CN104022792B

CN104022792B - 一种深空领域定向天线盲捕方法

Info

Publication number: CN104022792B
Application number: CN201410220624.4A
Authority: CN
Inventors: 杨眉; 张婷; 吴学英
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2014-05-23
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2034-05-23
Also published as: CN104022792A

Abstract

本发明公开了一种深空领域定向天线盲捕方法，涉及深空探测领域。首先确定标称的定向天线目标位置作为盲捕的起始点为(A，E)，同时确定方位角范围和俯仰角范围；然后选取依步长选取在俯仰角范围内选取固定点，固定点处控制定向天线在整个方位角范围内捕获信号，获得能够捕获到信号的固定点E_t后进行第一次精捕：E_t不动，方位角以固定补偿在其范围内转动并进行信号捕获，捕获到满足链路接收解调要求的信号则输出，若不活不到，则选取信号强度最强时对应方位角At’开始进行第二次精捕：控制At’不变，俯仰角由Et开始以1°为步长进行信号捕获，若捕获到的满足要求的信号则输出，若不能则重复本方法直至有信号输出。

Description

一种深空领域定向天线盲捕方法

技术领域

本发明涉及深空探测领域，具体涉及一种定向天线盲捕实现地面捕获的控制算法。

背景技术

目前，地球航天器大多有专门的天线捕获跟踪系统调整天线指向以确保精确指向目标点位置。深空探测器由于距离地球遥远，通信时延长，对地指向变化缓慢，地面可视弧段有限，探测器自行进行地球捕获效率较低。同时，出于资源节省的角度考虑，有些深空探测器甚至不配备天线捕获跟踪分系统，而全权由地面指令进行控制，在深空探测器正常工作的情况下，地面只需定期对天线进行角度调整即可，若由于定向天线指向偏差导致深空探测器的通信故障，导致地面无法获知准确探测器姿态、位置，此时则需要设计一种天线盲捕策略解决该问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种深空定向天线盲捕方法，能够由地面控制实现天线对地球的捕获，最大限度减少捕获的时间，且工程实现简单易行。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

第一步、确定盲捕的起始点为(A，E)，其中A为标称的定向天线目标方位角，E为标称的定向天线目标俯仰角。

第二步、确定方位角转动范围为A-A_f°～A+A_f°和俯仰角转动范围为E-E_f°～E+E_f°，其中A_f为方位角最大转动角度，E_f为俯仰角最大转动角度。

第三步、由起始点(A，E)开始进行粗捕：在俯仰角转动范围内以设定的俯仰角检测步长E_step选取俯仰角固定点，在每个俯仰角固定点处，控制定向天线以方位角转动范围为路径，进行信号捕获，直至在一俯仰固定点E_t的路径处捕获到信号；设定的俯仰角检测步长E_step＝2θ-1°，其中θ为定向天线的半锥面波束角。

第四步、进行第一次精捕：固定俯仰角为E_t不动，方位角在其方位角转动范围内以设定的方位角检测步长A_step转动并进行信号捕获，如捕获到信号且信号强度满足链路接收解调要求，则输出该信号，本方法结束，若信号强度不满足链路接收解调要求，则选取信号强度最强时对应方位角A_t’；设定的方位角检测步长A_step＝θ-1°。

第五步、由(A_t’,E_t)开始进行第二次精捕：控制方位角A_t’不变，俯仰角由E_t开始以1°为步长进行信号捕获，若捕获到的信号强度满足链路接收解调要求，则输出该信号，本方法结束，若不能捕获到满足链路接收解调要求的信号，则重复本方法直至有信号输出。

进一步地，第三步中控制定向天线的以方位角转动范围为路径，进行信号捕获时采用几字形路径，则该步骤中由起始点(A，E)开始进行粗捕的过程具体分为如下步骤：

步骤301、令m取值为1；

步骤302、控制定向天线按照直线路径由(A,E)转动至(A+mA_f°,E)并进行扫描，若检测到信号，则令E_t＝E，粗捕过程结束，进入第四步，否则进入步骤303；

步骤303、令n＝1；

步骤304、控制定向天线由(A+mA_f°,E+mnE_step°)转到(A-mA_f°,E+mnE_step°)，若在转动过程中检测到信号，则令n’＝n，E_t＝E+n’E_step°，粗捕过程结束，进入第四步，否则进入步骤305；

步骤305、定向天线由(A-mA_f°,E+mnE_step°)转到(A-mA_f°,E+m(n+1)E_step°)；

步骤306、控制定向天线由(A-mA_f°,E+m(n+1)E_step°)转到(A+mA_f°,E+m(n+1)E_step°)，若在转动过程中检测到信号，则令n’＝m(n+1)，E_t＝E+n’E_step°，粗捕过程结束，进入第四步，否则进入步骤307；

步骤307、n自增1，判断nE_step°＞E_f是否成立，若不成立返回步骤304，若成立且m取值为1，则令m取-1，返回步骤302，若成立且m取值为-1，则返回步骤301。

进一步地，第四步中选取信号强度最强时对应方位角A_t’的具体方法为：令k从1开始寻找，直至获得正整数k，使得在(A_t-kA_step,E_t)、(A_t-(k+1)A_step,E_t)以及(A_t-(k-1)A_step,E_t)处均捕获到信号，且三处中(A_t-kA_step,E_t)信号强度最强，则A_t’＝A_t-kA_step，其中A_t＝A+A_f°，若不存在满足条件的k，则以(A+A_f°，E_t)为第一次精捕的起始点，按照步长A_step对A+A_f°进行递减直至达到A-A_f°，该过程中，对于每一个方位角均检测获取信号强度，将信号强度最强时对应方位角作为A_t’。

有益效果：

1、本发明所提供的一种深空定向天线盲捕方法用于在深空探测器在不能获取自身的准确位置和姿态的情况下，由地面控制的方式建立对地数传信道，实现天线对地球的捕获，本发明通过粗捕和精捕的步骤最大限度地减少了捕获的时间，整个捕获过程简单易行。

2、本发明同时提供了采用几字形路径进行粗捕的方法，该几字形路径能够很好地覆盖所有俯仰固定点处路径，而且路径规划合理，没有冗余路径，能够进一步节省粗捕时间，提高捕获效率。

3、在第一次精捕的过程中，若不能获取满足链路接收解调要求的信号，则需要获取所有依据步长划分的方位角检测点处的信号强度才能进一步获取信号最强点，在本方法中提供了一种获取信号最强点的方法，由该方法获得第二次精捕的起始点，不仅能够满足第二次精捕的要求，同时节省了寻找该起始点的时间，进一步提高了盲捕效率。

附图说明

图1为粗捕路径示意图；

图2为定向天线盲捕流程简图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

一种深空领域定向天线盲捕方法，该方法包括如下步骤：

第一步、根据深空探测器的标称着陆点位置、着陆时刻以及着陆姿态，计算获得标称的定向天线目标方位角A，目标俯仰角E；

第二步、以定向天线的对地指向区域的中心点位置作为起始点，控制定向天线指向目标方位角A和目标俯仰角E；根据对着陆姿态和着陆点区域的分析，获得方位角转动范围A-A_f°～A+A_f°，其中A_f为俯仰角转动范围E-E_f°～E+E_f°，其中A_f为方位角最大转动角度，E_f为俯仰角最大转动角度；

第三步、为了能够在地面发现定向天线的下行信号，则需要进行定向天线对地球站的初步定位，粗捕过程即是该初步定位的过程。

本步骤中采用直线路径方式进行粗捕，由起始点(A，E)开始，在俯仰角转动范围内以设定的俯仰角检测步长E_step选取俯仰角固定点，在每个俯仰角固定点处，控制定向天线的以方位角转动范围为路径，进行信号捕获，直至在一俯仰固定点Et的路径处捕获到信号。其中设定俯仰角检测步长E_step＝2θ-1°，其中θ为定向天线的半锥面波束角。该步长以半锥面波束角为依据设定，能够在保证捕获精度的前提下，节省时间，提高效率。

粗捕过程中，地面控制定向天线在每一个俯仰固定点的路径上以高转速进行扫描，地面站在盲捕过程中，采用频谱仪等设备进行辅助信号观察，配合器上天线扫描过程进行信号搜索捕获。

为了节省粗捕的时间，本实施例中在粗捕的过程中采用几字形路径，具体如图2所示，几字形路径能够很好地覆盖所有俯仰固定点处路径，而且路径规划合理，没有冗余路径，节省粗捕时间，该几字形路径的具体过程如下：

步骤301、令m取值为1；

步骤302、控制定向天线按照直线路径由(A,E)转动至(A+mA_f°,E)并进行扫描，若检测到信号，则令n’＝0，E_t＝E，粗捕过程结束，进入第四步，否则进入步骤303；

步骤303、令n＝1；

第四步、经过第三步的粗捕过程，本实施例已经找到了能够捕获到信号的扫描范围，本步骤则进行一次精捕。

从位置(A_t,E_t)开始进行一次精捕，一次精捕的具体过程如下：控制定向天线的俯仰角不动，方位角以A_step为步长转动并进行信号搜索，其中A_step为方位角检测步长，A_step＝θ-1°。其中每转动一个步长获取一个方位角检测点。

若存在正整数i，使得在(A_t-iA_step,E_t)处搜索到信号且信号强度满足链路接收解调要求，则输出该信号，本方法结束。

如不存在满足上述条件的正整数i，则需要选取信号强度最强时对应方位角A_t’。在选取信号强度最强处的A_t’时，可以首先获取所有方位角检测点处的信号强度，逐一对比获取最强信号对应的方位角监测点，即为A_t’。为了节省时间，提高盲捕效率，也可以采用如下过程：令k从1开始寻找，直至获得正整数k，使得在(A_t-kA_step,E_t)、(A_t-(k+1)A_step,E_t)以及(A_t-(k-1)A_step,E_t)处均搜索到信号，且三处中(A_t-kA_step,E_t)信号强度最强，若存在则以(A_t-kA_step,E_t)为二次精捕的起始点，令A_t’＝A_t-kA_step，进入第五步。

第五步、从位置(A_t’,E_t)开始进行二次精捕，二次精捕的具体过程如下：

控制定向天线的方位角不变，俯仰角以1°为步长慢速并捕获跟踪信号，若存在正整数j，使得在(A_t’,E_t+j°)处捕获到信号且捕获到的信号强度满足链路接收解调要求，则输出该信号，本方法结束；若不存在正整数j，则重复本方法直至有信号输出为止。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种深空领域定向天线盲捕方法，其特征在于，该方法具体为：

第一步、确定盲捕的起始点为(A，E)，其中A为标称的定向天线目标方位角，E为标称的定向天线目标俯仰角；

第二步、确定方位角转动范围为A-A_f～A+A_f和俯仰角转动范围为E-E_f～E+E_f，其中A_f为方位角最大转动角度，E_f为俯仰角最大转动角度；

第三步、由起始点(A，E)开始进行粗捕：在俯仰角转动范围内以设定的俯仰角检测步长E_step选取俯仰角固定点，在每个俯仰角固定点处，控制定向天线以方位角转动范围为路径，进行信号捕获，直至在一俯仰固定点E_t的路径处捕获到信号；所述设定的俯仰角检测步长E_step＝2θ-1°，其中θ为定向天线的半锥面波束角；

第四步、进行第一次精捕：固定俯仰角为E_t不动，方位角在其方位角转动范围内以设定的方位角检测步长A_step转动并进行信号捕获，如捕获到信号且信号强度满足链路接收解调要求，则输出该信号，本方法结束，若信号强度不满足链路接收解调要求，则选取信号强度最强时对应方位角A_t’；所述设定的方位角检测步长A_step＝θ-1°；

2.如权利要求1所述的一种深空领域定向天线盲捕方法，其特征在于，所述第三步中控制定向天线的以方位角转动范围为路径，进行信号捕获时采用几字形路径，则该步骤中由起始点(A，E)开始进行粗捕的过程具体分为如下步骤：

步骤301、令m取值为1；

步骤302、控制定向天线按照直线路径由(A,E)转动至(A+mA_f,E)并进行扫描，若检测到信号，则令E_t＝E，粗捕过程结束，进入第四步，否则进入步骤303；

步骤303、令n＝1；

步骤304、控制定向天线由(A+mA_f,E+mnE_step)转到(A-mA_f,E+mnE_step)，若在转动过程中检测到信号，则令n’＝n，E_t＝E+n’E_step，粗捕过程结束，进入第四步，否则进入步骤305；

步骤305、定向天线由(A-mA_f,E+mnE_step)转到(A-mA_f,E+m(n+1)E_step)；

步骤306、控制定向天线由(A-mA_f,E+m(n+1)E_step)转到(A+mA_f,E+m(n+1)E_step)，若在转动过程中检测到信号，则令n’＝m(n+1)，E_t＝E+n’E_step，粗捕过程结束，进入第四步，否则进入步骤307；

步骤307、n自增1，判断nE_step＞E_f是否成立，若不成立返回步骤304，若成立且m取值为1，则令m取-1，返回步骤302，若成立且m取值为-1，则返回步骤301。

3.如权利要求1或2所述的一种深空领域定向天线盲捕方法，其特征在于，则所述第四步中选取信号强度最强时对应方位角A_t’的具体方法为：令k从1开始寻找，直至获得正整数k，使得在(A_t-kA_step,E_t)、(A_t-(k+1)A_step,E_t)以及(A_t-(k-1)A_step,E_t)处均捕获到信号，且三处中(A_t-kA_step,E_t)信号强度最强，则A_t’＝A_t-kA_step，其中A_t＝A+A_f，若不存在满足条件的k，则以(A+A_f，E_t)为第一次精捕的起始点，按照步长A_step对A+A_f进行递减直至达到A-A_f，该过程中，对于每一个方位角均检测获取信号强度，将信号强度最强时对应方位角作为A_t’。