CN103943943A - 一种月球软着陆探测任务各阶段天线设计方法、天线及通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种月球软着陆探测任务各阶段天线设计方法、天线及通信方法，利用该方法设计出的天线可以满足月球软着陆的需要；动力下降段天线设计包括：选用两副相同的收发共用测控天线、或两副相同的接收测控天线与两副相同的发射测控天线，工作频段选为S、X和Ka频段中至少一个，极化方式选为圆极化，方向图选为覆盖半空间，增益选为不小于-5dBi；数传天线工作频段选为S、X和Ka频段中至少一个，极化方式选为圆极化，方向图需覆盖空间的半波束角为θ=γ+△，增益选为不低于G_降；月面工作段天线设计包括：测控天线设计和数传天线设计；器间通信天线设计包括：环月轨道器与月面探测器之间通信天线设计及月面探测器之间通信天线设计。

Description

一种月球软着陆探测任务各阶段天线设计方法、天线及通信方法

技术领域

本发明属于深空探测测控通信技术领域，具体涉及一种月球软着陆探测任务各阶段天线设计方法、天线及通信方法，特别是动力下降段天线、月面工作段天线以及月面器间通信天线的选用。

背景技术

天线作为探测器器载测控数传系统的重要组成部分，是一种导行波与自由空间波之间的转换装置，用于发射或接收无线电波，完成信息交互。在探测器设计中，需要根据任务需求分解出天线的主要指标（频段、极化方式、方向图以及增益），进而确定任务各阶段选用的天线。月球软着陆探测任务一般包括发射段、巡航段、环月段、动力下降段、月面工作段以及月面（两个或多个探测器）器间通信等，相对于地球轨道卫星以及月球轨道卫星增加了动力下降段、月面工作段以及月面器间通信。本发明针对月球软着陆探测任务动力下降段、月面工作段以及月面器间的需求，提出天线选用方法。

一般的地球轨道卫星以及月球轨道卫星采用两副收发共用全向天线（或准全向天线）各覆盖半空间，两天线对称安装形成全空间（或准全空间）覆盖，或采用收发指标与共用全向天线（或准全向天线）相同的独立接收全向天线（或准全向天线）和发射全向天线（或准全向天线）进行代替，接收地面站上行遥控，发送工程数据，与地面站配合完成测定轨。这类天线一般被称为测控天线；通过带机构驱动装置的定向天线完成载荷数据（如图像数据等）的对地传输。这类天线一般被称为数传天线；一般的地球轨道卫星以及月球轨道卫星中不存在器间通信，月面探测器之间通信采用的天线称之为器间通信天线，本发明中称之为器间通信天线。

针对月球软着陆探测任务增加的工作阶段，其天线选用不能简单的套用一般的地球轨道卫星以及月球轨道卫星的设计经验。

首先，针对动力下降段的对地数传，为保证降落过程中可视化，需要将降落过程中对月拍照的图像实时传回地面。考虑到降落过程中探测器姿态快速变化，如果采用指向性强的定向天线，无法保证其对地指向。

其次，针对月面工作段的对地测控，仅需要保证天线对月面以上半空间覆盖。且，考虑到月面遮挡对天线方向图的影响，双天线通道如果同时工作可能导致月面以上半空间天线方向图的恶化。

再次，针对月面器间通信，天线需要覆盖双方活动范围即可，不同于测控对天线半空间覆盖的要求。同时还要兼顾月面传播对电磁波的影响，综合考虑天线的形式。

发明内容

本发明的目的是针对月球软着陆与以往航天任务不同的任务需求，提出一种月球软着陆探测任务各阶段天线设计方法、天线及通信方法，利用该方法设计出的天线可以满足月球软着陆的需要。

实现本发明的技术方案如下：

一种月球软着陆探测任务各阶段天线设计方法，包括动力下降段天线设计、月面工作段天线设计及器间通信天线设计；

动力下降段天线设计包括：测控天线设计和数传天线设计；

测控天线：该阶段选用两副相同的收发共用测控天线、或两副相同的接收测控天线与两副相同的发射测控天线，其工作频段选为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式选为圆极化，方向图选为覆盖半空间，增益选为不小于-5dBi；

数传天线：工作频段选为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式选为圆极化，

数传天线方向图采用如下步骤确定：

S101，在确定探测器标称姿态下，获取n个不同着陆时刻的动力下降过程中探测器-地心连线与数传天线电轴夹角的最大值{α₁，α₂，α₃……α_n-1，α_n}；

S102，从包含n个角度的集合中选取最大的角度值，并将其记为α_max，计算考虑探测器姿态控制偏差后的探测器-地心连线与数传天线电轴夹角γ=α_max+β，其中β为探测器姿态控制的最大偏差；

S103，确定数传天线方向图需覆盖空间的半波束角为θ=γ+△，其中△为基准误差；

数传天线的增益选为不低于G_降=3-P_t降-L-L_调-a+k+10log₁₀(b_降)+c-d；其中，P_{t 降}为数传天线入口处功率，L为传输损耗，L_调为调制损失，a为地面站品质因数，k为玻耳兹曼常数，b_降为数传码速率，c为一定误码率前提下的地面解调门限，d为信道编码增益；

月面工作段天线设计包括：测控天线设计和数传天线设计；

测控天线：采用动力下降段选用的测控天线中朝天面的测控天线；

数传天线：工作频段选为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式选为圆极化，

数传天线的增益选为不低于G_月面=3-P_t月面-L-L_调-a+k+10log₁₀(b_月面)+c-d，其中，P_t月面为数传天线入口处功率，b_月面为数传码速率；

数传天线方向图需覆盖空间的半波束角选为其中η为天线效率；

器间通信天线设计包括：环月轨道器与月面探测器之间通信天线设计、及月面探测器之间通信天线设计；

环月轨道器与月面探测器之间通信天线：工作频段选为UHF频段、极化方式选为圆极化，方向图选为半空间覆盖，增益选为不小于-5dBi；

月面探测器之间通信天线：工作频段选为300MHz～600MHz频段，极化方式选为垂直线极化，方向图需覆盖的夹角选为[α_min-β_max，α_max+β_max]，其中[α_min，α_max]为两探测器之间通信天线等效馈源连线与通信天线机械轴夹角变化范围，β_max为通信天线机械轴向与探测器所处地水平面法向的最大夹角值；增益选为不小于G_器间=3-P_t器间-L-L_调-a+k+10log₁₀(b_器间)+c-d，其中，P_t器间为通信天线入口处功率，b_器间为器间通信码速率。

进一步地，本发明当动力下降段和月面工作段测控天线的工作频段选为S、X和Ka频段，动力下降段和月面工作段数传天线的工作频段选为S、X和Ka频段时，则Ka频段选为数传试验链路，2025MHz～2110MHz的S频段、7190MHz～7235MHz的X频段和22.55GHz～23.15GHz的Ka频段选为上行频带，2200MHz～2290MHz的S频段、8450MHz～8500MHz的X频段和25.5GHz～27GHz的Ka频段选为下行频带。

进一步地，本发明动力下降段和月面工作段测控天线的工作频段选为X频段，动力下降段和月面工作段数传天线的工作频段选为X频段。

进一步地，本发明所述基准误差△为±0.92°。

一种月球软着陆探测任务各阶段天线，包括动力下降段天线、月面工作段天线及器间通信天线；

动力下降段天线：包括测控天线和数传天线，其中测控天线为两副相同的收发共用测控天线、或两副相同的接收测控天线与两副相同的发射测控天线；其中

测控天线的工作频段为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式为圆极化，方向图为覆盖半空间，增益为不小于-5dBi；

数传天线的频段为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式为圆极化，方向图覆盖空间的半波束角为θ=α_max+β+△，其中α_max为n个着陆时刻动力下降过程中探测器-地心连线与数传天线电轴夹角的最大值，β为探测器姿态控制的最大偏差，△为基准误差；

月面工作段天线：包括测控天线和数传天线；其中

测控天线：工作频段为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式为圆极化，方向图为覆盖半空间，增益为不小于-5dBi；

数传天线：工作频段为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式为圆极化，

增益为不低于G_月面=3-P_t月面-L-L_调-a+k+10log₁₀(b_月面)+c-d，其中，P_t月面为数传天线入口处功率，b_月面为数传码速率；

数传天线方向图需覆盖空间的半波束角为其中η为天线增益；

器间通信天线包括：环月轨道器与月面探测器之间通信天线、及月面探测器之间通信天线；

环月轨道器与月面探测器之间通信天线：工作频段为UHF频段、极化方式为圆极化，方向图为半空间覆盖，增益为不小于-5dBi；

月面探测器之间通信天线设计：工作频段为300MHz～600MHz频段，极化方式为垂直线极化，方向图需覆盖的夹角为[α_min-β_max，α_max+β_max]，其中[α_min，α_max]为两探测器之间通信天线等效馈源连线与通信天线机械对称中心轴夹角变化范围，β_max为通信天线机械轴向与探测器所处地水平面法向的最大夹角值；增益为不小于G_器间=3-P_t器间-L-L_调-a+k+10log₁₀(b_器间)+c-d，其中，P_t器间为通信天线入口处功率，b_器间为器间通信码速率。

一种月球软着陆探测任务各阶段通信方法，包括发射段通信、巡航段通信、环月段通信、动力下降段通信、月面工作段通信以及月面器间通信；

动力下降段通信采用数传天线和两副相同的收发共用测控天线、或两副相同的接收测控天线与两副相同的发射测控天线；其中

测控天线的工作频段为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式为圆极化，方向图为覆盖半空间，增益为不小于-5dBi；

数传天线的频段为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式为圆极化，方向图覆盖空间的半波束角为θ=α_max+β+△，其中α_max为n个着陆时刻动力下降过程中探测器-地心连线与数传天线电轴夹角的最大值，β为探测器姿态控制的最大偏差，△为基准误差；

月面工作段通信采用测控天线和数传天线；其中

测控天线为动力下降段两副测控天线中朝天面的测控天线；

数传天线的工作频段为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式为圆极化，

增益为不低于G_月面=3-P_t月面-L-L_调-a+k+10log₁₀(b_月面)+c-d，其中，P_t月面为数传天线入口处功率，b_月面为数传码速率；

数传天线方向图需覆盖空间的半波束角为其中η为天线增益；

器间通信采用环月轨道器与月面探测器之间通信天线、及月面探测器之间通信天线；

环月轨道器与月面探测器之间通信天线工作频段为UHF频段、极化方式为圆极化，方向图为半空间覆盖，增益为不小于-5dBi；

月面探测器之间通信天线设计工作频段为300MHz～600MHz频段，极化方式为垂直线极化，方向图需覆盖的夹角为[α_min-β_max，α_max+β_max]，其中[α_min，α_max]为两探测器之间通信天线等效馈源连线与通信天线机械对称中心轴夹角变化范围，β_max为通信天线机械轴向与探测器所处地水平面法向的最大夹角值；增益为不小于G_器间=3-P_t器间-L-L_调-a+k+10log₁₀(b_器间)+c-d，其中，P_t器间为通信天线入口处功率，b_器间为器间通信码速率。

有益效果：

本发明根据月球软着陆过程中动力下降段、月面工作段及器间通信的特点，对上述三个阶段的天线进行设计，采用本发明设计的天线可以满足月球软着陆的需要。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

天线的选用过程一般为根据任务需求确定天线的主要参数，包括工作频段、极化方式、方向图及增益等。

天线工作频段：无线电信号在自由空间（器-地）传播过程中，频段越高，自由空间损耗越大，定向天线增益越高（相同天线等效口径情况下），且自由空间损耗的增大倍数与定向天线增益的增加倍数相等。（自由空间损耗其中d为器地通信距离，f为无线电信号频率，c为光速；定向天线增益其中A为天线等效口面面积，η为天线效率）。而全向天线受影响相对较小。故测控（全向或准全向）天线工作频段越高，可缩小天线尺寸，有利于设备轻小型化，满足深空探测任务资源约束。数传天线工作频段越高，越有利于提高链路性能（地面站天线为定向天线）。深空探测器测控、数传天线工作频段受国际相关标准以及各频段天地设备工程现状等条件约束，月球等深空探测任务测控、数传天线应选取工作在X频段；不同于测控、数传，月球器间通信还需要无线电波具有低自由空间损耗和较好绕射的能力需求。由于无线电波频率越低，其绕射能力越好，自由空间损耗越小，天线尺寸越大。受限于能力需求和探测器包络尺寸约束，器间通信应选择UHF频段。

天线极化方式：天线极化方式包括圆极化、椭圆极化和线极化等三种。圆极化方式不同于线极化与椭圆极化，对收发天线的相对位置要求不高。当收发两端采用线极化或椭圆极化时，由探测器与地面站天线之间相对位置关系造成的极化方向夹角，将造成额外的极化损耗。故，器地测控、数传、以及月球轨道器与月面探测器之间器间通信任务都应采用圆极化方式天线；当无线电信号在月面传播时，月面对无线电信号的水平极化分量吸收较大，故月球表面器间通信一般选择垂直极化天线。

天线方向图和增益：天线的方向图覆盖范围越大，天线的平均增益就会越小。在实际任务中测控天线为应对姿态控制故障情况，一般会采用全向天线或准全向天线，保证航天器的对地测控；数传天线要根据任务需求，在两指标之间取得平衡。例如，在动力下降过程中，考虑到探测器姿态控制偏差以及着陆区域经纬度范围等，数传天线不能采用带驱动装置的定向天线，而需要增大天线覆盖范围，降低天线增益。而落月后，由于探测器相对月面移动较小，地面站可视其随月球运动，探测器与地面站相对位置可精确计算，此时数传天线可采用带驱动装置的定向天线，增加天线增益，增强链路性能。

针对月球软着陆探测任务增加的工作阶段，其天线选用不能简单的套用一般的地球轨道卫星以及月球轨道卫星的设计经验。因此本发明月球软着陆探测任务各阶段天线为基于上述设计思想实现的，其具体为：

a)动力下降段天线

针对动力下降段的对地测控、数传，为保证探测器在降落过程的状态可实时控制、监测，需要保证降落过程中探测器上、下行测控链路的畅通，以及相机对月拍照的图像能够实时传回地面。对于测控天线在选用过程中主要需要测控天线（组阵）增益方向图全空间覆盖，以满足降落过程中探测器可能存在的大范围姿态机动；对于数传天线在选用过程中主要需要克服两个问题。其一，软着陆过程中冲击较大，不宜采用机构驱动装置，而是应将天线固定安装在探测器外表面。其二，考虑到探测器姿态控制偏差以及着陆区域经纬度范围，如果采用指向性强的定向天线，无法保证其对地指向，所以需要采用较宽波束实现图像数据等下传。基于该分析，动力下降段天线设计如下：

1)测控天线

关于测控天线工作频段的选择。根据空间频率协调组（SFCG）建议月球探测任务器地测控数传可以选用S/X/Ka频段中的至少一种，当选择S/X/Ka三个频段时，由于Ka频段通信受限于地面站大口径天线工程实现难度大等原因，一般仅作为数传试验链路。不作为任务主用数传频段。S/X频段具体可选用的频带划分为上行频带为2025MHz～2110MHz（S频段）、7190MHz～7235MHz（X频段）、22.55GHz～23.15GHz（Ka频段）；下行频带为2200MHz～2290MHz（S频段）、8450MHz～8500MHz（X频段）、25.5GHz～27GHz（Ka频段）。选用X频段有利于天线等设备的轻小型化设计，且S频段通信技术发展较早，被广为采用，其频段资源相对紧张。故月球探测等深空探测任务测控数传频段一般应选择X频段，且接收频段能够覆盖7190MHz～7235MHz，发射频段能够覆盖8450MHz～8500MHz。

关于测控天线极化方式的选择，需要考虑尽量降低地球大气对射频信号的干扰（月球表面可以近似视为真空环境），以及可能的极化失配等因素，天线应选用圆极化方式，且接收与发射天线应选择不同的极化方向（左旋或右旋），增加收发隔离度。

关于测控天线方向图与增益指标的确定。作为测控天线需要保证全空间的覆盖，用于保证在动力下降过程中探测器大范围姿态机动的情况下仍能保证测控。考虑到探测器本体对天线的遮挡，当采用收发公用的测控天线时，此时探测器采用两副全向天线各覆盖半空间，两天线对称安装形成全空间覆盖，当采用收发分离的测控天线时，此时探测器采用两副相同的接收测控天线与两副相同的发射测控天线，两接收测控天线对称安装形成全空间覆盖，两发射测控天线也采用对称安装形成全空间覆盖。测控天线在其方向图要求空间内增益一般不小于-5dBi。

2)数传天线

关于数传天线工作频段、极化方式的选择可以参考测控天线。

关于数传天线方向图与增益指标的确定。数传天线在选用过程中主要需要克服两个问题。其一，软着陆过程中冲击较大，不宜采用机构驱动装置，而是应将天线固定安装在探测器外表面。其二，考虑到探测器姿态控制偏差以及着陆区域经纬度范围，需要采用较宽波束天线（天线方向图在各种工况下均可覆盖地面站）实现图像数据等下传。这样既可降低控制复杂度，还可增加系统可靠性。动力下降过程中数传天线方向图与增益确定步骤为：

第一步，确定探测器标称姿态下（不含姿态控制偏差），动力下降过程模拟仿真获取n个不同着陆时刻的动力下降过程中探测器-地心连线与数传天线电轴夹角α的最大值。α角仿真计算过程中，需要设置的输入条件包括着陆时刻（对应当时的地月位置关系）、动力下降段探测器姿态变化范围、着陆区域经纬度。针对不同着陆时刻，α角为一集合{α₁，α₂，α₃……α_n-1，α_n}，其中α₁为第一个着陆时刻的最大探测器-地心连线与数传天线电轴夹角，α₂为第二个着陆时刻，以此类推。

第二步，考虑探测器姿态控制偏差对探测器-地心连线与数传天线电轴夹角的影响。对在第一步中得到α角集合中，选取集合元素中的最大值α_max。假设探测器姿态控制的最大偏差为β，则考虑姿态控制偏差情况下，探测器-地心连线与数传天线电轴夹角γ=α_max+β。

第三步，计算探测器-地面站连线与数传天线电轴夹角。在第一步仿真计算过程中，将地球假设为一个质心，考虑到实际任务中从月球在一定角度范围内均对地可视，导致将地球视为一个质点时，会存在一个基准误差，该误差约为△=±0.92°。故数传天线半波束角宽度θ=α_max+β+0.92°，即数传天线方向图需覆盖以电轴为中心，夹角为θ空间。

第四步，确定天线增益。天线增益G_降(dB)可根据以下公式计算，G_降=3-P_t降-L-L_调-a+k+10log₁₀(b_降)+c-d。其中，P_t降为数传天线入口处功率，单位为dBW；L为传输损耗，包括自由空间损耗、地面站指向偏差以及无线电波的大气损耗，单位为dB；L_调为调制损失，单位为dB，抑制载波调制时为0，残余载波调制时根据调制度确定；a为地面站品质因数，单位为dB/K；k为玻耳兹曼常数，单位为dBW/K·Hz；b_降为数传码速率（编码前），单位为bps；c为一定误码率前提下的地面解调门限，单位为dB；d为信道编码增益，单位为dB。即数传天线在方向图要求空间内天线增益不得低于G_降。

b）月面工作段天线

针对月面工作段的对地测控、数传，对于测控天线一般采用双天线组阵形式，软着陆后仅需要对地球一面（或朝天面）天线继续工作；对于数传天线，考虑到根据月球轨道，着陆后探测器与地面站相对位置关系可较准确得到，可以采用波束较窄的定向高增益天线对地数传，增加回传数据量。天线通过机构驱动实现对地指向。基于该分析，月面工作段天线设计如下：

1)测控天线

探测器月面工作过程中，仅需要对地球一面（或朝天面）测控天线工作，可以对双线组阵设计进行使用方式的调整，关闭动力下降段两副测控天线中非朝天面的，利用朝天面的测控天线即可满足任务需求，而无需单独设置测控天线。

2)数传天线

关于数传天线工作频段、极化方式的选择可以参考测控天线。

关于数传天线方向图与增益指标的确定。月球软着陆任务后，探测器与地面站相对位置关系可较准确得到，可以采用波束较窄的定向高增益天线对地数传，增加科学载荷回传数据量，保证科学目标的实现。天线通过机构驱动实现对地指向。月面工作段数传天线方向图与增益确定步骤为：

第一步，确定天线增益。天线增益G_月面(dB)可根据以下公式计算，G_月面=3-P_t月面-L-L_调-a+k+10log₁₀(b_月面)+c-d。其中，P_t月面为数传天线入口处功率，单位为dBW；L为传输损耗，包括自由空间损耗、地面站指向偏差以及无线电波的大气损耗，单位为dB；L_调为调制损失，单位为dB，抑制载波调制时为0，残余载波调制时根据调制度确定；a为地面站品质因数，单位为dB/K；k为玻耳兹曼常数，单位为dBW/K·Hz；b_月面为数传码速率（编码前），根据月面工作载荷数据量和工作模式决定，单位为bps；c为一定误码率前提下的地面解调门限，单位为dB；d为信道编码增益，单位为dB。

第二步，确定天线方向图。定向天线一般采用抛物面天线，其半波束半波束角宽度θ与天线增益G_月面的关系为，即数传天线在方向图要求空间内天线增益不得低于G_月面。

c）器间通信天线

针对月面器间通信天线的选用，由于无线电信号频段越高天线尺寸越小，绕射能力越差，为兼顾天线尺寸（探测器发射包络限制）和不同频段信号的绕射能力这一对矛盾关系，月球表面器间通信天线一般工作在约300MHz～600MHz频段。天线方向图需要覆盖通信双方标称活动下的相对位置关系即可。同时还要兼顾月面传播对电磁波的影响，无线电信号在月球表面传播时，垂直线极化方式的衰减最小，故器间通信天线应采用垂直线极化方式。基于该分析，器间通信天线设计如下：

器间通信包括两类，分别是环月轨道器与月面探测器之间的通信、月面探测器之间的通信。其中，环月轨道器与月面探测器之间的通信可以参考月面工作段测控天线的设计。但考虑到器间通信收发端均采用全向天线（地面站采用定向天线），应降低器间通信频率，以减少链路损耗，增强系统通信能力。其频段应选择UHF频段，极化方式为圆极化，天线方向图与增益指标要求与动力下降段测控天线一致。

月面探测器之间的通信天线选用原则如下：

关于月面器间通信天线工作频段的选择。为减少控制环节，增强系统可靠性，天线可采用固定安装，宽范围覆盖形式。射频信号在月球表面超视距传播时，绕射损耗频率越高损耗越大，频率越低越小。由于月表的探月设备比较小，不可能架设长波波段以下的天线，所以不考虑长波以下的频段。UHF频段天线的尺寸一般较短，上面给定的条件在月表探测环境下完全能够满足超短波天线的架设条件，且还具有较高的发射效率以及一定的绕射功能。故天线一般工作在约300MHz～600MHz频段。

关于月面器间通信天线极化方式的选择。月球表面没有大气层和电离层，所以器间的电波传播模式只能采用地波传播和视距传播形式。地波传播和视距传播中，垂直线极化信号的衰减最小，故天线极化方式应选择垂直线极化。

关于月面器间通信天线方向图与增益指标的确定。天线方向图需要覆盖通信双方标称活动下的相对位置关系的变化。月面器间通信天线方向图与增益确定步骤为：

第一步，确定天线方向图。假设器间通信双方分别为A、B，本实施例以探测器A器间通信天线方向图确定为例，探测器B天线方向图的确定相同。设各种工况下，探测器A、B器间通信天线等效馈源连线与A器间通信天线机械轴夹角变化范围为[α_min，α_max]，探测器A通信天线机械轴向与当地水平面法向的最大夹角值为β_max。即数传天线方向图需覆盖以电轴为中心，夹角范围为[α_min-β_max，α_max+β_max]空间。

第二步，确定天线增益。天线增益G_器间(dB)可根据以下公式计算，

G_器间=3-P_t器间-L-L_调-a+k+10log₁₀(b_器间)+c-d，其中，P_t器间为通信天线入口处功率，单位为dBW；L为传输损耗，包括自由空间损耗、月面遮挡损耗、收发天线极化失配损耗，单位为dB；L_调为调制损失，单位为dB，抑制载波调制时为0，残余载波调制时根据调制度确定；a为接收天线品质因数，单位为dB/K；k为玻耳兹曼常数，单位为dBW/K·Hz；b_器间为器间通信码速率（编码前），单位为bps；c为一定误码率前提下的解调门限，单位为dB；d为信道编码增益，单位为dB。即月面通信天线在方向图要求空间内天线增益不得低于G_降。

基于上述选用的天线，在月球软着陆探测任务各阶段通信方法为：

动力下降段通信采用数传天线和测控天线，其中测控天线为两副相同的收发共用测控天线、或两副相同的接收测控天线与两副相同的发射测控天线；其中

测控天线的工作频段为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式为圆极化，方向图为覆盖半空间，增益为不小于-5dBi；

数传天线的频段为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式为圆极化，方向图覆盖空间的半波束角为θ=α_max+β+△，其中α_max为n个着陆时刻动力下降过程中探测器-地心连线与数传天线电轴夹角的最大值，β为探测器姿态控制的最大偏差，△为基准误差；

月面工作段通信采用测控天线和数传天线；其中

测控天线为动力下降段所选用的测控天线中朝天面的测控天线；

数传天线的工作频段为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式为圆极化，

增益为不低于G_月面=3-P_t月面-L-L_调-a+k+10log₁₀(b_月面)+c-d，其中，P_t月面为数传天线入口处功率，b_月面为数传码速率；

数传天线方向图需覆盖空间的半波束角为其中η为天线增益；

器间通信采用环月轨道器与月面探测器之间通信天线、及月面探测器之间通信天线；

环月轨道器与月面探测器之间通信天线工作频段为UHF频段、极化方式为圆极化，方向图为半空间覆盖，增益为不小于-5dBi；

月面探测器之间通信天线设计工作频段为300MHz～600MHz频段，极化方式为垂直线极化，方向图需覆盖的夹角为[α_min-β_max，α_max+β_max]，其中[α_min，α_max]为两探测器之间通信天线等效馈源连线与通信天线机械对称中心轴夹角变化范围，β_max为通信天线机械轴向与探测器所处地水平面法向的最大夹角值；增益为不小于G_器间=3-P_t器间-L-L_调-a+k+10log₁₀(b_器间)+c-d，其中，P_t器间为通信天线入口处功率，b_器间为器间通信码速率。

同时当动力下降段和月面工作段测控天线的工作频段选为S、X和Ka频段，动力下降段和月面工作段数传天线的工作频段选为S、X和Ka频段时，则在进行数传试验时，采用Ka频段进行；在进行上行通信时，采用2025MHz～2110MHz的S频段、7190MHz～7235MHz的X频段和22.55GHz～23.15GHz的Ka频段进行，在进行下行通信时，采用2200MHz～2290MHz的S频段、8450MHz～8500MHz的X频段和25.5GHz～27GHz的Ka频段进行。

Claims (9)

1.一种月球软着陆探测任务各阶段天线设计方法，包括动力下降段天线设计、月面工作段天线设计及器间通信天线设计；其特征在于，

动力下降段天线设计包括：测控天线设计和数传天线设计；

测控天线：该阶段选用两副相同的收发共用测控天线、或两副相同的接收测控天线与两副相同的发射测控天线，该阶段所选用的测控天线的工作频段选为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式选为圆极化，方向图选为覆盖半空间，增益选为不小于-5dBi；

数传天线：工作频段选为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式选为圆极化，

数传天线方向图采用如下步骤确定：

S101，在确定探测器标称姿态下，获取n个不同着陆时刻的动力下降过程中探测器-地心连线与数传天线电轴夹角的最大值{α₁，α₂，α₃……α_n-1，α_n}；

S102，从包含n个角度的集合中选取最大的角度值，并将其记为α_max，计算考虑探测器姿态控制偏差后的探测器-地心连线与数传天线电轴夹角γ=α_max+β，其中β为探测器姿态控制的最大偏差；

S103，确定数传天线方向图需覆盖空间的半波束角为θ=γ+△，其中△为基准误差；

数传天线的增益选为不低于G_降=3-P_t降-L-L_调-a+k+10log₁₀(b_降)+c-d；其中，P_t降为数传天线入口处功率，L为传输损耗，L_调为调制损失，a为地面站品质因数，k为玻耳兹曼常数，b_降为数传码速率，c为一定误码率前提下的地面解调门限，d为信道编码增益；

月面工作段天线设计包括：测控天线设计和数传天线设计；

测控天线：采用动力下降段选用的测控天线中朝天面的测控天线；

数传天线：工作频段选为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式选为圆极化，

数传天线的增益选为不低于G_月面=3-P_t月面-L-L_调-a+k+10log₁₀(b_月面)+c-d，其中，P_t月面为数传天线入口处功率，b_月面为数传码速率；

数传天线方向图需覆盖空间的半波束角选为其中η为天线效率；

器间通信天线设计包括：环月轨道器与月面探测器之间通信天线设计、及月面探测器之间通信天线设计；

环月轨道器与月面探测器之间通信天线：工作频段选为UHF频段、极化方式选为圆极化，方向图选为半空间覆盖，增益选为不小于-5dBi；

月面探测器之间通信天线：工作频段选为300MHz～600MHz频段，极化方式选为垂直线极化，方向图需覆盖的夹角选为[α_min-β_max，α_max+β_max]，其中[α_min，α_max]为两探测器之间通信天线等效馈源连线与通信天线机械轴夹角变化范围，β_max为通信天线机械轴向与探测器所处地水平面法向的最大夹角值；增益选为不小于G_器间=3-P_t器间-L-L_调-a+k+10log₁₀(b_器间)+c-d，其中，P_t器间为通信天线入口处功率，b_器间为器间通信码速率。

2.根据权利要求1所述月球软着陆探测任务各阶段天线设计方法，其特征在于，当动力下降段和月面工作段测控天线的工作频段选为S、X和Ka频段，动力下降段和月面工作段数传天线的工作频段选为S、X和Ka频段时，则Ka频段选为数传试验链路，2025MHz～2110MHz的S频段、7190MHz～7235MHz的X频段和22.55GHz～23.15GHz的Ka频段选为上行频带，2200MHz～2290MHz的S频段、8450MHz～8500MHz的X频段和25.5GHz～27GHz的Ka频段选为下行频带。

3.根据权利要求1所述月球软着陆探测任务各阶段天线设计方法，其特征在于，动力下降段和月面工作段测控天线的工作频段选为X频段，动力下降段和月面工作段数传天线的工作频段选为X频段。

4.根据权利要求1所述月球软着陆探测任务各阶段天线设计方法，其特征在于，所述基准误差△为±0.92°。

5.一种月球软着陆探测任务各阶段天线，包括动力下降段天线、月面工作段天线及器间通信天线；其特征在于，

动力下降段天线：包括测控天线和数传天线，其中测控天线为两副相同的收发共用测控天线、或两副相同的接收测控天线与两副相同的发射测控天线；其中

测控天线的工作频段为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式为圆极化，方向图为覆盖半空间，增益为不小于-5dBi；

数传天线的频段为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式为圆极化，方向图覆盖空间的半波束角为θ=α_max+β+△，其中α_max为n个着陆时刻动力下降过程中探测器-地心连线与数传天线电轴夹角的最大值，β为探测器姿态控制的最大偏差，△为基准误差；

月面工作段天线：包括测控天线和数传天线；其中

测控天线：工作频段为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式为圆极化，方向图为覆盖半空间，增益为不小于-5dBi；

数传天线：工作频段为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式为圆极化，

增益为不低于G_月面=3-P_t月面-L-L_调-a+k+10log₁₀(b_月面)+c-d，其中，P_t月面为数传天线入口处功率，b_月面为数传码速率；

数传天线方向图需覆盖空间的半波束角为其中η为天线增益；

器间通信天线包括：环月轨道器与月面探测器之间通信天线、及月面探测器之间通信天线；

环月轨道器与月面探测器之间通信天线：工作频段为UHF频段、极化方式为圆极化，方向图为半空间覆盖，增益为不小于-5dBi；

月面探测器之间通信天线设计：工作频段为300MHz～600MHz频段，极化方式为垂直线极化，方向图需覆盖的夹角为[α_min-β_max，α_max+β_max]，其中[α_min，α_max]为两探测器之间通信天线等效馈源连线与通信天线机械对称中心轴夹角变化范围，β_max为通信天线机械轴向与探测器所处地水平面法向的最大夹角值；增益为不小于G_器间=3-P_t器间-L-L_调-a+k+10log₁₀(b_器间)+c-d，其中，P_t器间为通信天线入口处功率，b_器间为器间通信码速率。

6.根据权利要求5所述月球软着陆探测任务各阶段天线，其特征在于，动力下降段和月面工作段测控天线的工作频段为X频段，动力下降段和月面工作段数传天线的工作频段为X频段。

7.根据权利要求5所述月球软着陆探测任务各阶段天线，其特征在于，所述基准误差△为±0.92°。

8.一种月球软着陆探测任务各阶段通信方法，包括发射段通信、巡航段通信、环月段通信、动力下降段通信、月面工作段通信以及月面器间通信；其特征在于，

动力下降段通信采用数传天线和测控天线，其中测控天线为两副相同的收发共用测控天线、或两副相同的接收测控天线与两副相同的发射测控天线；其中

测控天线的工作频段为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式为圆极化，方向图为覆盖半空间，增益为不小于-5dBi；

数传天线的频段为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式为圆极化，方向图覆盖空间的半波束角为θ=α_max+β+△，其中α_max为n个着陆时刻动力下降过程中探测器-地心连线与数传天线电轴夹角的最大值，β为探测器姿态控制的最大偏差，△为基准误差；

月面工作段通信采用测控天线和数传天线；其中

测控天线为动力下降段所选用的测控天线中朝天面的测控天线；

数传天线的工作频段为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式为圆极化，

增益为不低于G_月面=3-P_t月面-L-L_调-a+k+10log₁₀(b_月面)+c-d，其中，P_t月面为数传天线入口处功率，b_月面为数传码速率；

数传天线方向图需覆盖空间的半波束角为其中η为天线增益；

器间通信采用环月轨道器与月面探测器之间通信天线、及月面探测器之间通信天线；

环月轨道器与月面探测器之间通信天线工作频段为UHF频段、极化方式为圆极化，方向图为半空间覆盖，增益为不小于-5dBi；

月面探测器之间通信天线设计工作频段为300MHz～600MHz频段，极化方式为垂直线极化，方向图需覆盖的夹角为[α_min-β_max，α_max+β_max]，其中[α_min，α_max]为两探测器之间通信天线等效馈源连线与通信天线机械对称中心轴夹角变化范围，β_max为通信天线机械轴向与探测器所处地水平面法向的最大夹角值；增益为不小于G_器间=3-P_t器间-L-L_调-a+k+10log₁₀(b_器间)+c-d，其中，P_t器间为通信天线入口处功率，b_器间为器间通信码速率。

9.根据权利要求8所述月球软着陆探测任务各阶段通信方法，其特征在于，当动力下降段和月面工作段测控天线的工作频段选为S、X和Ka频段，动力下降段和月面工作段数传天线的工作频段选为S、X和Ka频段时，则在进行数传试验时，采用Ka频段进行；在进行上行通信时，采用2025MHz～2110MHz的S频段、7190MHz～7235MHz的X频段和22.55GHz～23.15GHz的Ka频段进行，在进行下行通信时，采用2200MHz～2290MHz的S频段、8450MHz～8500MHz的X频段和25.5GHz～27GHz的Ka频段进行。