基于交叉幅角转移函数的卫星多波束测向标校方法

1.本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种基于交叉幅角转移函数的卫星多波束测向标校方法。

背景技术：

2.geo卫星通常部署在小倾角轨道，卫星在轨运行时的对地运动，将造成波束指向漂移和时频基准抖动等问题，从而影响卫星波束的平稳性，此外，卫星受由太阳辐射压力、地球磁场不均等因素影响，将造成在轨姿态漂移，影响星地通信质量，因此必须进行波束标校以调整卫星姿态。传统的星地一体波束标校通常使用比幅测向方法实现，其测量和计算过程中没有考虑一个方向的指向偏差对另一方向幅角转移系数的影响，导致测量误差的精度难以提高。如何综合、全面考虑卫星天线波束的俯仰和滚动方向指向偏差对标校信号功率的影响，构建准确精细的标校信号功率和滚动、俯仰指向误差关系模型，提高波束标校精度，是亟待解决的重要问题。
3.中国专利zl202011068368.3中公开了一种星地一体化的高精度卫星多波束标校方法，能够有效分析多波束指向标校误差，但未考虑俯仰方向和滚动方向指向偏移相互之间的影响。

技术实现要素：

4.针对如何综合、全面考虑俯仰和滚动方向指向偏差对标校信号功率的影响，提高波束标校精度的问题，本发明公开了一种基于交叉幅角转移函数的卫星多波束测向标校方法，卫星通信系统利用星上标校波束形成设备、地面标校站、控制中心和卫星测控站实现卫星天线波束指向的标校，该方法具体包括：
5.s1，星上标校波束形成设备生成南向、北向、西向、东向四个标校波束，分别记为s标校波束、n标校波束、w标校波束、e标校波束，使卫星与该四个标校波束的等功率交叠点的连线指向，即等功率交叠点指向，为地面标校站，s标校波束、n标校波束、w标校波束、e标校波束的覆盖范围分别位于地面标校站的南侧、北侧、西侧、东侧；
6.s2，地面标校站分别测量s标校波束、n标校波束、w标校波束、e标校波束的信号功率，t时刻地面标校站对各标校波束的接收信号功率分别记为ps(t)、pn(t)、pw(t)、pe(t)；
7.s3，地面标校站利用比幅测向法计算等功率交叠点指向在卫星天线波束的滚动方向和俯仰方向上的偏离误差角度θ
roll
(t)和θ
pitch
(t)，其中，所述的滚动方向上的偏离误差角度的计算公式为：
[0008][0009]
其中，k
roll
为滚动方向幅角转移系数；所述的俯仰方向上的偏离误差角度计算方式为：
[0010][0011]
其中，k
pitch
为俯仰方向幅角转移系数；
[0012]
s4，地面标校站利用交叉幅角转移函数分别计算俯仰方向和滚动方向的交叉幅角转移系数，得到俯仰方向和滚动方向的角度偏离量；
[0013]
对不同滚动方向和俯仰方向的偏离角度位置上的标校波束信号功率进行密集采样，得到4个标校波束信号的功率分布，记为qi(φ
roll
,φ
pitch
)，其中φ
roll
和φ
pitch
分别为滚动方向和俯仰方向的偏离角度，i＝1,2,3,4，分别对应s标校波束、n标校波束、w标校波束、e标校波束；
[0014]
分别定义俯仰方向和滚动方向的交叉幅角转移函数，其表达式为：
[0015][0016]
其中，f
roll
(φ
roll
,φ
pitch
)为俯仰方向的交叉幅角转移函数，f
pitch
(φ
roll
,φ
pitch
)为滚动方向的交叉幅角转移函数；
[0017]
考虑俯仰方向的偏离误差角度对滚动方向幅角转移系数的影响，以及滚动方向的偏离误差角度对俯仰方向幅角转移系数的影响，得到t时刻俯仰方向和滚动方向的交叉幅角转移系数分别为：
[0018][0019]
其中，δ
roll
(t)表示t时刻俯仰方向的交叉幅角转移系数，δ
pitch
(t)表示t时刻滚动方向的交叉幅角转移系数，根据交叉幅角转移系数，计算等功率交叠点指向在俯仰方向和滚动方向的偏离角度，其计算公式为：
[0020][0021]
其中，θ
roll
(pn(t),ps(t),t)和θ
pitch
(pe(t),pw(t),t)分别表示t时刻等功率交叠点指向在滚动方向和俯仰方向的偏离角度；
[0022]
s5，地面标校站将角度偏离量通过地面网络传输给控制中心，控制中心判断角度偏离量是否大于预先设定的调整阈值，若大于预先设定的调整阈值，则将角度偏离量传输至卫星测控站，卫星测控站进行卫星姿态调整。
[0023]
所述的步骤s5，还包括，若大于预先设定的调整阈值，卫星测控站进行卫星姿态调整后，返回步骤s1，否则，直接返回步骤s1。
[0024]
本发明具有如下优点：
[0025]
1.本发明所提方法，通过设计交叉幅角转移函数，将二维幅角转移曲线拓展为三维幅角转移曲面，准确精细建模标校信号功率和滚动、俯仰指向误差关系，能够显著提高指向误差测量精度；
[0026]
2.本发明通过实测数据构建交叉幅角转移函数，能够避免设备误差、星地信道环境、地形地貌等因素对标校精度的影响。
附图说明
[0027]
图1为本发明中基于交叉幅角转移函数的卫星多波束测向标校方法流程图。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图，对本发明进行详细描述。
[0029]
本发明公开了一种如图1所示的基于交叉幅角转移函数的卫星多波束测向标校方法，卫星通信系统利用星上标校波束形成设备、地面标校站、控制中心和卫星测控站实现卫星天线波束指向的标校，具体包括：
[0030]
s1，星上标校波束形成设备生成南向、北向、西向、东向四个标校波束，分别记为s标校波束、n标校波束、w标校波束、e标校波束，使卫星与该四个标校波束的等功率交叠点的连线指向，即等功率交叠点指向，为地面标校站，s标校波束、n标校波束、w标校波束、e标校波束的覆盖范围分别位于地面标校站的南侧、北侧、西侧、东侧；
[0031]
s2，地面标校站分别测量s标校波束、n标校波束、w标校波束、e标校波束的信号功率，t时刻地面标校站对各标校波束的接收信号功率分别记为ps(t)、pn(t)、pw(t)、pe(t)；
[0032]
s3，地面标校站利用比幅测向法计算等功率交叠点指向在卫星天线波束的滚动方向和俯仰方向上的偏离误差角度θ
roll
(t)和θ
pitch
(t)，其中，所述的滚动方向上的偏离误差角度的计算公式为：
[0033][0034]
其中，k
roll
为滚动方向幅角转移系数；所述的俯仰方向上的偏离误差角度计算方式为：
[0035][0036]
其中，k
pitch
为俯仰方向幅角转移系数；
[0037]
s4，地面标校站利用交叉幅角转移函数分别计算俯仰方向和滚动方向的交叉幅角转移系数，得到俯仰方向和滚动方向的角度偏离量；
[0038]
对不同滚动方向和俯仰方向的偏离角度位置上的标校波束信号功率进行密集采样，得到4个标校波束信号的功率分布，记为qi(φ
roll
,φ
pitch
)，其中φ
roll
和φ
pitch
分别为滚动方向和俯仰方向的偏离角度，i＝1,2,3,4，分别对应s标校波束、n标校波束、w标校波束、e标校波束；
[0039]
所述的密集采样，是区别于稀疏采样的采样频率高于某一阈值的采样方式。
[0040]
分别定义俯仰方向和滚动方向的交叉幅角转移函数，其表达式为：
[0041][0042]
其中，f
roll
(φ
roll
,φ
pitch
)为俯仰方向的交叉幅角转移函数，f
pitch
(φ
roll
,φ
pitch
)为滚动方向的交叉幅角转移函数；
[0043]
考虑俯仰方向的偏离误差角度对滚动方向幅角转移系数的影响，以及滚动方向的偏离误差角度对俯仰方向幅角转移系数的影响，得到t时刻俯仰方向和滚动方向的交叉幅角转移系数分别为：
[0044][0045]
其中，δ
roll
(t)表示t时刻俯仰方向的交叉幅角转移系数，δ
pitch
(t)表示t时刻滚动方向的交叉幅角转移系数，根据交叉幅角转移系数，计算等功率交叠点指向在俯仰方向和滚动方向的偏离角度，其计算公式为：
[0046][0047]
其中，θ
roll
(pn(t),ps(t),t)和θ
pitch
(pe(t),pw(t),t)分别表示t时刻等功率交叠点指向在滚动方向和俯仰方向的偏离角度；
[0048]
s5，地面标校站将角度偏离量通过地面网络传输给控制中心，控制中心判断角度偏离量是否大于预先设定的调整阈值，若大于预先设定的调整阈值，则将角度偏离量传输至卫星测控站，卫星测控站进行卫星姿态调整，并返回步骤s1，否则，直接返回步骤s1。
[0049]
以上结合附图详细说明了本发明，但是本领域的普通技术人员应当明白，说明书是用于解释权利要求的，本发明的保护范围以权利要求为准，在本发明的基础上，任何所做的修改、等同替换和改进等都应当在所要求的保护范围内。

技术特征：

1.一种基于交叉幅角转移函数的卫星多波束测向标校方法，其特征在于，卫星通信系统利用星上标校波束形成设备、地面标校站、控制中心和卫星测控站实现卫星天线波束指向的标校，该方法具体包括：s1，星上标校波束形成设备生成南向、北向、西向、东向四个标校波束，分别记为s标校波束、n标校波束、w标校波束、e标校波束，使卫星与该四个标校波束的等功率交叠点的连线指向，即等功率交叠点指向，为地面标校站，s标校波束、n标校波束、w标校波束、e标校波束的覆盖范围分别位于地面标校站的南侧、北侧、西侧、东侧；s2，地面标校站分别测量s标校波束、n标校波束、w标校波束、e标校波束的信号功率，t时刻地面标校站对各标校波束的接收信号功率分别记为p
s
(t)、p
n
(t)、p
w
(t)、p
e
(t)；s3，地面标校站利用比幅测向法计算等功率交叠点指向在卫星天线波束的滚动方向和俯仰方向上的偏离误差角度θ
roll
(t)和θ
pitch
(t)；s4，地面标校站利用交叉幅角转移函数分别计算俯仰方向和滚动方向的交叉幅角转移系数，得到俯仰方向和滚动方向的角度偏离量。2.如权利要求1所述的基于交叉幅角转移函数的卫星多波束测向标校方法，其特征在于，步骤s3中，所述的滚动方向上的偏离误差角度的计算公式为：其中，k
roll
为滚动方向幅角转移系数；所述的俯仰方向上的偏离误差角度计算方式为：其中，k
pitch
为俯仰方向幅角转移系数。3.如权利要求2所述的基于交叉幅角转移函数的卫星多波束测向标校方法，其特征在于，所述的步骤s4，具体包括：对不同滚动方向和俯仰方向的偏离角度位置上的标校波束信号功率进行密集采样，得到4个标校波束信号的功率分布，记为q
i
(φ
roll
,φ
pitch
)，其中φ
roll
和φ
pitch
分别为滚动方向和俯仰方向的偏离角度，i＝1,2,3,4，分别对应s标校波束、n标校波束、w标校波束、e标校波束；分别定义俯仰方向和滚动方向的交叉幅角转移函数，其表达式为：其中，f
roll
(φ
roll
,φ
pitch
)为俯仰方向的交叉幅角转移函数，f
pitch
(φ
roll
,φ
pitch
)为滚动方向的交叉幅角转移函数；考虑俯仰方向的偏离误差角度对滚动方向幅角转移系数的影响，以及滚动方向的偏离误差角度对俯仰方向幅角转移系数的影响，得到t时刻俯仰方向和滚动方向的交叉幅角转
移系数分别为：其中，δ
roll
(t)表示t时刻俯仰方向的交叉幅角转移系数，δ
pitch
(t)表示t时刻滚动方向的交叉幅角转移系数，根据交叉幅角转移系数，计算等功率交叠点指向在俯仰方向和滚动方向的偏离角度，其计算公式为：其中，θ
roll
(p
n
(t),p
s
(t),t)和θ
pitch
(p
e
(t),p
w
(t),t)分别表示t时刻等功率交叠点指向在滚动方向和俯仰方向的偏离角度；s5，地面标校站将角度偏离量通过地面网络传输给控制中心，控制中心判断角度偏离量是否大于预先设定的调整阈值，若大于预先设定的调整阈值，则将角度偏离量传输至卫星测控站，卫星测控站进行卫星姿态调整。

技术总结

本发明公开了一种基于交叉幅角转移函数的卫星多波束测向标校方法，具体为：星上标校波束形成设备生成标校波束并发送至地面标校站，地面标校站分别测量各标校波束的信号功率，计算滚动方向和俯仰方向的偏离误差角度和俯仰角和滚动角转移因子，得到俯仰方向和滚动方向的角度补偿量，并发送至控制中心，控制中心判断补偿量是否大于调整阈值，若大于，则将角度补偿量传输至卫星测控站进行卫星姿态调整，进行新一轮标校流程。本发明的优点为：通过设计交叉幅角转移函数，将二维幅角转移曲线拓展为三维幅角转移曲面，准确精细建模标校信号功率和滚动、俯仰指向误差关系，能够显著提高指向误差测量精度。指向误差测量精度。指向误差测量精度。