本發(fā)明屬于衛(wèi)星通信系統(tǒng)天線波束跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種動中通衛(wèi)星通信平板陣列天線跟蹤裝置及方法。

背景技術(shù)：

動中通衛(wèi)星通信(簡稱“動中通”)是指安裝衛(wèi)星天線的運動載體(如汽車、火車、飛機(jī)、輪船等)能夠與靜止衛(wèi)星(即同步軌道衛(wèi)星—目標(biāo)衛(wèi)星)建立通信鏈路并能夠在載體快速運動的過程中保持通信鏈路的暢通以實現(xiàn)實時通信的移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

動中通需要安裝于載體的頂部才能實現(xiàn)與赤道上空的地球同步軌道衛(wèi)星進(jìn)行通信，低輪廓動中通不需要在載體頂部挖洞或開槽，對載體外觀改動少，可保持載體外觀的完整性；另外，安裝低輪廓動中通的載體運動過程中產(chǎn)生的風(fēng)阻小，遇到陸地上的橋梁、涵洞時可通過性好。基于于反射面天線的動中通一般采用空間饋電的結(jié)構(gòu)，其高度較高、體積龐大、靈活性較差，盡管有許多方法可以降低其高度，但效果并不理想；而平板陣列天線通常采用強(qiáng)制饋電，不需要反射面和喇叭饋電結(jié)構(gòu)，是實現(xiàn)動中通低輪廓的常見方法。

與傳統(tǒng)的固定衛(wèi)星通信相比，動中通天線安裝于運動載體上，天線的波束指向會受到載體運動的干擾，動中通要實現(xiàn)可靠通信，其天線必須克服這種干擾，并精確對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星。但動中通衛(wèi)星通信的天線增益高，波束窄，載體運動尤其是陸地載體的運動會導(dǎo)致波束的指向與姿態(tài)劇烈變化，為此動中通天線對目標(biāo)衛(wèi)星必須具備快速、精確的跟蹤能力。

實際使用過程中，影響動中通衛(wèi)星通信性能的主要因素包括動中通載體的運動姿態(tài)和系統(tǒng)跟蹤能力，要實現(xiàn)運動過程中的可靠衛(wèi)星通信，動中通衛(wèi)星通信的天線波束必須在方位、俯仰兩個軸同時進(jìn)行精密跟蹤控制。

步進(jìn)跟蹤、圓錐掃描跟蹤和單脈沖跟蹤是雷達(dá)、聲吶、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域中常用的天線跟蹤方式。這三種跟蹤技術(shù)雖能應(yīng)用于動中通跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計，但在不同程度上制約了動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的普及和應(yīng)用，如圓錐掃描和單脈沖跟蹤的實現(xiàn)必須引入額外的器件，必將增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本；傳統(tǒng)的步進(jìn)跟蹤具有動態(tài)滯后、跟蹤精度較低、跟蹤速度較慢等缺陷和不足。2012年1月21日公開的發(fā)明專利CN1469132A(課題組前期專利)中披露了一種動中通衛(wèi)星通信天線波束跟蹤方法，但其跟蹤方法主要針對傳統(tǒng)的機(jī)械掃描天線，雖然也可用于平板陣列天線，但與傳統(tǒng)跟蹤方法一樣，要求平板天線具有精密的移相器參數(shù)模型以及嚴(yán)格的陣元通道一致性，這對平板陣列天線的設(shè)計提出了很高的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供了一種動中通衛(wèi)星通信平板陣列天線跟蹤裝置及方法，該裝置及方法能夠?qū)崿F(xiàn)平板陣列天線對目標(biāo)衛(wèi)星的精確、快速對準(zhǔn)，并且對平板陣列天線的要求較低。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的動中通衛(wèi)星通信平板陣列天線跟蹤裝置包括主控計算機(jī)、方位伺服單元、俯仰波控單元、移動載體、安裝于移動載體上的平板陣列天線、用于實時對移動載體所在經(jīng)緯度進(jìn)行檢測的地理位置檢測單元、用于實時對移動載體的姿態(tài)信息進(jìn)行檢測的載體姿態(tài)檢測單元、以及用于實時對平板陣列天線接收的信號的強(qiáng)度進(jìn)行檢測的信號強(qiáng)度檢測單元，主控計算機(jī)與方位伺服單元及俯仰波控單元相連接，方位伺服單元及俯仰波控單元與移動載體相連接。

載體姿態(tài)檢測單元為陀螺儀或加速度計。

平板陣列天線中陣元的分布方式為均勻間距分布、非均勻間距離散分布及非均勻間距連續(xù)分布中的一種分布或者兩種組合而成的分布。

本發(fā)明所述的動中通衛(wèi)星通信平板陣列天線跟蹤方法包括以下步驟：

1)主控計算機(jī)控制方位伺服單元及俯仰波控單元使平板陣列天線初始對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星；

2)設(shè)置動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)跟蹤的目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)跟蹤的目標(biāo)函數(shù)計算平板陣列天線當(dāng)前的波束指向；

3)根據(jù)平板陣列天線當(dāng)前的波束指向初始化平板陣列天線波束指向θ的控制參數(shù)μ＝[w Az]^T＝[w₁,w₂,…,w_N,Az]^T，再計算平板陣列天線的步長控制因子a_k、擾動增益b_k及小幅擾動值c_k，其中，

a_k＝a/(A+k+1)^α、b_k＝b/(k+1)^γ及c_k＝c/(k+1)^γ，a、b、c、A、α及γ均為常數(shù)，設(shè)k的初始值為0；

4)主控計算機(jī)采用蒙特卡羅方法生成N+1維隨機(jī)擾動向量τ_k＝(τ_k1，τ_k2…τ_kN+1)^T及N維隨機(jī)擾動向量ξ_k＝(ξ_k1，ξ_k2…ξ_kN)^T，則擾動隨機(jī)向量Δ_ki＝b_kd_iξ_ki+c_kτ_ki，其中，i＝1，2…N，Δ_kN+1＝b_kΔAz+c_kτ_kN+1，d_i為第i個陣元的位置；

5)主控計算機(jī)根據(jù)擾動隨機(jī)向量Δ_k對平板陣列天線的波束指向按照+Δ_k及-Δ_k通過方位伺服單元及俯仰波控單元進(jìn)行兩次擾動驅(qū)動，并獲取兩次擾動驅(qū)動后信號強(qiáng)度檢測單元輸出的電壓值P(μ_k+Δ_k)及P(μ_k-Δ_k)，主控計算機(jī)根據(jù)信號強(qiáng)度檢測單元輸出的電壓值P(μ_k+Δ_k)及P(μ_k-Δ_k)估計平板陣列天線的波束進(jìn)行調(diào)整的梯度值g(μ_k)；

6)主控計算機(jī)計算本次跟蹤過程中平板陣列天線的跟蹤誤差信號a_k·g(μ_k)，其中，μ_k+1＝μ_k-a_k·g(μ_k)，μ_k及μ_k+1分別為對平板陣列天線波束指向進(jìn)行調(diào)整前后平板陣列天線波束指向角的向量值，主控計算機(jī)根據(jù)平板陣列天線的跟蹤誤差信號a_k·g(μ_k)通過方位伺服單元及俯仰波控單元調(diào)整平板陣列天線的波束指向，使本次信號強(qiáng)度檢測單元輸出的電壓值最大化。

7)對k進(jìn)行更新，使更新后的k等于更新之前的k+1，再重復(fù)步驟3)、4)、5)及6)，同時實時更新控制平板陣列天線波束指向的向量值μ_k，使信號強(qiáng)度檢測單元輸出的電壓值最大化；當(dāng)信號強(qiáng)度檢測單元輸出的電壓值逐漸變小時，則轉(zhuǎn)至步驟1)。

步驟1)的具體操作為：

11)地理位置檢測單元檢測移動載體所在經(jīng)緯度主控計算機(jī)根據(jù)移動載體所在經(jīng)緯度與用戶輸入的目標(biāo)衛(wèi)星經(jīng)度信息計算平板陣列天線在靜止?fàn)顟B(tài)下指向目標(biāo)衛(wèi)星的理論方位角Az及俯仰角El；

12)載體姿態(tài)檢測單元檢測移動載體的姿態(tài)信息，主控計算機(jī)根據(jù)移動載體的姿態(tài)信息對平板陣列天線在靜止?fàn)顟B(tài)下指向目標(biāo)衛(wèi)星的理論方位角Az及俯仰角El進(jìn)行修正，主控計算機(jī)根據(jù)修正后的平板陣列天線在靜止?fàn)顟B(tài)下指向目標(biāo)衛(wèi)星的理論方位角Az及俯仰角El通過方位伺服單元及俯仰波控單元控制平板陣列天線，使平板陣列天線的波束初始對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星。

平板陣列天線在靜止?fàn)顟B(tài)下指向目標(biāo)衛(wèi)星的理論方位角Az及俯仰角El為：

其中，r為地球半徑，r＝6378km，R為目標(biāo)衛(wèi)星距地球地心的高度，R＝42218km。

步驟1)中，當(dāng)前理論空域中無法使平板陣列天線獲得目標(biāo)衛(wèi)星信號時，主控計算機(jī)控制平板陣列天線的波束在當(dāng)前理論空域附近其他空域進(jìn)行搜索，在搜索過程中，當(dāng)信號強(qiáng)度檢測單元的輸出電壓大于等于預(yù)設(shè)電壓值時，則表明平板陣列天線的波束初始對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星，當(dāng)信號強(qiáng)度檢測單元的輸出電壓小于預(yù)設(shè)電壓值時，表明平板陣列天線的波束沒有初始對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星，則控制平板陣列天線的波束在下一個空域進(jìn)行搜索，直至平板陣列天線的波束初始對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星為止。

步驟2)中動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)跟蹤的目標(biāo)函數(shù)為：

maxP(w,Az)s.t.w^Hw＝1

其中，(·)^H為共軛轉(zhuǎn)置，P為平板陣列天線接收的信號強(qiáng)度，Az為平板陣列天線波束的方位角，w＝[w₁,w₂,…,w_N]^T為控制平板陣列天線波束俯仰指向的移相器輸出值，N為平板陣列天線中的移相器數(shù)量，(·)^T為轉(zhuǎn)置，w^Hw＝1表示在跟蹤在過程中只調(diào)整陣元接收信號的相位，不調(diào)整接收信號的幅度。

步驟3)中主控計算機(jī)采用蒙特卡羅方法生成N+1維隨機(jī)擾動向量τ_k＝(τ_k1，τ_k2…τ_kN+1)^T及N維隨機(jī)擾動向量ξ_k＝(ξ_k1，ξ_k2…ξ_kN)^T，其中，隨機(jī)擾動向量τ_k中的N+1個元素及隨機(jī)擾動向量ξ_k中的N個元素均相互獨立，且E{τ_ki}＝0，i＝1，2…N+1，E{ξ_ki}＝0，i＝1，2…N。

步驟5)中估計得到的平板陣列天線的波束進(jìn)行調(diào)整的梯度值g(μ_k)為：

g(μ_k)＝0.5[P(μ_k+Δ_k)-P(μ_k-Δ_k)][(Δ_k1，Δ_k2…Δ_kN+1)^T]^-1。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明所述的動中通衛(wèi)星通信平板陣列天線跟蹤裝置及方法在具體操作時，先使平板陣列天線初始對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星，再計算平板陣列天線的步長控制因子a_k、擾動增益b_k及小幅擾動值c_k，同時采用蒙特卡羅方法生成N+1維隨機(jī)擾動向量τ_k及N維隨機(jī)擾動向量ξ_k，由于b_k、d_i及ξ_ki用于校正移相器因陣元位置不同對波束指向的影響，c_k及τ_ki用于補(bǔ)償移相器的個體差異以及隨機(jī)擾動方向，從而直接擾動平板陣列天線的移相器控制量，提高平板陣列天線波束對目標(biāo)衛(wèi)星的精確。同時，本發(fā)明通過迭代的方法使平板陣列天線接收到的信號電壓最大化，提高平板陣列天線對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星的精度，并且結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，天線跟蹤精度高、速度快，能夠有效的克服現(xiàn)有平板陣列天線需要精密的波控元件、饋電網(wǎng)絡(luò)參數(shù)變化及陣元位置誤差等因素影響跟蹤過程的問題，極大提高了天線跟蹤的穩(wěn)定性，降低平板天線設(shè)計的硬件要求及成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明動中通衛(wèi)星通信平板陣列天線3跟蹤裝置的電路原理框圖；

圖2為本發(fā)明動中通衛(wèi)星通信平板陣列天線3跟蹤方法的流程圖。

其中，1為地理位置檢測單元、2為載體姿態(tài)檢測單元、3為平板陣列天線、4為俯仰波控單元、5為方位伺服單元、6為信號強(qiáng)度檢測單元、7為主控計算機(jī)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參考圖1，本發(fā)明所述的動中通衛(wèi)星通信平板陣列天線跟蹤裝置包括主控計算機(jī)7、方位伺服單元5、俯仰波控單元4、移動載體、安裝于移動載體上的平板陣列天線3、用于實時對移動載體所在經(jīng)緯度進(jìn)行檢測的地理位置檢測單元1、用于實時對移動載體的姿態(tài)信息進(jìn)行檢測的載體姿態(tài)檢測單元2、以及用于實時對平板陣列天線3接收的信號的強(qiáng)度進(jìn)行檢測的信號強(qiáng)度檢測單元6，主控計算機(jī)7與方位伺服單元5及俯仰波控單元4相連接，方位伺服單元5及俯仰波控單元4與移動載體相連接。

載體姿態(tài)檢測單元2為陀螺儀或加速度計；平板陣列天線3中陣元的分布方式為均勻間距分布、非均勻間距離散分布及非均勻間距連續(xù)分布中的一種分布或者兩種組合而成的分布。

參考圖2，本發(fā)明所述的動中通衛(wèi)星通信平板陣列天線跟蹤方法包括以下步驟：

1)主控計算機(jī)7控制方位伺服單元5及俯仰波控單元4使平板陣列天線3初始對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星；

2)設(shè)置動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)跟蹤的目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)跟蹤的目標(biāo)函數(shù)計算平板陣列天線3當(dāng)前的波束指向；

3)根據(jù)平板陣列天線3當(dāng)前的波束指向初始化平板陣列天線3波束指向θ的控制參數(shù)μ＝[w Az]^T＝[w₁,w₂,…,w_N,Az]^T，再計算平板陣列天線3的步長控制因子a_k、擾動增益b_k及小幅擾動值c_k，其中，

a_k＝a/(A+k+1)α、b_k＝b/(k+1)^γ及c_k＝c/(k+1)^γ，a、b、c、A、α及γ均為常數(shù)，設(shè)k的初始值為0；

4)主控計算機(jī)7采用蒙特卡羅方法生成N+1維隨機(jī)擾動向量τ_k＝(τ_k1，τ_k2…τ_kN+1)^T及N維隨機(jī)擾動向量ξ_k＝(ξ_k1，ξ_k2…ξ_kN)^T，則擾動隨機(jī)向量Δ_ki＝b_kd_iξ_ki+c_kτ_ki，其中，i＝1，2…N，Δ_kN+1＝b_kΔAz+c_kτ_kN+1，d_i為第i個陣元的位置；

5)主控計算機(jī)7根據(jù)擾動隨機(jī)向量Δ_k對平板陣列天線3的波束指向按照+Δ_k及-Δ_k通過方位伺服單元5及俯仰波控單元4進(jìn)行兩次擾動驅(qū)動，并獲取兩次擾動驅(qū)動后信號強(qiáng)度檢測單元6輸出的電壓值P(μ_k+Δ_k)及P(μ_k-Δ_k)，主控計算機(jī)7根據(jù)信號強(qiáng)度檢測單元6輸出的電壓值P(μ_k+Δ_k)及P(μ_k-Δ_k)估計平板陣列天線3的波束進(jìn)行調(diào)整的梯度值g(μ_k)；

6)主控計算機(jī)7計算本次跟蹤過程中平板陣列天線3的跟蹤誤差信號a_k·g(μ_k)，其中，μ_k+1＝μ_k-a_k·g(μ_k)，μ_k及μ_k+1分別為對平板陣列天線3波束指向進(jìn)行調(diào)整前后平板陣列天線3波束指向角的向量值，主控計算機(jī)7根據(jù)平板陣列天線3的跟蹤誤差信號a_k·g(μ_k)通過方位伺服單元5及俯仰波控單元4調(diào)整平板陣列天線3的波束指向，使本次信號強(qiáng)度檢測單元6輸出的電壓值最大化。

7)對k進(jìn)行更新，使更新后的k等于更新之前的k+1，再重復(fù)步驟3)、4)、5)及6)，同時實時更新控制平板陣列天線3波束指向的向量值μ_k，使信號強(qiáng)度檢測單元6輸出的電壓值最大化；當(dāng)信號強(qiáng)度檢測單元6輸出的電壓值逐漸變小時，則轉(zhuǎn)至步驟1)。

步驟1)的具體操作為：

11)地理位置檢測單元1檢測移動載體所在經(jīng)緯度主控計算機(jī)7根據(jù)移動載體所在經(jīng)緯度與用戶輸入的目標(biāo)衛(wèi)星經(jīng)度信息計算平板陣列天線3在靜止?fàn)顟B(tài)下指向目標(biāo)衛(wèi)星的理論方位角Az及俯仰角El；

12)載體姿態(tài)檢測單元2檢測移動載體的姿態(tài)信息，主控計算機(jī)7根據(jù)移動載體的姿態(tài)信息對平板陣列天線3在靜止?fàn)顟B(tài)下指向目標(biāo)衛(wèi)星的理論方位角Az及俯仰角El進(jìn)行修正，主控計算機(jī)7根據(jù)修正后的平板陣列天線3在靜止?fàn)顟B(tài)下指向目標(biāo)衛(wèi)星的理論方位角Az及俯仰角El通過方位伺服單元5及俯仰波控單元4控制平板陣列天線3，使平板陣列天線3的波束初始對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星。

平板陣列天線3在靜止?fàn)顟B(tài)下指向目標(biāo)衛(wèi)星的理論方位角Az及俯仰角El為：

其中，r為地球半徑，r＝6378km，R為目標(biāo)衛(wèi)星距地球地心的高度，R＝42218km。

步驟1)中，當(dāng)前理論空域中無法使平板陣列天線3獲得目標(biāo)衛(wèi)星信號時，主控計算機(jī)7控制平板陣列天線3的波束在當(dāng)前理論空域附近其他空域進(jìn)行搜索，在搜索過程中，當(dāng)信號強(qiáng)度檢測單元6的輸出電壓大于等于預(yù)設(shè)電壓值時，則表明平板陣列天線3的波束初始對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星，當(dāng)信號強(qiáng)度檢測單元6的輸出電壓小于預(yù)設(shè)電壓值時，表明平板陣列天線3的波束沒有初始對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星，則控制平板陣列天線3的波束在下一個空域進(jìn)行搜索，直至平板陣列天線3的波束初始對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星為止。

步驟2)中動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)跟蹤的目標(biāo)函數(shù)為：

maxP(w,Az)s.t.w^Hw＝1

其中，(·)^H為共軛轉(zhuǎn)置，P為平板陣列天線3接收的信號強(qiáng)度，Az為平板陣列天線3波束的方位角，w＝[w₁,w₂,…,w_N]^T為控制平板陣列天線3波束俯仰指向的移相器輸出值，N為平板陣列天線3中的移相器數(shù)量，(·)^T為轉(zhuǎn)置，w^Hw＝1表示在跟蹤在過程中只調(diào)整陣元接收信號的相位，不調(diào)整接收信號的幅度。

步驟3)中主控計算機(jī)7采用蒙特卡羅方法生成N+1維隨機(jī)擾動向量τ_k＝(τ_k1，τ_k2…τ_kN+1)^T及N維隨機(jī)擾動向量ξ_k＝(ξ_k1，ξ_k2…ξ_kN)^T，其中，隨機(jī)擾動向量τ_k中的N+1個元素及隨機(jī)擾動向量ξ_k中的N個元素均相互獨立，且E{τ_ki}＝0，i＝1，2…N+1，E{ξ_ki}＝0，i＝1，2…N。

步驟5)中估計得到的平板陣列天線3的波束進(jìn)行調(diào)整的梯度值g(μ_k)為：

g(μ_k)＝0.5[P(μ_k+Δ_k)-P(μ_k-Δ_k)][(Δ_k1，Δ_k2…Δ_kN+1)^T]^-1。

需要說明的是，理論方位角Az以正北為零度且順時針方向為正，理論俯仰角El以水平方向為零度且水平面上方為正，b_k、d_i及ξ_ki用于校正移相器因陣元位置不同對波束指向的影響，c_k及τ_ki用于補(bǔ)償移相器的個體差異以及隨機(jī)擾動方向。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。