一种海上浮标卫星通信自动跟踪装置及跟踪方法

技术领域

本发明属于卫星通信跟踪的技术领域，具体地说，涉及一种海上浮标卫星通信自动跟踪装置及跟踪方法。

背景技术

针对“动中通”技术，通俗来讲卫星通信就是地球上的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信行为。传统的卫星通信方式属于“静中通”，即在通信设备的空间位置不发生改变的情况下，实现通信功能，天线基座是固定且不可移动的。随着科学技术水平的提高以及人们对通信质量、通信速度、通信灵活性要求的改变，为了拓展卫星通信的应用领域，“动中通”技术越来越多的应用于卫星通信领域中。物体是时刻运动的，然而卫星天线在通信时又具有方向性，这就需要在物体运动的情况下，将物体的运动进行隔离，从而确保卫星天线能够不受物体运动的影响，始终对准卫星，这就是“动中通”技术。

传统的船载“动中通”技术由于适用对象是相对平稳的船舶平台，而且其天线口径相对较大，快速响应能力以及跟踪控制精度要求并不高，通常，海上卫星通信的载体是浮标，浮标在海上行进时，姿态变换较为剧烈，而且由于浮标的尺寸限制，天线口径相对较小，无法满足对海上浮标的跟踪控制的速度快和精度高的要求。

因此，目前，现有的海上浮标卫星通信的跟踪方法存在两个问题：一是，如何在浮标姿态不断改变的情况下，实现快速对准卫星，即快速寻星；二是，如何使卫星天线在浮标姿态变化的情况下，仍能保持正确指向，即稳定跟踪。

发明内容

为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种海上浮标卫星通信跟踪装置，该装置包括：AP板、惯导单元、GPS单元、中央控制单元、伺服控制器、多个驱动器、方位轴步进电机和俯仰轴步进电机；

所述AP板，用于获取AGC数据，并将其输入至中央控制单元；

所述惯导单元，用于获取某海上浮标的惯导数据，并基于Kalman滤波的前馈补偿方法，将其进行Kalman滤波处理后，将处理后的惯导数据输入至中央控制单元；

所述GPS单元，用于获取该海上浮标的GPS数据，并将其输入至中央控制单元；

所述中央控制单元，用于根据获取的GPS数据和处理后的惯导数据，获得卫星天线需要调整的方位角和俯仰角，并将其输入至伺服控制器，进行卫星天线与卫星的初次对准；还用于根据圆锥扫描算法，对获取的AGC数据进行处理，得到处理后的AGC数据，并将其输入至伺服控制器，进行卫星天线与卫星的再次对准；

所述伺服控制器，用于根据获得的卫星天线需要调整的方位角和俯仰角，分别利用各自的驱动器，对应地驱动方位轴步进电机和俯仰轴步进电机，还用于根据接收的处理后的AGC数据，利用各自的驱动器，对应地驱动方位轴步进电机和俯仰轴步进电机，实现实时跟踪该海上浮标。

作为上述技术方案的改进之一，所述AGC数据为采用AP板，获取的用于反映卫星信号强度的自动增益控制值；

所述惯导数据为采用惯导单元，检测到某海上浮标的姿态数据，该某海上浮标的姿态数据包括：方位角、俯仰角和横滚角；

所述GPS数据为采用GPS单元，获取某海上浮标的地理位置坐标值，作为海上浮标的GPS值，该海上浮标的GPS值包括：某海上浮标的经度、纬度和海拔高度。

本发明还提供了一种海上浮标卫星通信跟踪方法，该方法包括：

初始寻星，调整某浮标上的卫星天线平台处于水平面；

中央控制单元根据预先获得的GPS数据和处理后的惯导数据，获得卫星天线需要调整的方位角和俯仰角，将卫星天线初次对准卫星；

伺服控制器根据获得的卫星天线需要调整的方位角，通过驱动器，驱动方位轴步进电机，利用方位轴步进电机调整卫星天线的方位角；

伺服控制器根据获得的卫星天线需要调整的俯仰角，通过驱动器，驱动俯仰轴步进电机，利用俯仰轴步进电机调整卫星天线的俯仰角；

中央控制单元再根据圆锥扫描算法，对获取的AGC数据进行处理，得到处理后的AGC数据，并将其输入至伺服控制器，对卫星天线进行再次对准；伺服控制器根据接收的处理后的AGC数据，利用各自的驱动器，对应地驱动方位轴步进电机和俯仰轴步进电机；

根据卫星天线，实时跟踪该海上浮标。

作为上述技术方案的改进之一，所述AGC数据为采用AP板，获取的用于反映卫星信号强度的自动增益控制值；

所述惯导数据为采用惯导单元，检测到某海上浮标的姿态数据，该某海上浮标的姿态数据包括：方位角、俯仰角和横滚角；

所述GPS数据为采用GPS单元，获取某海上浮标的地理位置坐标值，作为海上浮标的GPS值，该海上浮标的GPS值包括：某海上浮标的经度、纬度和海拔高度。

作为上述技术方案的改进之一，所述初始寻星，调整浮标上的卫星天线平台处于水平面；其具体过程为：

获取海上某个海上浮标的初始俯仰角和初始横滚角，并判断该海上浮标上的卫星天线平台是否处于水平面；

若该海上浮标的俯仰角和横滚角均为0，则该浮标上的卫星天线平台处于水平面；

若该海上浮标的俯仰角或横滚角不为0，则该浮标上的卫星天线平台有夹角，并调节该浮标上的卫星天线平台，直至浮标的俯仰角和横滚角均为0，且该浮标上的卫星天线平台处于水平面，调节卫星天线平台上的方位角或者俯仰角，使得天卫星线相对于水平面是平行的。

作为上述技术方案的改进之一，所述中央控制单元根据预先获得的GPS数据和处理后的惯导数据，获得卫星天线需要调整的方位角和俯仰角，将卫星天线初次对准卫星；其具体过程为：

建立卫星的地球坐标系O

其中，h为卫星距离地面高度；λ为卫星点下的经度；

建立卫星的东北天地理坐标系，将上述卫星的地球坐标矢量进行矩阵转换，可得到卫星的地理坐标(x

其中，R

其中，

根据公式(1)、(2)、(3)、(4)，整理得到卫星的地理坐标(x

根据卫星在地理坐标系中的位置，以及公式(5)，计算卫星天线需要调整的初级方位角A和初级俯仰角E；

将卫星的东北天地理坐标系中的x轴、y轴、z轴分别对应地绕O

[D

其中，[D

其中，H为航向角；P为俯仰角；R为横滚角；

联合上述公式(9)、(10)和(11)，得到整理后的卫星在东北天地理坐标系的坐标矢量；

根据上述公式(12)，计算浮标惯导坐标系中，卫星天线需要调整的方位角A

E

作为上述技术方案的改进之一，所述中央控制单元再根据圆锥扫描算法，对获取的AGC数据进行处理，得到处理后的AGC数据，并将其输入至伺服控制器，对卫星天线进行再次对准；伺服控制器根据接收的处理后的AGC数据，利用各自的驱动器，对应地驱动方位轴步进电机和俯仰轴步进电机；其具体过程为：

采用基于圆锥扫描的AGC闭环跟踪方法，利用圆锥扫描方式，建立波束在圆锥扫描所形成的圆锥运动轨迹上任意一点的信号强度AGC与该圆锥运动轨迹所形成的圆周上每个点的角度θ之间的正余弦函数关系，

在一次完整的圆锥扫描周期内，根据预先获得的AGC数据，得到多个信号强度AGC采样值，并从其中选出具有信号强度AGC的最大值AGC

假设卫星的位置为S，P点是某次圆锥扫描的中心，圆锥扫描的扫描半径为α，则再次调整的方位角幅度ΔA和再次调整的俯仰角幅度ΔE分别为：

其中，PQ为圆锥扫描的中心到该最大值AGC

若

将得到的再次调整的方位角幅度ΔA和再次调整的俯仰角幅度ΔE，确定圆心所要调整的精确方向，从而确定卫星天线需要再次调整的方位角和俯仰角，将其作为处理后的AGC数据，再将该处理后的AGC数据输入至伺服控制器，对卫星天线进行再次对准；伺服控制器根据接收的处理后的AGC数据，利用各自的驱动器，对应地驱动方位轴步进电机和俯仰轴步进电机，对卫星天线进行精调，进一步将卫星天线再次对准卫星；

其中，对所采集的信号强度AGC采样值，进行多次采样和平滑处理，以得到更加稳定和准确的该最大值AGC

针对当前次完整的圆锥扫描，判断当前次的圆锥扫描过程中所得到的最大值AGC

如果当前次的圆锥扫描过程中所得到的最大值AGC

如果当前次的圆锥扫描过程中所得到的最大值AGC

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明的跟踪方法针对低轮廓、体积小的两轴卫星天线，实现了卫星天线能够快速对准卫星，并且在四级海况下，卫星天线能够稳定的、正确的指向卫星，从而进行正常通信，实现自动跟踪。

附图说明

图1是本发明的一种海上浮标卫星通信自动跟踪装置的结构示意图；

图2是本发明的一种海上浮标卫星通信自动跟踪方法中所建立的地球坐标系和东北天地理坐标系的结构示意图；

图3是本发明的一种海上浮标卫星通信自动跟踪方法中卫星的地球坐标系中的坐标经过矩阵转换后，得到的卫星在东北天地理坐标系中的位置示意图；

图4是本发明的一种海上浮标卫星通信自动跟踪方法中所建立的浮标惯导坐标系的示意图；

图5是本发明的一种海上浮标卫星通信自动跟踪方法中获得卫星天线对准卫星所需要的方位角和俯仰角的流程图；

图6是本发明的一种海上浮标卫星通信跟踪方法中的圆锥扫描的结构示意图；

图7是本发明的一种海上浮标卫星通信跟踪方法中的圆锥扫描信号强度示意图；

图8是本发明的一种海上浮标卫星通信跟踪方法的根据AGC数据进行精调的流程图；

图9是本发明的一种海上浮标卫星通信跟踪方法的概要流程图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明提供了一种海上浮标卫星通信跟踪装置，该装置包括：AP板、惯导单元、GPS单元、中央控制单元、伺服控制器、多个驱动器、方位轴步进电机和俯仰轴步进电机；

所述AP板，用于获取AGC数据，并将其输入至中央控制单元；

所述惯导单元，用于获取某海上浮标的惯导数据，并基于Kalman滤波的前馈补偿方法，将其进行Kalman滤波处理后，将处理后的惯导数据输入至中央控制单元；

所述GPS单元，用于获取该海上浮标的GPS数据，并将其输入至中央控制单元；

所述中央控制单元，用于根据获取的GPS数据和处理后的惯导数据，获得卫星天线需要调整的方位角和俯仰角，并将其输入至伺服控制器，进行卫星天线与卫星的初次对准；

还用于根据圆锥扫描算法，对获取的AGC数据进行处理，得到处理后的AGC数据，并将其输入至伺服控制器，进行卫星天线与卫星的再次对准；

具体地，在跟踪过程中，采用圆锥扫描算法，将获取的AGC数据输入至中央控制单元进行处理，并将处理后的AGC数据输入至伺服控制器，伺服控制器仅仅接收中央控制单元的发送的处理后的AGC数据。其中，处理后的AGC数据为卫星天线需要再次调整的方位角和俯仰角；

所述伺服控制器，用于根据获得的卫星天线需要调整的方位角和俯仰角，分别利用各自的驱动器，对应地驱动方位轴步进电机和俯仰轴步进电机；

还用于根据获得的处理后的AGC数据，利用各自的驱动器，对应地驱动方位轴步进电机和俯仰轴步进电机，实时地调整卫星天线的轴向角，以保证卫星天线再次对准卫星，实现精确对准，从而实现实时跟踪该海上浮标。

其中，卫星天线的轴向角包括：方位角和俯仰角。其中，所述各自的驱动器指的是分别与方位轴步进电机和俯仰轴步进电机相连接的驱动器；

其中，所述AGC数据为采用AP板，获取的用于反映卫星信号强度的自动增益控制值；

所述惯导数据为采用惯导单元，检测到某海上浮标的姿态数据，该某海上浮标的姿态数据包括：方位角、俯仰角和横滚角；

所述GPS数据为采用GPS单元，获取某海上浮标的地理位置坐标值，作为海上浮标的GPS值，该海上浮标的GPS值包括：某海上浮标的经度、纬度和海拔高度。

本发明还提供了一种海上浮标卫星通信跟踪方法，如图9所示，整个方法过程包括：粗调和精调两个过程：

其中，粗调过程：中央控制单元根据接收的处理后的惯导数据和GPS数据，精确得出卫星天线对准卫星所需要的俯仰角和方位角，然后输入至伺服控制器，伺服控制器控制并驱动相应的驱动器，根据得到的俯仰角和方位角，对应地转动相应的方位轴步进电机和俯仰轴步进电机，实现卫星天线对卫星的初次对准；其中，基于Kalman滤波的前馈补偿方法，解决了惯导数据的测量延迟问题。而传统的方法中，直接采用惯导单元输出的惯导数据，会造成数据的测量延迟问题。

精调过程：由于处理后的惯导数据和GPS数据会存在延迟或者精确度不够，因此，需要配合AGC数据，进行进一步的精确调整，确保卫星天线“真正”的对准了卫星，提高了对准精度，能够保证精确跟踪到对应的海上浮标。

等精调过程结束后，卫星天线此时已经精确对准卫星。具体过程如下：进入初始对准状态以后，中央控制单元将以固定时间间隔采集处理后的惯导数据以及GPS数据，以获取姿态信息，当浮标在漂浮行进的过程中，由于海浪等发生剧烈晃动，则惯导的俯仰角和横滚角也相应发生变动，中央控制单元采集到惯导变化信息后及时调整卫星的方位角和俯仰角，以便继续维持卫星天线与卫星之间的正确指向，即维持卫星天线精确对准卫星，再配合AP板传过来的AGC值进行闭环跟踪，实现精确对准。若整个调整卫星天线的方位角和俯仰角的过程中，指向偏差太大，则需要重新进行初始寻星回到初对准状态，再次经过粗调和精调两个过程后，然后再进行自动跟踪，如此循环往复。

该方法具体包括：

初始寻星，调整浮标上的卫星天线平台处于水平面；

具体地，对整个跟踪装置上电，将卫星天线转到零位，然后开始自检过程，确定正常工作后，获取海上某个海上浮标的初始俯仰角和初始横滚角，并判断该海上浮标上的卫星天线平台是否处于水平面；

若该海上浮标的俯仰角和横滚角均为0，则该海上浮标上的卫星天线平台处于水平面；

若该海上浮标的俯仰角或横滚角不为0，则该海上浮标上的卫星天线平台有夹角，并调节该海上浮标上的卫星天线平台，直至海上浮标的俯仰角和横滚角均为0，且该海上浮标上的卫星天线平台处于水平面，调节卫星天线平台上的方位角或者俯仰角，使得天卫星线相对于水平面是平行的，即该海上浮标上的卫星天线平台处于水平面，消除卫星天线平台的初始角度误差，保证跟踪海上浮标的精确度；

根据预先获得的处理后的惯导数据和GPS数据，获得卫星需要调整的方位角和俯仰角，将卫星天线初次对准卫星；

具体地，如图2和5所示，建立卫星的地球坐标系O

其中，h为卫星距离地面高度；λ为卫星点下经度，即卫星在地球坐标系下的经度；

如图3所示，建立卫星的东北天地理坐标系，则该东北天地理坐标系中的天线指向推导，即在静止状态下，没有外部扰动，将上述卫星的地球坐标矢量进行矩阵转换，具体是先将(x

其中，R

其中，

根据公式(1)、(2)、(3)、(4)，整理得到卫星的地理坐标(x

如图3所示，根据卫星在地理坐标系中的位置，以及关于地理坐标系的定义，以及公式(5)，，计算卫星天线需要调整的初级方位角A和初级俯仰角E；

由于海上浮标易受海浪波动的影响，在实际工作过程中，该浮标的姿态容易发生变化，需要将该浮标的姿态数据融入到地理坐标系下的天线指向计算中，以获得更精确的方位角和俯仰角。某海上浮标在浮标惯导坐标系中，卫星天线指向推导(即在惯导坐标系中卫星指向的推导公式)，隔离了外部扰动；

如图2和4所示，将卫星的东北天地理坐标系中的x轴、y轴、z轴分别对应地绕O

[D

其中，[D

其中，H为航向角，即浮标行进方向与正北之间的夹角，以正北为基准，顺时针为正；P为俯仰角，即浮标纵轴与当地水平面的夹角，向上为正；R为横滚角，浮标以行进方向为轴与水平面的夹角，浮标右倾为正。

联合上述公式(9)、(10)和(11)，得到整理后的卫星在东北天地理坐标系的坐标矢量；

根据上述公式(12)，计算浮标惯导坐标系中，卫星天线需要调整的方位角A

E

因此，如图2所示，提供了卫星天线对准卫星所需要的方位角和俯仰角的具体计算方法流程图，主要是通过构建不同的坐标系来进行坐标转换实现。在流程图中建立了三种坐标系：地球坐标系、东北天地理坐标系和浮标惯导坐标系。地球坐标系是以地心为原点，X轴指向北极点，Y轴指向本初子午线与赤道交点，Z轴指向90°E与赤道交点。由于实际所处的环境位于东半球和北半球，因此，还需要再建立东北天地理坐标系，X轴指向正北方，Y轴指向正东方，Z轴指向垂直于水平面的天空。由于惯导与某海上浮标是固定在一起的，因此，浮标惯导坐标系也可以称为载体坐标系，即将载体看做质点而抽象出来的坐标系，X轴指向载体运动的前方，Y轴指向载体运动的右方，Z轴垂直于载体面的方向。其中，载体就是某海上浮标。其中，卫星天线的经度和纬度，以及海拔高度是根据地理坐标系定义的。

伺服控制器根据获得的卫星需要调整的初级方位角，通过驱动器，驱动方位轴步进电机，利用方位轴步进电机调整卫星的方位角；

伺服控制器根据获得的卫星需要调整的初级俯仰角，通过驱动器，驱动俯仰轴步进电机，利用俯仰轴步进电机调整卫星的俯仰角；

中央控制单元再根据圆锥扫描算法，对获取的AGC数据进行处理，得到处理后的AGC数据，并将其输入至伺服控制器，对卫星天线进行再次对准；伺服控制器根据接收的处理后的AGC数据，利用各自的驱动器，对应地驱动方位轴步进电机和俯仰轴步进电机；进一步将卫星天线再次对准卫星；根据卫星天线，实时跟踪该海上浮标；

具体地，如图6所示，提供了跟踪过程中采用的圆锥扫描方法的示意图，假设O点为天线位置，S为卫星位置，则OS为卫星天线的理想精准指向，设OS’是实际没有完全对准时的指向，OO’是天线的中心轴线，卫星天线绕该中心轴线进行旋转，则α为旋转偏开角度，卫星天线绕该中心轴线旋转一周的路径即为T。设β是实际天线波束指向与精准指向之间的夹角，则在一个旋转周期内，β的大小和接收到的卫星信号强度在不断变化。当天线精准指向卫星时，即OS和OO’重合时，此时β不再变化，且卫星信号强度最强。

如图7所示，提供了圆锥扫描信号强度示意图。将圆锥扫描的动作分解到方位方向和俯仰方向，则会发现方位和俯仰运动服从正余弦曲线规律，且两者相位相差1/4圆周，二者合成之后的指向即为圆周运动。根据现有技术，可知距离天线最大增益处的电平衰落仅与天线指向偏离最大增益处的角度有关，再结合圆锥扫描方式，波束在圆锥运动轨迹上任意一点的信号强度与圆周上每个点的角度θ具有正余弦函数关系。

采用基于圆锥扫描的AGC闭环跟踪方法，利用圆锥扫描方式，建立波束在圆锥扫描所形成的圆锥运动轨迹上任意一点的信号强度AGC与该圆锥运动轨迹所形成的圆周上每个点的角度θ之间的正余弦函数关系，

如图8所示，在一次完整的圆锥扫描周期内，设置门限AGC值AGC

假设卫星的位置为S，P点是某次圆锥扫描的中心，圆锥扫描的扫描半径为α，由于圆锥扫描圆心位置指向卫星强度最大值所对应的点的方向，因此，圆锥扫描圆心的跟踪调整方向就是矢量PQ的方向，则再次调整的方位角幅度ΔA和再次调整的俯仰角幅度ΔE分别为：

其中，PQ为圆锥扫描的中心到该最大值AGC

若

将得到的再次调整的方位角幅度ΔA和再次调整的俯仰角幅度ΔE，确定圆心所要调整的精确方向，从而确定卫星天线再次调整的方位角和俯仰角，作为处理后的AGC数据，再将该处理后的AGC数据输入至伺服控制器，对卫星天线进行再次对准；对卫星天线进行精调，进一步将卫星天线精确对准卫星；无需按照传统的进行逐步逼近的方法调整圆心，从而更加快速、准确地实现卫星天线对准卫星；再将该处理后的AGC数据输入至伺服控制器，对卫星天线进行再次对准；伺服控制器根据接收的处理后的AGC数据，利用各自的驱动器，对应地驱动方位轴步进电机和俯仰轴步进电机，对卫星天线进行精调，进一步将卫星天线再次对准卫星；

其中，对所采集的信号强度AGC采样值，进行多次采样和平滑处理，以得到更加稳定和准确的该最大值AGC

针对当前次完整的圆锥扫描，判断当前次的圆锥扫描过程中所得到的最大值AGC

如果当前次的圆锥扫描过程中所得到的最大值AGC

如果当前次的圆锥扫描过程中所得到的最大值AGC

其中，如果不停的进行圆锥扫描，则容易浪费资源，且增加功耗；如果不及时地进行圆锥扫描，又很容易造成丢星，造成信号中断，造成卫星天线无法对准卫星，需要重新开设初始寻星，又会增加时间成本，因此，需要预先设置一个门限AGC值即AGC

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。