石　彬，向東游，趙伊寧

(1.中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001；2.北京機(jī)電工程研究所， 北京 100074；3.中國(guó)人民解放軍裝備學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，北京 101416)

應(yīng)用于同步衛(wèi)星通信的相控陣天線波束切換算法研究

石彬1，向東游2，趙伊寧3

(1.中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001；2.北京機(jī)電工程研究所， 北京 100074；3.中國(guó)人民解放軍裝備學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，北京 101416)

摘要：提出了一種基于“地球系—地理系—載體系”的三坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法，解決了相控陣天線實(shí)時(shí)波束切換的需求，實(shí)現(xiàn)了搭載該相控陣天線的無(wú)人飛行器可在任意位置和任意姿態(tài)角與同步衛(wèi)星進(jìn)行不間斷通信。通過數(shù)值模擬，證明該算法基本滿足設(shè)計(jì)需求，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：相控陣天線；波束切換；衛(wèi)星通信

當(dāng)今電子技術(shù)突飛猛進(jìn)，在軍用和民用科技領(lǐng)域都得到了極大的發(fā)展。目前，車載預(yù)警雷達(dá)、無(wú)線通信以及射頻識(shí)別等技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用對(duì)天線的要求越來(lái)越高，尤其是對(duì)天線方向圖靈活控制的需求越來(lái)越大，而相控陣天線所具有的對(duì)波速的靈活控制以及快速掃描等優(yōu)點(diǎn)很好地適應(yīng)了這種需求[1]。

本文以某大型無(wú)人飛行器所搭載的無(wú)源相控陣天線作為研究對(duì)象。該大型無(wú)人飛行器與固定的地球同步軌道衛(wèi)星進(jìn)行通信，采用相控陣天線實(shí)現(xiàn)飛行器任意位置、任意姿態(tài)飛行過程中其天線輻射波束始終覆蓋該同步衛(wèi)星，保證兩者之間的不間斷通信需求。該無(wú)源相控陣天線具有8個(gè)天線陣元，每個(gè)天線陣元在飛行器軸向上的輻射波束以40°為步長(zhǎng)，總覆蓋范圍為-80°～80°。在飛行器徑向上的輻射波束范圍為45°，8個(gè)天線陣元圍繞飛行器徑向一周安裝，實(shí)現(xiàn)飛行器徑向360°全覆蓋。

本文提出了一種切換算法， 實(shí)現(xiàn)相控陣天線的波束指向隨著飛行過程中飛行器與同步衛(wèi)星相對(duì)位置的變化，以及飛行器自身姿態(tài)的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)切換。

1涉及的幾個(gè)坐標(biāo)系

1.1地球直角坐標(biāo)系(e系)

坐標(biāo)軸用XeYeZe表示，原點(diǎn)在地球中心，Ze軸位于地軸北極，Xe軸位于赤道平面指向格林威治子午線，Ye軸位于赤道平面指向90°E[2]。該坐標(biāo)系與地球固聯(lián)隨地球轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2地理直角坐標(biāo)系(g系)

坐標(biāo)軸用XgYgZg表示，原點(diǎn)位于載體質(zhì)心，采用“北天東”系，Xg軸指向北，Yg指向天，Zg指向東。該坐標(biāo)系原點(diǎn)位置代表載體位置。

1.3載體直角坐標(biāo)系(b系)

坐標(biāo)軸用XbYbZb表示，原點(diǎn)位于載體質(zhì)心，Xb指向載體縱軸方向，Yb指向載體豎軸方向，Zb軸指向載體右翼。載體直角坐標(biāo)系與載體固聯(lián)，并隨載體姿態(tài)變動(dòng)而變動(dòng)[3]。

載體直角坐標(biāo)系與地理直角坐標(biāo)系的相同點(diǎn)是原點(diǎn)都位于載體質(zhì)心，不同點(diǎn)是載體直角坐標(biāo)系與載體固聯(lián)，隨著載體姿態(tài)的變換而變化。

1.4姿態(tài)角定義約定

飛行器姿態(tài)角以載體坐標(biāo)系為基礎(chǔ)進(jìn)行定義，包括俯仰角θs、航向角ψs和滾轉(zhuǎn)角γs。俯仰角θs是飛行器縱軸 OXb與水平面XgOZg之間的夾角，縱軸位于水平面之上為正；航向角ψs是飛行器縱軸OXb在水平面XgOZg上的投影與OXg之間的夾角，由OXg軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)向飛行器縱軸OXb的投影線時(shí)為正；滾轉(zhuǎn)角γs是OYb與包含飛行器縱軸OXb的鉛垂面之間的夾角，從飛行器尾部順OXb軸向前看，若OYb位于鉛垂面的右側(cè)，則滾轉(zhuǎn)角為正。

2算法思路

波束切換算法的主要功能是實(shí)時(shí)計(jì)算衛(wèi)星相對(duì)飛行器位置及姿態(tài)的二維方位角度，即徑向角度α和軸向角度β，再根據(jù)角度切換天線相位。二維方位角的定義如圖1所示。

圖1　衛(wèi)星相對(duì)飛行器位置及姿態(tài)的二維方位角定義

同步衛(wèi)星相對(duì)地球靜止，因此描述無(wú)人飛行器位置(經(jīng)度λm、緯度φm、海拔hm)及衛(wèi)星位置(經(jīng)度λs、緯度φs、海拔hs)可以以地球坐標(biāo)系為統(tǒng)一的參考坐標(biāo)系 ?？紤]到飛行器姿態(tài)參數(shù)，應(yīng)將衛(wèi)星坐標(biāo)變換至飛行器載體坐標(biāo)系下才能計(jì)算二維方位角，變換流程及輸入?yún)?shù)如圖2所示。

圖2　同步衛(wèi)星位置坐標(biāo)變換流程

3算法實(shí)現(xiàn)

3.1變換矩陣

從e系到g系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣以及從g系到b系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣均可通過逐次旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的方式實(shí)現(xiàn)[4]。其轉(zhuǎn)換矩陣如下所示：

(1)

(2)

3.2從極坐標(biāo)系到直角坐標(biāo)系的變換

衛(wèi)星位置參數(shù)(λs，φs，hs)以極坐標(biāo)系表示，考慮地球扁率，其在e系下的坐標(biāo)通過下式轉(zhuǎn)換：

(3)

3.3二維方位角計(jì)算

根據(jù)圖2所示的流程，計(jì)算衛(wèi)星在飛行器載體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(xsb,ysb,zsb)如下式所示：

(4)

根據(jù)圖1所示的二維方位角定義，計(jì)算二維方位角(α，β)如下式所示：

(5)

4算法數(shù)值模擬測(cè)試及結(jié)果分析

根據(jù)式3～式5進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，對(duì)該算法進(jìn)行了數(shù)字模擬，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。在式3中，采用的地球模型為WSG-84模型。

表1　算法數(shù)字模擬測(cè)試結(jié)果

由表1前3組樣本數(shù)據(jù)表明，在飛行器參數(shù)保持不變時(shí)，衛(wèi)星參數(shù)的變化很準(zhǔn)確地反映在二維方位角的變化上；表1中間3組樣本數(shù)據(jù)表明，當(dāng)飛行器位置及衛(wèi)星位置不變時(shí)，飛行器姿態(tài)的變化很準(zhǔn)確地反映在二維方位角上；表1最后3組樣本數(shù)據(jù)則是考慮一般情況下的測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明，該算法符合實(shí)際應(yīng)用。

5結(jié)語(yǔ)

波束切換的基礎(chǔ)實(shí)質(zhì)上是求取同步衛(wèi)星相對(duì)飛行器的二維方位角，“地球系—地理系—載體系”的三坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法則為二維方位角計(jì)算提供了基礎(chǔ)。在具體硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于硬件數(shù)值計(jì)算精度的限制，在一些臨近邊界條件的場(chǎng)合會(huì)造成較大的角度誤差，但對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，這些邊界條件并不能得到滿足；因此，該算法還是具有很大的應(yīng)用價(jià)值和較為普遍的適用性。

參考文獻(xiàn)

[1] 房亮.雙極化相控陣天線單元研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

[2] 賈勝文.基于ARM7和FPGA的低成本小型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2006.

[3] 張立.捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)研究及仿真軟件包開發(fā)[D].北京:北京航空航天大學(xué),2000.

[4] 張士邈.適合高動(dòng)態(tài)環(huán)境的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)高精度算法研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2002.

責(zé)任編輯彭光宇

Research on Phase Array Antenna Beam Switch Algorithm Applied in Synchronous Satellite Communication

SHI Bin1，XIANG Dongyou2，ZHAO Yining3

(1.92941 Unit of PLA, Huludao 125001,China；2.Beijing Research Institute of Mechanical and Electrical Engineering,

Beijing 100074,China；3.Department of Graduate Management, Academy of Equipment of PLA, Beijing 101416, China)

Abstract：Propose the algorithm base on three coordinate transformations with earth-geography-basement to solve the demand of real-time beam switching of phase array antenna. With the algorithm, the uninterrupted communication between synchronous satellite and UAV with arbitrary position and attitude is implemented. The numerical simulation is presented and prove that the algorithm is useful and valuable in practical application.

Key words:phase array antenna, beam switch, satellite communication

收稿日期：2015-04-06

作者簡(jiǎn)介：石彬(1983-)，男，工程師，大學(xué)本科，主要從事通信、遙測(cè)與遙控等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TJ 765.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A