星载GNSS接收机天线自主指向控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及全球卫星导航系统技术领域，具体地，涉及一种星载GNSS接收机天线自主指向控制系统及控制方法。

背景技术

对于对地指向的卫星而言，GNSS接收机的两幅接收天线分别是呈现一副对天，一副对地心指向的布局的。对于这类对地指向的卫星，通常有较好的导航卫星可见星数，可以满足卫星对导航定位、定轨、校时等功能的需求。但是对于采取惯性指向的卫星而言，以上的GNSS接收机天线布局将造成导航卫星有效可见星数相对较少，甚至导致GNSS导航信号失锁，造成导航定位、定轨、校时等功能失效。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种星载GNSS接收机天线自主指向控制系统及控制方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种星载GNSS接收机天线自主指向控制系统，包括：伺服机构模块和控制指向模块；其中：

所述伺服机构模块，包括：安装于星体坐标系+Z方向一侧的第一伺服机构和安装于星体坐标系-Z方向一侧的第二伺服机构，所述第一伺服机构和所述第二伺服机构分别与GNSS接收机的第一接收天线和第二接收天线对应驱动连接；

所述控制指向模块，根据星上感知的地球位置信息以及卫星自身信息，通过星务分系统自主计算控制量，并根据所述控制量控制面向地球一侧的伺服电机驱动其相应的接收天线进行指向机动，使得该面向地球一侧的接收天线的波束中心线避开地球遮挡，从而确保GNSS接收机可见足够数量的导航卫星。

优选地，所述控制指向模块，根据星上感知的地球位置信息以及卫星自身信息，通过星务分系统自主计算控制量，包括：

根据星上感知的J2000坐标系下卫星位置信息以及地球中心点的位置信息，计算出星地矢量Rse；

通过所述卫星位置信息以及面向地球一侧的接收天线在星体坐标系的波束中心线指向信息，计算得到面向地球一侧的接收天线的波束中心指向矢量Rgnss；

通过以下公式：

得到面向地球一侧的接收天线的波束中心线矢量与星地矢量之间的夹角θ；

获取面向地球一侧的接收天线的波束半张角γ以及卫星与地心的连线矢量以及卫星与地球表面的相切线矢量之间的夹角β；

设定伺服机构动作判据角为ε，当面向地球一侧的接收天线的波束中心线矢量与星地矢量之间的夹角θ≤β+γ+ε时，面向地球一侧的接收天线所对应的伺服机构需要进行方位以及俯仰机动，确保面向地球一侧的接收天线的波束中心线矢量与星地矢量之间的夹角θ≥β+γ。

优选地，所述面向地球一侧的接收天线在星体坐标系的波束中心线指向信息为：

当卫星采用对地心指向姿态时，方位为0°、俯仰为+90°；当卫星采用惯性指向姿态时，方位为0°、俯仰为+90°，或者，方位为0°、俯仰为-90°。

优选地，所述面向地球一侧的接收天线的波束半张角γ取值为70°。

优选地，所述ε取值为5°。

优选地，所述控制指向模块，根据所述控制量控制面向地球一侧的伺服电机驱动其相应的接收天线进行指向机动，包括：

当卫星采用对地心指向姿态时，所述控制指向模块通过控制始终面向地球一侧的所述第一伺服机构进行第一接收天线指向机动，所述第二伺服机构无需开展机动；

当卫星采用惯性指向姿态时，所述控制指向模块交替控制面向地球一侧的所述第一伺服机构或所述第二伺服机构进行相应接收天线指向机动。

根据本发明的另一个方面，提供了一种星载GNSS接收机天线自主指向控制方法，包括：

分别提供用于与GNSS接收机的两幅接收天线驱动连接的第一伺服机构和第二伺服机构，其中，所述第一伺服机构安装于星体坐标系+Z方向一侧，所述第二伺服机构安装于星体坐标系-Z方向一侧；

星务分系统根据星上感知的地球位置信息以及卫星自身信息，自主计算控制量；

星务分系统根据所述控制量控制面向地球一侧的伺服电机驱动其相应的接收天线进行指向机动，使得该面向地球一侧的接收天线的波束中心线避开地球遮挡，从而确保GNSS接收机可见足够数量的导航卫星。

优选地，所述星务分系统根据星上感知的地球位置信息以及卫星自身信息，自主计算控制量，包括：

星务分系统根据星上感知的J2000坐标系下卫星位置信息以及地球中心点的位置信息，计算出星地矢量Rse；

通过所述卫星位置信息以及面向地球一侧的接收天线在星体坐标系的波束中心线指向信息，计算得到面向地球一侧的接收天线的波束中心指向矢量Rgnss；

通过以下公式：

得到面向地球一侧的接收天线的波束中心线矢量与星地矢量之间的夹角θ；

获取面向地球一侧的接收天线的波束半张角γ以及卫星与地心的连线矢量以及卫星与地球表面的相切线矢量之间的夹角β；

设定伺服机构动作判据角为ε，当面向地球一侧的接收天线的波束中心线矢量与星地矢量之间的夹角θ≤β+γ+ε时，面向地球一侧的接收天线所对应的伺服机构需要进行方位以及俯仰机动，确保面向地球一侧的接收天线的波束中心线矢量与星地矢量之间的夹角θ≥β+γ。

优选地，所述面向地球一侧的接收天线在星体坐标系的波束中心线指向信息为：

当卫星采用对地心指向姿态时，方位为0°、俯仰为+90°；当卫星采用惯性指向姿态时，方位为0°、俯仰为+90°，或者，方位为0°、俯仰为-90°。

优选地，所述面向地球一侧的接收天线的波束半张角γ取值为70°。

优选地，所述ε取值为5°。

优选地，所述星务分系统根据所述控制量控制面向地球一侧的伺服电机驱动其相应的接收天线进行指向机动，包括：

当卫星采用对地心指向姿态时，所述控制指向模块通过控制始终面向地球一侧的所述第一伺服机构进行第一接收天线指向机动，所述第二伺服机构无需开展机动；

当卫星采用惯性指向姿态时，所述控制指向模块交替控制面向地球一侧的所述第一伺服机构或所述第二伺服机构进行相应接收天线指向机动。

根据本发明的第三个方面，提供了一种星务计算机终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，该处理器执行该计算机程序时可用于控制运行本发明上述中任意一项所述的系统，或，控制执行本发明上述中任意一项所述的方法。

根据本发明的第四个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时可用于控制运行本发明上述中任意一项所述的系统，或，控制执行本发明上述中任意一项所述的方法。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下至少一项的有益效果：

本发明提供的星载GNSS接收机天线自主指向控制系统及控制方法，通过对GNSS接收机的每一幅接收天线分别增加一套转动伺服机构，进而增加GNSS天线的动态跟踪范围，提高GNSS可见卫星数量，从而降低了GNSS信号失锁的概率，提高了航天器的运行可靠度。

本发明提供的星载GNSS接收机天线自主指向控制系统及控制方法，将伺服机构硬件应用于GNSS天线指向机动，并对伺服机构机动策略中的重要判据作出详细定义，创造性地降低了GNSS卫星接收机信号失锁的发生概率，增强了卫星系统获取卫星位置信息的可靠度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例中星载GNSS接收机天线自主指向控制系统的结构示意图。

图2为本发明一优选实施例中星载GNSS接收机天线自主指向控制方法的工作流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

为了解决不同卫星姿态指向情况下卫星局部时段内因可见导航卫星数量较少而引起的GNSS信号失锁的问题，本发明一实施例提供了一种星载GNSS接收机天线自主指向控制系统，该系统能够有效提高星载GNSS可见导航卫星数量，降低了GNSS信号失锁的概率。

具体地，如图1所示，该实施例提供的星载GNSS接收机天线自主指向控制系统，可以包括：伺服机构模块和控制指向模块；其中：

伺服机构模块，包括：安装于星体坐标系+Z方向一侧的第一伺服机构和安装于星体坐标系-Z方向一侧的第二伺服机构，第一伺服机构和第二伺服机构分别与GNSS接收机的第一接收天线A和第二接收天线B对应驱动连接；

控制指向模块，根据星上感知的地球位置信息以及卫星自身信息，通过星务分系统自主计算控制量，并根据控制量控制面向地球一侧的伺服电机驱动其相应的接收天线进行指向机动，使得该面向地球一侧的接收天线的波束中心线避开地球遮挡，从而确保GNSS接收机可见足够数量的导航卫星。

在部分优选实施方式中，控制指向模块，根据星上感知的地球位置信息以及卫星自身信息，通过星务分系统自主计算控制量，还可以进一步包括：

M1，星务分系统根据星上感知的J2000坐标系下卫星位置信息以及地球中心点的位置信息，计算出星地矢量Rse；

M 2，通过卫星位置信息以及面向地球一侧的接收天线在星体坐标系的波束中心线指向信息，可以计算得到面向地球一侧的接收天线的波束中心指向矢量Rgnss；

M3，通过以下公式：

可以得到面向地球一侧的接收天线的波束中心线矢量与星地矢量之间的夹角θ；

M4，获取面向地球一侧的接收天线的波束半张角γ以及卫星与地心的连线矢量以及卫星与地球表面的相切线矢量之间的夹角β；

M5，设定伺服机构动作判据角为ε，当面向地球一侧的接收天线的波束中心线矢量与星地矢量之间的夹角θ≤β+γ+ε时，面向地球一侧的接收天线所对应的伺服机构需要进行方位以及俯仰机动，确保面向地球一侧的接收天线的波束中心线矢量与星地矢量之间的夹角θ≥β+γ。

在部分优选实施方式中，面向地球一侧的接收天线在星体坐标系的波束中心线指向信息为：当卫星采用对地心指向姿态时，方位为0°、俯仰为+90°；当卫星采用惯性指向姿态时，方位为0°、俯仰为+90°，或者，方位为0°、俯仰为-90°。

在部分优选实施方式中，波束半张角γ取值为70°。

对于不同高度的卫星，β取值如表1所示。在一具体应用实例中，以700km左右的圆形轨道卫星情况为例，卫星与地心的连线矢量以及卫星与地球表面的相切线矢量之间的夹角β取值为64.3°。

表1

依据表1，同理可以给出不同轨道高度情况下，GNSS天线伺服系统机动的相应判据。因此上述机动判据可以适应不同轨道高度情况的卫星。

基于以上信息，在β取值为64.3°这一具体应用实例下，可以设定面向地球一侧的接收天线机动判据如下：取ε＝5°时，当面向地球一侧的接收天线的波束中心线矢量与星地矢量的夹角θ≤64.3°+70°+ε时，面向地球一侧的接收天线所对应的伺服机构需要进行方位、俯仰机动，确保面向地球一侧的接收天线的波束中心线矢量与星地矢量的夹角θ≥64.31°+70°。

在部分优选实施方式中，上述控制指向模块，根据控制量控制面向地球一侧的伺服电机驱动其相应的接收天线进行指向机动，包括：

当卫星采用对地心指向姿态时，控制指向模块通过控制始终面向地球一侧的第一伺服机构进行第一接收天线指向机动，第二伺服机构无需开展机动；

当卫星采用惯性指向姿态时，控制指向模块交替控制面向地球一侧的第一伺服机构或第二伺服机构进行相应接收天线指向机动。

当卫星姿态一直采用对地心指向姿态时，面向地球一侧的第一接收天线A(其与第一伺服机构相连)，由于该情况下该天线会被地球遮挡或部分遮挡，因此需要对第一伺服机构进行机动。而对于远离地球一侧的第二接收天线则不会被地球遮挡，因此在该姿态下无需对与其相连的第二伺服机构进行机动。但是，若卫星采用惯性指向姿态时，第一接收天线和第二接收天线会交替面向地球，因此在该姿态下第二接收天线有时候会被地球遮挡，这时候需求通过交替控制两个伺服机构，从而对GNSS天线指向进行机动。

本发明一实施例提供了一种星载GNSS接收机天线自主指向控制方法。

具体地，如图2所示，该实施例提供的星载GNSS接收机天线自主指向控制方法，可以包括：

S1，分别提供用于与GNSS接收机的两幅接收天线驱动连接的第一伺服机构和第二伺服机构，其中，第一伺服机构安装于星体坐标系+Z方向一侧，第二伺服机构安装于星体坐标系-Z方向一侧；

S2，星务分系统根据星上感知的地球位置信息以及卫星自身信息，自主计算控制量；

S3，星务分系统根据控制量控制面向地球一侧的伺服电机驱动其相应的接收天线进行指向机动，使得该面向地球一侧的接收天线的波束中心线避开地球遮挡，从而确保GNSS接收机可见足够数量的导航卫星。

在部分优选实施方式中，上述S2，星务分系统根据星上感知的地球位置信息以及卫星自身信息，自主计算控制量，还可以进一步包括：

S21，星务分系统根据星上感知的J2000坐标系下卫星位置信息以及地球中心点的位置信息，计算出星地矢量Rse；

S22，通过卫星位置信息以及面向地球一侧的接收天线在星体坐标系的波束中心线指向信息，计算得到面向地球一侧的接收天线的波束中心指向矢量Rgnss；

S23，通过以下公式：

得到面向地球一侧的接收天线的波束中心线矢量与星地矢量之间的夹角θ；

S24，获取面向地球一侧的接收天线的波束半张角γ以及卫星与地心的连线矢量以及卫星与地球表面的相切线矢量之间的夹角β；

S25，设定伺服机构动作判据角为ε，当面向地球一侧的接收天线的波束中心线矢量与星地矢量之间的夹角θ≤β+γ+ε时，面向地球一侧的接收天线所对应的伺服机构需要进行方位以及俯仰机动，确保面向地球一侧的接收天线的波束中心线矢量与星地矢量之间的夹角θ≥β+γ。

在部分优选实施方式中，面向地球一侧的接收天线在星体坐标系的波束中心线指向信息为：当卫星采用对地心指向姿态时，方位为0°、俯仰为+90°；当卫星采用惯性指向姿态时，方位为0°、俯仰为+90°，或者，方位为0°、俯仰为-90°。

在部分优选实施方式中，波束半张角γ取值为70°。

在部分优选实施方式中，上述S3，星务分系统根据控制量控制面向地球一侧的伺服电机驱动其相应的接收天线进行指向机动，包括：

当卫星采用对地心指向姿态时，控制指向模块通过控制始终面向地球一侧的第一伺服机构进行第一接收天线指向机动，第二伺服机构无需开展机动；

当卫星采用惯性指向姿态时，控制指向模块交替控制面向地球一侧的第一伺服机构或第二伺服机构进行相应接收天线指向机动。

需要说明的是，本发明提供的方法中的步骤，可以利用系统中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照系统的技术方案实现方法的步骤流程，即，系统中的实施例可理解为实现方法的优选例，在此不予赘述。

本发明上述实施例提供的星载GNSS接收机天线自主指向控制系统及控制方法，其中：第一伺服机构，它被安装在卫星的+Z一侧，第二伺服机构，它被安装在卫星的-Z一侧，第一伺服机构和第二伺服机构分别与GNSS接收机的两幅接收天线对应驱动连接；星务分系统根据星上感知的地球位置信息以及卫星自身信息，自主计算控制量，并根据控制量控制对地一侧的伺服电机驱动其相应的接收天线进行机动指向，使得该对地一侧的接收天线的波束中心线避开地球遮挡，从而确保GNSS接收机可见足够数量的导航卫星。对于卫星采用对地心指向姿态时，只需通过第一伺服机构进行GNSS天线机动指向，第二伺服机构无需开展机动；对于卫星采用惯性指向姿态情况时，第一伺服机构及相应的GNSS天线A，第二伺服机构及相应的GNSS天线B会交替被地球遮挡，因此，在卫星采用惯性指向情况下，需交替使用第一伺服机构和第二伺服机构进行GNSS天线指向机动；通过伺服驱动增加了GNSS天线的动态跟踪范围，提高了GNSS可见卫星数量，从而降低了GNSS信号失锁的概率，提高了航天器的运行可靠度。

本发明一实施例提供了一种星务计算机终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，该处理器执行该计算机程序时可用于控制运行本发明上述实施例中任意一项的系统，或，控制执行本发明上述实施例中任意一项的方法。

可选地，存储器，用于存储程序；存储器，可以包括易失性存储器(英文：volatilememory)，例如随机存取存储器(英文：random-access memory，缩写：RAM)，如静态随机存取存储器(英文：static random-access memory，缩写：SRAM)，双倍数据率同步动态随机存取存储器(英文：Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory，缩写：DDR SDRAM)等；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatile memory)，例如快闪存储器(英文：flash memory)。存储器用于存储计算机程序(如实现上述方法的应用程序、功能模块等)、计算机指令等，上述的计算机程序、计算机指令等可以分区存储在一个或多个存储器中。并且上述的计算机程序、计算机指令、数据等可以被处理器调用。

上述的计算机程序、计算机指令等可以分区存储在一个或多个存储器中。并且上述的计算机程序、计算机指令、数据等可以被处理器调用。

处理器，用于执行存储器存储的计算机程序，以实现上述实施例涉及的方法中的各个步骤或系统各种的各个模块。具体可以参见前面方法和系统实施例中的相关描述。

处理器和存储器可以是独立结构，也可以是集成在一起的集成结构。当处理器和存储器是独立结构时，存储器、处理器可以通过总线耦合连接。

本发明一实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时可用于控制运行本发明上述实施例中任意一项的系统，或，控制执行本发明上述实施例中任意一项的方法。

本发明上述实施例提供的星载GNSS接收机天线自主指向控制系统及控制方法，通过为GNSS接收机的两幅接收天线增加简易伺服机构系统，使得天线具备自主指向的功能。根据星上感知的地球位置信息以及卫星自身的轨道等信息，由星务分系统自主计算，并作出判断，及时控制对地一侧的GNSS接收机天线波束中心线避开地球遮挡，从而确保GNSS导航星座的足够的可见卫星数量，减少GNSS接收机失锁现象的发生概率。相应地，远离地球一侧的GNSS接收机天线视情况而定是否进行天线的机动指向，通常情况下，远离地球一侧的GNSS接收机天线可以无需进行机动指向。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

本发明上述实施例中未尽事宜均为本领域公知技术。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。