体上使用。平板天线通常包含有一块或多块平面辐射板及波束形成网络，每块板上有若干个辐射元，波束形成网络可采用不同的技术(波导、电缆、微带、悬带线等)来实现。
为了使平板天线终端设备中的天线板形成的电磁波束在运动中始终能对准卫星， 一般可采用以下三种不同的方式来加以控制完全用电机控制，又称全机械扫描；完全用电子控制(即用相移法实现)，又称全电子扫描 ；混合电机与电子控制，又称混合扫描。通常， 采用电机控制的系统成本最低廉；用相移法实现的系统因用到许多复杂的电子元器件，价格最昂贵；而用混合法实现的系统在成本、复杂性、轮廓高度和捕星速度方面则介于前两者之间。在混合法的方式下，为了保证天线能准确地对准卫星，需要相应配套的指向、捕获与跟踪系统及其方法对天线进行精确的控制。发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供能准确实现卫星指向、捕获与跟踪的一种“动中通”卫星指向、捕获与跟踪方法及其系统。
本发明解决其问题所采用的技术方案是
一种“动中通”卫星指向、捕获与跟踪方法，获取天线终端的GPS地理位置信息、 GPS航向信息和运动载体惯性信息，通过卡尔曼滤波器计算获得天线的准确航向信息，系统根据航向信息通过机械驱动系统控制天线指向卫星，并检测卫星功率信息，结合最大功率计算方法估算指向误差对天线进行微调，实现精确指向，并根据航向信息和功率信息的变化不断对天线位置进行调整，实现对卫星的捕获及跟踪。
本发明“动中通”卫星指向、捕获与跟踪方法，通过将GPS地理位置信息、GPS航向信息和运动载体惯性信息通过卡尔曼滤波器进行组合处理，获得当前天线终端准确的航向信息，可准确计算出卫星的所在位置，确地让天线对准卫星，同时通过检测卫星功率信息并通过最大功率计算方法估算指向误差，对天线的位置进行微调，实现天线的准确指向，特别适用于混合电机与电子扫描结合的低轮廓天线终端，不仅能有效降低成本，而且准确性高， 能在行驶的状态下保持对卫星的指向、捕获和跟踪，确保通信的畅通，有效提高天线终端的发射、接收效果，能保持畅通的通信，有效提高社会效益和经济效益，对于低轮廓卫星系统的推广起到了很大的作用。
进一步，所述最大功率计算方法为通过在卫星理论指向位置点附近进行少量偏移，测量由此引起的功率变化，并估算指向误差，根据误差微调天线的指向位置，最终可实现精确指向。由于运动载体在行驶的过程中需要不断对天线的位置进行调整，因此在处理过程中产生的误差将不断地积累，其结果是导致天线只能指向卫星的理论位置附近，而不能准确地指向卫星，最大功率计算方法是根据接收到的信号功率电平来修正所产生的指向误差，即在每个方向轴上进行少量的偏移变化，然后观察所检测的功率信号是增加还是减少，不仅在方位角和俯仰角上进行少量偏移，而且在天线的移相器中也进行少量的偏移，这样能大大改善接收效果，通过稍微改变移相器的相位，同时天线板接收信号的电相位也相应改变，通过其检测的功率误差即可估算出天线的误差，进行修正，让天线始终对准卫星信号功率最大的方位，从而实现准确的指向和对卫星的捕获、跟踪。
进一步，当天线指向卫星时，所检测的卫星功率信息需要高于预设的门限值时才允许天线发射信号，以避免对邻近卫星产生干扰。该设计能有效避免天线对相邻卫星的影响，提供系统的稳定性和实用性。
进一步，当无GPS航向信息可利用时，先根据运动载体惯性信息对卫星的位置进行初步的估算，在搜索卫星的同时对接收的功率信号进行检测，当发现接收到功率信号时， 便根据估算的航向信息对卡尔曼滤波器进行初始化，并通过最大功率计算方法对天线的方向进行微调。
进一步，指向、捕获与跟踪系统启动时，进行以下操作
I)系统初始化系统启动后，进行初始化，并产生所有任务进程，并进入本地搜索模式；
2)本地搜索在系统初始化后执行，找到天线终端系统各个本地传感器所在位置， 并确认电机所处的绝对位置；
3)正常操作通过获取GPS地理位置信息、运动载体惯性信息和卫星功率信息，通过计算并控制天线指向、捕 获及跟踪卫星。
进一步，在正常操作中，通过以下步骤完成对卫星的指向、捕获及跟踪
A)等待GPS信号，若能收到GPS提供的位置信息和GPS航向信息，则对卡尔曼滤波器进行初始化，并转到步骤D进行卫星指向；若至接收到GPS的地理位置信息，而无航向信息，则转至步骤B进行搜索，若GPS数据完全消失，则转至步骤C的等待状态；
B)当GPS提供的数据只有位置信息而无足够的GPS航向信息时，利用磁罗盘提供的航向信息让天线指向卫星所在位置；若检测到GPS航向信息时，初始化卡尔曼滤波器并转至步骤D ;若持续一端时间仍没有GPS信息，则转至步骤C ；
C)天线继续等待GPS数据，当同时获得GPS地理位置信息和GPS航向信息时，则转至步骤D，若只有GPS地理位置信息而无GPS航向信息，则转至步骤B ；
D)卡尔曼滤波器通过GPS提供地理位置信息、GPS航向信息、提供车辆运动姿态的运动载体惯性信息，通过卡尔曼滤波器对测量数据进行合并，对车辆的实际航向作出精确的估算，将天线转向卫星的理论位置，等待卫星的信号，对卫星进行跟踪及通过最大功率计算方法估算指向误差对天线进行微调，对卫星进行锁定，当卫星锁定成功后，转至步骤E ; 若在这过程中GPS航向信息丢失，则转至步骤B，若GPS信息完全丢失，则转至步骤C ；
E)天线终端锁定卫星的位置，通过最大功率计算方法计算天线的最佳指向，并检测卫星发送的功率信息，若所检测的卫星功率信息高于预设的门限值时，开启天线的射频功率放大器，否则禁止天线发射信号；若卫星失锁，若同时存在GPS地理位置信息和GPS航向信息，则转至步骤D，若卫星失锁的同时只有GPS地理位置信息，则转至步骤B，若卫星失锁的同时GPS信息完全丢失，则转至步骤C。
进一步，上述步骤B中可通过4中不同的方式实现对卫星的搜索(1)理论指星子状态快速、近似地指向卫星所在的位置；(2)探测子状态在卫星的理论位置附近进行缓慢搜索；(3)等待锁定子状态若在一定的等待时间里无法锁定，将做出判决；(4)跳转子状态判决的结果是，利用第二旁瓣对卫星进行搜索。
一种“动中通”卫星指向、捕获与跟踪系统，其特征在于包括GPS系统，用于提供天线终端当前的GPS地理位置信息和GPS航向信息；惯性测量单元，用于提供运动载体惯性信息；功率检测器，用于检测卫星信号的功率大小；中央处理单元，分别与GPS系统、惯性测量单元和功率检测器连接，通过获取GPS地理位置信息、GPS航向信息、运动载体惯性信息和卫星功率信息并通过卡尔曼滤波器和最大功率计算方法获取卫星的准确位置，并通过总线控制天线终端控制系统上的控制电机及功率放大器，对天线的发射方向和发射状态进行控制，实现卫星的指向、捕获和跟踪。
本发明“动中通”卫星指向、捕获与跟踪系统，中央处理单元通过GPS系统、惯性测量单元、功率检测器获取GPS地理位置信息、GPS航向信息、运动载体惯性信息和卫星功率信息，并根据这些信息控制天线实现卫星的准确指向，特别适用于混合电机与电子扫描结合的低轮廓天线终端，不仅能有效降低成本，而且准确性高，能在行驶的状态下保持对卫星的指向、捕获和跟踪，确保通信的畅通，有效提高天线终端的发射、接收 效果，能保持畅通的通信，有效提高社会效益和经济效益，对于低轮廓卫星系统的推广起到了很大的作用。
上述中央处理单元通过总线接口连接天线终端驱动系统上的各个电机控制器，通过电机控制器操作电机对天性的指向进行控制，所述电机包括用于控制天线在方位面上转动的方位面电机、用于控制天线在俯仰面转动的俯仰面电机，用于控制天线极化的极化控制电机和用于控制延时器进行延时的延时控制电机；所述中央处理单元通过微机控制器与高功率放大控制器连接，以控制天线终端的信号发射。
进一步，还包括用于提供天线当前航向信息的磁罗盘，所述磁罗盘与中央处理单元连接提供持续的航向信号。当GPS系统检测不到当前运动载体的GPS航向信息时，通过磁罗盘获取航向信息，并根据该信息对卫星的位置进行估算，让天线依然能指向卫星，减少系统偏差，当GPS航向信息恢复时，系统能迅速恢复工作状态。
进一步，还包括用于对天线进行操作的室内单元和用户操作界面，所述室内单元与用户操作界面连接，为用户操作界面提供系统的控制信息，中央处理单元通过局域网与用户操作界面连接，用户利用室内单元面板上的小键盘，或通过局域网利用用户操作界面对系统进行控制和参数的设置。用户可通过室内单元面板上的小键盘，或通过局域网利用安装在手提电脑上的用户操作界面直接输入所需指向的卫星的相关参数，控制天线的指向。
进一步，还包括用于检测某个卫星的模拟连续、窄带信号功率的信标检测器，所述信标检测器输出端与中央处理单元连接。信标检测器用于检测指定卫星的功率信号，在对卫星锁定后，进行最大功率计算时采用信标检测器所检测的卫星功率信号能让天线更加精确地对准卫星。
进一步，还包括提供锁定信号、输出功率、状态信息的调制解调器，所述调制解调器与中央处理单元连接。通过调制解调器对卫星功率信号进行解调，能实现快速检测卫星信号的快速处理，并可方便实现对卫星的锁定。


下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1是本发明“动中通”卫星指向、捕获与跟踪方法的主要流程图。
图2是本发明“动中通”卫星指向、捕获与跟踪方法的具体流程图。
图3是本发明“动中通”卫星指向、捕获与跟踪系统的结构原理框图。
图4是本发明惯性测量单元的电路原理图。
具体实施方式
参照图1所示，本发明的一种“动中通”卫星指向、捕获与跟踪方法，方法如下获取天线终端的GPS地理位置信息、GPS航向信息和运动载体惯性信息，通过卡尔曼滤波器计算获得天线的准确航向信息，系统根据航向信息通过机械驱动系统控制天线指向卫星， 并检测卫星功率信息，结合最大功率计算方法估算指向误差对天线进行微调，实现精确指向， 并根据航向信息和功率信息的变化不断对天线位置进行调整，实现对卫星的捕获及跟踪。
为了根据天线的坐标计算出卫星的位置，除了需要提供GPS地理位置信息外，还必须尽可能快地读出运动载体的摆动、滚动、转向(即航向)信息，若通过GPS获取航向信息，该数据每秒更新一次。卡尔曼滤波器为对数据进行处理的方法，通过卡尔曼滤波器对Z 轴角度进行积分，可算出在获取运动载体惯性信息周期内的航向，同时利用GPS航向来消除由于陀螺偏移所引起的随机游动，而且可在10毫秒获得一组完整的准确航向信息，该信息记录了运动载体摆动、滚动、航向以及终端经纬度的信息，中央处理单元每10毫秒对天线坐标的卫星的位置和计划进行一次计算，并将数据送至电机控制器，即可控制天线的指向，并对惯性运动进行补偿，在对惯性运动进行补偿的同时，通过最大功率计算方法算出误差，具体地，所述最大功率计算方法为通过在卫星理论指向位置点附近进行少量偏移，测量由此引起的功率变化，并估算指向误差，根据误差微调天线的指向位置，最终可实现精确指向。由于运动载体在行驶的过程中需要不断对天线的位置进行调整，因此在处理过程中产生的误差将不断地积累，其结果是导致天线只能指向卫星的理论位置附近，而不能准确地指向卫星，最大功率计算方法是根据接收到的信号功率电平来修正所产生的指向误差，即在每个方向轴上进行少量的偏移变化，然后观察所检测的功率信号是增加还是减少，不仅在方位角和俯仰角上进行少量偏移，而且在天线的移相器中也进行少量的偏移，这样能大大改善接收效果，通过稍微改变移相器的相位，同时天线板接收信号的电相位也相应改变， 通过其检测的功率误差即可估算出天线的误差，进行修正，让天线始终对准卫星信号功率最大的方位，从而实现准确的指向和对卫星的捕获、跟踪。
卡尔曼滤波器是一组数学计算公式，它通过迭代计算方法来估计一种过程的状态，使均方差最小。在本设计中，系统的状态就是航向角和惯性测量单元中陀螺仪的偏移量。该偏移量就是在惯性测量单元中的陀螺仪和加速度计中存在的误差。此误差与测量系统中的电子线路有关，而且会随着工作过程而变。我们将考虑陀螺仪Z轴和Y轴上的偏移误差。
在滤波器的每一次迭代过程中，根据来自GPS系统和IMU的测量值，对状态都进行一次重新估算。从GPS和MU读出数据的频率有很大不同，GPS是1Hz，MU则是100Hz。既然卡尔曼滤波器采用了较高的频率(100Hz)，于是滤波器每秒钟便进行100次迭代运算。由于在这些迭代过程中并没有得到从GPS读出的数据，因而就认为该数值就等于在上一次迭代时由MU提供的航向值。此过程不断持续下去，直到读出新的GPS数据为止。
当每次获得新数据，如有关位置、摆动、滚动和航向信息时，系统通过以下计算调整天线的位置
取出从GPS获知的车辆位置信息及事先知道的卫星的位置信息。由于两者均为 LLA坐标系，因而要将这两个位置信息转换成ECEF坐标系的数值
Xecef= (REARTH+Alt) · cos (Lat) · cos (Lon) Yecef= (REARTH+Alt) · cos (Lat) · sin (Lon)
Zecef= (REAETH+Alt) · sin (Lat)
从卫星位置中减去车辆位置，以得到ECEF坐标的指向矢量F。
权利要求
1.一种“动中通”卫星指向、捕获与跟踪方法，其特征在于获取天线终端的GPS地理位置信息、GPS航向信息和运动载体惯性信息，通过卡尔曼滤波器计算获得天线的准确航向信息，系统根据航向信息通过机械驱动系统控制天线指向卫星，并检测卫星功率信息，结合最大功率计算方法估算指向误差对天线进行微调，实现精确指向，并根据航向信息和功率信息的变化不断对天线位置进行调整，实现对卫星的捕获及跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种“动中通”卫星指向、捕获与跟踪方法，其特征在于所述最大功率计算方法为通过在卫星理论指向位置点附近进行少量偏移，测量由此引起的功率变化，并估算指向误差，根据误差微调天线的指向位置，最终可实现精确指向。
3.根据权利要求1所述的一种“动中通”卫星指向、捕获与跟踪方法，其特征在于当天线指向卫星时，所检测的卫星功率信息需要高于预设的门限值时才允许天线发射信号，以避免对邻近卫星产生干扰。
4.根据权利要求1所述的一种“动中通”卫星指向、捕获与跟踪方法，其特征在于当无GPS航向信息可利用时，先根据运动载体惯性信息对卫星的位置进行初步的估算，在搜索卫星的同时对接收的功率信号进行检测，当发现接收到功率信号时，便根据估算的航向信息对卡尔曼滤波器进行初始化，并通过最大功率计算方法对天线的方向进行微调。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种“动中通”卫星指向、捕获与跟踪方法，其特征在于在正常操作中，通过以下步骤完成对卫星的指向、捕获及跟踪 A)等待GPS信号，若能收到GPS提供的位置信息和GPS航向信息，则对卡尔曼滤波器进行初始化，并转到步骤D进行卫星指向；若至接收到GPS的地理位置信息，而无航向信息，则转至步骤B进行搜索，若GPS数据完全消失，则转至步骤C的等待状态； B)当GPS提供的数据只有位置信息而无足够的GPS航向信息时，利用磁罗盘提供的航向信息让天线指向卫星所在位置；若检测到GPS航向信息时，初始化卡尔曼滤波器并转至步骤D ;若持续一端时间仍没有GPS信息，则转至步骤C ； C)天线继续等待GPS数据，当同时获得GPS地理位置信息和GPS航向信息时，则转至步骤D，若只有GPS地理位置信息而无GPS航向信息，则转至步骤B ； D)卡尔曼滤波器通过GPS提供地理位置信息、GPS航向信息、提供车辆运动姿态的运动载体惯性信息，通过卡尔曼滤波器对测量数据进行合并，对车辆的实际航向作出精确的估算，将天线转向卫星的理论位置，等待卫星的信号，对卫星进行跟踪及通过最大功率计算方法估算指向误差对天线进行微调，对卫星进行锁定，当卫星锁定成功后，转至步骤E ;若在这过程中GPS航向信息丢失，则转至步骤B，若GPS信息完全丢失，则转至步骤C ； E)天线终端锁定卫星的位置，通过最大功率计算方法计算天线的最佳指向，并检测卫星发送的功率信息，若所检测的卫星功率信息高于预设的门限值时，开启天线的射频功率放大器，否则禁止天线发射信号；若卫星失锁，若同时存在GPS地理位置信息和GPS航向信息，则转至步骤D，若卫星失锁的同时只有GPS地理位置信息，则转至步骤B，若卫星失锁的同时GPS信息完全丢失，则转至步骤C。
6.一种“动中通”卫星指向、捕获与跟踪系统，其特征在于包括 GPS系统，用于提供天线终端当前的GPS地理位置信息和GPS航向信息；惯性测量单元，用于提供运动载体惯性信息；功率检测器，用于检测卫星信号的功率大小；中央处理单元，分别与GPS系统、惯性测量单元和功率检测器连接，通过获取GPS地理位置信息、GPS航向信息、运动载体惯性信息和卫星功率信息并通过卡尔曼滤波器和最大功率计算方法获取卫星的准确位置，并通过总线控制天线终端控制系统上的控制电机及功率放大器，对天线的发射方向和发射状态进行控制，实现卫星的指向、捕获和跟踪。
7.根据权利要求6所述的一种“动中通”卫星指向、捕获与跟踪系统，其特征在于还包括用于提供天线当前航向信息的磁罗盘，所述磁罗盘与中央处理单元连接提供持续的航向信号。
8.根据权利要求6所述的一种“动中通”卫星指向、捕获与跟踪系统，其特征在于还包括用于对天线进行操作的室内单元和用户操作界面，所述室内单元与用户操作界面连接，为用户操作界面提供系统的控制信息，中央处理单元通过局域网与用户操作界面连接，用户利用室内单元面板上的小键盘，或通过局域网利用用户操作界面对系统进行控制和参数的设置。
9.根据权利要求6所述的一种“动中通”卫星指向、捕获与跟踪系统，其特征在于还包括用于检测某个卫星的模拟连续、窄带信号功率的信标检测器，所述信标检测器输出端与中央处理单元连接。
10.根据权利要求6所述的一种“动中通”卫星指向、捕获与跟踪系统，其特征在于还包括提供锁定信号、输出功率、状态信息的调制解调器，所述调制解调器与中央处理单元连接。
全文摘要
本发明公开了一种“动中通”卫星指向、捕获与跟踪方法及其系统，通过获取GPS地理位置信息、GPS航向信息和运动载体惯性信息，并通过卡尔曼滤波器进行组合计算，准确计算出卫星的所在位置，同时通过检测卫星功率信息并通过最大功率计算方法估算指向误差，对天线的位置进行微调，实现天线的准确指向；本发明特别适用于混合电机与电子扫描结合的低轮廓天线终端，不仅能有效降低成本，而且准确性高，能在行驶的状态下保持对卫星的指向、捕获和跟踪，确保通信的畅通，有效提高天线终端的发射、接收效果，能保持畅通的通信，有效提高社会效益和经济效益，对于低轮廓卫星系统的推广起到很大作用。
文档编号H01Q1/27GK103022692SQ20121045541
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月14日 优先权日2012年11月14日
发明者梁钊, 雷剑平, 何塞·阿隆索, 索兰·思维特科伟克, 伊凡·卡巴里罗, 伊凡·卡扬, 戴维斯·谷提乐茨 申请人:广东隆伏通讯设备有限公司, Tti公司