一种车载卫星天线跟踪卫星的方法及系统

摘要

本发明涉及一种车载卫星天线跟踪卫星的方法及系统，其中的车载卫星天线跟踪卫星的方法包括：S1：预先采集高速列车的轨道信息数据，将预先采集的轨道信息数据存储在所述高速列车的卫星车载站的数据库中；S2：利用GPS模块获取运动中的高速列车的定位信息；S3：查找所述轨道数据中与所述定位信息中的位置信息相同或最近的位置信息；S4：根据查找到的位置信息预测下一位置卫星天线的俯仰角、方位角和横滚极化角；S5：根据预测到的下一位置卫星天线的旋转角度控制天线的水平方向转动、俯仰角转动转动和横滚极化角转动。其根据预先采集的轨道信息数据，结合GPS定位信息，预测天线的旋转角度，控制天线始终对准目标卫星的方向，达到精确跟踪的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种车载卫星天线跟踪卫星的方法及系统。

背景技术

载体在移动过程中，由于其姿态和地理位置发生变化，会引起原对准卫星天线偏离卫星，使通信中断，因此必须对载体的这些变化进行隔离，使天线不受影响并始终对准卫星，这就是天线稳定系统要解决的主要问题，也是移动载体进行不间断卫星通信的前提。

现有技术中天线跟踪卫星的方法是基于信号电平扫描跟踪，利用卫星信号强度随天线指向误差增大而减小的特性，通过不断检测卫星信号强度来判断卫星的方向，以控制电机进行跟踪，由于电机控制速度慢，故导致跟踪速度慢、精度差；或者基于MEMS陀螺仪跟踪,将陀螺仪测量到的偏航、俯仰方向上的角速度信号输入微分电路，该电路以负反馈方式将纠偏信号传递到控制器，以驱动偏航、俯仰电机，以达到隔离载体的姿态变化干扰，实现天线对准卫星。由于MEMS陀螺仪有测量的数据随时间漂移、数据量化存在误差的缺点，且控制过程存在滞后性，该类卫星天线在铁路上的应用仅限于时速80km以下的列车。

发明内容

为克服现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种车载卫星天线跟踪卫星的方法，其根据预先采集的轨道信息数据，结合GPS定位信息，预测天线的旋转角度，控制天线始终对准目标卫星的方向，达到精确跟踪的目的。

为解决上述问题，本发明提供的一种车载卫星天线跟踪卫星的方法具体如下：

一种车载卫星天线跟踪卫星的方法，其适用于高速列车的卫星通信，其内容包括：

S1：预先采集高速列车的轨道信息数据，将预先采集的轨道信息数据存储在所述高速列车的卫星车载站的数据库中；

S2：利用GPS模块获取运动中的高速列车的定位信息；

S3：将所述定位信息中的位置信息与存储的所述轨道数据中的位置信息相比对，查找所述轨道数据中与所述定位信息中的位置信息相同或最近的位置信息；

S4：根据查找到的所述轨道数据中与所述定位信息中的位置信息相同或最近的位置信息预测下一位置卫星天线的俯仰角、方位角和横滚极化角；

S5：根据所述预测到的下一位置卫星天线的俯仰角、方位角和横滚极化角控制天线的水平方向转动、俯仰角转动。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，在所述步骤S1中，采集高速列车的轨道信息数据时，所述轨道的直行段的采集密度小于所述轨道的弯道段或倾角变化段的采集密度。

进一步，所述轨道的直行段的采集密度为间隔5-50米采集一次。

进一步，所述轨道的弯道段或倾角变化段的采集密度为间隔5米采集一次。

进一步，所述轨道的直行段的采集密度为间隔20米采集一次。

进一步，所述根据查找到的所述轨道数据中与所述定位信息中的位置信息相同或最近的位置信息预测下一位置卫星天线的俯仰角、方位角和横滚极化角的计算公式为：

其中,α为俯仰角，β为方位角，为车载站经度，为卫星经度，θ为车载站纬度,R—地球半径,M—地心与卫星之间距离,ω为横滚极化角。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种车载卫星天线跟踪卫星的系统，其包括：

轨道测量单元，用于测量轨道信息，获得轨道测量数据；

卫星天线，用于收发地球同步轨道通信卫星或小倾角地球同步轨道通信卫星卫星的Ku或者L波段通信信号；

GPS单元，用于获取高速列车的定位信息；

姿态解算服务器，用于将所述GPS获取的定位信息中的位置信息与所述轨道数据中的位置信息相比对，并用于查找所述轨道数据中与所述定位信息中的位置信息相同或最近的位置信息，并用于预测下一位置所述卫星天线的俯仰角、方位角和横滚极化角；

控制服务器，用于根据所述预测的下一位置所述卫星天线的俯仰角、方位角和横滚极化角控制电机的转动；

步进电机，用于驱动所述卫星天线转动至预测的下一位置所述俯仰角、方位角和横滚极化角。

进一步，所述姿态解算服务器的处理器为atom芯片，所述控制服务器的处理器采用STM32F单片机。

进一步，所述卫星天线为低轮廓平板阵列天线。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：根据预先采集的轨道信息数据，结合GPS定位信息，提前预测天线的旋转角度，跟踪精度更高；避免使用价格昂贵的陀螺元件和复杂的电路，简化了系统，提高了可靠性，且降低了整体造价。

附图说明

图1为本发明实施一提供的车载卫星天线跟踪卫星的方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种车载卫星天线跟踪卫星的方法，其适用于高速列车的卫星通信，具体包括：

S1：预先采集高速列车的轨道信息数据，将预先采集的轨道信息数据存储在所述高速列车的卫星车载站的数据库中；

S2：利用GPS模块获取运动中的高速列车的定位信息；

S3：将所述定位信息中的位置信息与存储的所述轨道数据中的位置信息相比对，查找所述轨道数据中与所述定位信息中的位置信息相同或最近的位置信息；

S4：根据查找到的所述轨道数据中与所述定位信息中的位置信息相同或最近的位置信息预测下一位置卫星天线的俯仰角、方位角和横滚极化角；

S5：根据所述预测到的下一位置卫星天线的俯仰、方位和横滚极化的角度控制天线的水平方向转动、俯仰角转动。

因现有技术中采用的信标引导或惯性引导的方法是通过实时采集行进中列车给卫星天线带来的俯仰角、方位角和横滚极化角的变化，然后经过负反馈电路通知伺服机构纠偏，这种方法可谓“后知后觉”，存在一定的滞后性，无法精确跟踪卫星。正是基于上述问题，本实施例提供的列车载卫星天线跟踪卫星的方法，其通过预先采集轨道信息数据，如GPS定位、方位、倾角、俯仰等信息数据，需要说明的是，该轨道信息数据也可通过第三方提供，在采集轨道信息数据时，可设置一定的采集间隔时间或者采集的间隔距离，采集到轨道上各个测量点的轨道数据，由轨道数据可计算出轨道上的每一个测量点所对应的天线的俯仰角和方位角，因该轨道数据是一定的，可视为一条理论曲线，当确定列车在轨道上的位置信息后便可预测下一点所对应的天线的俯仰角、方位角和横滚极化角。当列车在轨道上行使时，利用GPS获得高速列车的定位信息，如经度、纬度、速度和海拔高度等信息，姿态解算服务器将GPS定位信息中的位置信息查找与事先存储的轨道数据中的位置信息相比对，查找到轨道数据中与该定位信息中的位置信息相同或相近的位置信息，根据该查找到的轨道数据中的位置信息便可预测到下一位置卫星天线的俯仰角、方位角和横滚极化角，并将预测到的下一位置卫星天线的俯仰角、方位角和横滚极化角发送至控制服务器，控制服务器控制步进电机分别驱动天线的水平方向转动、俯仰角转动，可以让天线覆盖对所有方位的卫星信号接收，从而实现实时精确地跟踪目标卫星，为高速运动的列车不间断地传递语音、数据、图像等多媒体信息，满足各种军民用的应急通信和移动条件下的多媒体通信的需要。

需要说明的是，在轨道信息数据中，其中的方位角为轨道与北向的夹角，即轨道切线方向与磁子午线的夹角。

基于上述的方案，本实施例提供的列车载卫星天线跟踪卫星的方法，其根据预先采集的轨道信息数据，结合GPS定位信息，提前预测天线的旋转角度，跟踪精度更高；避免使用价格昂贵的陀螺元件和复杂的电路，简化了系统，提高了可靠性，且降低了整体造价。

实施例二

本实施例提供的车载卫星天线跟踪卫星的方法，其适用于高速列车的卫星通信，具体包括：

S1：预先采集高速列车的轨道信息数据，将预先采集的轨道信息数据存储在所述高速列车的卫星车载站的数据库中；

S2：利用GPS模块获取运动中的高速列车的定位信息；

S3：将所述定位信息中的位置信息与存储的所述轨道数据中的位置信息相比对，查找所述轨道数据中与所述定位信息中的位置信息相同或最近的位置信息；

S4：根据查找到的所述轨道数据中与所述定位信息中的位置信息相同或最近的位置信息预测下一位置卫星天线的俯仰角、方位角和横滚极化角；

S5：根据所述预测到的下一位置卫星天线的俯仰、方位和横滚极化角度控制天线的水平方向转动、俯仰角转动和横滚极化角转动。

本实施例提供的车载卫星天线跟踪卫星的方法，主要依赖于轨道的采集数据进行天线的控制，因此轨道数据的采集密度对控制的质量有着直接的影响，根据初步分析，需要的数据类型和采集精度的要求如表1所示。

表1轨道数据

其中的方位角为轨道与北向的夹角，即轨道切线方向与磁子午线的夹角，其中的俯仰角为轨道与水平面的夹角。

因高铁过弯时曲线运动需要向心力，轨道两侧需要有一定的倾角来平衡两侧车道的压力，所以外侧车道比内侧车道高出一定角度，以过弯倾角15°为例，利用下述公式计算姿态解算服务器提取轨道信息数据和GPS数据进行运算的时间。

公式一：向心加速度a＝重力加速度g*tan15°≈2.6m/s²；

公式二：线速度和加速度关系为V＝a*R。

表2线速度和过弯角速度关系

根据公式一和二，计算数据如表2所示，过弯半径越小，线速度越低，角速度越大，按照跟踪精度指标0.3°的要求(不考虑轨道数据采集误差和GPS误差为前提)，最小半径为100米进行过弯时，高铁最低运行时速为58km/h，采样和运算的最小时间要达到1000毫秒*0.3/9.24≈32.4毫秒。

GPS提供的数据频率为20Hz，单次接收时间为50ms，如按照高铁最高时速350Km/h运算，50ms的运行距离约为5米。如果按照低速运行时速60Km/h运算，50ms的运行距离约为0.8米。轨道数据的采集密度可以考虑以下情况：若进行高密度采集，不需要进行轨道曲线拟合的情况下，数据采集的间隔为50ms或者5米一次；若进行中密度采集，需要进行一阶方程拟合，数据采样的间隔可以为100ms或者10米一次；若进行低密度采集，需要采用二阶或更高阶方程进行拟合，数据采集的密度可以更低，采样时间可以更长，需要在后期的设计中根据高铁轨道设计指标进行算法优化。基于上述三种轨道数据采集密度的综合考虑，轨道的直行段的采集密度为间隔5-50米采集一次，优选地，数据采样间隔可为20米一次，按照高铁的最高运行时速，数据采样间隔也可设定为200ms采集一次。采样原则为有弯道或倾角变化时，数据采集密度尽量加大，轨道直行段时，采集密度可适当降低，即轨道的直行段的采集密度应小于轨道的弯道段或倾角变化段的采集密度。其中的在轨道的弯道段或倾角变化段的采集密度可为间隔5米采集一次。

姿态解算服务器每50ms接收一组GPS数据，根据GPS定位信息中的位置信息查找轨道数据中与定位信息中的位置信息相同或最近的轨道位置信息的时间大约为10ms，根据查找到的所述轨道数据中与所述定位信息中的位置信息相同或最近的位置信息预测下一位置卫星天线的俯仰角、方位角和横滚极化角的运算时间大约为5ms，将计算结果发送至控制服务器时，通信速率暂定115200，数据量20个字节＝160位，发送时间为160/115200*1000毫秒＝1.39毫秒。因此，在姿态解算服务器接收到GPS数据后，查询，运算及发送数据的时间总计约为16.39ms，远小于50ms，因此，将姿态解算服务器的数据发送平率设定为20Hz。

根据采集到的轨道上的各个测量点的轨道数据，由轨道数据便可计算出轨道上的每一个测量点所对应的天线的俯仰角和方位角，因该轨道数据是一定的，可视为一条理论曲线，当确定列车在轨道上的位置信息后便可预测下一点所对应的天线的俯仰角、方位角和横滚极化角。

该卫星天线的俯仰角、方位角和横滚极化角的计算公式为：

其中,α为俯仰角，β为方位角，为车载站经度，为卫星经度，θ为车载站纬度,R—地球半径,M—地心与卫星之间距离,ω为横滚极化角；其中的为车载站经度车载站纬度θ均可由GPS测得。

由上述公式得到卫星天线的旋转角度，姿态解算服务器将上述数据结果发送至控制服务器，控制服务器控制三组电机分别驱动天线的水平方向转动、俯仰角转动和横滚极化角转动，通过这三组天线的控制，可以让天线覆盖对所有方位的卫星信号接收。在电机选用时使用步进电机，可以方便地控制转动步长从而控制旋转合适的角度，控制电机驱动器细分比来实现电机角度精确控制。

实施例三

基于上述实施例一或二所述的车载卫星天线跟踪卫星的方法，本实施例提供了一种车载卫星天线跟踪卫星的系统，其包括：

轨道测量单元，用于测量轨道信息，获得轨道测量数据；

卫星天线，用于收发地球同步轨道通信卫星或小倾角地球同步轨道通信卫星卫星的Ku或者L波段通信信号；

GPS单元，用于获取高速列车的定位信息；

姿态解算服务器，用于将所述GPS获取的定位信息中的位置信息与所述轨道数据中的位置信息相比对，并用于查找所述轨道数据中与所述定位信息中的位置信息相同或最近的位置信息，并用于预测下一位置所述卫星天线的俯仰角、方位角和和横滚极化角；

控制服务器，用于根据所述预测的下一位置所述卫星天线的俯仰角、方位角和横滚极化角控制电机的转动；

步进电机，用于驱动所述卫星天线转动至预测的下一位置所述俯仰角、方位角和横滚极化角。

姿态解算服务器的处理器采用低功耗的atom芯片来执行，操作系统选用Linux，问题相对较少，能够满足长时间的运行稳定性要求，运算能力相对较强，可以根据GPS定位信息和轨道采集数据进行快速轨道预测和姿态解算，并将计算结果输出给控制服务器。控制服务器的处理器采用STM32F系列单片机，根据接收到的数据对天线进行控制和信号优化扫描。其中的姿态解算服务器与控制服务器通过四线RS485接口进行通信，充分保证接口的稳定性。

卫星天线的转动由三个步进电机进行驱动，控制服务器根据接收到的数据控制三个电机分别驱动卫星天线的水平方向转动、俯仰角转动和横滚极化角转动，可以让天线覆盖对所有方位的卫星信号接收。在电机选用时使用步进电机，可以方便地控制转动步长从而控制旋转合适的角度，控制电机驱动器细分比来实现电机角度的精确控制，进一步增强卫星天线跟踪卫星的精度。

采用本实施例提供的车载卫星天线跟踪卫星的系统，根据预先采集的轨道信息数据，结合GPS定位信息，提前预测天线的旋转角度，跟踪精度更高；避免使用价格昂贵的陀螺元件和复杂的电路，简化了系统，提高了可靠性，且降低了整体造价。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。