一種減小深空探測器天線波束寬度的方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種減小深空探測器天線波束寬度的方法及系統(tǒng)，所述方法包含：步驟1）獲取太陽、深空探測器與地球之間的夾角所呈現(xiàn)的規(guī)律性范圍；步驟2）利用獲取的夾角所呈現(xiàn)的規(guī)律性將天線的半波束寬度設(shè)計為大于上述夾角范圍的窄波束定向天線。步驟1）包含：建立深空探測器軌道動力學(xué)模型；獲得深空探測器在地球J2000坐標(biāo)系下的位置矢量，根據(jù)已知探測器的軌道根數(shù)，利用建立的探測器軌道動力學(xué)模型，采用龍格庫塔7/8階數(shù)值積分進(jìn)行探測器軌道遞推計算，獲得深空探測器在地球J2000坐標(biāo)系下的位置矢量；同時獲得太陽在地球J2000坐標(biāo)系下的位置矢量；根據(jù)深空探測器及太陽在地球J2000下的位置矢量，獲取了太陽、深空探測器與地球之間的夾角所呈現(xiàn)的規(guī)律性。
【專利說明】一種減小深空探測器天線波束寬度的方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航天工程【技術(shù)領(lǐng)域】，具體應(yīng)用于深空探測器，尤其涉及一種減小深空探測器天線波束寬度的方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)為了確保深空探測器的安全，其測控天線必須實現(xiàn)球形全向波束，這勢必造成天線增益指標(biāo)上不去。例如:波束寬度為±30°的天線增益可以大于6dBi，而采用兩副天線合成球形全向波束的單天線增益一般小于_3dBi，兩者相差近10dB，這給整個探測器帶來增加發(fā)射功率、增大接收機(jī)靈敏度的苛刻要求，這些要求有時在工程中是不可能實現(xiàn)的，或者實現(xiàn)時需要消耗大量星上資源。
[0003]然而事實上，在深空探測器的任務(wù)飛行時間內(nèi)，天線的全向波束實際上并沒有在各個方向上都用上，只有部份指向地球的波束能夠發(fā)揮作用，這種設(shè)計方式就導(dǎo)致了對深空探測器寶貴資源的浪費。因此只要找到深空探測器對準(zhǔn)地球的這些實際使用的波束方向，就可以將天線設(shè)計成窄波束的定向天線，窄波束天線能夠獲得比寬波束天線更高的增益，從而能夠降低深空探測器的資源消耗、或者提高通信性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于，為了克服深空超遠(yuǎn)距離對信號傳輸帶來的巨大衰減，本發(fā)明利用對深空探測器實際運行軌道的仿真分析手段，發(fā)現(xiàn)探測器運行軌道的特性，即探測器在執(zhí)行任務(wù)期間，太陽-探測器-地球三者之間的夾角呈現(xiàn)一定規(guī)律，從而提供一種減小深空探測器天線波束寬度的方法及系統(tǒng)。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種減小深空探測器天線波束寬度的方法，所述方法包含:
[0006]步驟I)用于獲取太陽、深空探測器與地球之間的夾角所呈現(xiàn)的規(guī)律性范圍的步驟；
[0007]步驟2)用于利用上述獲取的夾角所呈現(xiàn)的規(guī)律性范圍將天線的半波束寬度設(shè)計為大于該上述夾角范圍的一副窄波束定向天線的步驟。
[0008]上述技術(shù)方案中，所述步驟I)進(jìn)一步包含如下子步驟:
[0009]101-1)建立深空探測器軌道動力學(xué)模型；
[0010]以火星探測器為例，在環(huán)火星飛行軌道段，采用以火星為中心天體的軌道動力學(xué)模型，火星引力場模型采用GGM1041C，同時考慮太陽、地球、木星、火衛(wèi)1、火衛(wèi)2的第三體引力攝動，以及太陽光壓攝動建立深空探測器的軌道動力學(xué)模型；
[0011]101-2)獲得深空探測器在地球J2000坐標(biāo)系下的位置矢量，根據(jù)已知探測器的軌道根數(shù)，利用步驟101-1)建立的探測器軌道動力學(xué)模型，采用龍格庫塔7/8階數(shù)值積分方法進(jìn)行探測器軌道遞推計算，并通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化，獲得深空探測器在地球J2000坐標(biāo)系下的位置矢量；[0012]其中，所述J2000坐標(biāo)系為地球平赤道平春分點坐標(biāo)系，也可以采用其它坐標(biāo)系，如地球固連坐標(biāo)系，只要與下述步驟中獲取的太陽位置矢量是在同一坐標(biāo)系下即可。但是一般常用的是地球平赤道平春分點坐標(biāo)系；
[0013]102-3)獲得太陽在地球J2000坐標(biāo)系下的位置矢量；
[0014]102-4)根據(jù)上述步驟分別獲得深空探測器及太陽在地球J2000下的位置矢量，利用幾何關(guān)系計算得出太陽_、深空探測器與地球三者之間所呈現(xiàn)夾角在深空探測器運行軌道上不同位置的數(shù)值，即獲取了太陽、深空探測器與地球之間的夾角所呈現(xiàn)的規(guī)律性范圍。
[0015]上述技術(shù)方案中，所述步驟2)進(jìn)一步包含如下子步驟:利用步驟I)獲取的夾角所呈現(xiàn)的規(guī)律性范圍，找出夾角的最大值，將天線的半波束寬度設(shè)計為大于該值。
[0016]上述技術(shù)方案中，所述步驟2)進(jìn)一步包含如下子步驟:利用步驟I)獲取的夾角所呈現(xiàn)的規(guī)律性范圍，找出夾角的最大值，將一副窄波束定向天線的半波束寬度設(shè)計為該值的步驟，所述定向天線采用喇叭口型形式，根據(jù)指定的天線半波束寬度確定喇叭口的直徑，從而完成整個天線的設(shè)計。
[0017]基于上述方法本發(fā)明還提供了一種減小深空探測器天線波束寬度的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包含:
[0018]夾角范圍獲取模塊，用于獲取太陽與深空探測器、以及深空探測器和地球之間的夾角所呈現(xiàn)的規(guī)律性范圍；和
[0019]處理模塊，用于利用獲取的夾角所呈現(xiàn)的規(guī)律性范圍將天線的半波束寬度設(shè)計為大于該上述夾角范圍的一副窄波束定向天線。
[0020]上述技術(shù)方案中，所述夾角范圍獲取模塊進(jìn)一步包含:
[0021]建模模塊，用于建立深空探測器軌道動力學(xué)模型；
[0022]深空探測器在地球J2000坐標(biāo)下的位置矢量獲取模塊，用于獲得深空探測器在地球J2000坐標(biāo)系下的位置矢量，根據(jù)已知探測器的軌道根數(shù)，利用建立的探測器軌道動力學(xué)模型，采用龍格庫塔7/8階數(shù)值積分方法進(jìn)行探測器軌道遞推計算，并通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化，獲得深空探測器在地球J2000坐標(biāo)系下的位置矢量；
[0023]太陽在地球J2000坐標(biāo)下的位置矢量獲取模塊，用于獲得太陽在地球J2000坐標(biāo)系下的位置矢量；和
[0024]夾角范圍獲取模塊，用于根據(jù)獲得深空探測器及太陽在地球J2000下的位置矢量，利用幾何關(guān)系計算得出太陽_、深空探測器與地球三者之間所呈現(xiàn)夾角在深空探測器運行軌道上不同位置的數(shù)值，即獲取了太陽、深空探測器與地球之間的夾角所呈現(xiàn)的規(guī)律性范圍。
[0025]上述技術(shù)方案中，所述處理模塊進(jìn)一步包含:
[0026]最大角度確定模塊,用于找出夾角范圍獲取模塊得到的夾角范圍的最大值；
[0027]天線設(shè)計模塊，用于將天線的半波束寬度設(shè)計為大于最大角度確定模塊確定的角度值。
[0028]所述天線設(shè)計模塊將一副窄波束定向天線的半波束寬度設(shè)計為滿足前述最大角度，所述定向天線采用喇叭口型形式，根據(jù)指定的天線半波束寬度確定喇叭口的直徑，完成天線的設(shè)計。
[0029]總之，本發(fā)明利用太陽-探測器-地球三者之間的夾角呈現(xiàn)的規(guī)律性，無需采用球形全向波束天線就可以保證測控天線波束覆蓋地球，可以減小執(zhí)行任務(wù)時對天線波束寬度的需求，即用一副窄波束定向天線代替全向天線。這樣就提高了天線增益，用天線增益彌補發(fā)射功率，解決星上資源消耗問題，實現(xiàn)距離達(dá)數(shù)億公里的深空通信，并保證探測器在軌期間始終保持與地面站通信。
[0030]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于:
[0031]現(xiàn)有衛(wèi)星測控天線采用球形全向波束，天線增益一般小于_3dBi。本發(fā)明提供了一種根據(jù)實際運行軌道特性設(shè)計天線波束寬度的創(chuàng)新方法，用于深空探測器設(shè)計，能夠減小天線波束寬度需求、大大提高探測器上測控天線的增益，天線增益一般大于3dBi，相對球形全向波束天線增益提高6dB，從而降低探測器3/4的發(fā)射功率(減少能源消耗)、或者增加一倍的信號傳輸距離、或者提高3倍的數(shù)據(jù)傳輸速率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1本發(fā)明所采用的太陽、深空探測器和地球三者之間夾角的定義示意圖；
[0033]圖2本發(fā)明通過軌道仿真得到太陽、深空探測器和地球三者之間夾角的具體數(shù)據(jù)示意圖；
[0034]圖3本發(fā)明實施例獲取的YH-1火星探測器在2010年9月到達(dá)火星軌道時一年任務(wù)期內(nèi)的夾角分布示意圖。
【具體實施方式】:
[0035]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0036]本方案的方法可以推廣用于在不同行星執(zhí)行不同探測任務(wù)的探測器。通過對深空探測器實際運行軌道的仿真分析，可以發(fā)現(xiàn)探測器運行軌道的特點，即探測器在執(zhí)行任務(wù)期間，太陽-探測器-地球之間的夾角呈現(xiàn)一定規(guī)律，一般能夠發(fā)現(xiàn)該角度小于某個固定值。
[0037]本發(fā)明的技術(shù)方案可以設(shè)計一種用于深空探測器的測控天線，其特征在于，所述的測控天線為一副窄波束定向天線，該定向天線的半波束寬度由依據(jù)深空探測器在軌時得到的太陽、深空探測器和地球三者之間所呈現(xiàn)的最大角度進(jìn)行限定；實際上天線增益Goc UD/λ)2、天線波束寬度0a5oc λ/D，其中λ為信號載波的波長、D為天線口徑；對于確定的天線構(gòu)成形式，波束寬度與天線口徑有著固定的關(guān)系；由步驟3)確定了天線的波束寬度后，結(jié)合載波波長就可以得到天線口徑，并根據(jù)天線口徑及其載波波長計算出天線設(shè)計增益。一般來講，當(dāng)太陽-探測器-地球之間夾角范圍小于90°時，天線波束寬度小于180° ;依據(jù)太陽-探測器-地球之間夾角設(shè)計出來的天線增益肯定大于常用的全向波束天線增益，這就為深空通信鏈路提供了額外的信號功率，可以降低探測器的資源消耗、或者提高通信性能。
[0038]另外，如果深空探測器能夠識別地球相對太陽的方向，則天線半波束寬度還能夠進(jìn)一步減小一半，即只需達(dá)到太陽-探測器-地球之間最大夾角的一半即可，這樣理論上能夠?qū)⑻炀€增益再提高一倍。
[0039]實施例1
[0040]以某火星探測器為例，首先建立在火星引力場下的探測器軌道動力學(xué)模型。其動力學(xué)模型考慮以下幾點:以火星為中心的引力場模型，GGM1041C火星重力場模型，太陽引力、太陽光壓。根據(jù)已知的探測器在以火星為中心坐標(biāo)系下的軌道根數(shù)，利用在火星引力場下的探測器軌道動力學(xué)模型，進(jìn)行探測器的軌道遞推計算，獲得探測器在火星為中心坐標(biāo)系下的位置矢量。通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化，獲得探測器在地球J2000坐標(biāo)系下的位置矢量。計算其在軌運行期間(2010年9月到2017年8月)太陽-探測器-地球之間的夾角，從而獲取夾角呈現(xiàn)的規(guī)律性。如圖2所示，仿真分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)在軌運行期間太陽-探測器-地球的最大夾角約為45°。這樣，只需將天線的半波束寬度設(shè)計成大于該角度，在探測器姿態(tài)實現(xiàn)對太陽定向時，無需采用球形全向波束天線就可以保證任務(wù)期間測控天線波束覆蓋地球；而半波束寬度為45°的定向天線能夠比全向波束天線增益提高6dB。
[0041]實施例2
[0042]以YH-1火星探測器為例說明方案實施要點:探測器繞火星飛行軌道為遠(yuǎn)火星點朝向太陽、近火星點800km、遠(yuǎn)火星點80000km的赤道面橢圓軌道；通過軌道仿真分析，發(fā)現(xiàn)了在軌運行期間(2010年9月到2011年8月)，從探測器上看太陽與地球的夾角在29.9°(最大角度)與0.8° (最小角度)之間，即在30°以內(nèi)，這就可以把低增益天線的半波束寬度僅設(shè)計成30° (而不是通常的70° )，使得探測器自主工作對日定向后，低增益天線的波束就能夠覆蓋整個地球，指令接收機(jī)和X波段發(fā)射機(jī)利用低增益天線能夠與地球深空站建立初始通信，這樣就間接地提高了天線的增益(一般70°半波束寬度的天線增益小于OdBi，YH-1采用30°半波束寬度的天線，產(chǎn)品實現(xiàn)增益達(dá)到6、dBi) ；6dBi增益能夠?qū)⑺枰陌l(fā)射功率降低為四分之一，可以大大減小探測器上電源功耗。
[0043]由于將全向波束天線轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄊ鴮挾葹椤?0°的定向天線，從而獲得額外的6dBi增益，能夠?qū)⑺枰陌l(fā)射功率降低為四分之一；即原來需要40W發(fā)射功率、消耗200W直流功耗，就變成僅需要IOW發(fā)射功率、消耗50W直流功耗，這樣就大大減小星上電源功耗。
[0044]實際上，普通的深空探測器無法單獨為一臺發(fā)射機(jī)提供200W的直流功耗！但是能夠非常容易為一臺發(fā)射機(jī)提供50W的直流功耗。所以，天線增益設(shè)計指標(biāo)往往成為深空鏈路設(shè)計的關(guān)鍵。
[0045]最后需要說明的是，【具體實施方式】中所述算法已經(jīng)經(jīng)過大量實驗數(shù)據(jù)驗證，是真實可靠的，搭配硬件便可實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案。所述所有實施例僅為對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明，并非絕對，可相應(yīng)擴(kuò)展。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改、添加、刪減或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種減小深空探測器天線波束寬度的方法，所述方法包含: 步驟I)用于獲取太陽、深空探測器與地球之間的夾角所呈現(xiàn)的規(guī)律性范圍的步驟； 步驟2)用于利用上述獲取的夾角所呈現(xiàn)的規(guī)律性范圍將天線的半波束寬度設(shè)計為大于該上述夾角范圍的一副窄波束定向天線的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的減小深空探測器天線波束寬度的方法，其特征在于，所述步驟I)進(jìn)一步包含如下子步驟: 101-1)建立深空探測器軌道動力學(xué)模型； 101-2)獲得深空探測器在地球J2000坐標(biāo)系下的位置矢量，根據(jù)已知探測器的軌道根數(shù)，利用步驟101-1)建立的探測器軌道動力學(xué)模型，采用龍格庫塔7/8階數(shù)值積分方法進(jìn)行探測器軌道遞推計算，并通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化，獲得深空探測器在地球J2000坐標(biāo)系下的位置矢量； 102-3)獲得太陽在地球J2000坐標(biāo)系下的位置矢量； 102-4)根據(jù)上述步驟分別獲得深空探測器及太陽在地球J2000下的位置矢量，利用幾何關(guān)系計算得出太陽、深空探測器與地球三者之間所呈現(xiàn)夾角在深空探測器運行軌道上不同位置的數(shù)值，即獲取了太陽、深空探測器與地球之間的夾角所呈現(xiàn)的規(guī)律性范圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的減小深空探測器天線波束寬度的方法，其特征在于，所述步驟2)進(jìn)一步包含如下子步驟:利用步驟I)獲取的夾角所呈現(xiàn)的規(guī)律性范圍，找出夾角的最大值，將天線的半波束寬度設(shè)計為大于該值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的減小深空探測`器天線波束寬度的方法，其特征在于，所述步驟2)進(jìn)一步包含如下子步驟:利用步驟I)獲取的夾角所呈現(xiàn)的規(guī)律性范圍，找出夾角的最大值，將一副窄波束定向天線的半波束寬度設(shè)計為該值的步驟，所述定向天線采用喇叭口型形式，根據(jù)指定的天線半波束寬度確定喇叭口的直徑，從而完成整個天線的設(shè)計。
5.一種減小深空探測器天線波束寬度的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包含: 夾角范圍獲取模塊，用于獲取太陽、深空探測器和地球之間的夾角所呈現(xiàn)的規(guī)律性范圍；和 處理模塊，用于利用獲取的夾角所呈現(xiàn)的規(guī)律性范圍將天線的半波束寬度設(shè)計為大于該上述夾角范圍的一副窄波束定向天線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的減小深空探測器天線波束寬度的系統(tǒng)，其特征在于，所述夾角范圍獲取模塊進(jìn)一步包含: 建模模塊，用于建立深空探測器軌道動力學(xué)模型； 深空探測器在地球J2000坐標(biāo)下的位置矢量獲取模塊，用于獲得深空探測器在地球J2000坐標(biāo)系下的位置矢量，根據(jù)已知探測器的軌道根數(shù)，利用建立的探測器軌道動力學(xué)模型，采用龍格庫塔7/8階數(shù)值積分方法進(jìn)行探測器軌道遞推計算，并通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化，獲得深空探測器在地球J2000坐標(biāo)系下的位置矢量； 太陽在地球J2000坐標(biāo)下的位置矢量獲取模塊，用于獲得太陽在地球J2000坐標(biāo)系下的位置矢量；和 夾角范圍獲取模塊，用于根據(jù)獲得深空探測器及太陽在地球J2000下的位置矢量，利用幾何關(guān)系計算得出太陽_、深空探測器與地球三者之間所呈現(xiàn)夾角在深空探測器運行軌道上不同位置的數(shù)值，即獲取了太陽、深空探測器與地球之間的夾角所呈現(xiàn)的規(guī)律性范圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的減小深空探測器天線波束寬度的系統(tǒng)，其特征在于，所述處理模塊進(jìn)一步包含: 最大角度確定模塊，用于找出夾角范圍獲取模塊得到的夾角范圍的最大值；和 天線設(shè)計模塊，用于將天線的半波束寬度設(shè)計為大于最大角度確定模塊所確定的角度值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的減小深空探測器天線波束寬度的系統(tǒng)，其特征在于，所述天線設(shè)計模塊將一副窄波束定向天線的半波束寬度設(shè)計為滿足前述最大角度，所述定向天線采用喇叭口型形式， 根據(jù)指定的天線半波束寬度確定喇叭口的直徑，完成天線的設(shè)計。
【文檔編號】G06F19/00GK103632023SQ201210306698
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年8月24日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月24日
【發(fā)明者】屈晨陽, 謝春堅, 王竹剛, 熊蔚明 申請人:中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心