[发明专利]分布式相控阵天线的子阵波束指向角度校正方法

摘要

分布式相控阵天线的子阵波束指向角度校正方法，其实现步骤为：1)装有电子罗盘的子阵安装于飞机机翼上；2)建立机身坐标系，地球坐标系和子阵坐标系；3）利用飞控系统提供的卫星角度参数，计算卫星在机身坐标系中坐标；4）利用机身姿态参数计算卫星在地球坐标系中的坐标；5）子阵上电子罗盘测得子阵的姿态参数；6）利用子阵上的姿态参数计算卫星在子阵坐标系中的坐标；7）将卫星在子阵坐标系上的坐标转换为卫星相对于该子阵的俯仰角和方位角。该校正方法适用于机载卫星通信中的分布式相控阵天线，工程实现简单。

主权项

分布式相控阵天线的子阵波束指向角度校正方法，其实现步骤为：第一步，机载卫星通信中飞机机翼上方分布着N个相同的相控阵天线子阵，每个子阵为均匀矩形平面阵列，N为大于1的整数，而每个子阵上都安装有一个三维电子罗盘，三维电子罗盘可以测得该电子罗盘所在子阵阵面平面相对于地面的姿态参数，即航向角，俯仰角和横滚角；第二步，建立三个直角坐标系统：第一个直角坐标系为飞机机身坐标系X′Y′Z′，X′Y′平面为飞机机身平面，X′为从机尾指向机头的方向，Y′为俯视时从右侧机翼指向左侧机翼的方向，Z′垂直机身平面指向天空，这个坐标系为飞机航空电子系统中控制系统采用的坐标系；第二个直角坐标系是以地球为参考的直角坐标系XYZ，该坐标系的原点与机身坐标系X′Y′Z′原点重合，XY平面与水平面平行，X轴为纬度方向，指向北方，Y轴为经度方向，指向西方，Z轴为垂直水平面方向，指向天空；第三个直角坐标为子阵阵面坐标系X′′Y′′Z′′，该坐标系的X′′Y′′平面为子阵阵面平面，X′′轴和Y′′轴分别平行于矩形平面阵列的长和宽，原点在阵面几何中心，Z′′轴垂直该平面指向天空；第三步，航空电子系统中的控制系统在机身坐标系X′Y′Z′中，测量得到飞机姿态的航向角α，俯仰角β和横滚角γ，以及卫星相对于飞机的俯仰角θ和方位角φ；根据卫星角度θ和 φ，计算卫星在机身坐标系X'Y'Z'中的坐标(x′,y′,z′)，计算方法为 x ′ y ′ z ′ = r sin θ cos φ r sin θ cos φ r cos θ , 这里的r为卫星到原点的距离；第四步，把卫星在机身坐标系X'Y'Z'中的坐标(x′,y′,z′)，转换为卫星在地球坐标系XYZ中的坐标(x,y,z)：首先，根据飞机三个姿态参数计算坐标变换矩阵R=RγRβRα，其中 R α = 1 0 0 0 cos α sin α 0 - sin α cos α , R β cos β 0 - sin β 0 1 0 sin β 0 cos β , R γ cos γ sin γ 0 - sin γ cos γ 0 0 0 1 ; 然后，根据 x y z = R - 1 x ′ y ′ z ′ 得到卫星在地球坐标系中坐标(x,y,z)，R‑1表示矩阵R的逆矩阵；第五步，对于任意一个子阵，安装在该子阵阵面位置的三维电子罗盘测量得到子阵阵面在阵面坐标系X′′Y′′Z′′中的姿态参数，对应的航向角为δ，俯仰角为η，横滚角为μ；第六步，把卫星在地球坐标系中坐标(x,y,z)转换到子阵阵面坐标系X′′Y′′Z′′中的坐标(x",y",z")：首先，根据阵面坐标系X"Y"Z"中的姿态参数求得坐标转换矩阵G,这里的G=GμGηGδ,其中 G δ = 1 0 0 0 cos δ sin δ 0 - sin δ cos δ , G η = cos η 0 - sin η 0 1 0 sin η 0 cos η , G μ = cos μ sin μ 0 - sin μ cos μ 0 0 0 1 ; 然后，根据 x ′ ′ y ′ ′ z ′ ′ = G x y z 得到卫星在阵面坐标系中的坐标(x′′,y′′,z′′)；第七步，根据卫星在子阵阵面坐标系X′′Y′′Z′′中的坐标(x′′,y′′,z′′)，计算卫星相对于该子阵阵面的俯仰角ξ和方位角ζ，用于相控阵天线子阵的波束指向控制，即求解方程 x ′ ′ y ′ ′ z ′ ′ = R sin ξ cos ζ R sin ξ sin ζ R cos ξ , 其中R表示卫星到子阵阵面几何中心的距离。