[发明专利]一种基于相控阵天线的定位定向装置及方法

说明书

一种基于相控阵天线的定位定向装置及方法，基于天线波束控制模块利用惯性测量组件辅助，通过搜索完成通信卫星捕获和粗跟踪；相控阵天线四个子阵的输出结合单脉冲接收机，共同实现相控阵天线波束精确跟踪通信卫星；基于相控阵天线波束精确指向信息和相控阵天线在运动载体安装位置偏差，获得运动载体精确位置和航向信息。本发明还提供了相应的定位定向装置，包含相控阵天线、惯性测量组件或惯性导航系统、天线波束控制模块、多普勒频移跟踪模块、定位定向计算模块、GNSS模块。可实现在GNSS导航定位系统受干扰失效的情况下，为车辆、舰船、飞机、导弹等运动载体提供满足定位和定向功能。

技术领域

本发明属于运动平台定位定向技术领域，特别涉及一种基于相控阵天线的定位定向装置及方法。

背景技术

目前车辆、舰船、飞机、导弹等运动载体普遍采用惯性、卫星以及各种组合导航技术。然而GPS/BD等导航定位系统由于导航终端普遍采用全向天线、扩频信号体制、星地距离远等原因，非常容易被干扰和欺骗。在复杂环境和对抗环境下，运动载体不能仅依赖卫星导航作为手段。惯性导航方式可以实现自主导航，但其误差会随时间积累，对于长时间、高精度导航来说其精度难以满足要求。当前无人系统发展迅速，智能化程度越来越高，对高精度抗干扰导航要求非常迫切。

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。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，提供车辆、舰船、飞机、导弹等运动载体的一定精度导航定位信息。但该专利存在以下不足：一是该专利提出的方法中运动载体的定位精度与IMU系统的精度、天线波束对准卫星精度、以及多普勒频移测量精度深度相关，其中天线波束对准卫星精度引起最终的定位误差较大；二是针对车辆、舰船、飞机、导弹等运动平台在某些应用场景中对运动载体的定向精度要求非常高，虽然该专利给出方法可以给出运动载体的定向信息，即定向波束对准卫星时输出的方位角。但该方位角精度一般情况下难以满足武器装备平台高精度测向等特殊应用场景的需要，核心原因在于天线波束对准卫星精度引起的误差。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，针对运动载体高精度的定位、定向需求，本发明的目的在于提供一种基于相控阵天线的定位定向装置及方法，相对于专利202110845079.8基于定向天线和多普勒信息的运动载体导航方法，采取了跟踪接收机或者单脉冲接收机实现天线波束更精确的对准卫星，提供了天线波束控制模块控制天线波束精确对准通信卫星的新的方法，能够实现在GNSS等导航定位系统失效的情况下，利用地球同步通信卫星等的位置和信号，在运动载体上进行信号处理，从而实现低成本的应急定位和定向，满足车辆、舰船、飞机、导弹等运动载体的导航需要，尤其可以满足类似武器装备平台高精度测向等应用需求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于相控阵天线的定位定向装置，包含：相控阵天线、惯性测量组件或惯性导航系统、天线波束控制模块、多普勒频移跟踪模块、定位定向计算模块，其特征在于：

相控阵天线：安装于运动载体上，包含四个天线子阵，分别对应四个输出通道。四个天线子阵用于共同形成具有明显方向性的天线波束。

惯性测量组件或者惯性导航系统：搭载于运动载体，用于获取运动载体的运动信息，即运动载体经纬度信息、运动载体姿态角以及姿态角变化率；

天线波束控制模块：搭载于运动载体，利用运动载体经纬度信息、运动载体姿态角以及通信卫星位置确定相控阵天线的方位角、俯仰角，并利用接收机控制波束调整，实现相控阵天线精准对通信卫星；

多普勒频移跟踪模块：搭载于运动载体，完成通信卫星信标或载波信号的滤波、处理和多普勒频率跟踪，获得多普勒频移信息；