[发明专利]基于卡尔曼滤波的箭载相控阵天线箭星指向角计算方法

说明书

本发明公开了一种基于卡尔曼滤波的箭载相控阵天线箭星指向角计算方法，属于中继卫星系统通信领域，包括步骤：引入相控阵天线箭星波束指向中继卫星的方位角、俯仰角、箭体坐标系下火箭指向卫星的向量和火箭的运动姿态角，构建状态向量；基于卡尔曼滤波模型并结合状态向量构建状态方程；利用已知的t时刻方位角、俯仰角最优估计值和火箭与卫星的运动操纵指令或预设的运动轨迹得到t时刻到t+1时刻运动增量，计算t+1时刻方位角、俯仰角的先验值；再结合t+1时刻观测值，计算得到t+1时刻方位角、俯仰角的后验值。本发明相比传统的相控阵天线箭星波束指向计算方法，滤波精度更高，抗干扰能力更强。

技术领域

本发明涉及中继卫星系统通信领域，更为具体的，涉及一种基于卡尔曼滤波的箭载相控阵天线箭星指向角计算方法。

背景技术

中继卫星天基测控系统是一个利用地球同步卫星(天链卫星)、地面站和用户终端进行数据中继的测控通信系统。它主要实现两大功能：一是对飞行器进行跟踪、遥测与遥控；二是数据中继。飞行器要传给地面的遥测数据和应用数据，先经S频段和Ku/Ka频段星间链路发向中继卫星，中继卫星再以Ku/Ka频段将其转发到地面终端站，并在终端站进行射频解调与译码处理。视频信号以原始格式通过通信卫星链路或其他宽带链路送到地面用户终端或有效载荷控制中心。地面要发往飞行器的指令、话音、数据和电视等信息，先在地面终端汇集，调制到Ku/Ka频段链路上，发向中继卫星，再由中继卫星发给飞行器用户终端。地面站——中继卫星——飞行器用户终端的通信链路称为前向链路(上行链路)，飞行器用户终端——中继卫星——地面站的通信链路称为返向链路(下行链路)。

中继星天基测控系统主要完成以下功能：1.将飞行器遥测信息通过中继卫星下传至地面；2.将地面安控指令通过中继卫星上传至飞行器；3.将地面遥控指令通过中继卫星上传至箭上；4.进行飞行轨迹测量，并将测量结果下传至地面。

中继卫星系统要求在飞行器的自由飞行段和动力飞行段，用户终端都能跟踪地面站的信号和提取数据。在动力段飞行器加速度很大,使载波多普勒达MHz，载波频率捕获是锁相跟踪中信号捕获过程的重要组成部份，只有在载波频率捕获锁定的前提下，距离捕获才能实现。

中继卫星系统箭载用户终端是中继卫星系统的重要组成部分，它不仅具有遥控、遥测、测距、测速功能，还能进行数据的中继传输，因此，其性能的优劣将直接影响系统对飞行器测轨跟踪与数据通信质量。中继卫星系统箭载用户终端的主要功能有：接收解调地面站发来的遥控指令、测距信号和数传信号；相干转发地面站发来的前向测速测距信号；向地面站返向发射用户航天器的数传信号和遥测数据；可接受数据处理等设备的监控。中继卫星系统箭载用户终端通常由适应传输低速率的低增益全向天线、传输中速率的中增益贴片式阵列天线和传输高速率的波束可控的高增益抛物面天线或相控阵天线。中继卫星系统箭载用户终端一般由天线、接收信道、发射信道、本振源、基带信号处理等组成。接收信道包括低噪声放大器、下混频器、放大器、滤波器和AGC电路，完成接收信号的下变频。发射信道包括上混频器、放大器、滤波器和功放链路，完成转发信号的上变频和功率放大。本振源由多个锁相环组成，提供接收信道和发射信道所需的多路本振信号。基带信号处理完成伪码的捕获和跟踪、载波恢复和信息解调和返向各种模式信号的产生、数字调制等功能。同时，基带信号处理还有一个极其重要的功能：实现中继卫星系统箭载用户终端相控阵天线的波束指向控制，只有相控阵天线主波束对准了中继卫星，才能实现箭-星-地的通信功能。

随着航天技术、电子技术的发展，以及应用领域的不断扩展，对中继卫星系统用户终端的需求也在不断增加和提高，各项功能要求设备体积、重量、功耗应尽量小。通常的中继卫星系统用户终端应做到：保证稳定可靠地指向中继卫星，实现多功能综合，包括测控信息和应用数据的传输，实现测定轨的各项功能。除满足以上功能外，中继卫星系统用户终端还面临复杂的电子对抗环境，因此应具有较强的抗干扰能力。