一种基于相控阵天线的定位定向装置及方法制造方法及图纸

一种基于相控阵天线的定位定向装置及方法，基于天线波束控制模块利用惯性测量组件辅助，通过搜索完成通信卫星捕获和粗跟踪；相控阵天线四个子阵的输出结合单脉冲接收机，共同实现相控阵天线波束精确跟踪通信卫星；基于相控阵天线波束精确指向信息和相控阵天线在运动载体安装位置偏差，获得运动载体精确位置和航向信息。本发明专利技术还提供了相应的定位定向装置，包含相控阵天线、惯性测量组件或惯性导航系统、天线波束控制模块、多普勒频移跟踪模块、定位定向计算模块、GNSS模块。可实现在GNSS导航定位系统受干扰失效的情况下，为车辆、舰船、飞机、导弹等运动载体提供满足定位和定向功能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相控阵天线的定位定向装置及方法


[0001]本专利技术属于运动平台定位定向
，特别涉及一种基于相控阵天线的定位定向装置及方法。

技术介绍

[0002]目前车辆、舰船、飞机、导弹等运动载体普遍采用惯性、卫星以及各种组合导航技术。然而GPS/BD等导航定位系统由于导航终端普遍采用全向天线、扩频信号体制、星地距离远等原因，非常容易被干扰和欺骗。在复杂环境和对抗环境下，运动载体不能仅依赖卫星导航作为手段。惯性导航方式可以实现自主导航，但其误差会随时间积累，对于长时间、高精度导航来说其精度难以满足要求。当前无人系统发展迅速，智能化程度越来越高，对高精度抗干扰导航要求非常迫切。
[0003]申请人于2021
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07
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26提交了申请号为202110845079.8的中国专利技术专利，其涉及一种基于定向天线和多普勒信息的运动载体导航方法和装置。能够实现在GPS/BD等导航定位系统失效的情况下，利用地球同步通信卫星等固定或移动信标的位置和信标信号，提供车辆、舰船、飞机、导弹等运动载体的一定精度导航定位信息。但该专利存在以下不足：一是该专利提出的方法中运动载体的定位精度与IMU系统的精度、天线波束对准卫星精度、以及多普勒频移测量精度深度相关，其中天线波束对准卫星精度引起最终的定位误差较大；二是针对车辆、舰船、飞机、导弹等运动平台在某些应用场景中对运动载体的定向精度要求非常高，虽然该专利给出方法可以给出运动载体的定向信息，即定向波束对准卫星时输出的方位角。但该方位角精度一般情况下难以满足武器装备平台高精度测向等特殊应用场景的需要，核心原因在于天线波束对准卫星精度引起的误差。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的缺点，针对运动载体高精度的定位、定向需求，本专利技术的目的在于提供一种基于相控阵天线的定位定向装置及方法，相对于专利202110845079.8基于定向天线和多普勒信息的运动载体导航方法，采取了跟踪接收机或者单脉冲接收机实现天线波束更精确的对准卫星，提供了天线波束控制模块控制天线波束精确对准通信卫星的新的方法，能够实现在GNSS等导航定位系统失效的情况下，利用地球同步通信卫星等的位置和信号，在运动载体上进行信号处理，从而实现低成本的应急定位和定向，满足车辆、舰船、飞机、导弹等运动载体的导航需要，尤其可以满足类似武器装备平台高精度测向等应用需求。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种基于相控阵天线的定位定向装置，包含：相控阵天线、惯性测量组件或惯性导航系统、天线波束控制模块、多普勒频移跟踪模块、定位定向计算模块，其特征在于：
[0007]相控阵天线：安装于运动载体上，包含四个天线子阵，分别对应四个输出通道。四个天线子阵用于共同形成具有明显方向性的天线波束。
[0008]惯性测量组件或者惯性导航系统：搭载于运动载体，用于获取运动载体的运动信息，即运动载体经纬度信息、运动载体姿态角以及姿态角变化率；
[0009]天线波束控制模块：搭载于运动载体，利用运动载体经纬度信息、运动载体姿态角以及通信卫星位置确定相控阵天线的方位角、俯仰角，并利用接收机控制波束调整，实现相控阵天线精准对通信卫星；
[0010]多普勒频移跟踪模块：搭载于运动载体，完成通信卫星信标或载波信号的滤波、处理和多普勒频率跟踪，获得多普勒频移信息；
[0011]定位定向计算模块：搭载于运动载体，根据相控阵天线对准信标时的运动载体姿态角及姿态角偏差、通信卫星位置信息、运动载体接收到的信号多普勒频率信息，修正惯性测量组件或者惯性导航系统的误差，输出修正后的运动载体位置信息和航向信息。
[0012]本专利技术还可包括：GNSS模块，用于在GNSS信号可用时获取运动载体的位置。
[0013]在上述基于相控阵天线的定位定向装置应用平台也即运动载体可为导弹、飞机、舰船、炮弹或车辆，所述通信卫星可为GEO、MEO或LEO卫星。所述相控阵天线可以为机械相控阵多波束天线、半导体相控阵天线、超材料相控阵天线、光学相控阵天线或DBF相控阵天线。相控阵天线的主瓣用于接收信号，主瓣的宽度尽量窄并且增益高，天线覆盖频率应当能够满足接收跟踪信标信号的要求，副瓣应尽可能小以增强抗干扰性。
[0014]在天线波束控制模块组成中，所述实现精确波束控制的接收机为单脉冲接收机或者跟踪接收机。如果是单脉冲接收机可以为测幅体制或测相体制，能够分别接收四个子阵天线的输出信号，按照单脉冲测向原理给出天波波束方位角、俯仰角更精确偏差；如果接收机为信标跟踪接收机接收整个相控阵天线信号，并按照信号能量最大的原则辅助天线波束控制模块控制波束调整，实现相控阵天线精准对通信卫星。
[0015]本专利技术的实施例中，多普勒频移跟踪模块接收整个天线波束获得的通信卫星信标或载波信号，并测量获得信号中由于运动载体运动带来的多普勒频率信息，输出给定位定向计算模块进行融合。
[0016]专利技术给出了一种基于相控阵天线的运动载体定位方法，包括以下步骤：
[0017]A1：已知运动载体的精确初始位置(GNSS信号可用时由GNSS模块提供)、固定或者移动的通信卫星位置信息，所述运动载体搭载有相控阵天线；
[0018]A2：基于所述天线波束控制模块利用惯性测量组件或惯性导航系统辅助，在运动载体的运动过程中保持相控阵天线波束始终对准通信卫星，输出对准时的运动载体姿态角及姿态角偏差；
[0019]A3：利用多普勒频移跟踪模块接收相控阵天线获得的卫星信标或载波信号，并测量获得信号中由于运动载体运动带来的多普勒频率信息；
[0020]A4：基于相控阵天线对准通信卫星时运动载体姿态角及姿态角偏差、卫星位置信息以及运动载体接收到的信号多普勒频率信息，定位定向计算模块修正惯性测量组件或者惯性导航系统的误差，最后输出修正后的运动载体导航位置信息。
[0021]上述步骤中的A2步骤，可以分为下步骤：
[0022]A2.1：在运动载体的运动过程中，在惯性测量组件或惯性导航系统的辅助下，获得运动载体的运动信息，即运动载体的经纬度信息、姿态角以及姿态角变化率；
[0023]A2.2：利用运动载体的经纬度信息、姿态角以及信标位置确定相控阵天线的天线
波束在地理系的方位角A、俯仰角E、极化角V，并利用天线波束控制模块实现波束调整，使相控阵天线初步对向卫星，实现通信卫星信号的捕获；
[0024]A2.3：相控阵天线捕获到卫星信号后，利用接收机精对准信标，完成卫星稳定跟踪，并得到精对准时相控阵天线的天线波束在地理系实际的方位角A
T
与俯仰角E
T
；
[0025]A2.4：实现波束跟踪后，根据方位角和俯仰角控制偏差信号，获得姿态角偏差，所述姿态角偏差即方位角A、俯仰角E与实际的方位角A
T
、俯仰角E
T
之间的偏差。
[0026]上述A2.3步骤中，分为以下两种情况：天线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相控阵天线的定位定向装置，其特征在于，包括：相控阵天线，安装于运动载体上，包含四个天线子阵，分别对应四个输出通道，四个天线子阵用于共同形成具有明显方向性的天线波束；惯性测量组件或者惯性导航系统，搭载于运动载体，用于获取运动载体的运动信息，即运动载体经纬度信息、运动载体姿态角以及姿态角变化率；天线波束控制模块，搭载于运动载体，利用运动载体经纬度信息、运动载体姿态角以及通信卫星位置确定相控阵天线的方位角、俯仰角，并利用接收机控制波束调整，实现相控阵天线精准对通信卫星；多普勒频移跟踪模块，搭载于运动载体，完成通信卫星信标或载波信号的滤波、处理和多普勒频率跟踪，获得多普勒频移信息；定位定向计算模块，搭载于运动载体，根据相控阵天线对准信标时的运动载体姿态角及姿态角偏差、通信卫星位置信息、运动载体接收到的信号多普勒频率信息，修正惯性测量组件或者惯性导航系统的误差，输出修正后的运动载体位置信息和航向信息。2.根据权利要求1所述基于相控阵天线的定位定向装置，其特征在于，所述运动载体为导弹、飞机、舰船、炮弹或车辆，所述通信卫星为GEO、MEO或LEO卫星，所述相控阵天线为机械相控阵多波束天线、半导体相控阵天线、超材料相控阵天线、光学相控阵天线或DBF相控阵天线。3.根据权利要求1所述基于相控阵天线的定位定向装置，其特征在于，所述相控阵天线方位角零位与运动载体的方向零位重合，测量并记录安装误差，相控阵天线的主瓣用于接收信号，主瓣的宽度尽量窄并且增益高，天线覆盖频率能够满足接收跟踪信标信号的要求，副瓣尽可能小以增强抗干扰性。4.根据权利要求1所述基于相控阵天线的定位定向装置，其特征在于，所述天线波束控制模块利用单脉冲接收机或者跟踪接收机实现精确波束控制，所述单脉冲接收机为测幅体制或测相体制，能够分别接收四个子阵天线的输出信号，按照单脉冲测向原理给出天波波束方位角、俯仰角更精确偏差；所述跟踪接收机接收整个相控阵天线信号，并按照信号能量最大的原则辅助天线波束控制模块控制波束调整，实现相控阵天线精准对通信卫星。5.根据权利要求1所述基于相控阵天线的定位定向装置，其特征在于，还包括：GNSS模块，用于在GNSS信号可用时获取运动载体的位置。6.利用权利要求1所述基于相控阵天线的定位定向装置的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：A1：已知运动载体的精确初始位置、固定或者移动的通信卫星位置信息，所述运动载体搭载有相控阵天线；A2：基于所述天线波束控制模块，利用惯性测量组件或惯性导航系统辅助，在运动载体的运动过程中保持天线波束始终对准通信卫星，输出对准时的运动载体姿态角及姿态角偏差；A3：利用多普勒频移跟踪模块接收相控阵天线获得的卫星信标或载波信号，并测量获得信号中由于运动载体运动带来的多普勒频率信息；A4：基于相控阵天线对准通信卫星时运动载体姿态角及姿态角偏差、卫星位置信息以及运动载体接收到的信号多普勒频率信息，定位定向计算模块修正惯性测量组件或者惯性
导航系统的误差，最后输出修正后的运动载体导航位置信息。7.根据权利要求6所述定位方法，其特征在于，所述A2中，包括以下步骤：A2.1：在运动载体的运动过程中，在惯性测量组件或惯性导航系统的辅助下，获得运动载体的运动信息，即运动载体的经纬度信息、姿态角以及姿态角变化率；A2.2：利用运动载体的经纬度信息、姿态角以及信标位置确定相控阵天线的天线波束在地理系的方位角A、俯仰角E、极化角V，并利用天线波束控制模块实现波束调整，使相控阵天线初步对向卫星，实现通信卫星信号的捕获；A2.3：相控阵天线捕获到卫星信号后，利用接收机精对准信标，完成卫星稳定跟踪，并得到精对准时相控阵天线的天线波束在地理系实际的方位角A
T
与俯仰角E
T
；A2.4：实现波束跟踪后，根据方位角和俯仰角控制偏差信号，获得姿态角偏差，所述姿态角偏差即方位角A、俯仰角E与实际的方位...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭金库，龙正平，
申请(专利权)人：西安大衡天成信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：