一种卫星天线绕视轴旋转角度测量方法及系统技术方案

一种卫星天线绕视轴旋转角度测量方法，在卫星上设置三个馈源功率敏感器，在地面对应三个馈源视轴中心设置一个地面主信标站，天线视轴固定指向地面主信标站，其特征在于，在视轴中心波束覆盖地面范围内设置一个或者多个地面辅信标站，卫星馈源接收地面信标信号，接收信号功率是馈源中心和信标站之间距离的函数，通过测量信标站信号的功率计算出绕视轴旋转角度，本发明专利技术测量系统主要由地面主信标站、辅信标站和星上三个馈源功率敏感器组成，可测量卫星天线绕视轴旋转，用来校准多波束卫星天线的指向，并且当地面信标站只有一个时，可大大降低运算量。

A method and system for measuring the rotation angle of satellite antenna around the Los axis

A method for measuring the rotation angle of satellite antenna around the Los axis is provided. Three feed power sensors are arranged on the satellite, and a ground main beacon station is arranged in the three feed Los centers corresponding to the ground. The Los of the antenna is fixed to the ground main beacon station, which is characterized in that one or more ground auxiliary beacon stations are arranged within the range of the wave beam of the Los center covering the ground, and the satellite feed receives the ground Beacon signal, the received signal power is a function of the distance between the feed center and the beacon station, and the rotation angle around the Los axis is calculated by measuring the power of the beacon station signal. The measurement system of the invention is mainly composed of three feed power sensors on the ground main beacon station, auxiliary beacon station and the satellite, which can measure the rotation of the satellite antenna around the Los axis, used to calibrate the direction of the multi beam satellite antenna, and And when there is only one beacon station on the ground, the calculation amount can be greatly reduced.

【技术实现步骤摘要】
一种卫星天线绕视轴旋转角度测量方法及系统
本专利技术属于卫星天线
，涉及其指向测量，特别涉及一种卫星天线绕视轴旋转角度测量方法及系统。
技术介绍
地球静止轨道(GEO)卫星通常工作在小倾角轨道，即卫星环绕地球的轨道就在地球赤道平面上并且与地球运行的方向一致。通过姿态偏置控制可以维持卫星多波束天线的中心视轴对地指向点固定。当卫星天线发生绕视轴旋转时，会造成除视轴外的其他波束发生指向偏移，影响卫星多波束资源的使用。图1给出了发生绕视轴旋转的卫星天线波束指向，每个波束指向地面蜂窝覆盖模式中的一个特定小区域，如实心圆圈所示，当发生绕视轴旋转时，位于视轴中心的波束覆盖面积没有变化，非视轴波束偏离实际覆盖面积由虚线圆圈表示。关于卫星天线指向测量的公开文献很少，在已知的文献中，介绍了一种利用地面信标站和星上馈源功率敏感器测量天线指向的方法，即在星上三个馈源视轴中心设立一个地面信标站，通过测量三个馈源接收到地面信标站的信号功率计算卫星天线指向，但这种方法只能测量馈源视轴中心偏离地面信标站的情况，用于维持卫星波束天线的中心视轴对地固定指向该信标站，适用于单波束卫星。对于多波束卫星，如果只使用视轴中心的地面信标测量天线指向，即使发生绕视轴旋转，也不改变接收地面信标信号的强度，不能测出绕视轴旋转角度。如果利用除视轴外的其他波束接收地面信标信号测量绕视轴旋转角度，由于视轴外的其他波束的波束中心以天为单位，进行周期性移动，波束指向位置偏移很远，导致信标站超出波束覆盖范围，因此很难和某一地面信标站建立持续有效的通信。>
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种卫星天线绕视轴旋转角度测量方法及系统，在视轴中心波束覆盖地面范围内再增加一个或多个信标站，辅助测量绕视轴旋转角度。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种卫星天线绕视轴旋转角度测量方法，在卫星上设置三个馈源功率敏感器，在地面对应三个馈源视轴中心设置一个地面主信标站，天线视轴固定指向地面主信标站，其特征在于，在视轴中心波束覆盖地面范围内设置一个或多个地面辅信标站，卫星馈源接收地面信标信号，接收信号功率是馈源中心和信标站之间距离的函数，通过测量信标站信号的功率计算出绕视轴旋转角度。所述三个馈源功率敏感器两两之间距离相等，且三个馈源功率敏感器与地面主信标站的距离均相等。本专利技术还提供了一种卫星天线绕视轴旋转角度测量系统，包括：设置在卫星上的三个馈源功率敏感器；设置在地面上且对应三个馈源视轴中心的一个地面主信标站，其中天线视轴固定指向地面主信标站；以及，设置在地面上且在视轴中心波束覆盖地面范围内的一个或多个地面辅信标站；卫星馈源接收地面信标信号，接收信号功率是馈源中心和信标站之间距离的函数，通过测量信标站信号的功率计算出绕视轴旋转角度。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)可测量卫星天线绕视轴旋转，用来校准多波束卫星天线的指向。2)当地面信标站只有一个时，只需较少运算量即可实现上述目的。附图说明图1是绕视轴旋转时波束覆盖图。图2是本专利技术绕视轴旋转几何图。具体实施方式下面结合附图和实施例详细说明本专利技术的实施方式。卫星天线绕视轴旋转角度测量系统，包括：设置在卫星上的三个馈源功率敏感器；设置在地面上且对应三个馈源视轴中心的一个地面主信标站，其中天线视轴固定指向地面主信标站；以及，设置在地面上且在视轴中心波束覆盖地面范围内的一个或多个地面辅信标站；卫星馈源接收地面信标信号，接收信号功率是馈源中心和信标站之间距离的函数，通过测量信标站信号的功率计算出绕视轴旋转角度。如图2所示，天线视轴固定指向地面主信标站1，天线上A、B、C三个馈源与地面主信标站1的距离相同。给定地面主信标站位置为B1:(xc1,yc1)＝(0,0)，三个馈源的初始地理位置分别为：其中，L＝0.5°是波束的直径，经验表明，当馈源和信标站偏差小于波束的直径0.5°时，信标站到每个馈源的距离r与馈源接收功率Power满足：r2与1-Power近似呈线性关系。图2实线显示了卫星天线发生绕视轴旋转时的位置，如图所示，给定当前波束绕视轴旋转角度θ，旋转之后三个馈源功率敏感器的地理位置分别为：设地面辅信标站的位置为(xc2,yc2)，地面辅信标站到每个馈源的距离ri表示为：将地面辅信标站的位置代入旋转之后三个馈源功率敏感器的地理位置公式，即得当前波束绕视轴旋转角度θ。地面辅信标站位置的选择应有利于根据卫星测量接收的信标站信号的功率比较准确地计算出绕视轴旋转角度θ，其选择需满足：1)、发生绕视轴旋转时，馈源距离地面辅信标站距离始终小于0.5°，否则不满足r2与1-Power近似呈线性关系，就不能直接由接收功率计算馈源中心和信标站之间的距离。2)、当发生绕视轴旋转时，不同馈源到地面辅信标站的距离差异尽可能大，这样更能准确地计算出绕视轴旋转角度θ。按照这个原则，经过公式推导得到辅信标站的最佳位置有三个，分别相对于三个馈源位置对称，分别为和以为例，通过代入(2)和(3)式，可以确定当前波束绕视轴旋转角度：类似地，时：时：当馈源和信标站偏差小于波束的直径0.5°时，r2与1-Power近似呈线性关系：r2＝α(1-Power(r))(7)式中，α是r2关于归一化功率曲线的斜率，当馈源中心正对着信标站时，r＝0，接收的信标站信号功率最大，以这个功率的倒数作为归一化因子，则归一化后r＝0时接收功率为1；当r＝0.5°时，接收功率为0，代入(7)式可得通过射频敏感器测量辅信标站信号的接收功率，利用式(7)计算馈源中心和地面辅信标站之间距离，再根据(4)-(6)式利用距离计算绕视轴旋转角度θ，如果设置了多个地面辅信标站，可以分别按照(4)-(6)式计算绕视轴旋转角度再对这些角度求平均作为最终结果。在实际调整中，并不需要得到绕视轴旋转角度θ的闭式解，从反馈控制的角度来看，只需要求出调整方向和大致的调整量，使偏移误差越来越小，最终将天线波束调整到所需角度。但提高计算精度可以提高调整的速度，为了提高精确度，可用cosθ判断旋转角度是否超过而主要利用sinθ计算旋转角度的大小。本专利技术中，地面信标站也可以设置多个，分别计算旋转角度，再求平均，但这样系统设备更多、计算复杂度更高。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种卫星天线绕视轴旋转角度测量方法，在卫星上设置三个馈源功率敏感器，在地面对应三个馈源视轴中心设置一个地面主信标站，天线视轴固定指向地面主信标站，其特征在于，在视轴中心波束覆盖地面范围内设置一个或者多个地面辅信标站，卫星馈源接收地面信标信号，接收信号功率是馈源中心和信标站之间距离的函数，通过测量信标站信号的功率计算出绕视轴旋转角度。/n

【技术特征摘要】
1.一种卫星天线绕视轴旋转角度测量方法，在卫星上设置三个馈源功率敏感器，在地面对应三个馈源视轴中心设置一个地面主信标站，天线视轴固定指向地面主信标站，其特征在于，在视轴中心波束覆盖地面范围内设置一个或者多个地面辅信标站，卫星馈源接收地面信标信号，接收信号功率是馈源中心和信标站之间距离的函数，通过测量信标站信号的功率计算出绕视轴旋转角度。


2.根据权利要求1所述卫星天线绕视轴旋转角度测量，其特征在于，所述三个馈源功率敏感器两两之间距离相等，且三个馈源功率敏感器与地面主信标站的距离均相等。


3.根据权利要求2所述卫星天线绕视轴旋转角度测量，其特征在于，给定地面主信标站位置为B1:(xc1,yc1)＝(0,0)，三个馈源功率敏感器的初始地理位置分别为：









其中，L＝0.5°是波束的直径；
给定当前波束绕视轴旋转角度θ，旋转之后三个馈源功率敏感器的地理位置分别为：









地面辅信标站的位置为(xc2,yc2)，地面辅信标站到每个馈源的距离ri表示为：









将地面辅信标站的位置代入旋转之后三个馈源功率敏感器的地理位置公式，即得当前波束绕视轴旋转角度θ。


4.根据权利要求3所述卫星天线绕视轴旋转角度测量，其特征在于，所述地面辅信标站位置的选择需要满足：
1)、发生绕视轴旋转时，馈源距离辅信标站距离始终小于0.5°；
2)、当发生绕视轴旋转时，不同馈源到地面辅信标站的距离差异尽可能大，以更准确地计算出绕视轴旋转角度。


5.根据权利要求3所述卫星天线绕视轴旋转角度测量，其特征在于，所述地面辅信标站的最佳位置有三个，分别相对于三个馈源位置对称...

【专利技术属性】
技术研发人员：张秀军，赵明，肖立民，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11