便攜衛(wèi)星天線精確定位研究

王 民 冉 莉

南京中網(wǎng)衛(wèi)星通信股份有限公司，江蘇南京 210032

便攜衛(wèi)星天線精確定位研究

王 民 冉 莉

南京中網(wǎng)衛(wèi)星通信股份有限公司，江蘇南京 210032

便攜衛(wèi)星天線能否迅速準(zhǔn)確地對(duì)星是便攜應(yīng)急通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，傳統(tǒng)的方法難于同時(shí)解決對(duì)星系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，提出了以空間坐標(biāo)變換的理論來(lái)求解衛(wèi)星在天線載體坐標(biāo)系下的位置角度，并運(yùn)用基于IGRF和GPS的磁偏角計(jì)算方法，來(lái)修正天線航向角。實(shí)際應(yīng)用證明，該方法能夠提高對(duì)星的速度和準(zhǔn)確度，具有很好的可行性。

空間坐標(biāo)變換；國(guó)際地磁參考場(chǎng)（IGRF）；磁偏角修正；天線三大角度

引言

為了應(yīng)對(duì)諸如森林火險(xiǎn)、消防安全、電視轉(zhuǎn)播等突發(fā)事件中的應(yīng)急通信，機(jī)動(dòng)、靈活的衛(wèi)星通信系統(tǒng)不可或缺，便攜衛(wèi)星通信將是理想的選擇。為保證通信單元的工作，首先衛(wèi)星天線要能快速、準(zhǔn)確的對(duì)準(zhǔn)所需衛(wèi)星。所以對(duì)便攜衛(wèi)星天線精確定位的研究有非常重要的意義。

本文提出基于空間坐標(biāo)變換的理論，及運(yùn)用基于IGRF和GPS的磁偏角計(jì)算方法修正到、天線初始航向角。使天線定位更加快速、準(zhǔn)確。

1 天線三大理論角

由GPS測(cè)得天線所在地的經(jīng)緯度后，天線的方位角、俯仰角和極化角可由以下經(jīng)驗(yàn)公式求得[1]：

天線方位角計(jì)算公式是：

上述公式中的Ψs為衛(wèi)星的經(jīng)度，Ψg是天線所在地的經(jīng)度，θ是天線所在地的緯度，所計(jì)算出的方位

角是以正南方向?yàn)榛鶞?zhǔn)的。

公式(1-1)計(jì)算出的A>0，則天線的指向?yàn)槟掀珫|；A<0，則天線的指向?yàn)槟掀鳌５乩碜鴺?biāo)系下的天線方位角為：

2 空間坐標(biāo)變換

2.1 天線對(duì)星轉(zhuǎn)角問(wèn)題

由于應(yīng)急通信車不可能總是停在水平面上，所以天線所在平面與水平地面存在不固定的夾角。使用上面所計(jì)算出的方位角、俯仰角、極化角，來(lái)控制天線就不一定能對(duì)準(zhǔn)所需的衛(wèi)星。如果能把衛(wèi)星的上述3個(gè)角度轉(zhuǎn)化為相對(duì)天線所在平面的角度，那么就很容易控制天線轉(zhuǎn)到衛(wèi)星所在位置，下面詳細(xì)探討了以空間坐標(biāo)變換的方法來(lái)計(jì)算衛(wèi)星在天線載體坐標(biāo)系下的位置角度。

2.2 載體坐標(biāo)系下的衛(wèi)星天線方位角、俯仰角

針對(duì)上述2.1問(wèn)題為了準(zhǔn)確對(duì)星，必須要把地理坐標(biāo)系變換到載體坐標(biāo)系上。天線底座固連在載體上，所以選擇載體坐標(biāo)系為：天線展開(kāi)時(shí)的正前方為X軸的正向，垂直于天線底座上方為Z軸正向，以Z軸為轉(zhuǎn)軸，按右手法則確定Y軸方向。

地理坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)系的空間變換可分解3次旋轉(zhuǎn)變換（旋轉(zhuǎn)過(guò)程遵循右手法則）[2]。首先地理坐標(biāo)系繞Zg軸旋轉(zhuǎn)εz角，使地理坐標(biāo)系的Xg軸和載體坐標(biāo)系的XC重合，再繞地理坐標(biāo)系的Xg軸旋轉(zhuǎn)εx角，使地理坐標(biāo)系的Yg軸與載體坐標(biāo)系的Yc軸重合，最后，繞地理坐標(biāo)系的Yg軸旋轉(zhuǎn)εy角，使地理坐標(biāo)系的Zg軸和載體坐標(biāo)系的Zc軸重合。

圖3 坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)示意圖

地理坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)系的變換矩陣：

若地理坐標(biāo)系下坐標(biāo)(Xg,Yg,Zg)，載體坐標(biāo)系下同一點(diǎn)的坐標(biāo)為(X,Y,Z)則得到

3 基于IGRF和GPS的磁偏角修正

針對(duì)磁偏角對(duì)電子羅盤(pán)航向角測(cè)量的影響，給出基于IGRF和GPS的磁偏角計(jì)算方法。

國(guó)際地磁參考場(chǎng)IGRF是國(guó)際地磁和高空物理協(xié)會(huì)于1970年制定的國(guó)際統(tǒng)一地磁模型。該模型基于高斯提出的理論，用球諧級(jí)數(shù)表示地磁基本場(chǎng)。IGRF是一張數(shù)表，包括球諧級(jí)數(shù)系數(shù)和系數(shù)年變化率，表上的參數(shù)為不同國(guó)家提出四種模型系數(shù)的加權(quán)平均值，每5年根據(jù)最新的測(cè)磁數(shù)據(jù)做一次更新。應(yīng)用時(shí)，根據(jù)當(dāng)前時(shí)間和系數(shù)年變化率求出當(dāng)前時(shí)刻的級(jí)數(shù)系數(shù)，再把當(dāng)前地點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和高度一同代入球諧級(jí)數(shù)，即可以求出該時(shí)該地的地磁偏角。

IGRF將地球上某一點(diǎn)Q處的磁位U表示為如下的球諧級(jí)數(shù)[3-4]：

將Q點(diǎn)的磁位U對(duì)相應(yīng)的坐標(biāo)微分，可求得沿坐標(biāo)軸x、y和z的場(chǎng)強(qiáng)分量如下[5]：

其中經(jīng)度、緯度和高度由GPS獲得。

4 結(jié)語(yǔ)

便攜衛(wèi)星天線的準(zhǔn)確對(duì)星是便攜應(yīng)急通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵一環(huán)，本文對(duì)便攜衛(wèi)星天線自動(dòng)對(duì)星系統(tǒng)中的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了探討，提出了以空間坐標(biāo)變換的理論來(lái)求解衛(wèi)星在天線載體坐標(biāo)系下的位置角度，和基于IGRF和GPS的磁偏角計(jì)算方法，來(lái)修正天線航向角，提高了對(duì)星的速度和準(zhǔn)確度。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，運(yùn)用該理論方法完全可以精確對(duì)準(zhǔn)所需衛(wèi)星。

[1]王秉鈞等.現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004

[2]朱華統(tǒng)，楊元喜，呂志平.GPS坐標(biāo)系統(tǒng)的變換[M].北京：測(cè)繪出版社出版，1994

TP301.6

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2013.07.044

王民(1978-).男，河南駐馬店人，南京中網(wǎng)衛(wèi)星通信股份有限公司，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程。