CN112582775A - 一种双轴天线转动角度计算方法及装置 - Google Patents

一种双轴天线转动角度计算方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种双轴天线转动角度计算方法及装置，涉及双轴天线转动角度计算方法。本发明适用于配备有双轴转动天线的三轴稳定卫星，属于航天器总体设计技术领域。本发明首先在卫星坐标系下给定要指向的地面站目标点信息，以及双轴天线的双轴安装信息、射频法线的空间信息，作为输入条件；而后首先计算双轴中基准轴的转动角度，使得基准轴转动完毕后，从天线指向地面站目标点的矢量和天线射频法线二者与双轴中随动轴的夹角相等；而后计算随动轴的转动角度，使得随动轴转动完毕后，天线射频法线指向地面站目标点。

Description

一种双轴天线转动角度计算方法及装置
技术领域
本发明涉及一种双轴天线转动角度计算方法及装置，涉及双轴天线转动角度计算方法。本发明适用于配备有双轴转动天线的三轴稳定卫星，属于航天器总体设计技术领域。
背景技术
天线是卫星实现星地信息传输的基础设施。随着技术的发展，可动点波束天线在卫星上有了越来越广泛的应用。通常，可动点波束天线包括天线反射面与天线转动机构。可动点波束天线的应用模式通常为，根据卫星与所要通信的地面站的相对位置关系，计算转动机构的转动角度，而后转动天线转动机构，从而令天线反射面的射频法线指向地面站。
点波束天线的波束宽度较窄，为了保持通信需要天线射频法线准确的指向地面站，因此对天线转动机构的转动精度提出了较高的要求。鉴于卫星的在轨应用方式日渐复杂，天线在卫星布局位置越来越受限的现状，可动点波束天线的转动机构转轴与反射面射频法线在安装上不再能够维持简单的垂直关系，转轴转动角度和射频法线指向之间也就呈现更复杂的几何变换关系。此外，两者间的空间几何关系受到安装误差、转角控制误差等多种因素的影响。实际工程中，如果按照传统的垂直模型进行转角计算，会得到误差较大的结果。因而如何更精确的计算天线转动机构的转动角度，具有重要的工程意义。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种双轴天线转动角度计算方法及装置，适用于天线射频法线与转动机构转动轴不垂直的工况，有利于提升天线的指向精度。
本发明的技术解决方案是：一种双轴天线转动角度计算方法，包括如下步骤：
在卫星坐标系下，确定地面站目标点的位置信息、双轴天线的安装信息以及射频法线的空间信息；所述的安装信息包括基准轴的安装信息与随动轴的安装信息；
根据所述位置信息、安装信息以及所述空间信息计算从天线到所述目标点的矢量和天线射频法线与所述随动轴夹角相等时，所述基准轴的转动角度；
根据所述位置信息、安装信息、空间信息以及基准轴的转动角度，计算所述射频法线指向所述目标点时所述随动轴的转动角度。
进一步地，在所述卫星坐标系中，所述地面站目标点的位置信息通过从天线到目标点的矢量表示，矢量的坐标为[xr,yr,zr]T；
Figure BDA0002789872760000021
所述基准轴的安装信息包括：基准轴Ry平行于卫星坐标系y轴，天线绕所述基准轴Ry轴转动的角度定义为θ，θ的最小取值与最大取值之差不超过180°；
所述随动轴的安装信息包括：随动轴Rx随Ry的转动而转动，当Ry轴位于定义的初始零位时，Rx轴平行于卫星坐标系x轴；天线绕所述随动轴Rx轴转动的角度定义为
Figure BDA0002789872760000022
Figure BDA0002789872760000023
的最小取值与最大取值范围不超过180°；
所述射频法线的空间信息包括：天线反射面的射频法线随Ry/Rx轴的转动而转动，当Ry/Rx均位于定义的初始零位时，天线射频法线的矢量，在卫星坐标系内的坐标为[xt,yt,zt]T，
Figure BDA0002789872760000024
进一步地，根据所述位置信息、所述安装信息以及所述空间信息计算从天线到所述目标点的矢量和天线射频法线与所述随动轴夹角相等时，所述基准轴的转动角度，包括：
通过如下公式计算所述基准轴的转动角度：
xt＝cosθ*xr-sinθ*zr，
其中，xt为天线射频法线与所述随动轴的夹角的余弦值；cosθ*xr-sinθ*zr为从天线到所述目标点的矢量在绕所述基准轴转动角度θ后，该矢量与所述随动轴的夹角的余弦值。
进一步地，根据所述安装信息、所述空间信息以及所述基准轴的转动角度，计算所述射频法线指向所述目标点时所述随动轴的转动角度，包括：
建立随所述基准轴转动的随动坐标系Oyt；
根据所述的空间信息、求得的绕所述基准轴的转动角度θ，求得从天线到目标点的矢量在Oyt中的坐标；
根据所述从天线到目标点的矢量在Oyt中的坐标、所述射频法线的坐标计算所述随动轴的转动角度。
进一步地，根据所述从天线到目标点的矢量在Oyt中的坐标、所述射频法线的坐标计算所述随动轴的转动角度，包括：
通过如下公式计算所述随动轴的转动角度
Figure BDA0002789872760000031
其中，sinθ*xr+cosθ*zr表示从天线到目标点的矢量在Oyt坐标系中的z轴坐标，m1,m2为计算中间变量。
一种双轴天线转动角度计算装置，包括：
确定单元，用于在卫星坐标系下，确定地面站目标点的位置信息，双轴天线的安装信息以及射频法线的空间信息，其中，所述的安装信息包括基准轴的安装信息与随动轴的安装信息；
第一计算单元，用于计算从天线到所述目标点的矢量和天线射频法线与所述随动轴夹角相等时，所述基准轴的转动角度；
第二计算单元，用于根据所述位置信息、所述安装信息、所述空间信息以及所述基准轴的转动角度，计算所述射频法线指向所述目标点时所述随动轴的转动角度。
进一步地，在卫星坐标系中，地面站目标点的位置信息通过从天线到目标点的矢量表示，矢量的归一化坐标为[xr,yr,zr]T；
基准轴的安装信息包括：基准轴Ry平行于卫星坐标系y轴，天线绕基准轴Ry轴转动的角度定义为θ，θ的最小取值与最大取值范围不超过180°；
随动轴的安装信息包括：随动轴Rx随Ry的转动而转动，当Ry轴位于定义的初始零位时，Rx轴平行于卫星坐标系x轴；天线绕随动轴Rx轴转动的角度定义为
Figure BDA0002789872760000041
Figure BDA0002789872760000042
的最小取值与最大取值范围不超过180°；
射频法线的空间信息包括：天线反射面的射频法线随Ry/Rx轴的转动而转动，当Ry/Rx均位于定义的初始零位时，天线射频法线的矢量，在卫星坐标系内的归一化坐标为[xt,yt,zt]T。
进一步地，根据位置信息、安装信息以及空间信息计算从天线到目标点的矢量和天线射频法线与随动轴夹角相等时，基准轴的转动角度，包括：
通过如下公式计算基准轴的转动角度：
xt＝cosθ*xr-sinθ*zr，
其中，xt为天线射频法线与随动轴的夹角的余弦值；cosθ*xr-sinθ*zr为从天线到目标点的矢量在绕基准轴转动角度θ后，该矢量与随动轴的夹角的余弦值；
根据安装信息、空间信息以及基准轴的转动角度，计算射频法线指向目标点时随动轴的转动角度，包括：
建立随基准轴转动的随动坐标系Oyt；
根据的空间信息、求得的绕基准轴的转动角度θ，求得从天线到目标点的矢量在Oyt中的坐标；
根据从天线到目标点的矢量在Oyt中的坐标、射频法线的坐标计算随动轴的转动角度；
根据从天线到目标点的矢量在Oyt中的坐标、射频法线的坐标计算随动轴的转动角度，包括：
通过如下公式计算随动轴的转动角度
Figure BDA0002789872760000051
其中，sinθ*xr+cosθ*zr表示从天线到目标点的矢量在Oyt坐标系中的z轴坐标，m1,m2为计算中间变量。
一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述一种双轴天线转动角度计算方法的步骤。
一种双轴天线转动角度计算设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现所述一种双轴天线转动角度计算方法的步骤。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)提出了卫星的天线转动角度计算的普适性几何模型
建立了一套描述方式，通过少量的坐标点，给出了卫星双轴天线的基准轴、随动轴、射频轴的空间几何关系，并方便于后续进行天线转动机构转角计算。
(2)提出了一种双轴天线转动角度的计算方法与装置
针对双轴天线提出了一种新的计算方法与装置，应用空间变换知识，依次计算天线转动机构基准轴、随动轴的转动角度，使得射频轴能够准确的指向目标点，该方法减轻了对天线安装布局的约束，且有利于提高指向精度。
附图说明
图1为本发明一种双轴天线转动角度计算方法流程图。
图2为一种双轴天线基准轴、随动轴、射频法线及目标点关系示意图。
图3为绕基准轴Ry转动后射频法线、目标点及Oyt系示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种双轴天线转动角度计算方法及装置做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1所示)：
图1是本发明一种双轴天线转动角度计算方法流程图。包括如下步骤：
1)确定地面站目标点的位置信息，双轴天线的安装信息以及射频法线的空间信息，其中，所述的安装信息包括基准轴的安装信息与随动轴的安装信息；
2)根据所述位置信息、所述安装信息以及所述空间信息计算从天线到所述目标点的矢量和天线射频法线与所述随动轴夹角相等时，所述基准轴的转动角度；
3)根据所述位置信息、所述安装信息、所述空间信息以及所述基准轴的转动角度，计算所述射频法线指向所述目标点时所述随动轴的转动角度。
4)输出基准轴、随动轴转动角度。
所述的步骤1)，如图2所示，输入信息包括：
(1.1)卫星坐标系下天线指向地面站目标点的矢量信息，其坐标为[xr,yr,zr]T(这里已经进行了归一化，即
Figure BDA0002789872760000061
)；如[0.1162,0.3487,0.93]T；(目标点的信息通常在大地固连坐标系下给出，需要根据卫星信息变换到整星坐标系下，变换方法属于公知常识不再赘述)
(1.2)天线转动机构基准轴的安装信息，不失一般性的，基准轴Ry平行于整星坐标系y轴，且穿过点[xp1,0,zp1]T(点[xp1,0,zp1]T的数值相对于地面站目标点为小量，通常在计算过程中忽略)，如[501mm,0mm,1800mm]T。天线绕Ry轴转动的角度定义为θ，θ为要求解的量。
(1.3)天线转动机构的随动轴安装信息：随动轴Rx随Ry的转动而转动，当Ry轴位于定义的初始零位时(θ＝0)，不失一般性的，Rx轴平行于整星坐标系x轴，且穿过点[0,yp2,zp2]T(点[0,yp2,zp2]T的数值相对于地面站为小量，通常在计算过程中忽略)，如[0mm,1600mm,1805mm]T；天线绕Rx轴转动的角度定义为
Figure BDA0002789872760000071
Figure BDA0002789872760000072
为要求解的量。
(1.4)天线射频法线的空间矢量信息：天线射频法线随Ry\Rx轴的转动而转动，当Ry/Rx均位于定义的初始零位时
Figure BDA0002789872760000073
天线射频法线的矢量，其坐标为[xt,yt,zt]T(这里已经进行了归一化，即
Figure BDA0002789872760000074
)；如[-0.3145,0.1048,0.9435]T
所述的步骤2)，如图3所示，具体步骤为：
(2.1)绕基准轴Ry转动后，令从天线到所述目标点的矢量和天线射频法线与所述随动轴夹角相等。这样就可以使得下次绕随动轴Rx转动后，天线射频法线可以指向目标点。
(2.2)根据空间变换关系，建立随基准轴Ry转动的随动坐标系Oyt，Oyt的定义为：
Oyt系的原点在Ry轴上，且在整星坐标系中的y向坐标为yp2(通常取0)，Oyt系的y轴与Ry轴重合，Oyt系的x轴随绕Ry的转动而转动，且始终平行于Rx轴，Oyt系的z轴按右手定则确认。
易知绕基准轴Ry转动θ后，天线到目标点的矢量在Oyt内的x坐标为cosθ*xr-sinθ*zr，亦为天线到所述目标点的矢量与随动轴的夹角余弦值，而天线射频法线的x坐标为xt，亦为天线射频法线与所述随动轴的夹角的余弦值。
(2.3)令两者x坐标相等。由此列出方程
xt＝cosθ*xr-sinθ*zr
工程应用中，转动量θ不超过±90°，即可解出唯一的θ，如θ＝26.7311°；
所述的步骤3)，具体步骤为：
(3.1)求解出θ后，可获得天线到目标点的矢量在Oyt内y,z向坐标，分别为yr,sinθ*xr+cosθ*zr；
(3.2)由此，计算所述射频法线转动至与从天线到目标点的矢量重合时，所述随动轴的转动角度。计算方法为求解下列公式：
Figure BDA0002789872760000081
Figure BDA0002789872760000082
Figure BDA0002789872760000083
不失一般性的，工程应用中认为转动量
Figure BDA0002789872760000084
不超过±90°，可以求得唯一的
Figure BDA0002789872760000085
如
Figure BDA0002789872760000086
所述的步骤4)，即输出θ＝26.7311°,
Figure BDA0002789872760000087
用于实际转动。
本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行图1所述的方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种双轴天线转动角度计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
在卫星坐标系下，确定地面站目标点的位置信息、双轴天线的安装信息以及射频法线的空间信息；所述的安装信息包括基准轴的安装信息与随动轴的安装信息；
根据所述位置信息、安装信息以及所述空间信息计算从天线到所述目标点的矢量和天线射频法线与所述随动轴夹角相等时，所述基准轴的转动角度；
根据所述位置信息、安装信息、空间信息以及基准轴的转动角度，计算所述射频法线指向所述目标点时所述随动轴的转动角度。
2.根据权利要求1所述的一种双轴天线转动角度计算方法，其特征在于，在所述卫星坐标系中，所述地面站目标点的位置信息通过从天线到目标点的矢量表示，矢量的坐标为[xr，yr，zr]T；
Figure FDA0002789872750000011
所述基准轴的安装信息包括：基准轴Ry平行于卫星坐标系y轴，天线绕所述基准轴Ry轴转动的角度定义为θ，θ的最小取值与最大取值之差不超过180°；
所述随动轴的安装信息包括：随动轴Rx随Ry的转动而转动，当Ry轴位于定义的初始零位时，Rx轴平行于卫星坐标系x轴；天线绕所述随动轴Rx轴转动的角度定义为
Figure FDA0002789872750000012
Figure FDA0002789872750000013
的最小取值与最大取值范围不超过180°；
所述射频法线的空间信息包括：天线反射面的射频法线随Ry/Rx轴的转动而转动，当Ry/Rx均位于定义的初始零位时，天线射频法线的矢量，在卫星坐标系内的坐标为[xt，yt，zt]T，
Figure FDA0002789872750000014
3.根据权利要求1所述的一种双轴天线转动角度计算方法，其特征在于：根据所述位置信息、所述安装信息以及所述空间信息计算从天线到所述目标点的矢量和天线射频法线与所述随动轴夹角相等时，所述基准轴的转动角度，包括：
通过如下公式计算所述基准轴的转动角度：
xt＝cosθ*xr-sinθ*zr，
其中，xt为天线射频法线与所述随动轴的夹角的余弦值；cosθ*xr-sinθ*zr为从天线到所述目标点的矢量在绕所述基准轴转动角度θ后，该矢量与所述随动轴的夹角的余弦值。
4.根据权利要求1所述的一种双轴天线转动角度计算方法，其特征在于：根据所述安装信息、所述空间信息以及所述基准轴的转动角度，计算所述射频法线指向所述目标点时所述随动轴的转动角度，包括：
建立随所述基准轴转动的随动坐标系Oyt；
根据所述的空间信息、求得的绕所述基准轴的转动角度θ，求得从天线到目标点的矢量在Oyt中的坐标；
根据所述从天线到目标点的矢量在Oyt中的坐标、所述射频法线的坐标计算所述随动轴的转动角度。
5.根据权利要求1所述的一种双轴天线转动角度计算方法，其特征在于：根据所述从天线到目标点的矢量在Oyt中的坐标、所述射频法线的坐标计算所述随动轴的转动角度，包括：
通过如下公式计算所述随动轴的转动角度
Figure FDA0002789872750000021
其中，sinθ*xr+cosθ*zr表示从天线到目标点的矢量在Oyt坐标系中的z轴坐标，m1，m2为计算中间变量。
6.一种双轴天线转动角度计算装置，其特征在于，包括：
确定单元，用于在卫星坐标系下，确定地面站目标点的位置信息，双轴天线的安装信息以及射频法线的空间信息，其中，所述的安装信息包括基准轴的安装信息与随动轴的安装信息；
第一计算单元，用于计算从天线到所述目标点的矢量和天线射频法线与所述随动轴夹角相等时，所述基准轴的转动角度；
第二计算单元，用于根据所述位置信息、所述安装信息、所述空间信息以及所述基准轴的转动角度，计算所述射频法线指向所述目标点时所述随动轴的转动角度。
7.根据权利要求6所述的一种双轴天线转动角度计算装置，其特征在于，在卫星坐标系中，地面站目标点的位置信息通过从天线到目标点的矢量表示，矢量的归一化坐标为[xr，yr，zr]T；
基准轴的安装信息包括：基准轴Ry平行于卫星坐标系y轴，天线绕基准轴Ry轴转动的角度定义为θ，θ的最小取值与最大取值范围不超过180°；
随动轴的安装信息包括：随动轴Rx随Ry的转动而转动，当Ry轴位于定义的初始零位时，Rx轴平行于卫星坐标系x轴；天线绕随动轴Rx轴转动的角度定义为
Figure FDA0002789872750000031
Figure FDA0002789872750000032
的最小取值与最大取值范围不超过180°；
射频法线的空间信息包括：天线反射面的射频法线随Ry/Rx轴的转动而转动，当Ry/Rx均位于定义的初始零位时，天线射频法线的矢量，在卫星坐标系内的归一化坐标为[xt，yt，zt]T。
8.根据权利要求6所述的一种双轴天线转动角度计算装置，其特征在于，根据位置信息、安装信息以及空间信息计算从天线到目标点的矢量和天线射频法线与随动轴夹角相等时，基准轴的转动角度，包括：
通过如下公式计算基准轴的转动角度：
xt＝cosθ*xr-sinθ*zr，
其中，xt为天线射频法线与随动轴的夹角的余弦值；cosθ*xr-sinθ*zr为从天线到目标点的矢量在绕基准轴转动角度θ后，该矢量与随动轴的夹角的余弦值；
根据安装信息、空间信息以及基准轴的转动角度，计算射频法线指向目标点时随动轴的转动角度，包括：
建立随基准轴转动的随动坐标系Oyt；
根据的空间信息、求得的绕基准轴的转动角度θ，求得从天线到目标点的矢量在Oyt中的坐标；
根据从天线到目标点的矢量在Oyt中的坐标、射频法线的坐标计算随动轴的转动角度；
根据从天线到目标点的矢量在Oyt中的坐标、射频法线的坐标计算随动轴的转动角度，包括：
通过如下公式计算随动轴的转动角度
Figure FDA0002789872750000041
其中，sinθ*xr+cosθ*zr表示从天线到目标点的矢量在Oyt坐标系中的z轴坐标，m1，m2为计算中间变量。
9.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～权利要求5任一所述方法的步骤。
10.一种双轴天线转动角度计算设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述的处理器执行所述的计算机程序时实现如权利要求1～权利要求5任一所述方法的步骤。
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