一种具有抗干扰定位功能的移动卫星通信天线终端的制作方法

1.本发明属于卫星通信终端技术领域，特别涉及一种具有抗干扰定位功能的移动卫星通信天线终端。


背景技术：

2.传统的移动卫星通信天线终端需要依赖gnss设备提供运动载体的位置信息，才能够实现天线对向卫星卫，进而辅助实现载体和卫星间的波束指向控制。在gnss受干扰情况下，卫星通信系统就难以正常工作。
3.是面对复杂的现代战场环境条件下，gnss信息易受到干扰导致运动载体卫星通信测控系统无法正常工作，导致通信中断。
4.申请人于2021
‑
07
‑
26提交了申请号为202110845079.8的中国发明专利，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，采用如下步骤实现基于定向天线和多普勒信息的运动载体导航：
5.s1：已知运动载体的精确初始位置、固定或者移动的信标位置信息，运动载体搭载有定向天线。当固定或者移动的信标有多个时，可根据使用环境和其它限制优化固定选择其中一个，并根据策略在运行过程中切换，也可选择多个信标，并选择使用多个定向天线。
6.s2：基于定向天线的天线波束控制系统利用imu或ins辅助，在运动载体的运动过程中保持定向天线始终对准信标，输出对准时的运动载体姿态角及运动载体姿态角偏差。具体包括以下步骤：
7.s2.1：在运动载体的运动过程中，在imu或ins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；
8.s2.2：利用运动载体的经纬度信息、姿态角以及信标位置确定定向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系统实现波束调整，使定向天线初步对向信标，实现信标信号的捕获；
9.s2.3：定向天线捕获到信标信号后，以信号极大值方式精对准信标，完成信标稳定跟踪，并得到精对准时定向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
；
10.s2.4：实现波束跟踪后，根据方位角和俯仰角控制偏差信号，获得运动载体的姿态角偏差，运动载体的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。
11.运动载体运动过程中，imu或ins不断的测量出运动载体的姿态变化，并利用波束控制系统调整波束指向，以保证定向天线波束始终指向信标并持续跟踪。
12.s3：利用多普勒频移跟踪模块接收定向天线获得的信标信号，并测量获得信标信号中由于运动载体运动带来的多普勒频率信息。当s1选择多个信标和多个定向天线时，多个波束对准多个信标，可获得多个多普勒频率和波束指向信息。
13.s4：基于定向天线对准信标时运动载体姿态角及运动载体姿态角偏差、信标位置信息以及运动载体接收到的信标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，最后输出修正后的运动载体导航位置信息。当s1选择多个信标和多个定向天线时，导航计算利用多个多普勒频率和波束指向信息，提高修正的精度。
14.即，其利用定向天线指向信息、运动载体姿态角偏差、信标位置信息、多普勒信息修正得到的导航信息可以修正惯性测量组件imu或者惯性导航系统ins的误差累积，实现高精度的导航信息输出。
15.该专利能够实现在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，在运动载体上进行信号处理，满足车辆、舰船、飞机、导弹等运动载体的一定精度导航定位信息。
16.然而，其仍然存在抗干扰性不强等问题。


技术实现要素：

17.为了克服上述现有技术的缺点，针对卫星通信终端对运动载体的抗干扰导航定位需求，本发明的目的在于提供一种具有抗干扰定位功能的移动卫星通信天线终端，在各种移动卫星通信天线终端具有的卫星通信功能基础上，结合卫星通信天线通信时定向收发天线能够准确对准卫星、卫星信标或载波信号的多普勒频移包含了运动载体和卫星的相对运动信息的两大特点，通过增加多普勒频移跟踪模块、位置状态估计模块使得移动通信天线终端不依赖gnss卫星导航模块情况下卫星通信功能正常工作且具备抗干扰定位功能。
18.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
19.一种具有抗干扰定位功能的移动卫星通信天线终端，包括：
20.定向收发天线，设置于运动载体，用于形成定向天线波束，实现卫星通信信号的收发或卫星信标信号的接收；
21.卫星通信模块，用于对卫星通信信号调制解调以及功率放大；
22.imu或ins模块，用于获取运动载体姿态信息，并推算运动载体位置、载体姿态及姿态变化率，实现隔离载体运动，保持移动卫星通信天线终端自身稳定；
23.天线控制模块，接收imu或ins模块提供的运动载体姿态信息，控制天线波束指向通信卫星，在运动载体的运动过程中保持定向收发天线始终对准通信卫星，输出对准时的运动载体姿态角及运动载体姿态角偏差；
24.多普勒频移跟踪模块，用于接收定向收发天线获得的信标信号或卫星通信信号，对卫星通信信号载波或信标进行多普勒频移跟踪，并测量获得信标或载波信号中由于运动载体运动带来的多普勒频率信息；
25.位置状态估计模块，基于运动载体初始位置、定向收发天线对准信标时运动载体姿态角及运动载体姿态角偏差、通信卫星位置信息以及运动载体接收到的信标/载波信号多普勒频率信息，修正imu或ins模块的误差，最后输出修正后的运动载体导航位置信息。
26.在本发明的一个实施例中，还包括：
27.gnss模块，在gnss可用时，给出精确的运动载体位置信息。
28.在本发明的一个实施例中，在通信卫星位置已知条件下，所述天线控制模块接收imu或ins模块给出的运动载体位置信息、载体姿态及姿态变化率信息，实现动中通天线对通信卫星的初捕获；然后根据定向收发天线接收的信号能量最大的标准实现天线波束对卫星的精确对准和跟踪。
29.在本发明的一个实施例中，所述天线控制模块对天线波束的控制为机械转动方式或电子相控方式。
30.在本发明的一个实施例中，对于具有线极化的通信卫星信号，所述天线控制模块进行线极化控制，并输出线性极化偏差。
31.在本发明的一个实施例中，所述定向收发天线、卫星通信模块、imu或ins模块、天线控制模块组合实现卫星通信功能。
32.在本发明的一个实施例中，所述定向收发天线、imu或ins模块、天线控制模块、多普勒频移跟踪模块、位置状态估计模块组合实现运动载体导航定位功能。
33.在本发明的一个实施例中，所述运动载体为导弹、飞机、舰船、炮弹或车辆，所述通信卫星为地球同步通信卫星或地球非同步轨道通信卫星，所述定向收发天线为反射面天线、平板天线或相控阵天线。
34.在本发明的一个实施例中，所述运动载体姿态角偏差即定向收发天线的天线波束在地理系的方位角a与实际的方位角a
t
以及定向收发天线的天线波束在地理系的俯仰角e与实际的俯仰角e
t
之间的偏差，a、e以及定向收发天线的天线波束在地理系的极化角v计算如下：
[0035][0036]
其中，l为运动载体所在点的纬度，pi为π，λ为运动载体的经度，λ
s
为信标星下点的经度；
[0037]
天线控制模块对a、e进行精对准，即调制天线波束方向，直至接收到的信标信号能量最大，此时即认为实现了精对准，精对准后即得到定向收发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
。
[0038]
在本发明的一个实施例中，所述信标信号中由于运动载体运动带来的多普勒频率信息包括真实的多普勒频率和多普勒频率误差δf，其中：
[0039][0040]
δf＝δv
r
·
e
rs
·
c/f
carrier
＝δv
a
·
c/f
carrier
[0041]
式中：v
r
是运动载体在地心地固(ecef)坐标系中的速度，δv
r
是运动载体在地心地固坐标系中的速度误差，v
s
是信标在地心地固坐标系中的速度，e
rs
是运动载体到信标的视线方向在地心地固坐标系中的单位矢量，c是光速，f
carrier
是载波频率，δv
a
是运动载体在运动载体到卫星视频方向的速度误差。
[0042]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0043]
在实现卫星通信功能的基础上，能够输出运动载体的精确位置，实现运动载体定位功能。在导航功能给出的运动载体的位置前提下，卫星通信功能能够实现定向收发天线能够始终对准卫星，接收卫星通信信号或信标信号，完成卫星通信功能；卫星通信功能实现
了波束对向卫星并能接收卫星信号或信标信号的前提下，天线终端的导航功能就能够完成运动载体位置估算，输出运动载体的精确位置信息。因此，本发明提出的移动卫星通信天线终端其卫星通信功能和导航定位功能是相互耦合和支撑。另外由于采用的是定向收发天线，外界的干扰和欺骗信号难以通过天线主瓣进入，故这种具有导航定位和卫星通信两种功能的移动卫星通信天线终端具有较明显的抗干扰特点。
附图说明
[0044]
图1为本发明移动卫星通信天线终端组成框图。
[0045]
图2为本发明一个实施例中移动通信天线终端车载实验实物图。
[0046]
图3为本发明一个实施例中采用的平板定向收发天线实物图。
[0047]
图4为本发明一个实施例中卫星通信模块功能原理框图。
[0048]
图5为本发明一个实施例中天线控制模块控制原理图。
[0049]
图6为本发明一个实施例中多普勒频移跟踪模块及位置状态估计模块实现原理图。
[0050]
图7为本发明一个实施例中运动载体、通信卫星以及坐标关系示意图。
[0051]
图8为本发明一个实施例中实测的移动卫星通信天线终端定位误差图。
[0052]
图9为本发明一个实施例中基于图优化的位置状态估计算法流程图。
具体实施方式
[0053]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和出示的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0054]
本发明将专利202110845079.8的导航方法和装置与传统移动卫星通信天线终端相结合，提出一种抗干扰定位功能的移动卫星通信天线终端，在导航功能给出的运动载体的位置前提下，运动载体卫星通信基本功能能够实现定向天线能够始终对准卫星，接收卫星通信信号或信标信号，完成卫星通信功能；在运动载体卫星通信基本功能实现了波束对向卫星并能接收卫星信号或信标信号的前提下，天线终端的导航功能就能够完成运动载体位置估算，输出运动载体的精确位置信息。这种具有抗干扰定位功能移动卫星通信天线终端其卫星通信功能和导航定位功能是相互耦合和支撑。另外由于采用的是定向天线，外界的干扰和欺骗信号难以通过天线主瓣进入，故这种移动卫星通信天线终端具有较明显的抗干扰特点。也即，本发明能够实现在gnss导航定位系统失效的情况下，在实现卫星通信功能的基础上，能够输出运动载体的精确位置，实现运动载体定位功能。终端的运动载体导航定位功能又能够保障卫星通信功能在gnss受干扰情况下仍然能够正常工作。
[0055]
本发明的架构如图1所示，主要包括：
[0056]
定向收发天线，设置于运动载体，用于形成定向天线波束，实现卫星通信信号的收
发或卫星信标信号的接收；示例地，运动载体可为导弹、飞机、舰船、炮弹或车辆，通信卫星可为地球同步通信卫星或地球非同步轨道通信卫星，定向收发天线可为反射面天线、平板天线或相控阵天线。
[0057]
卫星通信模块，主要用于对卫星通信信号调制解调以及功率放大；
[0058]
imu或ins模块，用于获取运动载体姿态信息，并推算运动载体位置、载体姿态及姿态变化率，实现隔离载体运动，保持移动卫星通信天线终端自身稳定；
[0059]
天线控制模块，接收imu或ins模块提供的运动载体姿态信息，控制天线波束指向通信卫星，在运动载体的运动过程中保持定向收发天线始终对准通信卫星，输出对准时的运动载体姿态角及运动载体姿态角偏差。示例地，在通信卫星位置已知条件下，天线控制模块接收imu或ins模块给出的运动载体位置信息、载体姿态及姿态变化率信息，实现动中通天线对通信卫星的初捕获；然后根据定向收发天线接收的信号能量最大的标准实现天线波束对卫星的精确对准和跟踪。天线控制模块对天线波束的控制可为机械转动方式或电子相控方式
[0060]
多普勒频移跟踪模块，用于接收定向收发天线获得的信标信号或卫星通信信号，对卫星通信信号载波或信标进行多普勒频移跟踪，并测量获得信标或载波信号中由于运动载体运动带来的多普勒频率信息；
[0061]
位置状态估计模块，基于运动载体初始位置、定向收发天线对准信标时运动载体姿态角及运动载体姿态角偏差、通信卫星位置信息以及运动载体接收到的信标/载波信号多普勒频率信息，综合上述信息，修正imu或ins模块的误差，最后输出修正后的运动载体导航位置信息。
[0062]
在本发明的一个实施例中，还可包括：
[0063]
gnss模块，在gnss可用时，给出精确的运动载体位置信息。
[0064]
在本发明的一个实施例中，定向收发天线、卫星通信模块、imu或ins模块、gnss模块(如有)、天线控制模块组合实现卫星通信功能。此时，定向收发天线形成定向波束实现卫星通信信号的收发；imu或ins模块敏感运动载体的姿态信息，并推算运动载体位置、实现隔离载体运动；gnss模块在gnss可用时，给出精确的载体位置信息；天线控制模块利用载体的位置信息和运动载体的姿态信息实现控制天线波束对准通信卫星；卫星通信模块包括卫星通信调制解调和功放等模块，实现卫星通信收发信号的调制解调、功率放大处理等功能。
[0065]
在本发明的一个实施例中，定向收发天线、imu或ins模块、天线控制模块、多普勒频移跟踪模块、位置状态估计模块组合实现运动载体导航定位功能。其中定向收发天线形成定向波束实现卫星通信信号收发或卫星信标信号的接收；imu或ins模块敏感运动载体的姿态信息，并推算运动载体位置、实现隔离载体运动；天线控制模块控制天线波束对准通信卫星，在运动载体的运动过程中保持定向收发天线始终对准信标，输出对准时的运动载体姿态角及运动载体姿态角偏差。对于具有线极化的通信卫星信号，能够实现线极化控制，并输出线性极化偏差；多普勒频移跟踪模块接收定向收发天线获得的信标信号或卫星通信信号，实现对卫星通信信号载波或信标进行多普勒频移跟踪，并测量获得信标或载波信号中由于运动载体运动带来的多普勒频率信息；位置状态估计模块基于定向收发天线对准信标时运动载体姿态角及运动载体姿态角偏差、卫星位置信息以及运动载体接收到的卫星信标/载波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，最后输出修正
后的运动载体导航位置信息。位置状态估计模块可以替代gnss模块用来出运动载体的位置，从而辅助移动卫星通信天线终端中的天线控制模块实现天线波束控制和稳定。
[0066]
参考图2，本发明的一个实施例中采用车载卫星动中通平板天线加上卫星通信模块、多普勒频移跟踪模块、位置状态估计模块实现。参考图3，实施例中所采用等效口径0.9m的平板天线，其主瓣用于卫星信号收发，主瓣的宽度尽量窄并且增益高，副瓣应尽可能小以增强抗干扰性。实施例中选择的通信卫星为亚太4(134
°
e，信标频率12250.5mhz)。
[0067]
图4为本发明一个实施例中卫星通信模块功能原理框图，卫星通信模块主要包括卫星通信调制解调和功放等模块，实现卫星通信收发信号的调制解调、功率放大处理等通常功能，不再赘述。
[0068]
图5为本发明一个实施例中天线控制模块功能原理框图，天线控制模块包括根据imu模块输出实现对极化控制器的控制和方位、俯仰两个直流电机的控制，实现调制天线波束方向，直至跟踪接收机接收到的信标信号能量最大，此时即认为实现了精对准，精对准后即得到定向收发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
。运动载体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。
[0069]
定向收发天线的天线波束在地理系的方位角a、俯仰角e、极化角v如下：
[0070][0071]
其中，l为运动载体所在点的纬度，pi为π，λ为运动载体的经度，λ
s
为信标星下点的经度。
[0072]
图6为本发明一个实施例中多普勒频移跟踪模块及位置状态估计模块实现原理图。多普勒频移跟踪模块用来接收定向收发天线获得的信标信号(频率为12250.5mhz)，实现对卫星通信信标进行多普勒频移跟踪，并测量获得信标信号中由于运动载体带来的多普勒频率信息。本实施例中采用一个原子钟作为标准频率源，输出10mhz和24mhz参考频率信号。天线控制模块输出经过下变频的信标模拟中频信号(频率范围为0.95～1.45ghz)，作为多普勒频移跟踪模块输入。根据地球同步轨道卫星和运动载体的相对运动及多普勒原理，多普勒模型为
[0073][0074]
其中f
carrier
表示信标信号频率，v
s
是载体在地心地固坐标系中的速度，它表示载体相对于参考卫星速度，e是运动载体到信标的视线方向在地心地固坐标系中的单位矢量，c表示光速。从信号接收到发送的单位向量定义如下：
[0075][0076]
其中和为卫星和运动载体在ecef中的位置。
[0077]
参考图6，位置状态估计模块基于定向收发天线对准信标时运动载体姿态角及运动载体姿态角偏差、卫星位置信息以及运动载体接收到的卫星信标,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，最后输出修正后的运动载体导航位置信息。位置状态估计模块可以替代gnss模块用来出运动载体的位置，从而辅助移动卫星通信天线终端中的天线控制模块实现天线波束控制和稳定。运动载体、卫星信标以及坐标关系如图7所示，设运动载体(在北半球)所在点的经纬度分别为λ(东经为正，西经为负)、l。
[0078]
符号定义：
[0079]
[v
e
,v
n
,v
u
]
t
是运动载体在东北天坐标下的速度矢量v；
[0080]
[δv
e
,δv
n
,δv
u
]
t
是运动载体速度误差矢量δ
v
；
[0081]
[λ,l,h]
t
是运动载体的经
‑
纬
‑
高表达形式下的位置矢量p；
[0082]
[δλ,δl,δh]
t
为相应的误差矢量δp；
[0083]
[e
x
,e
y
,e
z
]
t
是运动载体相对通信卫星视线方向在地心地固坐标系下的单位矢量e；
[0084]
r
n
为球半径，f为地球的偏心率。
[0085]
接收机测量信标信号中由于运动载体运动带来的多普勒频率信息包括真实的多普勒频率和多普勒频率误差δf：
[0086][0087][0088]
δf＝δv
s
·
e
rs
·
c/f
carrier
＝δv
a
·
c/f
carrier
[0089]
式中：
[0090]
是真实的多普勒频率
[0091]
δf是多普勒频率误差
[0092]
c是光速
[0093]
f
carrier
是信标信号频率
[0094]
v
s
是运动载体在地心地固坐标系中的速度
[0095]
v
r
是目标卫星在地心地固坐标系中的速度
[0096]
δv
s
是运动载体在地心地固坐标系中的速度误差
[0097]
e
rs
是运动载体到目标卫星的视线方向在地心地固坐标系中的单位矢量
[0098]
δv
a
是运动载体在运动载体到卫星视线方向的速度误差
[0099]
本发明一个实施例中，位置状态估计模块中估计运动载体导航位置的步骤如下。
[0100]
(1)imu模块预积分过程
[0101]
假设陀螺仪和加速度计的测量模型为：
[0102][0103]
其中表示从导航坐标系到惯性坐标系的旋转，是地心地固坐标系下地球旋
转的角速度，为当载体在具有曲率的地球表面运动引起的导航坐标系旋转，和分别表示陀螺仪和加速度计的测量噪声，ε和δ分别表示陀螺仪和加速度计的偏差，两者相互独立。g
n
表示重力加速度向量。
[0104]
构建高精度imu预积分测量模型为：
[0105][0106][0107][0108]
其中是从ecef到导航坐标系的映射，(a)^表示a向量的一个反对称矩阵，
[0109]
预积分测量模型使得预积分量不与i时刻和j时刻的状态量相关，这样每次更新i时刻和j时刻的状态量时就不需要重新计算预积分量。预积分测量模型与运动载体的偏差、位姿及速度有关。这些状态在优化过程中进行迭代。假设为预积分的imu状态向量，为增量更新，则能更新预积分第一估计值的误差为：
[0110][0111][0112][0113]
雅可比矩阵雅可比矩阵显示了状态更新导致imu预积分测量变化。雅可比矩阵在预积分时保持不变可以在初始化时预先计算。
[0114]
(2)多普勒频率预积分测量模型
[0115]
假设整个状态向量为：
[0116][0117][0118]
其中x
i
为imu状态向量，其第i时刻的多普勒频率是可测的。它包含了ecef框架的位置、速度和指向，以及在imu计数体中加速度计和陀螺仪的偏差。表示第i时刻从运动载体到导航体的旋转。k是优化轨迹长度。表示观察卫星的ecef位置，b
clk
表示卫星信标的频率偏差。当gnss测量有效时，和b
clk
可观测。
[0119]
对所有预积分、多普勒测量、以及gnss测量值与估计值的马氏范数和残差最小以取得最大后验估计为：
[0120][0121]
其中r
i
(
·
),r
f
(
·
)和r
g
(
·
)分别为预积分,多普勒频率和gnss定位测量的残差。
[0122]
(3)imu预积分的测量残差和多普勒频率测量残差
[0123]
imu预积分增加的位置和速度代表两个连续结构测量k和k 1，imu预积分的测量残差定义为：
[0124][0125]
其中分别表示imu预积分增加的旋转、速度和位置，表示将反对称矩阵m映射到一个与之对应的实向量a。
[0126]
多普勒频率预积分的残差定义为：
[0127][0128]
其中通过多普勒频移跟踪模块获得信标信号频率测量，而且gnss测量残差定义为：
[0129][0130]
其中表示在j时刻gnss的位置测量和表示在j时刻速度测量，两者相互独立。
[0131]
(4)基于图优化的状态估计算法
[0132]
本实施例中采用图优化方法解决非线性优化问题。通过优化所有轨迹中的变量，然后更新预积分测量值，循环计算，直到残差小于迭代过程中的阈值。其算法流程图如图9所示。
[0133]
本发明的一个具体实施例中，采用自制的阵列imu，更新率200hz，以车辆作为运动载体并选择一条行驶路径。将gps的东、北、天向速度通过坐标变换得到了运动载体相对目标卫星的los速度，作为量测值进行组合导航，在400秒到900秒间gps不再参与导航，利用上述算法进行组合导航。组合导航的结果如图8所示。从结果可知，本发明提出的移动卫星通信天线终端具有导航定位功能，可以在不依赖gnss的情况下，有效抑制ins的积累误差，实现一定精度的导航位置输出。