CN102514735B - 一种适用于金星探测器的数传天线偏置安装角的姿态指向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于金星探测器的数传天线偏置安装角的姿态指向方法，该姿态指向方法(1)根据金星探测器的指向控制精度确定数传天线的偏置安装角，(2)以数传天线指向地球和帆板法向指向太阳为基准建立姿态，并以散热面切换的操作节点和所分割的弧段进行姿态变化，(3)根据天线偏置角的设计值，计算1个地、金绕日公转的公倍周期内姿态机动和散热器切换的定量坐标，(4)探测器将在地、金公转的公倍周期内重复上述各节点和弧段内动作，直至金星探测器寿命结束。本发明的姿态指向，克服现有金星探测器必须装备2个或以上数传天线以及固定散热器的不足，既可将对地数传天线数量减至1个以减少装载设备，又可固定金星探测器的散热器以简化设计和降低研制难度。

Description

一种适用于金星探测器的数传天线偏置安装角的姿态指向方法

技术领域

本发明涉及一种金星探测器的姿态指向设计方法，更特别地说，是指一种适用于金星探测器的数传天线偏置安装角的姿态指向方法。

背景技术

随着航天技术的发展，人类活动逐渐扩展到太阳系内类地行星等深空探测领域。通过发射行星探测器进行行星空间环境以及太阳系和宇宙起源与演化等科学任务探测。对于以金星为代表的类地行星探测器，其生存环境(包括能源、温度和通讯等)完全不同于地球轨道器，即需要依据探测任务和飞行轨道以及环境设计合适的姿态指向以满足探测器对能源、温控以及数传等指标需求。

金星探测器具有地球遥远，可维护能力较差；故探测器应采取简洁设计以增加系统抗干扰能力：探测器应尽可能少地安装设备，减少转动部件的数量以及转角范围；探测器应采取固定或准固定散热面设计，即可有效控制探测器内部各设备的温度，还可减小热控系统的研制难度；探测器下行数传通道的空间损耗较大难以获得高速通信，故数传天线应保持长时间指向地球以延长通讯时长。为了最大限度获取探测数据并完成对地传输，同时降低探测器的研制难度，需要针对探测器进行全寿命期姿态指向规划。

人类已发射多颗金星探测器，其姿态指向设计各不相同：早期探测器以能否进入行星环绕轨道为任务目标，其运行寿命和信息采集量有限，姿态设计方法往往沿用地球卫星三轴稳定对地指向的理念；随着控制能力的增强，探测器逐渐采用多星定向方式，即在不同的任务阶段采取不同的姿态指向。Current status of the PLANET-CVenus orbiter design(19 October 2002)和Planet-C：Venus Climate Orbitermission of Japan(10 April 2006)中介绍了金星探测器的结构。

自1989年以来，共有两个多星定向的金星探测器发射升空：“金星快车(VenusExpress)”探测器(ESA，2005.11)，“拂晓(AKATSUKI)”探测器(JAXA，2010.5)。Venus Express携带两个数传天线且背向安装：高增益大型天线进行较远距离数据传输，低增益小型天线进行较近距离数据传输。AKATSUKI携带高增益、中增益和低增益三个数传天线，其中高增益天线作为主份执行数传任务。VenusExpress和AKATSUKI帆板的轴向垂直于金星公转平面，并进行对日跟踪定向以保持光线入射角接近90°。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有金星探测器必须装备2个或2个以上数传天线以及固定散热器的设计不足，提供一种基于天线偏置安装角的姿态指向方法；该方法既可将对地数传天线数量减至1个以减少装载设备，又可固定探测器的散热器以简化设计和降低研制难度。

本发明的一种适用于金星探测器的数传天线偏置安装角的姿态指向方法，该姿态指向方法：

(1)根据金星探测器的指向控制精度确定数传天线的偏置安装角；

(2)以数传天线指向地球和帆板法向指向太阳为基准建立姿态，并以散热面切换的操作节点和所分割的弧段进行姿态变化；

(3)根据天线偏置角的设计值，计算1个地、金绕日公转的公倍周期内姿态机动和散热器切换的定量坐标；

(4)探测器将在地、金公转的公倍周期内重复上述各节点和弧段内动作，直至金星探测器寿命结束。

本发明基于天线偏置安装角的姿态指向设计方法的优点在于：

①本发明通过偏置安装数传天线以设计和规划金星探测器的姿态指向，仅依靠1个数传天线实现天线对地和帆板对日的长期定向，弥补现有方法需安装2个或以上数传天线的不足，既减轻了重量又缓解电路、信息交互以及电磁兼容等分系统的设计压力。

②本发明通过分节点和弧段设计姿态指向，既实现对地传输定向又固定散热面，从而简化探测器的设计难度并降低研制成本。

附图说明

图1是金星探测器与数传天线、帆板的布局结构图。

图1A是金星探测器与数传天线、帆板的另一视角布局结构图。

图1B是图1的俯视图。

图2是应用本发明改良后金星探测器的姿态指向设计示意图。

图中：1.金星探测器   1A.A板面   1B.B板面   1C.C板面1D.D板面  1E.E板面  2.A帆板  2A.A帆板转动轴3.B帆板  3A.B帆板转动轴  4.A散热器  5.B散热器6.数传天线  6A.数传天线转动轴

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

基于天线偏置安装的姿态指向本发明设计了一种具有一个数传天线的金星探测器，该金星探测器的结构如图1、图1A、图1B所示，金星探测器1的外部为六面体，其中A板面1A与C板面1C为相对面，当A板面1A作为前面板时，则C板面1C为后面板；B板面1B与D板面1D为相对面，当B板面1B作为左面板时，则D板面1D为右面板；E板面1E与F板面为相对面；当E板面1E作为上面板时，则F板面为下面板。

参见图1、图1A所示，B板面1B上安装有A散热器4，C板面1C上安装有B散热器5。即B板面1B和C板面1C设计为散热面，金星探测器1的B板面1B和C板面1C上的散热器进行交替使用，可通过百叶窗等热控成熟技术切换。

参见图1、图1A、图1B所示，D板面1D上安装有数传天线6，且天线偏置角为θ，0°＜θ＜90°。所述天线偏置角θ是指数传天线转动轴6A与金星探测器1的D板面1D之间的夹角。

参见图1、图1A、图1B所示，E板面1E上安装有A帆板2A，F板面上安装有B帆板3A。A帆板2的转动通过金星探测器1内部设置的驱动机构带动A帆板转动轴2A转动来实现；B帆板3的转动通过金星探测器1内部设置的驱动机构带动B帆板转动轴3A转动来实现。

在本发明中，依据设计的具有一个数传天线的金星探测器(改进后的金星探测器)在任务期间的金星公转弧段与节点(参见图2所示)进行姿态指向的布置，其天线偏置安装的姿态指向包括下列步骤。

金星公转弧段包括有弧段α、弧段β、弧段γ、弧段ζ和弧段δ；即：

弧段α：金星探测器以图2所示姿态进行数传天线6对地指向，在所述弧段α内金星探测器1的B板面1B和金星探测器1的C板面1C面均不受照，可作为散热面使用；

弧段β：金星探测器以图2所示姿态进行数传天线6对地指向，在所述弧段β内金星探测器1的B板面1B不受照，而金星探测器1的C板面1C受照，故金星探测器1的B板面1B可作为散热面使用；

弧段γ：金星探测器以图2所示姿态进行数传天线6对地指向，在所述弧段γ内金星探测器1的B板面1B和金星探测器1的C板面1C均不受照，可作为散热面使用；

弧段ζ：金星探测器以图2所示姿态进行数传天线6对地指向，在所述弧段ζ内金星探测器1的C板面1C不受照，而金星探测器1的B板面1B受照，故金星探测器1的C板面1C可作为散热面使用；

弧段δ：金星探测器以图2所示姿态进行数传天线6对地指向，在所述弧段δ内金星探测器1的C板面1C不受照，而金星探测器1的B板面1B受照，故金星探测器1的C板面1C可作为散热面使用。

在本发明中，金星探测器每转过一个弧段称作一个节点，即：

节点I：由弧段δ进入弧段α，金星探测器1的B板面1B由受照变化为不受照，可将散热面由金星探测器1的C板面1C切换为金星探测器1的B板面1B，姿态无需机动；

节点II：由弧段α进入弧段β，金星探测器1的C板面1C由不受照变化为受照，散热面无需切换且姿态无需机动；

节点III：由弧段β进入弧段γ，金星探测器1的B板面1B由不受照变化为受照，姿态需绕数传天线6的转动轴6A轴向进行180°机动，则金星探测器1的B板面1B和金星探测器1的C板面1C均不受照，且金星探测器1的B板面1B仍可作为散热面使用；

节点IV：由弧段γ进入弧段ζ，金星探测器1的B板面1B由不受照变化为受照，可将散热面由金星探测器1的B板面1B切换为金星探测器1的C板面1C，姿态无需机动；

节点V：由弧段ζ进入弧段α，金星探测器1的C板面1C由不受照变化为受照，姿态需绕数传天线6的转动轴6A轴向进行180°机动，则金星探测器1的C板面1C不再受照，且金星探测器1的C板面1C仍可作为散热面使用。

在一个任务期间内，金星探测器1共进行2次180°姿态机动，2次散热面切换；散热面切换发生在靠近地球的节点I和节点IV，且金星探测器1的B板面1B承担散热面的时间远大于金星探测器1的C板面1C，即弧段α、弧段β和弧段γ的弧线长度远大于弧段ζ和弧段δ的弧线长度。

根据弧段α、弧段β、弧段γ、弧段ζ和弧段δ所表示的弧段长度、以及金星探测器1每转过一个弧段所构成的一个节点，能够定量描述出姿态指向与节点位置之间的关系：

记

为金星与地球公转半长轴的比值，即

L_V表示金星的公转半径，L_E表示地球的公转半径；以地-日连线为起始点，逆时针转动为正向定义各个节点的位置如下：

节点I的位置： $W_1=\mathrm{\θ}-{\sin }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\sin \mathrm{\θ}\right).$

节点II的位置： $W_2=\mathrm{\θ}+{\cos }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\cos \mathrm{\θ}\right).$

节点III的位置： $W_3=\mathrm{\π}+\mathrm{\θ}+{\sin }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\sin \mathrm{\θ}\right).$

节点IV的位置： $W_4=2\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}+{\sin }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\sin \mathrm{\θ}\right).$

节点V的位置： $W_5={\cos }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\cos \mathrm{\θ}\right)-\mathrm{\θ}.$

在本发明中，各个弧段的长度计算如下：

弧段α的长度： $R_{\mathrm{\α}}={\cos }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\cos \mathrm{\θ}\right){-\sin }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\sin \mathrm{\θ}\right).$

弧段β的长度： $R_{\mathrm{\β}}=\mathrm{\π}+{\sin }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\sin \mathrm{\θ}\right){-\cos }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\sin \mathrm{\θ}\right).$

弧段γ的长度：R_γ＝π-2θ。

弧段ζ的长度： $R_{\mathrm{\ζ}}={\cos }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\cos \mathrm{\θ}\right)-{\sin }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\cos \mathrm{\θ}\right).$

弧段δ的长度： $R_{\mathrm{\δ}}=2\mathrm{\θ}-{\sin }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\sin \mathrm{\θ}\right){-\cos }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\sin \mathrm{\θ}\right).$

在本发明中，具有一个数传天线的金星探测器的姿态控制策略如下表述：

金星探测器环金工作轨道的尺度相对于金星工作轨道完全可以忽略，则金星探测器所处的弧段可根据“金-日”和“地-日”矢量的相对方位判断，即可根据当前时间通过计算星历进行判断；根据节点判读结果以及姿态指向的控制精度，制定散热面切换或姿态机动等操作。

金星探测器一般携带星敏感器进行惯性空间的姿态测量和确定，无法直接获取“金-地”矢量方向；“金-日”和“地-日”矢量相对方位的缓慢变化导致数传天线6对地指向的变化率较低，则姿态控制系统对参考坐标系(“金-地”和金星公转矢量张成右手坐标系)的更新频率要求很低(该参考坐标系甚至可以由地面指令注入)，将有效地降低器载计算机的运算量。

以空间环境为探测任务的金星探测器一般携带多种探测仪器，产生测量数据复杂且数量巨大，星际数传属超远距离传输且数据空间损耗严重，故数传天线6一般以低码速率进行长时传输；金星探测器舱内为了保持各种设备工作的最佳温度并保持能量平衡，固定散热面设计是最简洁和有效的方式。本发明仅通过偏置安装数传天线6即可实现上述目标，且减少了数传天线6的装备数量。

根据金星探测器的指向(如图2所示)控制精度设计天线偏置角满足0°＜θ＜90°。为了避免散热面受照，而金星探测器指向精度应优于数传天线的波束角ε，以波束角ε＝5°为例，天线偏置角θ的取值为80°。

金星探测器一般采取霍曼方式进行地金转移，且到达金星时地金对日张角约为57°。在寿命期内的巡航飞行阶段，金星探测器上的帆板的轴向垂直于金星公转平面并保持对日定向，金星探测器姿态按照如下指向方案工作：

各节点坐标分别为38°(节点I)、163°(节点II)、301°(节点III)、321°(节点IV)、3°(节点V)，各弧段的长度分别为125°(弧段α)、138°(弧段β)、20°(弧段γ)、42°(弧段ζ)、35°(弧段δ)；

(1)金星探测器达到金星时将位于节点I和节点II之间，并以图2所示姿态进行数传天线对地指向，金星探测器1的B板面1B作为散热面使用；

(2)金星探测器到达节点III前8天，绕数传天线转动轴的轴向进行180°姿态机动；

(3)金星探测器到达节点IV前8天，散热面由金星探测器1的B板面1B切换为金星探测器1的C板面1C；

(4)金星探测器到达节点V前8天，绕数传天线转动轴的轴向进行180°姿态机动；

(5)金星探测器到达节点I前8天，散热面由金星探测器1的C板面1C切换为金星探测器1的B板面1B；

(6)重复上述步骤(2)～(5)，直至金星探测器寿命结束。

上述姿态指向均以地、金绕日公转的公倍周期584天为一个循环周期(或称任务周期)，进行2次180°姿态机动，2次散热面切换。姿态机动发生在节点III和节点V，散热面切换发生在靠近地球的节点I和节点IV。

“金-日”和“地-日”矢量相对方位的缓慢变化导致数传天线对地指向的变化率较低，则星载计算机可根据当前星时和星历计算参考坐标系(该坐标系更新频率很低，甚至可以由地面指令注入)，并基于星敏感器的测量进行姿态指向确定。

整个过程探测器共进行2次180°姿态机动，2次散热面切换；散热面切换发生在靠近地球的节点I和节点IV，且金星探测器1的B板面1B(弧段a、弧段β和弧段γ，共283°)承担散热面的时间远大于金星探测器1的C板面1C(弧段ζ和弧段δ，共77°)。

本发明是一种适用于金星探测器的数传天线偏置安装角的姿态指向方法，该姿态指向方法(1)根据金星探测器的指向控制精度确定数传天线的偏置安装角，(2)以数传天线指向地球和帆板法向指向太阳为基准建立姿态，并以散热面切换的操作节点和所分割的弧段进行姿态变化，(3)根据天线偏置角的设计值，计算1个地、金绕日公转的公倍周期内姿态机动和散热器切换的定量坐标，(4)探测器将在地、金公转的公倍周期内重复上述各节点和弧段内动作，直至金星探测器寿命结束。本发明的姿态指向，克服现有金星探测器必须装备2个或以上数传天线以及固定散热器的不足，既可将对地数传天线数量减至1个以减少装载设备，又可固定金星探测器的散热器以简化设计和降低研制难度。

Claims (5)

1.一种适用于金星探测器的数传天线偏置安装角的姿态指向方法，其特征在于：所述姿态指向是金星公转弧段与节点进行姿态指向的布置；金星公转弧段包括有弧段α、弧段β、弧段γ、弧段ζ和弧段δ；所述金星探测器每转过一个弧段称作一个节点；

弧段α是指金星探测器（1）上的数传天线（6）对地指向，在所述弧段α内金星探测器（1）的B板面（1B）和金星探测器（1）的C板面（1C）面均不受照，可作为散热面使用；

弧段β是指金星探测器（1）上的数传天线（6）对地指向，在所述弧段β内金星探测器（1）的B板面（1B）不受照，而金星探测器（1）的C板面（1C）受照，故金星探测器（1）的B板面（1B）可作为散热面使用；

弧段γ是指金星探测器（1）上的数传天线（6）对地指向，在所述弧段γ内金星探测器（1）的B板面（1B）和金星探测器（1）的C板面（1C）均不受照，可作为散热面使用；

弧段ζ是指金星探测器（1）上的数传天线（6）对地指向，在所述弧段ζ内金星探测器（1）的C板面（1C）不受照，而金星探测器（1）的B板面（1B）受照，故金星探测器（1）的C板面（1C）可作为散热面使用；

弧段δ是指金星探测器（1）上的数传天线（6）对地指向，在所述弧段δ内金星探测器（1）的C板面（1C）不受照，而金星探测器（1）的B板面（1B）受照，故金星探测器（1）的C板面（1C）可作为散热面使用；

节点I是指由弧段δ进入弧段α，金星探测器（1）的B板面（1B）由受照变化为不受照，可将散热面由金星探测器（1）的C板面（1C）切换为金星探测器（1）的B板面（1B），姿态无需机动；

节点II是指由弧段α进入弧段β，金星探测器（1）的C板面（1C）由不受照变化为受照，散热面无需切换且姿态无需机动；

节点III是指由弧段β进入弧段γ，姿态需绕数传天线（6）的转动轴（6A）进行180°机动，则金星探测器（1）的B板面（1B）和金星探测器（1）的C板面（1C）均不受照，且金星探测器（1）的B板面（1B）仍可作为散热面使用；

节点IV是指由弧段γ进入弧段ζ，金星探测器（1）的B板面（1B）由不受照变化为受照，可将散热面由金星探测器（1）的B板面（1B）切换为金星探测器（1）的C板面（1C），姿态无需机动；

节点V是指由弧段ζ进入弧段δ，姿态需绕数传天线（6）的转动轴（6A）进行180°机动，则金星探测器（1）的C板面（1C）不再受照，且金星探测器（1）的C板面（1C）仍可作为散热面使用。

2.根据权利要求1所述的适用于金星探测器的数传天线偏置安装角的姿态指向方法，其特征在于：金星探测器（1）共进行2次180°姿态机动，2次散热面切换；散热面切换发生在靠近地球的节点I和节点IV，且金星探测器（1）的B板面（1B）承担散热面的时间远大于金星探测器（1）的C板面（1C），即弧段α、弧段β和弧段γ的弧线长度远大于弧段ζ和弧段δ的弧线长度。

3.根据权利要求1所述的适用于金星探测器的数传天线偏置安装角的姿态指向方法，其特征在于：所述金星探测器（1）的B板面（1B）上安装有A散热器（4），C板面（1C）上安装有B散热器（5）；所述金星探测器（1）的D板面（1D）上安装有数传天线（6），数传天线转动轴（6A）与金星探测器（1）的D板面（1D）之间的夹角等于0°＜θ＜90°。

4.根据权利要求1所述的适用于金星探测器的数传天线偏置安装角的姿态指向方法，其特征在于：以地－日连线为起始点，逆时针转动为正向定义各个节点的位置如下：

节点I的位置： $W_1=\mathrm{\θ}-{\sin }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\sin \mathrm{\θ}\right);$

节点II的位置： $W_2=\mathrm{\θ}+{\cos }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\cos \mathrm{\θ}\right);$

节点III的位置： $W_3=\mathrm{\π}+\mathrm{\θ}+{\sin }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\sin \mathrm{\θ}\right);$

节点IV的位置： $W_4=2\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}+{\sin }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\sin \mathrm{\θ}\right);$

节点V的位置：

L_V表示金星的公转半径，L_E表示地球的公转半径，θ表示天线偏置角。

5.根据权利要求1所述的适用于金星探测器的数传天线偏置安装角的姿态指向方法，其特征在于：以地－日连线为起始点，逆时针转动为正向定义各个弧段的长度如下：

弧段α的长度： $R_{\mathrm{\α}}={\cos }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\cos \mathrm{\θ}\right)-{\sin }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\cos \mathrm{\θ}\right);$

弧段β的长度： $R_{\mathrm{\β}}=\mathrm{\π}+{\sin }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\sin \mathrm{\θ}\right)-{\cos }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\sin \mathrm{\θ}\right);$

弧段γ的长度：R_γ＝π-2θ；

弧段ζ的长度： $R_{\mathrm{\ξ}}={\cos }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\cos \mathrm{\θ}\right)-{\sin }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\cos \mathrm{\θ}\right);$

弧段δ的长度： $R_{\mathrm{\δ}}=2\mathrm{\θ}-{\sin }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\sin \mathrm{\θ}\right)-{\cos }^{-1}\left(\frac{L_V}{L_E}\sin \mathrm{\θ}\right);$ L_V表示金星的公转半径，L_E表示地球的公转半径，θ表示天线偏置角。

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