[发明专利]船载卫星通信地球站A-E-C三轴天线坐标计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种船载三轴稳定天线伺服控制技术，具体是涉及一种船载卫星通信地球站A-E-C三轴天线坐标计算方法，属于航天测控技术之试验通信技术领域。

背景技术

轴稳定卫星通信天线具有独特的优点，它能够有效地克服船体运动带来的扰动，可靠地跟踪过天顶目标，实现波束的理想稳定。但由于结构和轴系运动比较复杂，因而对天线控制也提出了较高的要求。

船载卫星通信地球站天线座架一般采用A-E-C三轴形式，在方位轴（A轴）与俯仰轴（E轴）之间增加了一根第三轴-交叉轴（C轴），它与俯仰轴在空间正交，C轴可利用正割补偿效应，使天线能够可靠地跟踪过天顶目标，三轴天线的结构如图1所示。

某型测量船船载卫星通信地球站天线伺服系统采用三轴稳定、两轴跟踪体制。三轴稳定是指方位随动航向，隔离航向变化对天线指向的影响，俯仰、交叉轴隔离船体的纵倾和横滚对天线指向的影响；两轴跟踪是指接收机通过天线接收卫星信标信号，解调出对星的误差信号，通过俯仰、交叉轴实现对星跟踪。

船载卫星地球站设计之初，根据当时卫星资源情况，船载卫星通信以使用圆极化方式工作为主，因此在设计中没有考虑天线电轴滚动的影响；当时的船用惯导还不能长时间不间断向船载卫星通信地球站提供精确的船姿船位信息，船载卫星通信天线伺服系统需立足于自身稳定，依靠安装在天线上的伺服陀螺提供稳定平台隔离船体摇摆扰动。根据这一系列设计思想，船载卫星通信地球站A-E-C三轴天线仅在搜索捕获卫星时需要简单的坐标计算，通过在一定范围扫描捕获目标完成后，天线进入自跟踪环闭环控制，无需再计算轴系角度，所以长期以来船载卫星通信地球站A-E-C三轴天线的精确坐标计算一直被忽视。

但随着在海上使用线极化卫星通信的应用发展越来越深入，原来的天线稳定跟踪体制逐渐暴露出天线坐标计算不完善所带来的一系列问题，如：恶劣海况下捕获目标因难、极化角误差难以实时修正、船摇隔离手段单一和对伺服陀螺可靠性的过度依赖，而且当自跟踪环失效后，天线会因缺少长时间高精度稳定指向的手段，不能在海上实施单脉冲跟踪接收机对星校相。

建立船载卫星通信地球站A-E-C三轴天线坐标计算数学模型，利用船用惯导系统信号进行相关计算并作为外部稳定平台控制天线，实现数字引导跟踪，是船载卫星通信地球站A-E-C天线克服以上缺陷、完善伺服跟踪控制系统的迫切需要。

本发明专利通过理论分析，采用矩阵变换的方法。建立了一套完备的适用于船载卫星通信地球站A-E-C三轴天线坐标计算的数学模型，实现了对船载卫星通信地球站A-E-C天线指向角和极化角的实时解算。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种船载卫星通信地球站A-E-C三轴天线坐标计算方法，有效利用船用惯导系统可为船载卫星通信地球站提供精确船体姿态信息的有利条件，系统地分析船载卫星通信地球站A-E-C三轴稳定天线座架结构和运动规律，建立天线坐标系，并通过推导船载A-E-C三轴天线地理坐标系、甲板坐标系和天线坐标系之间的转换关系，建立一套完备的船载卫星通信地球站A-E-C三轴天线坐标计算数学模型，实现天线指向角和极化角的实时解算，解决船载卫星通信地球站海上动态条件下伺服控制系统面临的诸多实际问题。 

本发明的目的是这样实现的：本发明一种船载卫星通信地球站A-E-C三轴天线坐标计算方法，它包括以下内容：

1）坐标系定义

定义地理坐标系OXYZ，原点O位于天线稳定平台三轴中心，OX轴平行于水平面指向正东，OY轴平行于水平面指向正北，OZ轴垂直于平面OXY，铅垂向上为正。

定义甲板坐标系OX_dY_dZ_d，原点O位于天线稳定平台三轴中心，OY_d轴平行于艏艉线指向船艏为正，OX_d轴与OY_d垂直且平行于甲板平面，指向右舷为正，OZ_d轴与OX_d、OY_d构成右手直角坐标系。

2）坐标转换计算方法

船舶载体的航向变化、纵摇变化、横摇变化用矩阵形式来描述，分别为航向变换矩阵m_h、纵摇变换矩阵m_p、横摇变换矩阵m_r：

，，

其中H为航向角，P为纵摇角，R为横摇角。

地理坐标系OXYZ至甲板坐标系OX_dY_dZ_d的坐标变换：