CN102506813B - 一种卫星天线指向精度的确定方法 - Google Patents

Abstract

一种卫星天线指向精度的确定方法，首先，从卫星大系统角度出发，确定影响卫星天线指向精度的各种误差源，主要包括了天线特性、卫星总装和部件的安装误差、卫星控制系统的姿态控制误差以及卫星轨道漂移；其次，对已确定的各误差源项进行作用特性分析，划分为常值误差、日变误差、短周期误差和长期误差；最后，计算得到卫星天线在卫星轴的滚动、俯仰、偏航指向误差，在南北、东西方向的指向误差，以及天线指向半锥角误差。本发明的方法综合考虑影响卫星天线指向精度的各项误差源及其特性，能够较为精确的给出卫星天线指向精度，计算简便，适用于地球静止轨道卫星天线指向精度的工程计算。

Description

一种卫星天线指向精度的确定方法

技术领域

本发明涉及一种卫星天线指向精度的确定方法，特别是应用于地球静止轨道卫星的天线指向精度确定方法。

背景技术

通信天线指向精度指标是通信卫星一项重要的系统级性能指标，在进行系统设计时需要考虑多方面的影响，综合分析卫星天线指向精度，以确保满足卫星任务的要求。

现有技术只是从天线指向机构本身的工作情况进行天线指向精度的分析计算；相关参考文献如下：

[1]孙京，马兴瑞，于登云.星载天线双轴定位机构指向精度分析[J].宇航学报，2007，28(3)：545-550；

[2]张锋，丁洪生，付铁，刘向东.星载天线指向机构误差分析与建模[J].电子机械工程，2010，26(1)：41-44；

[3]高照照，杨慧.卫星锐波束天线指向算法及仿真[J].中国空间科学技术，2008，4：60-65。

但是，对于卫星大系统来说，影响天线指向精度的误差源很多，主要包括了天线特性、卫星总装和部件(敏感器、执行机构)的安装误差、控制分系统的姿态控制误差以及卫星轨道漂移等。同时这些误差源本身有着不同的作用特性，可以划分为常值误差、日变误差、短周期误差和长期误差，不同的作用特性会对卫星天线指向精度产生不同的影响。

从天线指向机构本身工作情况确定天线指向精度，其主要工作集中在天线本身的指向误差特性上，忽略了卫星在轨运行时的多种误差源。而卫星在空间的天线指向精度受多种因素影响，不仅包含了天线指向机构本身的误差，还涵盖了敏感器、执行机构安装误差；控制系统产生的卫星姿态控制误差；轨道变化带来的误差以及卫星机械结构变化带来的误差等。这些误差的存在会在一定程度上增大卫星天线指向误差，仅仅考虑天线指向机构误差是不能真实反映卫星在轨运行时实际的天线指向误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，从卫星大系统的角度出发，提供一种计算简单、准确的卫星天线指向精度的确定方法。

本发明包括如下技术方案：

一种卫星天线指向精度的确定方法，包括如下步骤：

(1)确定影响卫星天线指向精度的误差源，并根据误差源特性，将其分为常值误差、日变误差、短周期误差和长期误差；

各误差源项表示为ER_ki，EP_ki，EY_ki；其中，ER、EP、EY分别表示滚动、俯仰、偏航方向误差；k表示根据误差源特性所进行的分类；k＝1代表常值误差；k＝2代表日变误差；k＝3代表短周期误差、k＝4代表长期误差；i表示各类型误差所包含的误差源项；

(2)计算卫星天线在卫星轴滚动、俯仰、偏航方向指向误差；

首先计算各轴向的各类型误差为：

${\mathrm{ER}}_k=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_i{\mathrm{ER}}_{\mathrm{ki}}^2},$ ${\mathrm{EP}}_k=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_i{\mathrm{EP}}_{\mathrm{ki}}^2},$ ${\mathrm{EY}}_k=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_i{\mathrm{EY}}_{\mathrm{ki}}^2};$

则卫星天线在卫星轴滚动、俯仰、偏航方向指向误差分别为：

ER＝∑ER_k，

$\mathrm{EP}=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{EP}}_k,$ $\mathrm{EY}=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{EY}}_k;$

(3)计算卫星天线在南北、东西向上的指向误差；

南北指向误差为 $\mathrm{ENS}=\sqrt{{\mathrm{ER}}^2+{(\mathrm{KNS}\×\mathrm{EY})}^2};$

东西指向误差为 $\mathrm{EEW}=\sqrt{{\mathrm{EP}}^2+{(\mathrm{KEW}\×\mathrm{EY})}^2};$

其中，KNS为南北耦合系数，KEW为东西耦合系数；

${\mathrm{KNS}}^2=\frac{{\left(\cos M\sin L\right)}^2}{{(R0/\mathrm{Re})}^2+2(1-\cos M\cos L)(1+R0/\mathrm{Re})}$

${\mathrm{KEW}}^2=\frac{{\left(\sin M\right)}^2}{{(R0/\mathrm{Re})}^2+2(1-\cos M\cos L)(1+R0/\mathrm{Re})};$

L＝Lc-Ls，Lc为基准指向方向的地表经度，Ls为卫星经度；M为基准指向方向的地表纬度；Re为赤道半径；R0为卫星到星下点的距离；

(4)根据卫星南北、东西指向误差计算天线指向半锥角误差E_θ；

E_θ＝Max(ENS，EEW)×[1+e^{(4.13×Min(ENS/EEW，EEW/ENS)-6.03)}]

其中，e为常用对数。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明的方法综合考虑影响卫星天线指向精度的各项误差源及其特性，能够较为精确的给出卫星天线指向精度，计算简便，适用于地球静止轨道卫星天线指向精度的工程计算。

具体实施方式

本发明的方法从卫星大系统的角度出发，确定了影响卫星天线指向精度的各项误差源，对各项误差源进行了特性分析，综合计算得到卫星天线指向精度误差，以确认卫星总体设计是否满足整星任务需求。

1)误差源的确定，影响卫星天线指向精度的误差源包括以下各项。

天线自身特性引起的误差，包括天线热变形、天线展开、天线测量误差；

卫星总装和部件安装误差，包括中心承力筒垂直度误差、地球敏感器安装误差、天线安装误差、动量轮安装误差、结构长期误差；

控制系统姿态控制引起的误差，包括动量轮剩余摩擦力矩、地球敏感器常值误差、地球敏感器长期误差、地球敏感器线性误差、地球敏感器随机误差、控制器控制误差、控制器长期误差、动量轮卸载误差、姿态耦合误差；

卫星轨道漂移引起的误差，包括轨道漂移误差。

上述误差源中，有些误差是根据实际设计进行分析得到的(比如控制器控制误差等)；有些误差是根据采取相同设计的卫星在轨运行的实际情况得到的(比如轨道漂移误差等)；有些误差是由器件或系统本身的能力决定的，这些误差是来自于器件或系统的工作特性(比如地球敏感器常值误差等)；还有一些误差是通过测量得到的(比如天线安装误差、动量轮安装误差等)。

2)误差源项特性分析，可以分为常值误差、日变误差、短周期误差和长期误差，划分如下。

常值误差项，包括天线展开误差、天线测量误差、动量轮剩余摩擦力矩、地球敏感器常值误差、地球敏感器线性误差、中心承力筒垂直度误差、地球敏感器安装误差、天线安装误差、动量轮安装误差；

日变误差项，包括天线热变形、轨道漂移误差、姿态耦合误差；

短周期误差项，包括地球敏感器随机误差、控制器控制误差、动量轮卸载误差；

长期误差项，包括地球敏感器长期误差、控制器长期误差、结构长期误差。

3)卫星天线在卫星轴滚动、俯仰、偏航方向指向误差计算。

根据误差源特性和轴向，各误差源项可以写为ER_ki，EP_ki，EY_ki。

其中，R、P、Y分别表示滚动(roll)、俯仰(pitch)、偏航(yaw)；

k表示根据误差源特性所划分的分类号；

i表示各类型误差所包含的误差源项；

例如，k＝1时，表示常值误差，i取1-9；

k＝2时，表示日变误差，i取1-3；

k＝3时，表示短周期误差，i取1-3；

k＝4时，表示长期误差，i取1-3。

则各轴向的各类型误差(根据误差源特性分类)为：

${\mathrm{ER}}_k=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_i{\mathrm{ER}}_{\mathrm{ki}}^2},$ ${\mathrm{EP}}_k=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_i{\mathrm{EP}}_{\mathrm{ki}}^2},$ ${\mathrm{EY}}_k=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_i{\mathrm{EY}}_{\mathrm{ki}}^2};$

例如， ${\mathrm{ER}}_1=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ER}}_{1i}^2},$ ${\mathrm{EY}}_2=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{EY}}_{2i}^2}$

则沿着卫星轴各轴向的总的指向误差为相应轴向的各类型误差之和，具体公式如下：

$\mathrm{ER}=\underset{k=1}{\overset{k=4}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ER}}_k,$ $\mathrm{EP}=\underset{k=1}{\overset{k=4}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{EP}}_k,$ $\mathrm{EY}=\underset{k=1}{\overset{k=4}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{EY}}_k$

4)卫星天线南北、东西指向误差计算。对于天线视轴在南北、东西向上的指向误差可以由滚动、俯仰和偏航轴误差导出：

$\mathrm{ENS}=\sqrt{{\mathrm{ER}}^2+{(\mathrm{KNS}\×\mathrm{EY})}^2}$ (南北指向误差)；

$\mathrm{EEW}=\sqrt{{\mathrm{EP}}^2+{(\mathrm{KEW}\×\mathrm{EY})}^2}$ (东西指向误差)。

其中，

${\mathrm{KNS}}^2=\frac{{\left(\cos M\sin L\right)}^2}{{(R0/\mathrm{Re})}^2+2(1-\cos M\cos L)(1+R0/\mathrm{Re})}$

${\mathrm{KEW}}^2=\frac{{\left(\sin M\right)}^2}{{(R0/\mathrm{Re})}^2+2(1-\cos M\cos L)(1+R0/\mathrm{Re})}$

KNS为南北耦合系数，KEW为东西耦合系数；

L＝Lc-Ls，Lc为基准指向方向的地表经度，Ls为卫星经度；

M为基准指向方向的地表纬度；对于地球同步轨道通信卫星来说，“基准指向方向”指的是某卫星天线指向地面某点的理想经纬度位置。通常在卫星设计初期，根据总体任务确定具体的指向位置。

Re为赤道半径(6378km)；

R0为卫星到星下点的距离(35786km)。

5)天线指向半锥角误差计算。

根据卫星南北、东西指向误差可以得到天线指向半锥角误差为：

E_θ＝Max(ENS，EEW)×[1+e^{(4.13×Min(ENS/EEW，EEW/ENS)-6.03)}]

其中，e为常用对数。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种卫星天线指向精度的确定方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)确定影响卫星天线指向精度的误差源，并根据误差源特性，将其分为常值误差、日变误差、短周期误差和长期误差；

各误差源项表示为ER_ki，EP_ki，EY_ki；其中，ER、EP、EY分别表示滚动、俯仰、偏航方向误差；k表示根据误差源特性所进行的分类；k＝1代表常值误差；k＝2代表日变误差；k＝3代表短周期误差、k＝4代表长期误差；i表示各类型误差所包含的误差源项；

(2)计算卫星天线在卫星轴滚动、俯仰、偏航方向指向误差；

首先计算各轴向的各类型误差为：

${\mathrm{ER}}_k=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_i{\mathrm{ER}}_{\mathrm{ki}}^2},$ ${\mathrm{EP}}_k=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_i{\mathrm{EP}}_{\mathrm{ki}}^2},$ ${\mathrm{EY}}_k=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_i{\mathrm{EY}}_{\mathrm{ki}}^2};$

则卫星天线在卫星轴滚动、俯仰、偏航方向指向误差分别为：

$\mathrm{ER}=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{ER}}_k,$ $\mathrm{EP}=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{EP}}_k,$ $\mathrm{EY}=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{EY}}_k$

(3)计算卫星天线在南北、东西向上的指向误差；

南北指向误差为 $\mathrm{ENS}=\sqrt{{\mathrm{ER}}^2+{(\mathrm{KNS}\×\mathrm{EY})}^2};$

东西指向误差为 $\mathrm{EEW}=\sqrt{{\mathrm{EP}}^2+{(\mathrm{KEW}\×\mathrm{EY})}^2};$

其中，KNS为南北耦合系数，KEW为东西耦合系数；

${\mathrm{KNS}}^2=\frac{{\left(\cos M\sin L\right)}^2}{{(R0/\mathrm{Re})}^2+2(1-\cos M\cos L)(1+R0/\mathrm{Re})}$

${\mathrm{KEW}}^2=\frac{{\left(\sin M\right)}^2}{{(R0/\mathrm{Re})}^2+2(1-\cos M\cos L)(1+R0/\mathrm{Re})};$

L＝Lc-Ls，Lc为基准指向方向的地表经度，Ls为卫星经度；M为基准指向方向的地表纬度；Re为赤道半径；R0为卫星到星下点的距离；

(4)根据卫星南北、东西指向误差计算天线指向半锥角误差E_θ；

E_θ＝Max(ENS，EEW)×[1+e^{(413×Min(ENS/EEW，EEW/ENS)-6.03)}]

其中，e为常用对数。