本發(fā)明涉及衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種車載衛(wèi)星天線跟蹤衛(wèi)星的方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
載體在移動過程中，由于其姿態(tài)和地理位置發(fā)生變化，會引起原對準(zhǔn)衛(wèi)星天線偏離衛(wèi)星，使通信中斷，因此必須對載體的這些變化進(jìn)行隔離，使天線不受影響并始終對準(zhǔn)衛(wèi)星，這就是天線穩(wěn)定系統(tǒng)要解決的主要問題，也是移動載體進(jìn)行不間斷衛(wèi)星通信的前提。
現(xiàn)有技術(shù)中天線跟蹤衛(wèi)星的方法是基于信號電平掃描跟蹤，利用衛(wèi)星信號強(qiáng)度隨天線指向誤差增大而減小的特性，通過不斷檢測衛(wèi)星信號強(qiáng)度來判斷衛(wèi)星的方向，以控制電機(jī)進(jìn)行跟蹤，由于電機(jī)控制速度慢，故導(dǎo)致跟蹤速度慢、精度差；或者基于MEMS陀螺儀跟蹤,將陀螺儀測量到的偏航、俯仰方向上的角速度信號輸入微分電路，該電路以負(fù)反饋方式將糾偏信號傳遞到控制器，以驅(qū)動偏航、俯仰電機(jī)，以達(dá)到隔離載體的姿態(tài)變化干擾，實現(xiàn)天線對準(zhǔn)衛(wèi)星。由于MEMS陀螺儀有測量的數(shù)據(jù)隨時間漂移、數(shù)據(jù)量化存在誤差的缺點(diǎn)，且控制過程存在滯后性，該類衛(wèi)星天線在鐵路上的應(yīng)用僅限于時速80km以下的列車。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種車載衛(wèi)星天線跟蹤衛(wèi)星的方法，其根據(jù)預(yù)先采集的軌道信息數(shù)據(jù)，結(jié)合GPS定位信息，預(yù)測天線的旋轉(zhuǎn)角度，控制天線始終對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星的方向，達(dá)到精確跟蹤的目的。
為解決上述問題，本發(fā)明提供的一種車載衛(wèi)星天線跟蹤衛(wèi)星的方法具體如下：
一種車載衛(wèi)星天線跟蹤衛(wèi)星的方法，其適用于高速列車的衛(wèi)星通信，其內(nèi)容包括：
S1：預(yù)先采集高速列車的軌道信息數(shù)據(jù)，將預(yù)先采集的軌道信息數(shù)據(jù)存儲在所述高速列車的衛(wèi)星車載站的數(shù)據(jù)庫中；
S2：利用GPS模塊獲取運(yùn)動中的高速列車的定位信息；
S3：將所述定位信息中的位置信息與存儲的所述軌道數(shù)據(jù)中的位置信息相比對，查找所述軌道數(shù)據(jù)中與所述定位信息中的位置信息相同或最近的位置信息；
S4：根據(jù)查找到的所述軌道數(shù)據(jù)中與所述定位信息中的位置信息相同或最近的位置信息預(yù)測下一位置衛(wèi)星天線的俯仰角、方位角和橫滾極化角；
S5：根據(jù)所述預(yù)測到的下一位置衛(wèi)星天線的俯仰角、方位角和橫滾極化角控制天線的水平方向轉(zhuǎn)動、俯仰角轉(zhuǎn)動。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
進(jìn)一步，在所述步驟S1中，采集高速列車的軌道信息數(shù)據(jù)時，所述軌道的直行段的采集密度小于所述軌道的彎道段或傾角變化段的采集密度。
進(jìn)一步，所述軌道的直行段的采集密度為間隔5-50米采集一次。
進(jìn)一步，所述軌道的彎道段或傾角變化段的采集密度為間隔5米采集一次。
進(jìn)一步，所述軌道的直行段的采集密度為間隔20米采集一次。
進(jìn)一步，所述根據(jù)查找到的所述軌道數(shù)據(jù)中與所述定位信息中的位置信息相同或最近的位置信息預(yù)測下一位置衛(wèi)星天線的俯仰角、方位角和橫滾極化角的計算公式為：
其中,α為俯仰角，β為方位角，為車載站經(jīng)度，為衛(wèi)星經(jīng)度，θ為車載站緯度,R—地球半徑,M—地心與衛(wèi)星之間距離,ω為橫滾極化角。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種車載衛(wèi)星天線跟蹤衛(wèi)星的系統(tǒng)，其包括：
軌道測量單元，用于測量軌道信息，獲得軌道測量數(shù)據(jù)；
衛(wèi)星天線，用于收發(fā)地球同步軌道通信衛(wèi)星或小傾角地球同步軌道通信衛(wèi)星衛(wèi)星的Ku或者L波段通信信號；
GPS單元，用于獲取高速列車的定位信息；
姿態(tài)解算服務(wù)器，用于將所述GPS獲取的定位信息中的位置信息與所述軌道數(shù)據(jù)中的位置信息相比對，并用于查找所述軌道數(shù)據(jù)中與所述定位信息中的位置信息相同或最近的位置信息，并用于預(yù)測下一位置所述衛(wèi)星天線的俯仰角、方位角和橫滾極化角；
控制服務(wù)器，用于根據(jù)所述預(yù)測的下一位置所述衛(wèi)星天線的俯仰角、方位角和橫滾極化角控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動；
步進(jìn)電機(jī)，用于驅(qū)動所述衛(wèi)星天線轉(zhuǎn)動至預(yù)測的下一位置所述俯仰角、方位角和橫滾極化角。
進(jìn)一步，所述姿態(tài)解算服務(wù)器的處理器為atom芯片，所述控制服務(wù)器的處理器采用STM32F單片機(jī)。
進(jìn)一步，所述衛(wèi)星天線為低輪廓平板陣列天線。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：根據(jù)預(yù)先采集的軌道信息數(shù)據(jù)，結(jié)合GPS定位信息，提前預(yù)測天線的旋轉(zhuǎn)角度，跟蹤精度更高；避免使用價格昂貴的陀螺元件和復(fù)雜的電路，簡化了系統(tǒng)，提高了可靠性，且降低了整體造價。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施一提供的車載衛(wèi)星天線跟蹤衛(wèi)星的方法流程圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請的實施例及實施例中的特征可以相互組合。
實施例一
如圖1所示，本實施例提供了一種車載衛(wèi)星天線跟蹤衛(wèi)星的方法，其適用于高速列車的衛(wèi)星通信，具體包括：
S1：預(yù)先采集高速列車的軌道信息數(shù)據(jù)，將預(yù)先采集的軌道信息數(shù)據(jù)存儲在所述高速列車的衛(wèi)星車載站的數(shù)據(jù)庫中；
S2：利用GPS模塊獲取運(yùn)動中的高速列車的定位信息；
S3：將所述定位信息中的位置信息與存儲的所述軌道數(shù)據(jù)中的位置信息相比對，查找所述軌道數(shù)據(jù)中與所述定位信息中的位置信息相同或最近的位置信息；
S4：根據(jù)查找到的所述軌道數(shù)據(jù)中與所述定位信息中的位置信息相同或最近的位置信息預(yù)測下一位置衛(wèi)星天線的俯仰角、方位角和橫滾極化角；
S5：根據(jù)所述預(yù)測到的下一位置衛(wèi)星天線的俯仰、方位和橫滾極化的角度控制天線的水平方向轉(zhuǎn)動、俯仰角轉(zhuǎn)動。
因現(xiàn)有技術(shù)中采用的信標(biāo)引導(dǎo)或慣性引導(dǎo)的方法是通過實時采集行進(jìn)中列車給衛(wèi)星天線帶來的俯仰角、方位角和橫滾極化角的變化，然后經(jīng)過負(fù)反饋電路通知伺服機(jī)構(gòu)糾偏，這種方法可謂“后知后覺”，存在一定的滯后性，無法精確跟蹤衛(wèi)星。正是基于上述問題，本實施例提供的列車載衛(wèi)星天線跟蹤衛(wèi)星的方法，其通過預(yù)先采集軌道信息數(shù)據(jù)，如GPS定位、方位、傾角、俯仰等信息數(shù)據(jù)，需要說明的是，該軌道信息數(shù)據(jù)也可通過第三方提供，在采集軌道信息數(shù)據(jù)時，可設(shè)置一定的采集間隔時間或者采集的間隔距離，采集到軌道上各個測量點(diǎn)的軌道數(shù)據(jù)，由軌道數(shù)據(jù)可計算出軌道上的每一個測量點(diǎn)所對應(yīng)的天線的俯仰角和方位角，因該軌道數(shù)據(jù)是一定的，可視為一條理論曲線，當(dāng)確定列車在軌道上的位置信息后便可預(yù)測下一點(diǎn)所對應(yīng)的天線的俯仰角、方位角和橫滾極化角。當(dāng)列車在軌道上行使時，利用GPS獲得高速列車的定位信息，如經(jīng)度、緯度、速度和海拔高度等信息，姿態(tài)解算服務(wù)器將GPS定位信息中的位置信息查找與事先存儲的軌道數(shù)據(jù)中的位置信息相比對，查找到軌道數(shù)據(jù)中與該定位信息中的位置信息相同或相近的位置信息，根據(jù)該查找到的軌道數(shù)據(jù)中的位置信息便可預(yù)測到下一位置衛(wèi)星天線的俯仰角、方位角和橫滾極化角，并將預(yù)測到的下一位置衛(wèi)星天線的俯仰角、方位角和橫滾極化角發(fā)送至控制服務(wù)器，控制服務(wù)器控制步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動天線的水平方向轉(zhuǎn)動、俯仰角轉(zhuǎn)動，可以讓天線覆蓋對所有方位的衛(wèi)星信號接收，從而實現(xiàn)實時精確地跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星，為高速運(yùn)動的列車不間斷地傳遞語音、數(shù)據(jù)、圖像等多媒體信息，滿足各種軍民用的應(yīng)急通信和移動條件下的多媒體通信的需要。
需要說明的是，在軌道信息數(shù)據(jù)中，其中的方位角為軌道與北向的夾角，即軌道切線方向與磁子午線的夾角。
基于上述的方案，本實施例提供的列車載衛(wèi)星天線跟蹤衛(wèi)星的方法，其根據(jù)預(yù)先采集的軌道信息數(shù)據(jù)，結(jié)合GPS定位信息，提前預(yù)測天線的旋轉(zhuǎn)角度，跟蹤精度更高；避免使用價格昂貴的陀螺元件和復(fù)雜的電路，簡化了系統(tǒng)，提高了可靠性，且降低了整體造價。
實施例二
本實施例提供的車載衛(wèi)星天線跟蹤衛(wèi)星的方法，其適用于高速列車的衛(wèi)星通信，具體包括：
S1：預(yù)先采集高速列車的軌道信息數(shù)據(jù)，將預(yù)先采集的軌道信息數(shù)據(jù)存儲在所述高速列車的衛(wèi)星車載站的數(shù)據(jù)庫中；
S2：利用GPS模塊獲取運(yùn)動中的高速列車的定位信息；
S3：將所述定位信息中的位置信息與存儲的所述軌道數(shù)據(jù)中的位置信息相比對，查找所述軌道數(shù)據(jù)中與所述定位信息中的位置信息相同或最近的位置信息；
S4：根據(jù)查找到的所述軌道數(shù)據(jù)中與所述定位信息中的位置信息相同或最近的位置信息預(yù)測下一位置衛(wèi)星天線的俯仰角、方位角和橫滾極化角；
S5：根據(jù)所述預(yù)測到的下一位置衛(wèi)星天線的俯仰、方位和橫滾極化角度控制天線的水平方向轉(zhuǎn)動、俯仰角轉(zhuǎn)動和橫滾極化角轉(zhuǎn)動。
本實施例提供的車載衛(wèi)星天線跟蹤衛(wèi)星的方法，主要依賴于軌道的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行天線的控制，因此軌道數(shù)據(jù)的采集密度對控制的質(zhì)量有著直接的影響，根據(jù)初步分析，需要的數(shù)據(jù)類型和采集精度的要求如表1所示。
表1軌道數(shù)據(jù)
其中的方位角為軌道與北向的夾角，即軌道切線方向與磁子午線的夾角，其中的俯仰角為軌道與水平面的夾角。
因高鐵過彎時曲線運(yùn)動需要向心力，軌道兩側(cè)需要有一定的傾角來平衡兩側(cè)車道的壓力，所以外側(cè)車道比內(nèi)側(cè)車道高出一定角度，以過彎傾角15°為例，利用下述公式計算姿態(tài)解算服務(wù)器提取軌道信息數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算的時間。
公式一：向心加速度a＝重力加速度g*tan15°≈2.6m/s2；
公式二：線速度和加速度關(guān)系為V＝a*R。
表2線速度和過彎角速度關(guān)系
根據(jù)公式一和二，計算數(shù)據(jù)如表2所示，過彎半徑越小，線速度越低，角速度越大，按照跟蹤精度指標(biāo)0.3°的要求(不考慮軌道數(shù)據(jù)采集誤差和GPS誤差為前提)，最小半徑為100米進(jìn)行過彎時，高鐵最低運(yùn)行時速為58km/h，采樣和運(yùn)算的最小時間要達(dá)到1000毫秒*0.3/9.24≈32.4毫秒。
GPS提供的數(shù)據(jù)頻率為20Hz，單次接收時間為50ms，如按照高鐵最高時速350Km/h運(yùn)算，50ms的運(yùn)行距離約為5米。如果按照低速運(yùn)行時速60Km/h運(yùn)算，50ms的運(yùn)行距離約為0.8米。軌道數(shù)據(jù)的采集密度可以考慮以下情況：若進(jìn)行高密度采集，不需要進(jìn)行軌道曲線擬合的情況下，數(shù)據(jù)采集的間隔為50ms或者5米一次；若進(jìn)行中密度采集，需要進(jìn)行一階方程擬合，數(shù)據(jù)采樣的間隔可以為100ms或者10米一次；若進(jìn)行低密度采集，需要采用二階或更高階方程進(jìn)行擬合，數(shù)據(jù)采集的密度可以更低，采樣時間可以更長，需要在后期的設(shè)計中根據(jù)高鐵軌道設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行算法優(yōu)化?；谏鲜鋈N軌道數(shù)據(jù)采集密度的綜合考慮，軌道的直行段的采集密度為間隔5-50米采集一次，優(yōu)選地，數(shù)據(jù)采樣間隔可為20米一次，按照高鐵的最高運(yùn)行時速，數(shù)據(jù)采樣間隔也可設(shè)定為200ms采集一次。采樣原則為有彎道或傾角變化時，數(shù)據(jù)采集密度盡量加大，軌道直行段時，采集密度可適當(dāng)降低，即軌道的直行段的采集密度應(yīng)小于軌道的彎道段或傾角變化段的采集密度。其中的在軌道的彎道段或傾角變化段的采集密度可為間隔5米采集一次。
姿態(tài)解算服務(wù)器每50ms接收一組GPS數(shù)據(jù)，根據(jù)GPS定位信息中的位置信息查找軌道數(shù)據(jù)中與定位信息中的位置信息相同或最近的軌道位置信息的時間大約為10ms，根據(jù)查找到的所述軌道數(shù)據(jù)中與所述定位信息中的位置信息相同或最近的位置信息預(yù)測下一位置衛(wèi)星天線的俯仰角、方位角和橫滾極化角的運(yùn)算時間大約為5ms，將計算結(jié)果發(fā)送至控制服務(wù)器時，通信速率暫定115200，數(shù)據(jù)量20個字節(jié)＝160位，發(fā)送時間為160/115200*1000毫秒＝1.39毫秒。因此，在姿態(tài)解算服務(wù)器接收到GPS數(shù)據(jù)后，查詢，運(yùn)算及發(fā)送數(shù)據(jù)的時間總計約為16.39ms，遠(yuǎn)小于50ms，因此，將姿態(tài)解算服務(wù)器的數(shù)據(jù)發(fā)送平率設(shè)定為20Hz。
根據(jù)采集到的軌道上的各個測量點(diǎn)的軌道數(shù)據(jù)，由軌道數(shù)據(jù)便可計算出軌道上的每一個測量點(diǎn)所對應(yīng)的天線的俯仰角和方位角，因該軌道數(shù)據(jù)是一定的，可視為一條理論曲線，當(dāng)確定列車在軌道上的位置信息后便可預(yù)測下一點(diǎn)所對應(yīng)的天線的俯仰角、方位角和橫滾極化角。
該衛(wèi)星天線的俯仰角、方位角和橫滾極化角的計算公式為：
其中,α為俯仰角，β為方位角，為車載站經(jīng)度，為衛(wèi)星經(jīng)度，θ為車載站緯度,R—地球半徑,M—地心與衛(wèi)星之間距離,ω為橫滾極化角；其中的為車載站經(jīng)度車載站緯度θ均可由GPS測得。
由上述公式得到衛(wèi)星天線的旋轉(zhuǎn)角度，姿態(tài)解算服務(wù)器將上述數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)送至控制服務(wù)器，控制服務(wù)器控制三組電機(jī)分別驅(qū)動天線的水平方向轉(zhuǎn)動、俯仰角轉(zhuǎn)動和橫滾極化角轉(zhuǎn)動，通過這三組天線的控制，可以讓天線覆蓋對所有方位的衛(wèi)星信號接收。在電機(jī)選用時使用步進(jìn)電機(jī)，可以方便地控制轉(zhuǎn)動步長從而控制旋轉(zhuǎn)合適的角度，控制電機(jī)驅(qū)動器細(xì)分比來實現(xiàn)電機(jī)角度精確控制。
實施例三
基于上述實施例一或二所述的車載衛(wèi)星天線跟蹤衛(wèi)星的方法，本實施例提供了一種車載衛(wèi)星天線跟蹤衛(wèi)星的系統(tǒng)，其包括：
軌道測量單元，用于測量軌道信息，獲得軌道測量數(shù)據(jù)；
衛(wèi)星天線，用于收發(fā)地球同步軌道通信衛(wèi)星或小傾角地球同步軌道通信衛(wèi)星衛(wèi)星的Ku或者L波段通信信號；
GPS單元，用于獲取高速列車的定位信息；
姿態(tài)解算服務(wù)器，用于將所述GPS獲取的定位信息中的位置信息與所述軌道數(shù)據(jù)中的位置信息相比對，并用于查找所述軌道數(shù)據(jù)中與所述定位信息中的位置信息相同或最近的位置信息，并用于預(yù)測下一位置所述衛(wèi)星天線的俯仰角、方位角和和橫滾極化角；
控制服務(wù)器，用于根據(jù)所述預(yù)測的下一位置所述衛(wèi)星天線的俯仰角、方位角和橫滾極化角控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動；
步進(jìn)電機(jī)，用于驅(qū)動所述衛(wèi)星天線轉(zhuǎn)動至預(yù)測的下一位置所述俯仰角、方位角和橫滾極化角。
姿態(tài)解算服務(wù)器的處理器采用低功耗的atom芯片來執(zhí)行，操作系統(tǒng)選用Linux，問題相對較少，能夠滿足長時間的運(yùn)行穩(wěn)定性要求，運(yùn)算能力相對較強(qiáng)，可以根據(jù)GPS定位信息和軌道采集數(shù)據(jù)進(jìn)行快速軌道預(yù)測和姿態(tài)解算，并將計算結(jié)果輸出給控制服務(wù)器。控制服務(wù)器的處理器采用STM32F系列單片機(jī)，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)對天線進(jìn)行控制和信號優(yōu)化掃描。其中的姿態(tài)解算服務(wù)器與控制服務(wù)器通過四線RS485接口進(jìn)行通信，充分保證接口的穩(wěn)定性。
衛(wèi)星天線的轉(zhuǎn)動由三個步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，控制服務(wù)器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)控制三個電機(jī)分別驅(qū)動衛(wèi)星天線的水平方向轉(zhuǎn)動、俯仰角轉(zhuǎn)動和橫滾極化角轉(zhuǎn)動，可以讓天線覆蓋對所有方位的衛(wèi)星信號接收。在電機(jī)選用時使用步進(jìn)電機(jī)，可以方便地控制轉(zhuǎn)動步長從而控制旋轉(zhuǎn)合適的角度，控制電機(jī)驅(qū)動器細(xì)分比來實現(xiàn)電機(jī)角度的精確控制，進(jìn)一步增強(qiáng)衛(wèi)星天線跟蹤衛(wèi)星的精度。
采用本實施例提供的車載衛(wèi)星天線跟蹤衛(wèi)星的系統(tǒng)，根據(jù)預(yù)先采集的軌道信息數(shù)據(jù)，結(jié)合GPS定位信息，提前預(yù)測天線的旋轉(zhuǎn)角度，跟蹤精度更高；避免使用價格昂貴的陀螺元件和復(fù)雜的電路，簡化了系統(tǒng)，提高了可靠性，且降低了整體造價。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。