CN103632023A - 一种减小深空探测器天线波束宽度的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种减小深空探测器天线波束宽度的方法及系统，所述方法包含：步骤1）获取太阳、深空探测器与地球之间的夹角所呈现的规律性范围；步骤2）利用获取的夹角所呈现的规律性将天线的半波束宽度设计为大于上述夹角范围的窄波束定向天线。步骤1）包含：建立深空探测器轨道动力学模型；获得深空探测器在地球J2000坐标系下的位置矢量，根据已知探测器的轨道根数，利用建立的探测器轨道动力学模型，采用龙格库塔7/8阶数值积分进行探测器轨道递推计算，获得深空探测器在地球J2000坐标系下的位置矢量；同时获得太阳在地球J2000坐标系下的位置矢量；根据深空探测器及太阳在地球J2000下的位置矢量，获取了太阳、深空探测器与地球之间的夹角所呈现的规律性。
Description
技术领域
本发明涉及航天工程技术领域，具体应用于深空探测器，尤其涉及一种减小深空探测器天线波束宽度的方法及系统。
背景技术
现有技术为了确保深空探测器的安全，其测控天线必须实现球形全向波束，这势必造成天线增益指标上不去。例如：波束宽度为±30°的天线增益可以大于6dBi，而采用两副天线合成球形全向波束的单天线增益一般小于-3dBi，两者相差近10dB，这给整个探测器带来增加发射功率、增大接收机灵敏度的苛刻要求，这些要求有时在工程中是不可能实现的，或者实现时需要消耗大量星上资源。
然而事实上，在深空探测器的任务飞行时间内，天线的全向波束实际上并没有在各个方向上都用上，只有部份指向地球的波束能够发挥作用，这种设计方式就导致了对深空探测器宝贵资源的浪费。因此只要找到深空探测器对准地球的这些实际使用的波束方向，就可以将天线设计成窄波束的定向天线，窄波束天线能够获得比宽波束天线更高的增益，从而能够降低深空探测器的资源消耗、或者提高通信性能。
发明内容
本发明的目的在于，为了克服深空超远距离对信号传输带来的巨大衰减，本发明利用对深空探测器实际运行轨道的仿真分析手段，发现探测器运行轨道的特性，即探测器在执行任务期间，太阳-探测器-地球三者之间的夹角呈现一定规律，从而提供一种减小深空探测器天线波束宽度的方法及系统。
为了实现上述目的，本发明提供了一种减小深空探测器天线波束宽度的方法，所述方法包含：
步骤1）用于获取太阳、深空探测器与地球之间的夹角所呈现的规律性范围的步骤；
步骤2）用于利用上述获取的夹角所呈现的规律性范围将天线的半波束宽度设计为大于该上述夹角范围的一副窄波束定向天线的步骤。
上述技术方案中，所述步骤1）进一步包含如下子步骤：
101-1)建立深空探测器轨道动力学模型；
以火星探测器为例，在环火星飞行轨道段，采用以火星为中心天体的轨道动力学模型，火星引力场模型采用GGM1041C，同时考虑太阳、地球、木星、火卫1、火卫2的第三体引力摄动，以及太阳光压摄动建立深空探测器的轨道动力学模型；
101-2)获得深空探测器在地球J2000坐标系下的位置矢量，根据已知探测器的轨道根数，利用步骤101-1）建立的探测器轨道动力学模型，采用龙格库塔7/8阶数值积分方法进行探测器轨道递推计算，并通过坐标系转化，获得深空探测器在地球J2000坐标系下的位置矢量；
其中，所述J2000坐标系为地球平赤道平春分点坐标系，也可以采用其它坐标系，如地球固连坐标系，只要与下述步骤中获取的太阳位置矢量是在同一坐标系下即可。但是一般常用的是地球平赤道平春分点坐标系；
102-3)获得太阳在地球J2000坐标系下的位置矢量；
102-4)根据上述步骤分别获得深空探测器及太阳在地球J2000下的位置矢量，利用几何关系计算得出太阳-、深空探测器与地球三者之间所呈现夹角在深空探测器运行轨道上不同位置的数值，即获取了太阳、深空探测器与地球之间的夹角所呈现的规律性范围。
上述技术方案中，所述步骤2）进一步包含如下子步骤：利用步骤1)获取的夹角所呈现的规律性范围，找出夹角的最大值，将天线的半波束宽度设计为大于该值。
上述技术方案中，所述步骤2）进一步包含如下子步骤：利用步骤1)获取的夹角所呈现的规律性范围，找出夹角的最大值，将一副窄波束定向天线的半波束宽度设计为该值的步骤，所述定向天线采用喇叭口型形式，根据指定的天线半波束宽度确定喇叭口的直径，从而完成整个天线的设计。
基于上述方法本发明还提供了一种减小深空探测器天线波束宽度的系统，其特征在于，所述系统包含：
夹角范围获取模块，用于获取太阳与深空探测器、以及深空探测器和地球之间的夹角所呈现的规律性范围；和
处理模块，用于利用获取的夹角所呈现的规律性范围将天线的半波束宽度设计为大于该上述夹角范围的一副窄波束定向天线。
上述技术方案中，所述夹角范围获取模块进一步包含：
建模模块，用于建立深空探测器轨道动力学模型；
深空探测器在地球J2000坐标下的位置矢量获取模块，用于获得深空探测器在地球J2000坐标系下的位置矢量，根据已知探测器的轨道根数，利用建立的探测器轨道动力学模型，采用龙格库塔7/8阶数值积分方法进行探测器轨道递推计算，并通过坐标系转化，获得深空探测器在地球J2000坐标系下的位置矢量；
太阳在地球J2000坐标下的位置矢量获取模块，用于获得太阳在地球J2000坐标系下的位置矢量；和
夹角范围获取模块，用于根据获得深空探测器及太阳在地球J2000下的位置矢量，利用几何关系计算得出太阳-、深空探测器与地球三者之间所呈现夹角在深空探测器运行轨道上不同位置的数值，即获取了太阳、深空探测器与地球之间的夹角所呈现的规律性范围。
上述技术方案中，所述处理模块进一步包含：
最大角度确定模块，用于找出夹角范围获取模块得到的夹角范围的最大值；
天线设计模块，用于将天线的半波束宽度设计为大于最大角度确定模块确定的角度值。
所述天线设计模块将一副窄波束定向天线的半波束宽度设计为满足前述最大角度，所述定向天线采用喇叭口型形式，根据指定的天线半波束宽度确定喇叭口的直径，完成天线的设计。
总之，本发明利用太阳-探测器-地球三者之间的夹角呈现的规律性，无需采用球形全向波束天线就可以保证测控天线波束覆盖地球，可以减小执行任务时对天线波束宽度的需求，即用一副窄波束定向天线代替全向天线。这样就提高了天线增益，用天线增益弥补发射功率，解决星上资源消耗问题，实现距离达数亿公里的深空通信，并保证探测器在轨期间始终保持与地面站通信。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
现有卫星测控天线采用球形全向波束，天线增益一般小于-3dBi。本发明提供了一种根据实际运行轨道特性设计天线波束宽度的创新方法，用于深空探测器设计，能够减小天线波束宽度需求、大大提高探测器上测控天线的增益，天线增益一般大于3dBi，相对球形全向波束天线增益提高6dB，从而降低探测器3/4的发射功率（减少能源消耗）、或者增加一倍的信号传输距离、或者提高3倍的数据传输速率。
附图说明
图1本发明所采用的太阳、深空探测器和地球三者之间夹角的定义示意图；
图2本发明通过轨道仿真得到太阳、深空探测器和地球三者之间夹角的具体数据示意图；
图3本发明实施例获取的YH-1火星探测器在2010年9月到达火星轨道时一年任务期内的夹角分布示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的内容进一步详细描述。
本方案的方法可以推广用于在不同行星执行不同探测任务的探测器。通过对深空探测器实际运行轨道的仿真分析，可以发现探测器运行轨道的特点，即探测器在执行任务期间，太阳-探测器-地球之间的夹角呈现一定规律，一般能够发现该角度小于某个固定值。
本发明的技术方案可以设计一种用于深空探测器的测控天线，其特征在于，所述的测控天线为一副窄波束定向天线，该定向天线的半波束宽度由依据深空探测器在轨时得到的太阳、深空探测器和地球三者之间所呈现的最大角度进行限定；实际上天线增益G∝(πD/λ)2、天线波束宽度θ0.5∝λ/D，其中λ为信号载波的波长、D为天线口径；对于确定的天线构成形式，波束宽度与天线口径有着固定的关系；由步骤3)确定了天线的波束宽度后，结合载波波长就可以得到天线口径，并根据天线口径及其载波波长计算出天线设计增益。一般来讲，当太阳-探测器-地球之间夹角范围小于90°时，天线波束宽度小于180°；依据太阳-探测器-地球之间夹角设计出来的天线增益肯定大于常用的全向波束天线增益，这就为深空通信链路提供了额外的信号功率，可以降低探测器的资源消耗、或者提高通信性能。
另外，如果深空探测器能够识别地球相对太阳的方向，则天线半波束宽度还能够进一步减小一半，即只需达到太阳-探测器-地球之间最大夹角的一半即可，这样理论上能够将天线增益再提高一倍。
实施例1
以某火星探测器为例，首先建立在火星引力场下的探测器轨道动力学模型。其动力学模型考虑以下几点：以火星为中心的引力场模型，GGM1041C火星重力场模型，太阳引力、太阳光压。根据已知的探测器在以火星为中心坐标系下的轨道根数，利用在火星引力场下的探测器轨道动力学模型，进行探测器的轨道递推计算，获得探测器在火星为中心坐标系下的位置矢量。通过坐标系转化，获得探测器在地球J2000坐标系下的位置矢量。计算其在轨运行期间（2010年9月到2017年8月）太阳-探测器-地球之间的夹角，从而获取夹角呈现的规律性。如图2所示，仿真分析结果发现在轨运行期间太阳-探测器-地球的最大夹角约为45°。这样，只需将天线的半波束宽度设计成大于该角度，在探测器姿态实现对太阳定向时，无需采用球形全向波束天线就可以保证任务期间测控天线波束覆盖地球；而半波束宽度为45°的定向天线能够比全向波束天线增益提高6dB。
实施例2
以YH-1火星探测器为例说明方案实施要点：探测器绕火星飞行轨道为远火星点朝向太阳、近火星点800km、远火星点80000km的赤道面椭圆轨道；通过轨道仿真分析，发现了在轨运行期间（2010年9月到2011年8月），从探测器上看太阳与地球的夹角在29.9°（最大角度）与0.8°（最小角度）之间，即在30°以内，这就可以把低增益天线的半波束宽度仅设计成30°（而不是通常的70°），使得探测器自主工作对日定向后，低增益天线的波束就能够覆盖整个地球，指令接收机和X波段发射机利用低增益天线能够与地球深空站建立初始通信，这样就间接地提高了天线的增益（一般70°半波束宽度的天线增益小于0dBi，YH-1采用30°半波束宽度的天线，产品实现增益达到6~9dBi）；6dBi增益能够将所需要的发射功率降低为四分之一，可以大大减小探测器上电源功耗。
由于将全向波束天线转变为波束宽度为±30°的定向天线，从而获得额外的6dBi增益，能够将所需要的发射功率降低为四分之一；即原来需要40W发射功率、消耗200W直流功耗，就变成仅需要10W发射功率、消耗50W直流功耗，这样就大大减小星上电源功耗。
实际上，普通的深空探测器无法单独为一台发射机提供200W的直流功耗！但是能够非常容易为一台发射机提供50W的直流功耗。所以，天线增益设计指标往往成为深空链路设计的关键。
最后需要说明的是，具体实施方式中所述算法已经经过大量实验数据验证，是真实可靠的，搭配硬件便可实现本发明的技术方案。所述所有实施例仅为对本发明进行进一步详细说明，并非绝对，可相应扩展。本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改、添加、删减或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种减小深空探测器天线波束宽度的方法，所述方法包含：
步骤1）用于获取太阳、深空探测器与地球之间的夹角所呈现的规律性范围的步骤；
步骤2）用于利用上述获取的夹角所呈现的规律性范围将天线的半波束宽度设计为大于该上述夹角范围的一副窄波束定向天线的步骤。
2.根据权利要求1所述的减小深空探测器天线波束宽度的方法，其特征在于，所述步骤1）进一步包含如下子步骤：
101-1)建立深空探测器轨道动力学模型；
101-2)获得深空探测器在地球J2000坐标系下的位置矢量，根据已知探测器的轨道根数，利用步骤101-1）建立的探测器轨道动力学模型，采用龙格库塔7/8阶数值积分方法进行探测器轨道递推计算，并通过坐标系转化，获得深空探测器在地球J2000坐标系下的位置矢量；
102-3)获得太阳在地球J2000坐标系下的位置矢量；
102-4)根据上述步骤分别获得深空探测器及太阳在地球J2000下的位置矢量，利用几何关系计算得出太阳、深空探测器与地球三者之间所呈现夹角在深空探测器运行轨道上不同位置的数值，即获取了太阳、深空探测器与地球之间的夹角所呈现的规律性范围。
3.根据权利要求1所述的减小深空探测器天线波束宽度的方法，其特征在于，所述步骤2）进一步包含如下子步骤：利用步骤1)获取的夹角所呈现的规律性范围，找出夹角的最大值，将天线的半波束宽度设计为大于该值。
4.根据权利要求3所述的减小深空探测器天线波束宽度的方法，其特征在于，所述步骤2）进一步包含如下子步骤：利用步骤1)获取的夹角所呈现的规律性范围，找出夹角的最大值，将一副窄波束定向天线的半波束宽度设计为该值的步骤，所述定向天线采用喇叭口型形式，根据指定的天线半波束宽度确定喇叭口的直径，从而完成整个天线的设计。
5.一种减小深空探测器天线波束宽度的系统，其特征在于，所述系统包含：
夹角范围获取模块，用于获取太阳、深空探测器和地球之间的夹角所呈现的规律性范围；和
处理模块，用于利用获取的夹角所呈现的规律性范围将天线的半波束宽度设计为大于该上述夹角范围的一副窄波束定向天线。
6.根据权利要求5所述的减小深空探测器天线波束宽度的系统，其特征在于，所述夹角范围获取模块进一步包含：
建模模块，用于建立深空探测器轨道动力学模型；
深空探测器在地球J2000坐标下的位置矢量获取模块，用于获得深空探测器在地球J2000坐标系下的位置矢量，根据已知探测器的轨道根数，利用建立的探测器轨道动力学模型，采用龙格库塔7/8阶数值积分方法进行探测器轨道递推计算，并通过坐标系转化，获得深空探测器在地球J2000坐标系下的位置矢量；
太阳在地球J2000坐标下的位置矢量获取模块，用于获得太阳在地球J2000坐标系下的位置矢量；和
夹角范围获取模块，用于根据获得深空探测器及太阳在地球J2000下的位置矢量，利用几何关系计算得出太阳-、深空探测器与地球三者之间所呈现夹角在深空探测器运行轨道上不同位置的数值，即获取了太阳、深空探测器与地球之间的夹角所呈现的规律性范围。
7.根据权利要求6所述的减小深空探测器天线波束宽度的系统，其特征在于，所述处理模块进一步包含：
最大角度确定模块，用于找出夹角范围获取模块得到的夹角范围的最大值；和
天线设计模块，用于将天线的半波束宽度设计为大于最大角度确定模块所确定的角度值。
8.根据权利要求7所述的减小深空探测器天线波束宽度的系统，其特征在于，所述天线设计模块将一副窄波束定向天线的半波束宽度设计为满足前述最大角度，所述定向天线采用喇叭口型形式，根据指定的天线半波束宽度确定喇叭口的直径，完成天线的设计。
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