本發(fā)明屬于在軌航天器測(cè)控管理領(lǐng)域，適用于動(dòng)態(tài)目標(biāo)的智能搜索和捕獲。

背景技術(shù)：

大部分近地衛(wèi)星具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、軌道高度低、衰減快的特點(diǎn)，地面測(cè)控站為了獲得更精確的軌道測(cè)量數(shù)據(jù)，常使用大口徑的天線，但天線口徑的增大也就意味著主瓣寬度的變窄，特別是當(dāng)大動(dòng)態(tài)目標(biāo)或當(dāng)航天器失去控制軌道變得不可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)時(shí)，目標(biāo)的搜索和捕獲成為難題。此時(shí)完成目標(biāo)的捕獲跟蹤通常的做法是依靠操作人員對(duì)目標(biāo)進(jìn)行人工掃描搜索，這樣更多依賴于操作員的經(jīng)驗(yàn)積累，并且操作時(shí)長(zhǎng)不確定，成功與否不確定，極大影響了正常測(cè)控流程的進(jìn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于形狀特征的捕獲算法SASG(Search Algorithm on Sharp Graph)，建立天線TE21跟蹤模的方向圖模型，然后根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡和接收電壓的變化曲線，獲得目標(biāo)相對(duì)于測(cè)控站的真實(shí)位置，利用形狀特征匹配模型對(duì)其定位，最后驅(qū)動(dòng)天線向目標(biāo)運(yùn)動(dòng)完成搜索捕獲，本發(fā)明能有效提高天線的搜索范圍，縮短捕獲時(shí)間，提高捕獲自動(dòng)化成功率。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

步驟一，收集測(cè)控天線A的特征參數(shù)T＝{f，r}，f是該天線的接收工作頻率，r是該天線的半徑；

步驟二，根據(jù)特征參數(shù)T生成天線A的方向圖P＝{(a₁,e₁|g₁₁),…,(a_i,e_j|g_ij),…,(a_m,e_n|g_mn)}，其中，m是天線方向圖方位方向的點(diǎn)數(shù)量，n是天線方向圖俯仰方向的點(diǎn)數(shù)量，a_i是天線方向圖在方位方向的坐標(biāo)，e_j是天線方向圖在俯仰方向的坐標(biāo)，g_ij是該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的增益值，一個(gè)方位、俯仰坐標(biāo)對(duì)(a_i,e_j)對(duì)應(yīng)該點(diǎn)的天線增益值g_ij；從方向圖P中，獲取(a_i,e_j)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的天線增益g_ij＝F_P(a_i,e_j)；

步驟三，根據(jù)方向圖P生成搜索結(jié)構(gòu)S＝{(a₁,e₁|g₁₁⁰,g₁₁¹,g₁₁²,g₁₁³,g₁₁⁴),(a_i,e_j|g_ij⁰,g_ij¹,g_ij²,g_ij³,g_ij⁴),…,(a_m,e_n|g_mn⁰,g_mn¹,g_mn²,g_mn³,g_mn⁴)}，對(duì)于S中每一個(gè)點(diǎn)(a_i,e_j)，其對(duì)應(yīng)的g_ij⁰＝F_P(a_i,e_j)，g_ij¹＝F_P(a_i+1,e_j)-F_P(a_i,e_j)，g_ij²＝F_P(a_i-1,e_j)-F_P(a_i,e_j)，g_ij³＝F_P(a_i,e_j+1)-F_P(a_i,e_j)，g_ij⁴＝F_P(a_i,e_j-1)-F_P(a_i,e_j)，即g_ij⁰是(a_i,e_j)點(diǎn)的增益值，g_ij¹、g_ij²、g_ij³、g_ij⁴是該點(diǎn)與其四個(gè)相鄰點(diǎn)之間的增益差值，表示(a_i,e_j)點(diǎn)向四個(gè)不同方向繼續(xù)搜索得到的增益差值，

步驟四，保持天線A靜止，目標(biāo)與天線相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的接收信噪比曲線點(diǎn)集為V_curve＝{v₁,…,v_p}，p是接收信噪比曲線中點(diǎn)的數(shù)量；

步驟五，將V_curve信噪比序列轉(zhuǎn)換為增益差值序列D_curve＝{d₁,…,d_p-1}，其中d_i＝v_i+1-v_i，0≤i≤p-1；

步驟六，在天線A的方向圖搜索結(jié)構(gòu)S中查找一段曲線P_search＝{(a_i,e_j),…,(a_i+p-1,e_j+p-1)}，(a_i,e_j)為搜索路徑的起點(diǎn)，(a_i+p-1,e_j+p-1)為搜索路徑的終點(diǎn)，使得點(diǎn)集P_search中所有點(diǎn)形成的搜索結(jié)果集合D_search＝{d_ij,…,d_i+p-1,j+p-1}與D_curve的歐拉距離最小，即Dis(D_search,D_curve)取得最小值；

步驟七，則控制天線向點(diǎn)(a_i+p-1,e_j+p-1)運(yùn)動(dòng)搜索目標(biāo)。

本發(fā)明的有益效果是：利用建立天線的方向圖模型，然后將目標(biāo)與天線相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的電壓的變化率曲線作為待檢測(cè)曲線，在天線的方向圖模型中搜索最符合該曲線特征的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，最后利用終止點(diǎn)確定目標(biāo)與天線電軸的相對(duì)位置，從而控制天線完成目標(biāo)的捕獲跟蹤。實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果表明，當(dāng)目標(biāo)在天線副瓣范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，該方法能自動(dòng)完成目標(biāo)的捕獲跟蹤，而無(wú)需人工的掃描干預(yù)，同時(shí)該方法也可用于主副瓣判別。該方法能有效提高天線的搜索范圍，縮短捕獲時(shí)間，提高自動(dòng)化成功率。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的方法流程圖；

圖2是球坐標(biāo)系下目標(biāo)的位置表示。

圖3是天線和路方向圖；

圖4是跟蹤曲線在搜素結(jié)構(gòu)中的搜索結(jié)果；

圖5是天線跟蹤目標(biāo)曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施例。

本發(fā)明的技術(shù)方案包括以下步驟：

步驟一：收集天線參數(shù)

選取一臺(tái)測(cè)控天線A，其特征參數(shù)為T＝{f，r}，f是該天線的接收工作頻率，r是該天線的半徑；

步驟二：生成天線方向圖

根據(jù)特征參數(shù)T生成天線A的方向圖P＝{(a₁,e₁|g₁₁),…,(a_i,e_j|g_ij),…,(a_m,e_n|g_mn)}，其中，m是天線方向圖方位方向的點(diǎn)數(shù)量，n是天線方向圖俯仰方向的點(diǎn)數(shù)量，a_i是天線方向圖在方位方向的坐標(biāo)，e_j是天線方向圖在俯仰方向的坐標(biāo)，g_ij是該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的增益值，一個(gè)方位、俯仰坐標(biāo)對(duì)(a_i,e_j)對(duì)應(yīng)該點(diǎn)的天線增益值g_ij。從方向圖P中，獲取(a_i,e_j)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的天線增益g_ij值使用F_p表示，即g_ij＝F_P(a_i,e_j)；

步驟三：生成搜索結(jié)構(gòu)

根據(jù)方向圖P生成搜索結(jié)構(gòu)S＝{(a₁,e₁|g₁₁⁰,g₁₁¹,g₁₁²,g₁₁³,g₁₁⁴),(a_i,e_j|g_ij⁰,g_ij¹,g_ij²,g_ij³,g_ij⁴),…,(a_m,e_n|g_mn⁰,g_mn¹,g_mn²,g_mn³,g_mn⁴)}，對(duì)于S中每一個(gè)點(diǎn)(a_i,e_j)，其對(duì)應(yīng)的g_ij⁰＝F_P(a_i,e_j)，g_ij¹＝F_P(a_i+1,e_j)-F_P(a_i,e_j)，g_ij²＝F_P(a_i-1,e_j)-F_P(a_i,e_j)，g_ij³＝F_P(a_i,e_j+1)-F_P(a_i,e_j)，g_ij⁴＝F_P(a_i,e_j-1)-F_P(a_i,e_j)，即g_ij⁰是(a_i,e_j)點(diǎn)的增益值，g_ij¹，g_ij²，g_ij³，g_ij⁴是該點(diǎn)與其四個(gè)相鄰點(diǎn)之間的增益差值。g_ij¹，g_ij²，g_ij³，g_ij⁴表示(a_i,e_j)點(diǎn)向四個(gè)不同方向繼續(xù)搜索得到的增益差值，例如當(dāng)(a_i,e_j)點(diǎn)確定向方位正方向繼續(xù)搜索時(shí)，得到該點(diǎn)的搜索結(jié)果d_ij＝g_ij¹。

步驟四：收集跟蹤曲線

天線A靜止，目標(biāo)與天線相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的接收信噪比曲線點(diǎn)集為V_curve＝{v₁,…,v_p}，p是接收信噪比曲線中點(diǎn)的數(shù)量；

步驟五：曲線形狀轉(zhuǎn)換

將V_curve信噪比序列轉(zhuǎn)換為增益差值序列D_curve＝{d₁,…,d_p-1}，其中d_i＝v_i+1-v_i，0≤i≤p-1。

步驟六：相似序列搜索

在天線A的方向圖搜索結(jié)構(gòu)S中查找一段曲線P_search＝{(a_i,e_j),…,(a_i+p-1,e_j+p-1)}，(a_i,e_j)為搜索路徑的起點(diǎn)，(a_i+p-1,e_j+p-1)為搜索路徑的終點(diǎn)，使得點(diǎn)集P_search中所有點(diǎn)形成的搜索結(jié)果集合D_search＝{d_ij,…,d_i+p-1,j+p-1}與D_curve的歐拉距離最小，即Dis(D_search,D_curve)取得最小值；

步驟七：驅(qū)動(dòng)天線跟蹤

在得到了搜索點(diǎn)集P_search后，就能判斷目標(biāo)與天線的相對(duì)位置最可能在(a_i+p-1,e_j+p-1)點(diǎn)，則控制天線向該點(diǎn)運(yùn)動(dòng)搜索目標(biāo)。

本發(fā)明的實(shí)施例包括以下步驟，算法流程如圖1所示：

步驟一：天線參數(shù)收集

為檢驗(yàn)算法的可行性，選取參數(shù)半徑r＝7.5m，接收頻率f＝2200MHZ的天線對(duì)衛(wèi)星目標(biāo)進(jìn)行跟蹤實(shí)驗(yàn)分析。

步驟二：天線方向圖生成

TE₁₁模和TE₂₁模在球坐標(biāo)下的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射場(chǎng)強(qiáng)可用(1)-(4)式表示，方向圖可用(5)式表示。

其中J_n(u)是n階第一類Bessel函數(shù)，u＝kasinθ，并且c為光速，f為接收頻率，a為天線口徑，θ，Φ為球坐標(biāo)下目標(biāo)相對(duì)天線的夾角，如圖2所示。

同時(shí)由于(1)-(4)式是在球坐標(biāo)系下的計(jì)算結(jié)果，需要將其轉(zhuǎn)換為天線基座坐標(biāo)系下的表達(dá)方式，如(6)和(7)式所示。

根據(jù)天線參數(shù)生成和路TE₁₁模的方向圖如圖3所示，x軸為天線指向方位角度值，y軸為天線指向俯仰角度值，z軸為該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的天線增益值。在圖3中示例的天線電軸指向方位角為22°，俯仰角為15°，在算法搜索過(guò)程中該角度值為天線靜止等待目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)的實(shí)際指向角度值，可取為天線運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意值。

步驟三：生成搜索結(jié)構(gòu)

在生成天線的方向圖G后，即可根據(jù)每一個(gè)點(diǎn)的增益值計(jì)算得到搜索結(jié)構(gòu)S。對(duì)方向圖中的每一個(gè)點(diǎn)分別計(jì)算與其相鄰的方位正方向、方位負(fù)方向、俯仰正方向、俯仰負(fù)方向四個(gè)點(diǎn)之間的增益差值。

步驟四：收集跟蹤曲線

首先天線轉(zhuǎn)為指向狀態(tài)，收集目標(biāo)相對(duì)于天線運(yùn)動(dòng)的信噪比曲線V。

步驟五：曲線形狀轉(zhuǎn)換

將接收到的信噪比曲線中的每一個(gè)點(diǎn)依次與后一個(gè)點(diǎn)作差，得到增益差值序列D_curve。

步驟六：相似序列搜索

在搜索結(jié)構(gòu)S中查找與D_curve最匹配的路徑，算法步驟如下：

(1)將S中每個(gè)節(jié)點(diǎn)P_ij＝(a_i,e_i)作為搜索起點(diǎn)，i＝1:m，j＝1:n；

(2)搜索路徑集P_search和累計(jì)差值Dis_ij清空初始化，將p_ij加入P_search；

(3)對(duì)D_curve中每個(gè)節(jié)點(diǎn)d_k進(jìn)行以下匹配，k＝1:q；

(4)選取點(diǎn)p_ij四向增益差值g_ij¹,g_ij²,g_ij³,g_ij⁴中與d_k差值最小的值d_ij作為搜索結(jié)果，加入D_search，p_ij更新為搜索前進(jìn)方向的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，將新的p_ij加入P_search；

(5)Dis_ij累加運(yùn)算，Dis_ij＝Dis_ij+d_ij；

(6)如果D_curve中仍有節(jié)點(diǎn)未進(jìn)行匹配，跳轉(zhuǎn)到(3)；

(7)Dis_ij計(jì)算完成，如果S中仍有節(jié)點(diǎn)未作為搜索起始點(diǎn)，跳轉(zhuǎn)到(1)；

(8)查找具有最小值的Dis_min＝min{Dis_ij,i＝1:m,j＝1:n}。

Dis_min就是搜索結(jié)構(gòu)S中與D_curve最小的搜索路徑累計(jì)差值，其對(duì)應(yīng)的搜索路徑點(diǎn)集P_search，就是天線指向靜止期間，目標(biāo)相對(duì)于天線的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖4中所示。

步驟七：驅(qū)動(dòng)天線跟蹤

查找到配置的搜索路徑路徑后，就得到目標(biāo)相對(duì)于天線電軸的方位、俯仰位置差值，最后控制天線向目標(biāo)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行捕獲跟蹤，如圖5所示，A點(diǎn)為目標(biāo)相對(duì)于天線的位置，B點(diǎn)為天線完成跟蹤目標(biāo)位置。整個(gè)算法流程結(jié)束。