船載衛(wèi)星通信地球站a-e-c三軸天線坐標(biāo)計算方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種船載三軸穩(wěn)定天線伺服控制技術(shù)，具體是涉及一種船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線坐標(biāo)計算方法，屬于航天測控技術(shù)之試驗(yàn)通信【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明利用船用慣導(dǎo)系統(tǒng)為船載衛(wèi)星通信地球站提供精確船體姿態(tài)信息，分析船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C天線座架結(jié)構(gòu)和運(yùn)動規(guī)律，采用矩陣變換的方法建立船載A-E-C天線坐標(biāo)計算數(shù)學(xué)模型，伺服監(jiān)控計算機(jī)利用該坐標(biāo)計算模型進(jìn)行計算，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信天線地理坐標(biāo)系、甲板坐標(biāo)系和天線坐標(biāo)系間的相互轉(zhuǎn)換，可確保天線軸系角度運(yùn)算的實(shí)時性和正確性。
【專利說明】船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線坐標(biāo)計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種船載三軸穩(wěn)定天線伺服控制技術(shù)，具體是涉及一種船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線坐標(biāo)計算方法，屬于航天測控技術(shù)之試驗(yàn)通信【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]軸穩(wěn)定衛(wèi)星通信天線具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，它能夠有效地克服船體運(yùn)動帶來的擾動，可靠地跟蹤過天頂目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)波束的理想穩(wěn)定。但由于結(jié)構(gòu)和軸系運(yùn)動比較復(fù)雜，因而對天線控制也提出了較高的要求。
[0003]船載衛(wèi)星通信地球站天線座架一般采用A-E-C三軸形式，在方位軸(A軸)與俯仰軸(E軸)之間增加了一根第三軸-交叉軸(C軸)，它與俯仰軸在空間正交，C軸可利用正割補(bǔ)償效應(yīng)，使天線能夠可靠地跟蹤過天頂目標(biāo)，三軸天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0004]某型測量船船載衛(wèi)星通信地球站天線伺服系統(tǒng)采用三軸穩(wěn)定、兩軸跟蹤體制。三軸穩(wěn)定是指方位隨動航向，隔離航向變化對天線指向的影響，俯仰、交叉軸隔離船體的縱傾和橫滾對天線指向的影響；兩軸跟蹤是指接收機(jī)通過天線接收衛(wèi)星信標(biāo)信號，解調(diào)出對星的誤差信號，通過俯仰、交叉軸實(shí)現(xiàn)對星跟蹤。
[0005]船載衛(wèi)星地球站設(shè)計之初，根據(jù)當(dāng)時衛(wèi)星資源情況，船載衛(wèi)星通信以使用圓極化方式工作為主，因此在設(shè)計中沒有考慮天線電軸滾動的影響；當(dāng)時的船用慣導(dǎo)還不能長時間不間斷向船載衛(wèi)星通信地球站提供精確的船姿船位信息，船載衛(wèi)星通信天線伺服系統(tǒng)需立足于自身穩(wěn)定，依靠安裝在天線上的伺服陀螺提供穩(wěn)定平臺隔離船體搖擺擾動。根據(jù)這一系列設(shè)計思想，船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線僅在搜索捕獲衛(wèi)星時需要簡單的坐標(biāo)計算，通過在一定范圍掃描捕獲目標(biāo)完成后，天線進(jìn)入自跟蹤環(huán)閉環(huán)控制，無需再計算軸系角度，所以長期以來船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線的精確坐標(biāo)計算一直被忽視。
[0006]但隨著在海上使用線極化衛(wèi)星通信的應(yīng)用發(fā)展越來越深入，原來的天線穩(wěn)定跟蹤體制逐漸暴露出天線坐標(biāo)計算不完善所帶來的一系列問題，如:惡劣海況下捕獲目標(biāo)因難、極化角誤差難以實(shí)時修正、船搖隔離手段單一和對伺服陀螺可靠性的過度依賴，而且當(dāng)自跟蹤環(huán)失效后，天線會因缺少長時間高精度穩(wěn)定指向的手段，不能在海上實(shí)施單脈沖跟蹤接收機(jī)對星校相。
[0007]建立船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線坐標(biāo)計算數(shù)學(xué)模型，利用船用慣導(dǎo)系統(tǒng)信號進(jìn)行相關(guān)計算并作為外部穩(wěn)定平臺控制天線，實(shí)現(xiàn)數(shù)字引導(dǎo)跟蹤，是船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C天線克服以上缺陷、完善伺服跟蹤控制系統(tǒng)的迫切需要。
[0008]本發(fā)明專利通過理論分析，采用矩陣變換的方法。建立了一套完備的適用于船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線坐標(biāo)計算的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C天線指向角和極化角的實(shí)時解算。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線坐標(biāo)計算方法，有效利用船用慣導(dǎo)系統(tǒng)可為船載衛(wèi)星通信地球站提供精確船體姿態(tài)信息的有利條件，系統(tǒng)地分析船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸穩(wěn)定天線座架結(jié)構(gòu)和運(yùn)動規(guī)律，建立天線坐標(biāo)系，并通過推導(dǎo)船載A-E-C三軸天線地理坐標(biāo)系、甲板坐標(biāo)系和天線坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立一套完備的船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線坐標(biāo)計算數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)天線指向角和極化角的實(shí)時解算，解決船載衛(wèi)星通信地球站海上動態(tài)條件下伺服控制系統(tǒng)面臨的諸多實(shí)際問題。
[0010]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:本發(fā)明一種船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線坐標(biāo)計算方法，它包括以下內(nèi)容:
I)坐標(biāo)系定義
定義地理坐標(biāo)系0ΧΥΖ，原點(diǎn)O位于天線穩(wěn)定平臺三軸中心，OX軸平行于水平面指向正東，OY軸平行于水平面指向正北，OZ軸垂直于平面0ΧΥ，鉛垂向上為正。
[0011]定義甲板坐標(biāo)系OXdYdZd，原點(diǎn)O位于天線穩(wěn)定平臺三軸中心，OYd軸平行于艏艉線指向船艏為正，OXd軸與OYd垂直且平行于甲板平面，指向右舷為正，OZd軸與0Xd、OYd構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。
[0012]2)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計算方法
船舶載體的航向變化、縱搖變化、橫搖變化用矩陣形式來描述，分別為航向變換矩陣mh、縱搖變換矩陣mp、橫搖變換矩陣:
【權(quán)利要求】
1.一種船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線坐標(biāo)計算方法，其特征在于它由以下兩部分組成: (1)坐標(biāo)系定義: 對于船載A-E-C三軸天線,定義天線坐標(biāo)系原點(diǎn)O位于天線穩(wěn)定平臺三軸中心,天線指向軸OZ垂直于俯仰軸與交叉軸所在的平面，OX軸平行于俯仰軸，OY軸平行于交叉軸，0X、OY與OZ軸滿足右手法則，當(dāng)天線方位和交叉為0°、俯仰為90°時，天線坐標(biāo)系與甲板坐標(biāo)系重合； (2)坐標(biāo)計算方法 根據(jù)船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和船用慣性導(dǎo)航信號習(xí)慣取值方式，建立方位旋轉(zhuǎn)矩陣、俯仰旋轉(zhuǎn)矩陣和交叉旋轉(zhuǎn)矩陣可表示為:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線坐標(biāo)計算方法，其特征在于:利用該坐標(biāo)計算方法，可以計算出船載衛(wèi)通站天線對目標(biāo)衛(wèi)星的甲板面方位舷角Ac、甲板面俯仰 角Ec，使用這兩個角度實(shí)時引導(dǎo)天線，可以快速捕獲目標(biāo)衛(wèi)星。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種船載衛(wèi)星通信地球站A-E-C三軸天線坐標(biāo)計算方法，其特征在于:該方法也適用天線是A-E 二軸跟蹤的船載衛(wèi)星通信地球站。
【文檔編號】G01C21/00GK103913163SQ201410110197
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月24日
【發(fā)明者】黃昆, 陳雪軍, 張滬玲, 趙乾宏, 胡湘江, 周建峰, 吉慶, 張建飛, 其他發(fā)明人請求不公開姓名 申請人:中國人民解放軍63680部隊(duì)