一種天線固聯式對地通信方法
2023-06-10 17:54:26 2
專利名稱：一種天線固聯式對地通信方法
技術領域：
本發明涉及一種天線固聯式對地通信方法，特別涉及一種地球同步靜止軌道中繼衛星對地通信方法，屬於衛星通信領域。
背景技術：
跟蹤與數據中繼衛星系統CTracking and Data Relay Satellite System)，簡稱 TDRSS，是為中、低軌道的太空飛行器與太空飛行器之間、太空飛行器與地面站之間提供數據中繼、連續跟蹤與軌適測控服務的系統，簡稱中繼系統。跟蹤與數據中繼衛星系統(TDRSS)是20世紀航天測控通信技術的重大突破，其「天基」設計思想，從根本上解決了測控、通信的高覆蓋率問題，同時還解決了高速數傳和多目標測控通信等技術難題，並且有很高的經濟效益。TDRSS 系統使航天測控通信技術發生了革命性的變化，目前還在繼續向前發展，不斷地拓寬自己的應用領域。現在，美國與俄羅斯兩國的跟蹤與數據中繼衛星系統均已進入應用階段，正在發展後續系統；歐空局和日本在這類衛星的發展中採用了新的思路和技術途徑；我國正在積極推進研究跟蹤與數據中繼衛星系統。位於地球同步靜止軌道上的中繼衛星，距離地球的高度約為36000km，衛星的運行方向與地球自轉方向相同、運行周期與地球自轉一周的時間相等，即23時56分4秒。其作用相當於把地面的測控站升高到了地球靜止衛星軌道高度，可居高臨下地觀測到在近地空間內運行的大部分太空飛行器，將其測控信號發回地面通信站，實現地面站對近地空間內運行的太空飛行器的長期跟蹤。地球同步靜止中繼衛星的最大特點是保持與地球的相對靜止，這樣使得衛星上所安裝的對地通信天線能夠更加穩定持續地指向地球表面上特定的接收點，避免了地球自轉帶來的幹擾。現在的中繼衛星的天線有越來越大型化的趨勢，且帶有一定的柔性。天線在工作時要做一些較為快速的機動動作，天線運動過程的柔性不是總可以忽略的，在系統的動力學分析中，有時需要考慮部件柔性的影響，這種影響有時會很大，甚至達到破壞性的程度。 北京理工大學學報2007年2月第27卷第2期第171頁——第173頁，文章題目「大型柔性天線運動對中繼衛星姿態影響的分析」中以跟蹤與數據中繼衛星為分析對象，建立了整星多柔體系統動力學模型，分析了天線運動作用下，柔性天線和其他附件的綜合作用對星本體姿態的擾動，並分析了各種現象產生的原因。同時，天線在做快速機動動作時，必然需要消耗一定量的能量，這樣增加了太空飛行器本體的負擔。由此可以看出，為改變現有天線需隨著任務的執行進行快速機動，不斷調整天線指向的局面，採用天線與太空飛行器相固聯的方式安裝，必然可以有效地避免其機動帶來的擾動和相應的能量的消耗，具有很重要的工程實際
眉、ο
發明內容
本發明要解決中繼衛星對地通信天線隨任務要求做快速機動動作帶來的對太空飛行器本體姿態擾動和相應的能量消耗問題，提出了一種天線固聯式對地通信方法，該方法既能保證中繼衛星在滿足實際跟蹤任務要求的姿態機動過程中，最長時間保持與地面站的通信，且能避免天線機動動作對太空飛行器本體姿態擾動和相應的能量消耗問題。本發明是通過下述技術解決方案實現的本發明的一種天線固聯式對地通信方法，中繼衛星根據具體跟蹤任務要求對目標進行實時跟蹤，取消中繼衛星對地通信天線的轉動機構，通過與中繼衛星本體以最優安裝角固聯的天線實現對地實時通信，所述最優安裝角需保證中繼衛星在滿足實際跟蹤任務要求的姿態機動過程中，最長時間保持與地面站的通信而不受中繼衛星本體姿態機動的影響。所述的最優安裝角確定方法如下步驟1 根據具體跟蹤任務的要求，中繼衛星上的跟蹤部件實時跟蹤任務中的用戶星，已知被跟蹤用戶星的軌道參數和中繼衛星自身的軌道參數，由這兩顆星的軌道參數得到中繼衛星到被跟蹤用戶星的方向矢量。步驟2 為實現中繼衛星對用戶星的實時跟蹤，使中繼衛星到被跟蹤用戶星的方向矢量實時的與中繼衛星上安裝的跟蹤部件視線軸重合。由於中繼衛星上安裝的跟蹤部件的視線軸相對於中繼衛星本體是固定不變的，而且矢量方向是已知的。因此，可以得到由具體任務所決定的中繼衛星的期望姿態歐拉角。步驟3 當中繼衛星上的跟蹤部件視線軸與兩星之間的方向矢量實時重合之後， 中繼衛星本體繞自身滾轉軸運動，但是對跟蹤任務是不產生影響的，因為任何機動都是需要消耗能量並會產生相應的振動幹擾的，所以假設中繼衛星本體繞自身滾轉軸不動。中繼衛星上安裝的通信天線需要與地面站保持通信，考慮最近的通信鏈路，選擇地面站位於中繼衛星星下點位置；中繼衛星、地球和地面站之間的幾何關係需要滿足約束條件1 無論中繼衛星本體姿態如何機動，都能保證通信天線始終指向地面站；由中繼衛星、地球和地面站之間的幾何關係可以得出中繼衛星與地面站之間的方向矢量；步驟4 為保證中繼衛星對地面站的實時通信需要滿足約束條件2 中繼衛星與地面站之間的方向矢量與中繼衛星上通信天線的視線軸之間的夾角在所發射的波束寬度範圍內。中繼衛星上通信天線的視線軸矢量方向是確定的。由於中繼衛星上通信天線所發射的波束有一定的寬度範圍，一般在0.6°到Γ之間。只要使中繼衛星與地面站之間的方向矢量與中繼衛星上通信天線的視線軸之間的夾角在此波束寬度範圍內，就能夠滿足中繼衛星對地面站的實時通信。步驟5 建立中繼衛星本體坐標系0XJ#B，中繼衛星本體坐標系OXbYJb原點0位於中繼衛星質心，坐標系的三軸分別為中繼衛星的慣量主軸，分別為滾轉軸&軸，偏航軸A 軸，俯仰軸&軸；滿足所述約束條件1和約束條件2的安裝角有多組，其中同時滿足所述約束條件1和約束條件2累計時間最長的安裝角即為所要確定的通信天線固聯在中繼衛星本體上最優安裝角(β，Y)，其中β β為天線方向；^在中繼衛星本體坐標系 AOTb平面內的投影與\軸正方向的夾角，γ (0彡γ < π)為天線方向；^與中繼衛星本體坐標系&軸正方向的夾角。有益效果1、採用天線與中繼衛星本體固聯的方式，減少了星本體上的活動部件，消除了天線的快速機動動作對中繼衛星本體姿態運動的影響，減少了由此而帶來的擾動和不確定性因素，使得中繼衛星的姿態機動精度更高。2、採用對地通信天線與中繼衛星本體固聯的方式，有效地減少了原有天線機動所需的燃料的消耗，一方面使得發射所需攜帶的燃料重量減輕，另一方面也降低了中繼衛星的運行成本。
圖1為中繼衛星軌道任務及地心慣性坐標系、中繼衛星本體坐標系、中繼衛星軌道坐標系和中繼衛星期望坐標系示意圖；圖2為天線與中繼衛星本體固聯的位置示意圖；圖3為用戶星軌道為太陽同步圓軌道時中繼衛星對地通信天線安裝角時間分布圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。實施例本發明的一種天線固聯式對地通信方法，中繼衛星根據具體跟蹤任務要求對目標進行實時跟蹤，取消中繼衛星對地通信天線的轉動機構，通過與中繼衛星本體以最優安裝角固聯的天線實現對地實時通信，所述最優安裝角需保證中繼衛星在滿足實際跟蹤任務要求的姿態機動過程中，最長時間保持與地面站的通信而不受中繼衛星本體姿態機動的影響。所述的最優安裝角確定方法如下步驟1 本實施例的具體跟蹤任務為地球同步靜止軌道中繼衛星上的跟蹤部件實時跟蹤太陽同步圓軌道用戶星，設定中繼衛星對用戶星的跟蹤時間為IO5秒(大於一個地球同步軌道周期)，所述中繼衛星軌道半徑為riZiZieAXlO7!!!，星下點經度為λ = 110° Ε，入軌時刻為2012年1月1日O時O分。地球半徑為Re = 6378km，地球自轉角速度為 Coe = 7. 2921159X 10_5rad/s，地球引力常數為 μ e = 3. 986X 10_5km7s2。被跟蹤用戶星選擇太陽同步圓軌道上的衛星，軌道參數如表1所示。表1太陽同步圓軌道上的用戶星參數列表
用戶星半長軸偏心率軌道傾角升交點赤經近地點幅角過近地點時刻數據Q1 = 6659km=OI1 =96.4°Q1 =120°ωλ =30° 由這兩顆星的軌道參數得到中繼衛星到被跟蹤用戶星的方向矢量，為求得中繼衛星到被跟蹤用戶星的方向矢量，建立地心慣性坐標系MX1Y1Z1，其原點位於地心M，Z1軸沿地球極軸指向北極，X1軸指向春分點，Y1軸與&軸、Z1軸構成右手系。該坐標系如圖1所示。 中繼衛星與被追蹤用戶星之間的方向矢量J可以由兩個太空飛行器所在軌道的軌道信息獲得， 太空飛行器所在軌道的軌道信息都是已知的。設由地心指向被跟蹤用戶星的矢徑在地心慣性坐
5標系下表示為;;，其具體形式為
權利要求
1.一種天線固聯式對地通信方法，其特徵在於中繼衛星根據具體跟蹤任務要求對目標進行實時跟蹤，取消中繼衛星對地通信天線的轉動機構，通過與中繼衛星本體以最優安裝角固聯的天線實現對地實時通信，所述最優安裝角需保證中繼衛星在滿足實際跟蹤任務要求的姿態機動過程中，最長時間保持與地面站的通信而不受中繼衛星本體姿態機動的影響。
2.根據權利要求1所述的一種天線固聯式對地通信方法，其特徵在於所述最優安裝角確定方法如下，步驟1 根據具體任務的要求，中繼衛星上的跟蹤部件實時跟蹤任務中的用戶星，已知被跟蹤用戶星的軌道參數和中繼衛星自身的軌道參數，由這兩顆星的軌道參數得到中繼衛星到被跟蹤用戶星的方向矢量；步驟2:為實現中繼衛星對用戶星的實時跟蹤，使中繼衛星到被跟蹤用戶星的方向矢量實時的與中繼衛星上安裝的跟蹤部件視線軸重合，由具體跟蹤任務確定中繼衛星的期望姿態歐拉角；步驟3 當中繼衛星上的跟蹤部件視線軸與兩星之間的方向矢量實時重合之後；中繼衛星上安裝的通信天線需要與地面站保持通信，選擇地面站位於中繼衛星星下點位置；中繼衛星、地球和地面站之間的幾何關係需要滿足約束條件1 無論中繼衛星本體姿態如何機動，都能保證通信天線始終指向地面站；由中繼衛星、地球和地面站之間的幾何關係可以得出中繼衛星與地面站之間的方向矢量；步驟4:為保證中繼衛星對地面站的實時通信需要滿足約束條件2 中繼衛星與地面站之間的方向矢量與中繼衛星上通信天線的視線軸之間的夾角在所發射的波束寬度範圍內；步驟5 建立中繼衛星本體坐標系OXbYJb,中繼衛星本體坐標系OXbYJb原點0位於中繼衛星質心，坐標系的三軸分別為中繼衛星的慣量主軸，分別為滾轉軸&軸，偏航軸A軸， 俯仰軸4軸；滿足所述約束條件1和約束條件2的安裝角有多組，其中同時滿足所述約束條件1和約束條件2累計時間最長的安裝角即為所要確定的通信天線固聯在中繼衛星本體上最優安裝角(β，Y)，其中β (0彡β彡2π)為天線方向》在中繼衛星本體坐標系\0、 平面內的投影與\軸正方向的夾角，γ < π)為天線方向》與中繼衛星本體坐標系4軸正方向的夾角。
3.根據權利要求1或2所述的一種天線固聯式對地通信方法，其特徵在於所述的中繼衛星上通信天線所發射的波束寬度範圍為在0.6°到Γ之間。
全文摘要
本發明涉及一種天線固聯式對地通信方法，特別涉及一種地球同步靜止軌道中繼衛星對地通信方法，屬於衛星通信領域。本發明的一種天線固聯式對地通信方法，中繼衛星根據具體跟蹤任務要求對目標進行實時跟蹤，取消中繼衛星對地通信天線的轉動機構，通過與中繼衛星本體以最優安裝角固聯的天線實現對地實時通信，所述最優安裝角需保證中繼衛星在滿足實際跟蹤任務要求的姿態機動過程中，最長時間保持與地面站的通信而不受中繼衛星本體姿態機動的影響。採用此方式，使得中繼衛星的姿態機動精度更高；同時有效地減少了原有天線機動所需的燃料的消耗，一方面使得發射所需攜帶的燃料重量減輕，另一方面也降低了中繼衛星的運行成本。
文檔編號H04B7/185GK102394688SQ20111033255
公開日2012年3月28日 申請日期2011年10月27日 優先權日2011年10月27日
發明者劉偉, 張景瑞, 羅楊 申請人:北京理工大學