一種月球軟著陸探測(cè)任務(wù)各階段天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法、天線(xiàn)及通信方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種月球軟著陸探測(cè)任務(wù)各階段天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法、天線(xiàn)及通信方法，利用該方法設(shè)計(jì)出的天線(xiàn)可以滿(mǎn)足月球軟著陸的需要；動(dòng)力下降段天線(xiàn)設(shè)計(jì)包括：選用兩副相同的收發(fā)共用測(cè)控天線(xiàn)、或兩副相同的接收測(cè)控天線(xiàn)與兩副相同的發(fā)射測(cè)控天線(xiàn)，工作頻段選為S、X和Ka頻段中至少一個(gè)，極化方式選為圓極化，方向圖選為覆蓋半空間，增益選為不小于-5dBi；數(shù)傳天線(xiàn)工作頻段選為S、X和Ka頻段中至少一個(gè)，極化方式選為圓極化，方向圖需覆蓋空間的半波束角為θ=γ+△，增益選為不低于G降；月面工作段天線(xiàn)設(shè)計(jì)包括：測(cè)控天線(xiàn)設(shè)計(jì)和數(shù)傳天線(xiàn)設(shè)計(jì)；器間通信天線(xiàn)設(shè)計(jì)包括：環(huán)月軌道器與月面探測(cè)器之間通信天線(xiàn)設(shè)計(jì)及月面探測(cè)器之間通信天線(xiàn)設(shè)計(jì)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種月球軟著陸探測(cè)任務(wù)各階段天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法、天線(xiàn)及通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于深空探測(cè)測(cè)控通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種月球軟著陸探測(cè)任務(wù)各階段天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法、天線(xiàn)及通信方法，特別是動(dòng)力下降段天線(xiàn)、月面工作段天線(xiàn)以及月面器間通信天線(xiàn)的選用。
【背景技術(shù)】
[0002]天線(xiàn)作為探測(cè)器器載測(cè)控?cái)?shù)傳系統(tǒng)的重要組成部分，是一種導(dǎo)行波與自由空間波之間的轉(zhuǎn)換裝置，用于發(fā)射或接收無(wú)線(xiàn)電波，完成信息交互。在探測(cè)器設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)任務(wù)需求分解出天線(xiàn)的主要指標(biāo)(頻段、極化方式、方向圖以及增益)，進(jìn)而確定任務(wù)各階段選用的天線(xiàn)。月球軟著陸探測(cè)任務(wù)一般包括發(fā)射段、巡航段、環(huán)月段、動(dòng)力下降段、月面工作段以及月面(兩個(gè)或多個(gè)探測(cè)器)器間通信等，相對(duì)于地球軌道衛(wèi)星以及月球軌道衛(wèi)星增加了動(dòng)力下降段、月面工作段以及月面器間通信。本發(fā)明針對(duì)月球軟著陸探測(cè)任務(wù)動(dòng)力下降段、月面工作段以及月面器間的需求，提出天線(xiàn)選用方法。
[0003]一般的地球軌道衛(wèi)星以及月球軌道衛(wèi)星采用兩副收發(fā)共用全向天線(xiàn)(或準(zhǔn)全向天線(xiàn))各覆蓋半空間，兩天線(xiàn)對(duì)稱(chēng)安裝形成全空間(或準(zhǔn)全空間)覆蓋，或采用收發(fā)指標(biāo)與共用全向天線(xiàn)(或準(zhǔn)全向天線(xiàn))相同的獨(dú)立接收全向天線(xiàn)(或準(zhǔn)全向天線(xiàn))和發(fā)射全向天線(xiàn)(或準(zhǔn)全向天線(xiàn))進(jìn)行代替，接收地面站上行遙控，發(fā)送工程數(shù)據(jù)，與地面站配合完成測(cè)定軌。這類(lèi)天線(xiàn)一般被稱(chēng)為測(cè)控天線(xiàn)；通過(guò)帶機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置的定向天線(xiàn)完成載荷數(shù)據(jù)(如圖像數(shù)據(jù)等)的對(duì)地傳輸。這類(lèi)天線(xiàn)一般被稱(chēng)為數(shù)傳天線(xiàn)；一般的地球軌道衛(wèi)星以及月球軌道衛(wèi)星中不存在器間通信，月面探測(cè)器之間通信采用的天線(xiàn)稱(chēng)之為器間通信天線(xiàn)，本發(fā)明中稱(chēng)之為器間通信天線(xiàn)。
[0004]針對(duì)月球軟著陸探測(cè)任務(wù)增加的工作階段，其天線(xiàn)選用不能簡(jiǎn)單的套用一般的地球軌道衛(wèi)星以及月球軌道衛(wèi)星的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。
[0005]首先，針對(duì)動(dòng)力下降段的對(duì)地?cái)?shù)傳，為保證降落過(guò)程中可視化，需要將降落過(guò)程中對(duì)月拍照的圖像實(shí)時(shí)傳回地面?？紤]到降落過(guò)程中探測(cè)器姿態(tài)快速變化，如果采用指向性強(qiáng)的定向天線(xiàn)，無(wú)法保證其對(duì)地指向。
[0006]其次，針對(duì)月面工作段的對(duì)地測(cè)控，僅需要保證天線(xiàn)對(duì)月面以上半空間覆蓋。且，考慮到月面遮擋對(duì)天線(xiàn)方向圖的影響，雙天線(xiàn)通道如果同時(shí)工作可能導(dǎo)致月面以上半空間天線(xiàn)方向圖的惡化。
[0007]再次，針對(duì)月面器間通信，天線(xiàn)需要覆蓋雙方活動(dòng)范圍即可，不同于測(cè)控對(duì)天線(xiàn)半空間覆蓋的要求。同時(shí)還要兼顧月面?zhèn)鞑?duì)電磁波的影響，綜合考慮天線(xiàn)的形式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是針對(duì)月球軟著陸與以往航天任務(wù)不同的任務(wù)需求，提出一種月球軟著陸探測(cè)任務(wù)各階段天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法、天線(xiàn)及通信方法，利用該方法設(shè)計(jì)出的天線(xiàn)可以滿(mǎn)足月球軟著陸的需要。
[0009]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0010]一種月球軟著陸探測(cè)任務(wù)各階段天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法，包括動(dòng)力下降段天線(xiàn)設(shè)計(jì)、月面工作段天線(xiàn)設(shè)計(jì)及器間通信天線(xiàn)設(shè)計(jì)；
[0011]動(dòng)力下降段天線(xiàn)設(shè)計(jì)包括:測(cè)控天線(xiàn)設(shè)計(jì)和數(shù)傳天線(xiàn)設(shè)計(jì)；
[0012]測(cè)控天線(xiàn):該階段選用兩副相同的收發(fā)共用測(cè)控天線(xiàn)、或兩副相同的接收測(cè)控天線(xiàn)與兩副相同的發(fā)射測(cè)控天線(xiàn)，其工作頻段選為S、X和Ka頻段中的至少一個(gè)，極化方式選為圓極化，方向圖選為覆蓋半空間，增益選為不小于_5dBi ；
[0013]數(shù)傳天線(xiàn):工作頻段選為S、X和Ka頻段中的至少一個(gè)，極化方式選為圓極化，
[0014]數(shù)傳天線(xiàn)方向圖采用如下步驟確定:
[0015]S101，在確定探 測(cè)器標(biāo)稱(chēng)姿態(tài)下，獲取η個(gè)不同著陸時(shí)刻的動(dòng)力下降過(guò)程中探測(cè)器-地心連線(xiàn)與數(shù)傳天線(xiàn)電軸夾角的最大值{Ci1, α2, α3……a — Qj ；
[0016]S102，從包含η個(gè)角度的集合中選取最大的角度值，并將其記為α_，計(jì)算考慮探測(cè)器姿態(tài)控制偏差后的探測(cè)器-地心連線(xiàn)與數(shù)傳天線(xiàn)電軸夾角Υ = α_+β，其中β為探測(cè)器姿態(tài)控制的最大偏差；
[0017]S103，確定數(shù)傳天線(xiàn)方向圖需覆蓋空間的半波束角為Θ=Υ + Λ，其中Λ為基準(zhǔn)誤差;
[0018]數(shù)傳天線(xiàn)的增:EifL選為不低于G降=3~Pt降_L_L調(diào)_a+k+101g10 (b降)+c_d ;其中，Pt降為數(shù)傳天線(xiàn)入口處功率，L為傳輸損耗，Lia為調(diào)制損失，a為地面站品質(zhì)因數(shù)，k為玻耳茲曼常數(shù)，數(shù)傳碼速率，c為一定誤碼率前提下的地面解調(diào)門(mén)限，d為信道編碼增益；
[0019]月面工作段天線(xiàn)設(shè)計(jì)包括:測(cè)控天線(xiàn)設(shè)計(jì)和數(shù)傳天線(xiàn)設(shè)計(jì)；
[0020]測(cè)控天線(xiàn):采用動(dòng)力下降段選用的測(cè)控天線(xiàn)中朝天面的測(cè)控天線(xiàn)；
[0021]數(shù)傳天線(xiàn):工作頻段選為S、X和Ka頻段中的至少一個(gè)，極化方式選為圓極化，
[0022]數(shù)傳天線(xiàn)的增￡fL選為不低于G月面=3H31 jg _L_L調(diào)_a+k+101g10 (b月面)+c_d，其中，Pt iw為數(shù)傳天線(xiàn)入口處功率，b J1b為數(shù)傳碼速率；
[0023]數(shù)傳天線(xiàn)方向圖需覆蓋空間的半波束角選為=其中η為天線(xiàn)效率；
[0024]器間通信天線(xiàn)設(shè)計(jì)包括:環(huán)月軌道器與月面探測(cè)器之間通信天線(xiàn)設(shè)計(jì)、及月面探測(cè)器之間通信天線(xiàn)設(shè)計(jì)；
[0025]環(huán)月軌道器與月面探測(cè)器之間通信天線(xiàn):工作頻段選為UHF頻段、極化方式選為圓極化，方向圖選為半空間覆蓋，增益選為不小于_5dBi ；
[0026]月面探測(cè)器之間通信天線(xiàn):工作頻段選為300MHz~600MHz頻段，極化方式選為垂直線(xiàn)極化，方向圖需覆蓋的夾角選為[Qniin-Pniax, α _+β _]，其中[a— amJ為兩探測(cè)器之間通信天線(xiàn)等效饋源連線(xiàn)與通信天線(xiàn)機(jī)械軸夾角變化范圍，為通信天線(xiàn)機(jī)械軸向與探測(cè)器所處地水平面法向的最大夾角值；增益選為不小于Gsw=3-PtlM-L-L調(diào)-a+k+101gltl(b器間)+c_d,其中，Pt器間為通/[目天線(xiàn)入口處功率，b器間為器間通/[目碼速率。
[0027]進(jìn)一步地，本發(fā)明當(dāng)動(dòng)力下降段和月面工作段測(cè)控天線(xiàn)的工作頻段選為S、X和Ka頻段，動(dòng)力下降段和月面工作段數(shù)傳天線(xiàn)的工作頻段選為S、X和Ka頻段時(shí)，則Ka頻段選為數(shù)傳試驗(yàn)鏈路，2025MHz~2110MHz的S頻段、7190MHz~7235MHz的X頻段和22.55GHz~
23.15GHz的Ka頻段選為上行頻帶，2200MHz~2290MHz的S頻段、8450MHz~8500MHz的X頻段和25.5GHz~27GHz的Ka頻段選為下行頻帶。
[0028]進(jìn)一步地，本發(fā)明動(dòng)力下降段和月面工作段測(cè)控天線(xiàn)的工作頻段選為X頻段，動(dòng)力下降段和月面工作段數(shù)傳天線(xiàn)的工作頻段選為X頻段。
[0029]進(jìn)一步地，本發(fā)明所述基準(zhǔn)誤差Λ為±0.92°。
[0030]一種月球軟著陸探測(cè)任務(wù)各階段天線(xiàn)，包括動(dòng)力下降段天線(xiàn)、月面工作段天線(xiàn)及器間通信天線(xiàn)；
[0031]動(dòng)力下降段天線(xiàn):包括測(cè)控天線(xiàn)和數(shù)傳天線(xiàn)，其中測(cè)控天線(xiàn)為兩副相同的收發(fā)共用測(cè)控天線(xiàn)、或兩副相同的接收測(cè)控天線(xiàn)與兩副相同的發(fā)射測(cè)控天線(xiàn)；其中
[0032]測(cè)控天線(xiàn)的工作頻段為S、X和Ka頻段中的至少一個(gè)，極化方式為圓極化，方向圖為覆蓋半空間，增益為不小于_5dBi ；
[0033]數(shù)傳天線(xiàn)的頻段為S、X和Ka頻段中的至少一個(gè)，極化方式為圓極化，方向圖覆蓋空間的半波束角為θ=α_+β + Λ，其中Cimax為η個(gè)著陸時(shí)刻動(dòng)力下降過(guò)程中探測(cè)器-地心連線(xiàn)與數(shù)傳天線(xiàn)電軸夾角的最大值，β為探測(cè)器姿態(tài)控制的最大偏差，Λ為基準(zhǔn)誤差；
[0034]月面工作段天線(xiàn):包括測(cè)控天線(xiàn)和數(shù)傳天線(xiàn)；其中 [0035]測(cè)控天線(xiàn):工作頻段為S、X和Ka頻段中的至少一個(gè)，極化方式為圓極化，方向圖為覆蓋半空間，增益為不小于_5dBi ；
[0036]數(shù)傳天線(xiàn):工作頻段為S、X和Ka頻段中的至少一個(gè)，極化方式為圓極化，
[0037]增:--為不低于G 面=3_Pt月面-L-L調(diào)_a+k+101gltl(b月面)+c_d，其中，Pt月面為數(shù)傳天線(xiàn)入口處功率，bgB為數(shù)傳碼速率；
[0038]數(shù)傳天線(xiàn)方向圖需覆蓋空間的半波束角為
【權(quán)利要求】
1.一種月球軟著陸探測(cè)任務(wù)各階段天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法，包括動(dòng)力下降段天線(xiàn)設(shè)計(jì)、月面工作段天線(xiàn)設(shè)計(jì)及器間通信天線(xiàn)設(shè)計(jì)；其特征在于， 動(dòng)力下降段天線(xiàn)設(shè)計(jì)包括:測(cè)控天線(xiàn)設(shè)計(jì)和數(shù)傳天線(xiàn)設(shè)計(jì)； 測(cè)控天線(xiàn):該階段選用兩副相同的收發(fā)共用測(cè)控天線(xiàn)、或兩副相同的接收測(cè)控天線(xiàn)與兩副相同的發(fā)射測(cè)控天線(xiàn)，該階段所選用的測(cè)控天線(xiàn)的工作頻段選為S、x和Ka頻段中的至少一個(gè)，極化方式選為圓極化，方向圖選為覆蓋半空間，增益選為不小于-5dBi ； 數(shù)傳天線(xiàn):工作頻段選為S、X和Ka頻段中的至少一個(gè)，極化方式選為圓極化， 數(shù)傳天線(xiàn)方向圖采用如下步驟確定: SlOl，在確定探測(cè)器標(biāo)稱(chēng)姿態(tài)下，獲取η個(gè)不同著陸時(shí)刻的動(dòng)力下降過(guò)程中探測(cè)器-地心連線(xiàn)與數(shù)傳天線(xiàn)電軸夾角的最大值1>1; α2，α3……Cilri, aj ； S102,從包含η個(gè)角度的集合中選取最大的角度值，并將其記為a _，計(jì)算考慮探測(cè)器姿態(tài)控制偏差后的探測(cè)器-地心連線(xiàn)與數(shù)傳天線(xiàn)電軸夾角Υ = α_+β，其中β為探測(cè)器姿態(tài)控制的最大偏差； S103，確定數(shù)傳天線(xiàn)方向圖需覆蓋空間的半波束角為θ =y +Λ，其中Λ為基準(zhǔn)誤差；數(shù)傳天線(xiàn)的增益選為不低于
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述月球軟著陸探測(cè)任務(wù)各階段天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，當(dāng)動(dòng)力下降段和月面工作段測(cè)控天線(xiàn)的工作頻段選為S、X和Ka頻段，動(dòng)力下降段和月面工作段數(shù)傳天線(xiàn)的工作頻段選為S、X和Ka頻段時(shí)，則Ka頻段選為數(shù)傳試驗(yàn)鏈路，2025MHz~2110MHz的S頻段、7190MHz~7235MHz的X頻段和22.55GHz~23.15GHz的Ka頻段選為上行頻帶，2200MHz ~2290MHz 的 S 頻段、8450MHz ~8500MHz 的 X 頻段和 25.5GHz ~27GHz的Ka頻段選為下行頻帶。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述月球軟著陸探測(cè)任務(wù)各階段天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，動(dòng)力下降段和月面工作段測(cè)控天線(xiàn)的工作頻段選為X頻段，動(dòng)力下降段和月面工作段數(shù)傳天線(xiàn)的工作頻段選為X頻段。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述月球軟著陸探測(cè)任務(wù)各階段天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述基準(zhǔn)誤差Λ為±0.92°。
5.一種月球軟著陸探測(cè)任務(wù)各階段天線(xiàn)，包括動(dòng)力下降段天線(xiàn)、月面工作段天線(xiàn)及器間通信天線(xiàn)；其特征在于， 動(dòng)力下降段天線(xiàn):包括測(cè)控天線(xiàn)和數(shù)傳天線(xiàn)，其中測(cè)控天線(xiàn)為兩副相同的收發(fā)共用測(cè)控天線(xiàn)、或兩副相同的接收測(cè)控天線(xiàn)與兩副相同的發(fā)射測(cè)控天線(xiàn)；其中 測(cè)控天線(xiàn)的工作頻段為S、X和Ka頻段中的至少一個(gè)，極化方式為圓極化，方向圖為覆蓋半空間，增益為不小于_5dBi ； 數(shù)傳天線(xiàn)的頻段為S、X和Ka頻段中的至少一個(gè)，極化方式為圓極化，方向圖覆蓋空間的半波束角為θ=α_+β + Λ，其中Cimax為η個(gè)著陸時(shí)刻動(dòng)力下降過(guò)程中探測(cè)器-地心連線(xiàn)與數(shù)傳天線(xiàn)電軸夾角的最大值，β為探測(cè)器姿態(tài)控制的最大偏差，Λ為基準(zhǔn)誤差； 月面工作段天線(xiàn):包括測(cè)控天線(xiàn)和數(shù)傳天線(xiàn)；其中 測(cè)控天線(xiàn):工作頻段為S、X和Ka頻段中的至少一個(gè)，極化方式為圓極化，方向圖為覆蓋半空間，增益為不小于_5dBi ； 數(shù)傳天線(xiàn):工作頻段為S、X和Ka頻段中的至少一個(gè)，極化方式為圓極化， 增M為不低于G月面=3_Pt月面-L-L調(diào)~a+k+101og10 (b月面)+c_d，其中，Pt月面為數(shù)傳天線(xiàn)入口處功率，bgS為數(shù)傳碼速率； 數(shù)傳天線(xiàn)方向圖需覆蓋空間的半波束角為
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述月球軟著陸探測(cè)任務(wù)各階段天線(xiàn)，其特征在于，動(dòng)力下降段和月面工作段測(cè)控天線(xiàn)的工作頻段為X頻段，動(dòng)力下降段和月面工作段數(shù)傳天線(xiàn)的工作頻段為X頻段。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述月球軟著陸探測(cè)任務(wù)各階段天線(xiàn)，其特征在于，所述基準(zhǔn)誤差Λ為 ±0.92°。
8.一種月球軟著陸探測(cè)任務(wù)各階段通信方法，包括發(fā)射段通信、巡航段通信、環(huán)月段通信、動(dòng)力下降段通信、月面工作段通信以及月面器間通信；其特征在于，動(dòng)力下降段通信采用數(shù)傳天線(xiàn)和測(cè)控天線(xiàn)，其中測(cè)控天線(xiàn)為兩副相同的收發(fā)共用測(cè)控天線(xiàn)、或兩副相同的接收測(cè)控天線(xiàn)與兩副相同的發(fā)射測(cè)控天線(xiàn)；其中 測(cè)控天線(xiàn)的工作頻段為S、X和Ka頻段中的至少一個(gè)，極化方式為圓極化，方向圖為覆蓋半空間，增益為不小于_5dBi ； 數(shù)傳天線(xiàn)的頻段為S、X和Ka頻段中的至少一個(gè)，極化方式為圓極化，方向圖覆蓋空間的半波束角為θ=α_+β + Λ，其中Cimax為η個(gè)著陸時(shí)刻動(dòng)力下降過(guò)程中探測(cè)器-地心連線(xiàn)與數(shù)傳天線(xiàn)電軸夾角的最大值，β為探測(cè)器姿態(tài)控制的最大偏差，Λ為基準(zhǔn)誤差； 月面工作段通信采用測(cè)控天線(xiàn)和數(shù)傳天線(xiàn)；其中 測(cè)控天線(xiàn)為動(dòng)力下降段所選用的測(cè)控天線(xiàn)中朝天面的測(cè)控天線(xiàn)； 數(shù)傳天線(xiàn)的工作頻段為S、X和Ka頻段中的至少一個(gè)，極化方式為圓極化， 增M為不低于G月面=3_Pt月面-L-L調(diào)~a+k+101og10 (b月面)+c_d，其中，Pt月面為數(shù)傳天線(xiàn)入口處功率，bgS為數(shù)傳碼速率； 數(shù)傳天線(xiàn)方向圖需覆蓋空間的半波束角為
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述月球軟著陸探測(cè)任務(wù)各階段通信方法，其特征在于，當(dāng)動(dòng)力下降段和月面工作段測(cè)控天線(xiàn)的工作頻段選為S、X和Ka頻段，動(dòng)力下降段和月面工作段數(shù)傳天線(xiàn)的工作頻段選為S、X和Ka頻段時(shí)，則在進(jìn)行數(shù)傳試驗(yàn)時(shí)，采用Ka頻段進(jìn)行；在進(jìn)行上行通信時(shí)，采用2025MHz~2110MHz的S頻段、7190MHz~7235MHz的X頻段和22.55GHz~23.15GHz的Ka頻段進(jìn)行，在進(jìn)行下行通信時(shí)，采用2200MHz~2290MHz的S頻段、8450MHz~8500MHz的X頻段和25.5GHz~27GHz的Ka頻段進(jìn)行。
【文檔編號(hào)】H01Q21/00GK103943943SQ201410113774
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月25日
【發(fā)明者】劉適, 孫澤洲, 徐寶碧, 黃曉峰 申請(qǐng)人:北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部