一种相对地面静止的相控阵卫星通信的波束指向设计方法技术

本发明专利技术公开了一种相对地面静止的相控阵卫星通信的波束指向设计方法，包括以下步骤：S1：在与相控阵天线相同的位置上，计算在相对地面静止时，抛物面天线的波束指向的方位角Az和俯仰角El；S2：确定相控阵天线的坐标系；S3：绘制相控阵天线与抛物面天线的位置关系图，并结合抛物面天线在相对地面静止时的方位角Az和俯仰角El，计算相控阵方位角Az

【技术实现步骤摘要】
一种相对地面静止的相控阵卫星通信的波束指向设计方法


[0001]本专利技术涉及相控阵天线卫星通信的
，更具体地，涉及一种相对地面静止的相控阵卫星通信的波束指向设计方法。

技术介绍

[0002]卫星通信具有覆盖范围广、传输距离远、通信容量大、传输质量好、组网灵活迅速和保密性高等众多优点，已成为当今极具竞争力的通信手段。
[0003]地面卫星天线与卫星通信的现阶段采用抛物面天线来进行通信，随着技术的发展，相对地面静止的相控阵天线在逐步取代抛物面天线来实现与卫星的通信连接。相控阵天线因其特有的优势，在卫星通信中得到了越来越广泛的应用。
[0004]抛物面天线为了实现运动中与卫星进行连续通信功能，所以在地面卫星天线上安装了惯导设备，抛物面天线根据惯导设备的信息不断的调整波束的方位角和俯仰角来实现在运动中与卫星的通信连接功能。而相控阵天线的波束指向设计原理是通过需要指向的角度来计算每一个天线通道对应的相位值，然后把每个通道对应的相位值写入对应通道的移相器中，以实现波束的指向。
[0005]由于抛物面天线与相控阵天线有区别，所以直接采用原有的基于抛物面天线的波束指向方位角和俯仰角的指向应用到相控阵天线上去，是不能够实现卫星通信的功能，所以在具体的工程实践中必须根据不同的相控阵指向坐标系来进行波束指向的角度变换。如何基于抛物面天线的信息计算出相控阵天线的波束指向，是相控阵天线在运行中，保持波束稳定的卫星指向，实现运动中与卫星通信的必要手段。

技术实现思路

[0006]本专利技术旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种相对地面静止的相控阵卫星通信的波束指向设计方法，用于解决如何计算相控阵天线在运动中的波束指向问题。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采取的技术方案是：
[0008]一种相对地面静止的相控阵卫星通信的波束指向设计方法，包括以下步骤：
[0009]S1：在与相控阵天线相同的位置上，计算在相对地面静止时，抛物面天线的波束指向的方位角Az和俯仰角El；
[0010]S2：确定相控阵天线所在的坐标系；
[0011]S3：绘制相控阵天线与抛物面天线的位置关系图，并结合抛物面天线在相对地面静止时的方位角Az和俯仰角El，计算相控阵方位角Az
’
和相控阵俯仰角El
’
，即得相控阵天线与卫星通信的波束指向。
[0012]进一步地，步骤S2中，当确定相控阵天线所在的坐标系，则可确定相控阵天线的方位角Az和俯仰角El位置，定义其为相控阵方位角Az
’
和相控阵俯仰角El
’
。
[0013]进一步地，步骤S1中，计算相对地面静止时，抛物面天线的波束指向的方位角Az和
俯仰角El的方法为：
[0014]S11：设定抛物面天线的地面站点的所在方位，并根据抛物面天线的地面站点与卫星之间的位置参数以及理论推导公式，计算地面站点的理论方位角Az1和理论俯仰角El1；所述理论俯仰角El1即为抛物面天线波束指向的俯仰角El；
[0015]S12：根据理论方位角Az的正负值，以及地面站点与卫星之间的位置参数，确定地面站点的实际方位，从而推导出地面站点的实际方位角Az2，所述实际方位角Az2即为抛物面天线的波束指向的方位角Az。
[0016]结合理论知识可知，经度是以地球上的本初子午线为0度经线算起，向东、西各分作180度，其中，地球上其他地点的经度是向东到180度或向西到180度。纬度是过椭球面上某点作法线，该点法线与赤道平面的线面角，其数值在0至90度之间。位于赤道以北的点的纬度叫北纬，记为N；位于赤道以南的点的纬度称南纬，记为S。
[0017]本技术方案中，理论方位角Az1和理论俯仰角El1为基于理论公式计算获得的方位角和俯仰角，为一具体数值；由于地球上的经度分为东经和西经的限制，因此所获得的理论方位角有正负之分，但在实际应用上，方位角为正值，且范围为360度，因此需要基于地面站点与卫星的经纬度关系，确定地面站点的实际位置，最终计算出抛物面天线的实际方位角Az2。
[0018]进一步地，步骤S11中，设定抛物面天线的地面站点所在方位的具体方法为：
[0019]以东北天或西南天两个坐标系中的其中一个坐标系，设定为抛物面天线的地面站点的所在坐标系，即抛物面天线的地面站点设定位于东北天坐标系上，或者设定位于西南天坐标系上。
[0020]进一步地，步骤S11中，所述地面站点与卫星之间的位置参数包括：
[0021]地面站点的经度long
e
；
[0022]地面站点的纬度lat
e
；
[0023]卫星的经度long
s
；
[0024]卫星的纬度lat
s
；
[0025]卫星与地面站点的距离d；
[0026]地球半径R
e
；
[0027]卫星到地心的长度R
s
；其中，R
s
＝地球半径R
e
+卫星高度；
[0028]卫星到地心与地面站点到地心的夹角γ；
[0029]理论方位角Az1的计算公式为：
[0030][0031]其中，c＝cos
‑1(sin(lat
s
)sin(lat
e
)+cos(lat
s
)cos(lat
e
)cos(long
s
‑
ong
e
))
[0032]理论俯仰角El1的计算公式为：
[0033][0034]其中，cos(γ)以及卫星与地面站点的距离d的计算方法为：
[0035]cos(γ)＝cos(lat
e
)cos(lat
s
)cos(long
s
‑
ong
e
)+sin(lat
e
)sin(lat
s
)
[0036][0037]根据上式即得抛物面天线在相对地面静止时的理论方位角Az1和理论俯仰角El1。
[0038]进一步地，步骤S12中，确定地面站点的实际方位，推导地面站点的实际方位角Az2和实际俯仰角El1的具体方法为：
[0039]假设设定抛物面天线的地面站点位于东北天天坐标系上，比较地面站点与卫星的经纬度大小，分为以下情况：
[0040]当地面站点与卫星的经纬度相同，即long
e
＝long
s
，lat
e
＝at
s
；说明此时卫星在地面站点的正上方，则实际方位角Az2＝理论方位角Az1＝0度；
[0041]当地面站点与卫星的经度相等，而地面站点的纬度大于卫星的纬度时，即long
e
＝long
s
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种相对地面静止的相控阵卫星通信的波束指向设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在与相控阵天线相同的位置上，计算在相对地面静止时，抛物面天线的波束指向的方位角Az和俯仰角El；S2：确定相控阵天线所在的坐标系；S3：绘制相控阵天线与抛物面天线的位置关系图，并结合抛物面天线在相对地面静止时的方位角Az和俯仰角El，计算相控阵天线在相对地面静止时的相控阵方位角Az
’
和相控阵俯仰角El
’
，即得相控阵天线与卫星通信的波束指向。2.根据权利要求1所述的一种相对地面静止的相控阵卫星通信的波束指向设计方法，其特征在于，步骤S1中，计算在相对地面静止时，抛物面天线的波束指向的方位角Az和俯仰角El的方法为：S11：设定抛物面天线的地面站点的所在方位，并根据抛物面天线的地面站点与卫星之间的位置参数，计算地面站点的理论方位角Az1和理论俯仰角El1；所述理论俯仰角El1即为抛物面天线波束指向的俯仰角El；S12：根据理论方位角Az1的正负值，以及地面站点与卫星之间的位置参数，确定地面站点的实际方位，从而推导出地面站点的实际方位角Az2，所述实际方位角Az2即为抛物面天线的波束指向的方位角Az。3.根据权利要求2所述的一种相对地面静止的相控阵卫星通信的波束指向设计方法，其特征在于，步骤S11中，设定抛物面天线的地面站点所在方位的具体方法为：以东北天或西南天两个坐标系中的其中一个坐标系，设定为抛物面天线的地面站点的所在坐标系，即抛物面天线的地面站点设定位于东北天坐标系上，或者设定位于西南天坐标系上。4.根据权利要求3所述的一种相对地面静止的相控阵卫星通信的波束指向设计方法，其特征在于，步骤S11中，所述地面站点与卫星之间的位置参数包括：地面站点的经度long
e
；地面站点的纬度lat
e
；卫星的经度long
s
；卫星的纬度lat
s
；卫星与地面站点的距离d；地球半径R
e
；卫星到地心的长度R
s
；其中，R
s
＝地球半径R
e
+卫星高度；卫星到地心与地面站点到地心的夹角γ；理论方位角Az1的计算公式为：其中，c＝cos
‑1(sin(lat
s
)sin(lat
e
)+cos(lat
s
)cos(lat
e
)cos(long
s
‑
ong
e
))理论俯仰角El1的计算公式为：
其中，cos(γ)以及卫星与地面站点的距离d的计算方法为：cos(γ)＝cos(lat
e
)cos(lat
s
)cos(long
s
‑
ong
e
)+sin(lat
e
)sin(lat
s
)根据上式即得抛物面天线在相对地面静止时的理论方位角Az1和理论俯仰角El1。5.根据权利要求3所述的一种相对地面静止的相控阵卫星通信的波束指向设计方法，其特征在于，步骤S12中，确定地面站点的实际方位，推导地面站点的实际方位角Az2的具体方法为：假设设定抛物面天线的地面站点位于东北天天坐标系上，比较地面站点与卫星的经纬度大小，分为以下情况：当地面站点与卫星的经纬度相同，即long
a
＝long
s
，lat
e
＝at
s
；说明此时卫星在地面站点的正上方，则实际方位角Az2＝理论方位角Az1＝0度；当地面站点与卫星的经度相等，而地面站点的纬度大于卫星的纬度时，即long
e
＝long
s
，lat
e
＞lat
s
；说明此时卫星与地面站点在同一经线上，且卫星在地面站点的正南方向，则实际方位角Az2＝180度；当地面站点与卫星的经度相等，而地面站点的纬度小于卫星的纬度时，即long
e
＝long
s
，lat
e
＜lat
s
；说明此时卫星与地面站点在同一经线上，且卫星在地面站点的正北方向，则实际方位角Az2＝0度；当地...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷鸣，陈涛，贾鹏程，孔翔鸣，
申请(专利权)人：广州程星通信科技有限公司，
类型：发明
国别省市：