一種數(shù)傳天線指向角度的仿真分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種采用仿真分析獲取衛(wèi)星數(shù)傳天線指向角度的方法，屬于衛(wèi)星姿態(tài) 與軌道控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 高碼速率點(diǎn)波速雙極化天線（下文均簡稱數(shù)傳天線）是一種新型的對地?cái)?shù)傳天 線，具有傳輸速率高、增益高、左右旋極化復(fù)用的特點(diǎn)，但同時(shí)也要求衛(wèi)星具備控制天線對 地面站的快速跟蹤、精確指向能力，W保證衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。
[0003] 數(shù)傳天線的對地指向跟蹤，主要依靠衛(wèi)星根據(jù)當(dāng)前姿態(tài)信息、軌道信息、時(shí)間信息 W及需指向的地面站位置信息，自行計(jì)算出天線X軸/Y軸轉(zhuǎn)角，并根據(jù)轉(zhuǎn)角信息實(shí)時(shí)控制 天線電機(jī)，實(shí)現(xiàn)天線對地面站的實(shí)時(shí)跟蹤。
[0004] 在衛(wèi)星設(shè)計(jì)階段，需結(jié)合衛(wèi)星在軌運(yùn)行的軌道、姿態(tài)等參數(shù)，對有代表性的、不同 位置的地面站點(diǎn)進(jìn)行仿真分析，計(jì)算得到天線轉(zhuǎn)動(dòng)最大指向角度及角速度情況，在衛(wèi)星研 制過程中優(yōu)化相關(guān)設(shè)計(jì)，比如用W指導(dǎo)天線在軌視場的遮擋分析、天線轉(zhuǎn)動(dòng)范圍的確定、天 線跟蹤轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的擾動(dòng)力矩對衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定度的影響分析等。在衛(wèi)星工廠測試階段，需要 對衛(wèi)星數(shù)傳天線的指向控制功能和性能進(jìn)行測試驗(yàn)證，獲取跟蹤角度遙測數(shù)據(jù)，并與理論 跟蹤角度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，W評估測試結(jié)果的正確性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種計(jì)算精度較高、不依賴 于過多假設(shè)、考慮衛(wèi)星多種飛行姿態(tài)，使用數(shù)值計(jì)算的方法對衛(wèi)星正常對地姿態(tài)、滾動(dòng)姿態(tài) 機(jī)動(dòng)模式、俯仰姿態(tài)機(jī)動(dòng)模式的數(shù)傳天線指向角度進(jìn)行仿真分析的方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種數(shù)傳天線指向角度的仿真分析方法，步驟如下：
[0007] (1)使用仿真工具建立衛(wèi)星，設(shè)置衛(wèi)星的初始軌道根數(shù)；
[000引 似根據(jù)步驟（1)所建立的衛(wèi)星及設(shè)置的初始軌道根數(shù)，獲取限定時(shí)間周期內(nèi)衛(wèi) 星的軌道根數(shù)和衛(wèi)星在J2000慣性坐標(biāo)系下的軌道位置氏。t(t);所述的限定時(shí)間周期指數(shù) 傳天線的可跟蹤弧段；
[000引 做根據(jù)步驟似所得的衛(wèi)星軌道根數(shù)，計(jì)算限定時(shí)間周期內(nèi)衛(wèi)星的偏流角；
[0010] (4)根據(jù)步驟做計(jì)算的限定時(shí)間周期內(nèi)衛(wèi)星的偏流角、步驟似所得的限定時(shí)間 周期內(nèi)衛(wèi)星在J2000慣性坐標(biāo)系下的軌道位置、需指向的地面站位置信息，計(jì)算限定時(shí)間 周期內(nèi)數(shù)傳天線的指向角度。
[0011] 所述步驟（4)具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0012] (4. 1)根據(jù)地面站的大地經(jīng)締度、高度，計(jì)算限定時(shí)間周期內(nèi)地面站在J2000慣性 坐標(biāo)系下的位置Rif(t);
[001引 （4.。根據(jù)Rif(t)與衛(wèi)星在J2000慣性坐標(biāo)系下的軌道位置Rsat(t)，得到衛(wèi)星在J2000慣性坐標(biāo)系下指向地面站的矢量Rf(t);
[0014] (4.3)將矢量Rf(t)由J2000慣性坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系，再由衛(wèi)星軌道坐 標(biāo)系轉(zhuǎn)換到衛(wèi)星本體坐標(biāo)系，最后由衛(wèi)星本體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到數(shù)傳天線坐標(biāo)系，得到數(shù)傳天 線坐標(biāo)系下的矢量Rg"(t);
[001引 （4. 4)根據(jù)矢量Ra"(t)得到數(shù)傳天線的指向角度。
[0016] 所述步驟（4. 3)中用到的由衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的姿態(tài)矩陣， 根據(jù)繞衛(wèi)星本體坐標(biāo)軸的歐拉轉(zhuǎn)動(dòng)確定，姿態(tài)矩陣對應(yīng)的歐拉角與轉(zhuǎn)動(dòng)次序有關(guān)，轉(zhuǎn)動(dòng)次 序與衛(wèi)星控制系統(tǒng)所用轉(zhuǎn)序相同。
[0017]當(dāng)歐拉角按ZXY軸轉(zhuǎn)動(dòng)次序得出，則由衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的 姿態(tài)矩陣Ab。,ex?如下：
[00181
[001引其中，擎、0為衛(wèi)星滾動(dòng)角、俯仰角；V為步驟做計(jì)算的衛(wèi)星偏流角。
[0020] 當(dāng)歐拉角按XZY軸轉(zhuǎn)動(dòng)次序得出，則由衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的 姿態(tài)矩陣AbAuzY：)如下：
[0021]
[0022] 其中，擎、0為衛(wèi)星滾動(dòng)角、俯仰角；W為步驟（3)計(jì)算的衛(wèi)星偏流角。
[0023]當(dāng)歐拉角按YZX軸轉(zhuǎn)動(dòng)次序得出，則由衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的 姿態(tài)矩陣AbA^zx：)如下：
[0024]
[00巧]其中，零、0為衛(wèi)星滾動(dòng)角、俯仰角；W為步驟（3)計(jì)算的衛(wèi)星偏流角。
[0026] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)是：
[0027] (1)本發(fā)明提出的數(shù)傳天線指向角度仿真分析方法，計(jì)算精度較高、不依賴于過多 假設(shè)、充分考慮衛(wèi)星多種在軌任務(wù)姿態(tài)模式，使用數(shù)值計(jì)算的方法簡單快捷地對衛(wèi)星正常 對地姿態(tài)、滾動(dòng)姿態(tài)機(jī)動(dòng)模式、俯仰姿態(tài)機(jī)動(dòng)模式的數(shù)傳天線指向角度進(jìn)行仿真分析，有效 解決了衛(wèi)星數(shù)傳天線指向控制功能和性能的高精度分析驗(yàn)證問題；
[0028] (2)本發(fā)明所述的衛(wèi)星本體坐標(biāo)系相對于軌道坐標(biāo)系的姿態(tài)矩陣，目前常用做法 是假設(shè)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系與軌道坐標(biāo)系重合（即假設(shè)姿態(tài)矩陣對應(yīng)的衛(wèi)星=軸歐拉角全部 為零），或?qū)⑿l(wèi)星=軸歐拉角作為已知量（可通過衛(wèi)星測試數(shù)據(jù)獲得，此方法受限于數(shù)據(jù)的 獲取時(shí)間和獲取途徑），且一般僅考慮3-1-2轉(zhuǎn)序（正常對地姿態(tài)）。光學(xué)遙感衛(wèi)星由于相 機(jī)視場角較小，在軌經(jīng)常需要進(jìn)行姿態(tài)機(jī)動(dòng)，W獲得在沿軌和穿軌方向的較大范圍觀測視 場，因此必須考慮衛(wèi)星多種在軌任務(wù)姿態(tài)模式；光學(xué)遙感衛(wèi)星姿態(tài)控制精度要求較高，因此 仿真分析計(jì)算時(shí)需要有較為精確的衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)，假設(shè)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系與軌道坐標(biāo)系重合 的做法將會(huì)大大降低仿真計(jì)算精度；
[002引 做由于地面站點(diǎn)除我國現(xiàn)有的幾個(gè)固定站點(diǎn)，可能還存在移動(dòng)站點(diǎn)，因此在衛(wèi)星 設(shè)計(jì)階段，結(jié)合衛(wèi)星的軌道、姿態(tài)等參數(shù)，選取有代表性的、不同位置的站點(diǎn)進(jìn)行仿真分析， 計(jì)算得到天線最大指向角度及角速度情況，在衛(wèi)星研制過程中優(yōu)化相關(guān)設(shè)計(jì)，比如用W指 導(dǎo)天線在軌視場的遮擋分析、天線轉(zhuǎn)動(dòng)范圍的確定、天線跟蹤轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的擾動(dòng)力矩對衛(wèi)星 姿態(tài)穩(wěn)定度的影響分析等，具有良好的工程指導(dǎo)性。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明方法的工作流程圖；
[0031] 圖2為本發(fā)明方法計(jì)算的偏流角與衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)偏差結(jié)果示意圖；
[0032]圖3為本發(fā)明方法計(jì)算的數(shù)傳天線指向角度與衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)偏差結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]本文需要用到的坐標(biāo)系包括J2000慣性坐標(biāo)系、軌道坐標(biāo)系、衛(wèi)星本體坐標(biāo)系、 數(shù)傳天線坐標(biāo)系、WGS-84坐標(biāo)系。下面分別定義W上坐標(biāo)系。
[0034] J2000慣性坐標(biāo)系
[003引J2000慣性坐標(biāo)系0龍￥品，此坐標(biāo)系為一個(gè)慣性空間的坐標(biāo)系，此坐標(biāo)系W地屯、 為原點(diǎn)0i，Xi軸正向指向世界協(xié)調(diào)時(shí)2000年1月1日12:00時(shí)測定的地球的平均春分點(diǎn)方 向，Zi軸正向指向地球在世界協(xié)調(diào)時(shí)2000年1月1日12:00時(shí)測定的平均自轉(zhuǎn)軸北端，Yi 軸與Xi軸、Z1軸垂直，X1軸、Y1軸、Z1軸形成右手坐標(biāo)系。
[0036] 軌道坐標(biāo)系
[0037] 軌道坐標(biāo)系0成￥。式，原點(diǎn)0。在衛(wèi)星在軌時(shí)質(zhì)屯、位置，Z。軸由質(zhì)屯、指向地心X。軸 在軌道平面內(nèi)與Z。軸垂直并指向衛(wèi)星速度方向，Y。軸與X。軸、Z。軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系且 與軌道平面的法線平行；此坐標(biāo)系在空間是旋轉(zhuǎn)的。
[0038]衛(wèi)星本體坐標(biāo)系
[0039]衛(wèi)星本體坐標(biāo)系ObXbYbZb，原點(diǎn)〇b位于星箭對接面的中心Xb與衛(wèi)星縱軸重合，指 向衛(wèi)星縱軸方向，在衛(wèi)星飛行狀態(tài)下與飛行方向同向，Zb軸在衛(wèi)星飛行狀態(tài)下指向地屯、，Yb 軸與Xb軸、Zb軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系（衛(wèi)星縱軸定義為星體上，過星箭對接面中屯、，垂直于星箭 分離面，指向星體內(nèi)部為正方向的一條軸線）。
[0040]數(shù)傳天線零位坐標(biāo)系
[0041] 數(shù)傳天線零位坐標(biāo)系〇。品點(diǎn)品。，原點(diǎn)〇。。天線轉(zhuǎn)動(dòng)中屯、即天線處于展開零位時(shí)， 反射面軸線與安裝板的交點(diǎn)；0JC。。軸與衛(wèi)星〇bXb軸平行，方向與衛(wèi)星〇bXb軸方向一致； 〇。九。軸與衛(wèi)星0bYb軸平行，方向與衛(wèi)星0bYb軸方向一致；0。品。軸由右手法則確定，方向與 衛(wèi)星〇bZb軸方向一致。
[0042] WGS-S4坐標(biāo)系
[004引WGS-84坐標(biāo)系OfXfYfZf，原點(diǎn)Of為地球質(zhì)心其地屯、空間直角坐標(biāo)系的Zf軸指向BIH(國際時(shí)間）1984. 0定義的協(xié)議地球極（CT巧方向，Xf軸指向BIH1984. 0的零子午面和 CTP赤道的交點(diǎn)，Yf軸與Zf軸、Xf軸垂直構(gòu)成右手坐標(biāo)系。
[0044] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述，如圖1所示，本仿真分析方法的步 驟如下：
[0045] (1)使用仿真工具建立衛(wèi)星，設(shè)置衛(wèi)星的初始軌道根數(shù)。
[0046] 本步驟使用STK作為仿真工具。打開STK軟件，新建衛(wèi)星，設(shè)置衛(wèi)星的初始軌道 根數(shù)，包括歷元時(shí)間、半長軸、偏屯、率、軌道傾角、升交點(diǎn)赤經(jīng)、近地點(diǎn)幅角、真近點(diǎn)角，選擇 HP0P模型作為衛(wèi)星軌道的推演模型。
[0047] (2)根據(jù)步驟（1)所建立的衛(wèi)星及設(shè)置的初始軌道根數(shù)，使用STK軟件的REPORT 功能，WAt為仿真周期（At= 1秒），獲取限定時(shí)間周期內(nèi)（此處的限定時(shí)間周期指數(shù)傳 天線的可跟蹤弧段，使用STK軟件的ACCESS功能獲?。┬l(wèi)星的軌道根數(shù)（半長軸a、偏屯、 率e、升交點(diǎn)赤經(jīng)Q、軌道傾角i、近地點(diǎn)幅角《、真近點(diǎn)角f)和衛(wèi)星在J2000慣性坐標(biāo)系 下的軌道位置IU(t):
[0048]
[0049] 其中，t表示UTC時(shí)間，下標(biāo)"U"代表衛(wèi)星。
[0050] 做根據(jù)步驟似所得的衛(wèi)星軌道根數(shù)，計(jì)算限定時(shí)間周期內(nèi)衛(wèi)星的偏流角Wp。
[0051] 對衛(wèi)星數(shù)傳天線的指向控制功能和性能進(jìn)行驗(yàn)證，需針對衛(wèi)星在軌任務(wù)姿態(tài)模 式，即正常對地姿態(tài)、滾動(dòng)姿態(tài)機(jī)動(dòng)模式、俯仰姿態(tài)機(jī)動(dòng)模式。滾動(dòng)姿態(tài)機(jī)動(dòng)模式的滾動(dòng)角 受限于衛(wèi)星的滾動(dòng)姿態(tài)機(jī)動(dòng)范圍，俯仰姿態(tài)機(jī)動(dòng)模式的俯仰角受限于衛(wèi)星的俯仰姿態(tài)機(jī)動(dòng) 范圍，仿真分析和測試驗(yàn)證應(yīng)按照衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)范圍進(jìn)行設(shè)定。
[00閲a.衛(wèi)星正常對地姿態(tài)（即設(shè)定滾動(dòng)角9=0°、俯仰角0 =0° )，偏流角Wp可W 寫作：
[00巧]其中，表示地球自轉(zhuǎn)角速度