CN109039422B - 深空探测高增益天线在轨定标系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种深空探测高增益天线在轨定标系统及方法，所述深空探测高增益天线在轨定标系统采用地面站和地面站接收探测器，地面站主要给出高灵敏接收机和大天线，地面站接收探测器发射单信标或残留载波射频信号，找出接收到信号最强的时刻，通过地面站接收探测器反演给出该时刻指向空间的位置。本发明开展天线在轨定标，消除探测器在轨长期飞行中高增益天线对地指向误差，提高通信链路增益值。

Description

深空探测高增益天线在轨定标系统及方法
技术领域
本发明涉及一种在轨定标系统及方法，具体地，涉及一种深空探测高增益天线在轨定标系统及方法，可以应用于火星、金星、土星等深空探测中。
背景技术
深空探测依靠高增益天线提高对地通信能力。天线在轨期间需接收地面上行指令，同时向地面发送探测器相关数据。高增益天线通常是大口径抛物面天线，在轨阳光照射和在轨机动等会产生应力，使高增益天线发生微变形，影响对地指向精度。
由于高增益天线增益高，对地指向波束宽度窄，高增益天线指向精度误差以及整个探测器系统对地指向精度误差过大可能会严重影响天线对地通信。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种深空探测高增益天线在轨定标系统及方法，其开展天线在轨定标，消除探测器在轨长期飞行中高增益天线对地指向误差，提高通信链路增益值。
根据本发明的一个方面，提供一种深空探测高增益天线在轨定标系统，其特征在于，所述深空探测高增益天线在轨定标系统采用地面站和地面站接收探测器，地面站主要给出高灵敏接收机和大天线，地面站接收探测器发射单信标或残留载波射频信号，找出接收到信号最强的时刻，通过地面站接收探测器反演给出该时刻指向空间的位置。
优选地，所述深空探测高增益天线在轨定标系统采用上行测控链路来标定高增益天线对地指向，深空探测器通过高灵敏度应答机反演高增益天线接收地面站上行射频信号强度变化，寻找出最大信号强度的方向，计算出高增益天线波束中心轴对地球的位置。
优选地，所述深空探测高增益天线在轨定标系统采用下行测控链路来标定高增益天线对地指向，即地面站通过高灵敏度接收系统反演高增益天线对地面站下行射频信号强度变化，寻找出最大信号强度的时刻，通过该时刻计算出高增益天线波束中心轴对地球的位置。
优选地，所述深空探测高增益天线在轨定标系统根据距离远近分别使用上行链路定标系统和下行链路定标系统，探测器高增益天线采用恒定角速度螺旋扫描，标定天线对地指向误差，提高天线对地指向精度。
优选地，所述下行链路定标系统包括地面站天线、地面高精度接收机、探测器高增益天线、深空应答机和放大器，深空应答机发射单频点信号或残留载波信号，经放大器放大后给高增益天线输出，地面站天线接收探测器发射来信号，经地面高灵敏度接收机求出接收到最大射频信号的时刻，减去空间信号传输延时，该时刻高增益天线扫描到位置为天线对地高精度指向的方向，要求探测器与地面站高精度时统在5ms以内。
优选地，所述下行链路定标系统中，探测器高增益天线的恒定功率发给地面，高增益天线扫描，地面站天线接收确认接收信号强度最大值，为探测器高增益天线指向地球的方向，其地面站的位置，与这时器上的地面站坐标进行比对，进行修正误差。
优选地，所述大天线为地面站抛物面大天线，用于接收深空探测器发射出微弱射频信号；大天线具有二维驱动能力，根据探测器飞行轨道，天线波束持续跟踪探测器；地面高精度接收机连接大天线，接收微弱射频信号的进行放大，采用氦气低温放大器，能够识别接收到微弱射频信号的强度。
本发明还提供一种深空探测高增益天线在轨定标方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、探测器与地面站进行同步校时，时间误差在5ms以内；
步骤二、探测器发射单频点信号或残留载波信号，定向天线指向地球，按照恒角速度螺旋扫描；
步骤三、地面站接收处理器统计不同时刻接收信号的强度，算出信号强度的分布，找出接收最强信号的时刻；
步骤四、探测器根据该时刻，计算出定向天线的当时指向，求出指向误差；
步骤五、探测器根据该误差，进行定向天线对地球指向的修正。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明解决了深空探测高增益天线在轨长期飞行受到热变形等应力的影响，采用上下行射频链路标定实现了高精度对地指向。本发明开展天线在轨定标，消除探测器在轨长期飞行中高增益天线对地指向误差，提高通信链路增益值。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明所提供深空下行链路高增益天线标定系统框图；
图2为本发明所提供天线恒角速度螺旋线扫描方法的示意图。
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。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明深空探测高增益天线在轨定标系统采用地面站和地面站接收探测器，地面站主要给出高灵敏接收机和大天线，地面站接收探测器发射单信标或残留载波射频信号，找出接收到信号最强的时刻，通过地面站接收探测器反演给出该时刻指向空间的位置。地面站接收探测器的高增益天线指向地球，深空应答机输出单信标或残留载波信号，经放大器给高增益天线。
大天线为地面站抛物面大天线，通常直径35米或66米，用于接收深空探测器发射出微弱射频信号；大天线具有二维驱动能力，可以根据探测器飞行轨道，天线波束持续跟踪探测器；地面高精度接收机连接大天线，接收微弱射频信号的进行放大，采用氦气低温放大器，能够识别接收到微弱射频信号的强度。地面处理器将接收的探测器射频信号进行处理，找出探测器输出信号最强的时刻，通过该时刻反演出探测器的定性天线的指向；探测器的深空X应答机具有X频段射频信号的发射，发射信号为单频点信号或残留载波信号，信号强度约1dBmW左右。行波管放大器将深空X应答机输出的X频段信号进行放大，增加射频信号输出功率，可以达到100W左右。定向天线具备二维指向的抛物面天线，使行波管放大射频信号通过定向天线进行能量集中后，定向辐射到地球。
本发明采用上行测控链路来标定高增益天线对地指向，即深空探测器通过高灵敏度应答机反演高增益天线接收地面站上行射频信号强度变化，寻找出最大信号强度的方向，计算出高增益天线波束中心轴对地球的位置，使测控射频链路增益增加3dB。
本发明采用下行测控链路来标定高增益天线对地指向，即地面站通过高灵敏度接收系统反演高增益天线对地面站下行射频信号强度变化，寻找出最大信号强度的时刻，通过该时刻计算出高增益天线波束中心轴对地球的位置，使测控射频链路增益增加3dB。
本发明深空探测高增益天线在轨定标方法采用恒角速度螺旋快速扫描法，根据高增益天线的3dB波束宽度确定扫描范围，以探测器处理数据最小周期和高增益天线对地指向要求，确定扫描速率，最终实现高增益天线对地指向精度0.5dB波束角内。
所述深空探测高增益天线在轨定标系统根据距离远近分别使用上行链路定标系统和下行链路定标系统，探测器高增益天线采用恒定角速度螺旋扫描，标定天线对地指向误差，提高天线对地指向精度。
下行链路定标系统包括地面站天线、地面高精度接收机、探测器高增益天线、深空应答机和放大器，深空应答机发射单频点信号或残留载波信号，经放大器放大后给高增益天线输出，地面站天线接收探测器发射来信号，经地面高灵敏度接收机求出接收到最大射频信号的时刻，减去空间信号传输延时，该时刻高增益天线扫描到位置为天线对地高精度指向的方向，要求探测器与地面站高精度时统在5ms以内。
下行链路定标系统中，探测器高增益天线的恒定功率发给地面，高增益天线扫描，地面站天线接收确认接收信号强度最大值，为探测器高增益天线指向地球的方向，其地面站的位置，与这时器上的地面站坐标进行比对，进行修正误差。
本发明深空探测高增益天线在轨定标方法包括以下步骤：
步骤一、探测器与地面站进行同步校时，时间误差在5ms以内；
步骤二、探测器发射单频点信号或残留载波信号，定向天线指向地球，按照恒角速度螺旋扫描；
步骤三、地面站接收处理器统计不同时刻接收信号的强度，算出信号强度的分布，找出接收最强信号的时刻；
步骤四、探测器根据该时刻，计算出定向天线的当时指向，求出指向误差；
步骤五、探测器根据该误差，进行定向天线对地球指向的修正。
恒角速度螺旋扫描方案为高增益天线以恒定角速度进行螺旋线扫描。以天线当前对地指向(t＝0时刻)为起始点(α0，β0)，以高增益天线二维旋转可以达到最佳角速度为ω，以高增益天线需求达到指向精度为螺距d，任意时刻t的指向角度为(αt，βt)，则恒角速度螺旋扫描开始后t时刻天线空间角表达式为式(1)：
Figure BDA0001711311390000041
Figure BDA0001711311390000042
可以看出，通过合理选择螺距和扫描角速度，即可在一定时间内对指定空域(α,β)进行完全扫描。
通过地面站检测出n时刻，接收到射频信号最强，减去器地链路延时m，可以求出n-m时刻，高增益天线在空间指向如式(2)：
Figure BDA0001711311390000051
Figure BDA0001711311390000052
这时以(αn-m，βn-m)为起始点，相对起始指向误差为θ，地面站测量出链路增益变化ΔG(θ)，则θ与ΔG(θ)的关系为如式(3)：
Figure BDA0001711311390000053
其中HPBW为定向天线的半功率波束宽度。通过该公式反算高增益天线指向地面角度(αn-m，βn-m)是否是最佳指向。
如图2所示，在定向天线对搜索捕获后，定向天线对地指向精度达到0.5度以内。恒角速度螺旋线扫描范围为(-0.5°，0.5°)，由于2.5m高增益天线的指向精度0.1°,阿基米德螺旋的螺距最小值为0.1°，要实现定向天线对地指向小于0.1°要求，则阿基米德螺旋的螺距最大值为0.2°。
螺距为0.2°进行扫描，10秒钟扫描区域[-0.5°，0.5°]，100秒钟扫描区域[-5°，5°]。
由于这时已经知道定向天线指向误差在[-0.5°，0.5°]；定向天线的指向精度要求达到0.1°，阿基米德螺旋的螺距选择0.1°；要达到最外圈也为0.1°扫描速度ω＝π/16，需要80秒完成轨道的标定。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种深空探测高增益天线在轨定标系统，其特征在于，所述深空探测高增益天线在轨定标系统采用地面站和地面站接收探测器，地面站主要给出高灵敏接收机和大天线，地面站接收探测器发射单信标或残留载波射频信号，深空探测器高灵敏应答机反演高增益天线接收地面上行射频信号强度变化，找出接收到信号最强的时刻，通过地面站接收探测器反演给出该时刻指向空间的位置；
所述深空探测高增益天线在轨定标系统根据距离远近分别使用上行链路定标系统和下行链路定标系统，探测器高增益天线采用恒定角速度螺旋扫描，标定天线对地指向误差，提高天线对地指向精度。
2.根据权利要求1所述的深空探测高增益天线在轨定标系统，其特征在于，所述深空探测高增益天线在轨定标系统采用上行测控链路来标定高增益天线对地指向，深空探测器通过高灵敏度应答机反演高增益天线接收地面站上行射频信号强度变化，寻找出最大信号强度的方向，计算出高增益天线波束中心轴对地球的位置。
3.根据权利要求1所述的深空探测高增益天线在轨定标系统，其特征在于，所述深空探测高增益天线在轨定标系统采用下行测控链路来标定高增益天线对地指向，即地面站通过高灵敏度接收系统反演高增益天线对地面站下行射频信号强度变化，寻找出最大信号强度的时刻，通过该时刻计算出高增益天线波束中心轴对地球的位置。
4.根据权利要求1所述的深空探测高增益天线在轨定标系统，其特征在于，所述下行链路定标系统包括地面站天线、地面高精度接收机、探测器高增益天线、深空应答机和放大器，深空应答机发射单频点信号或残留载波信号，经放大器放大后给高增益天线输出，地面站天线接收探测器发射来信号，经地面高灵敏度接收机求出接收到最大射频信号的时刻，减去空间信号传输延时，该时刻高增益天线扫描到的位置为天线对地高精度指向的方向，要求探测器与地面站高精度时统在5ms以内。
5.根据权利要求4所述的深空探测高增益天线在轨定标系统，其特征在于，所述下行链路定标系统中，探测器高增益天线将恒定功率发给地面站，高增益天线扫描，地面站天线接收确认接收信号强度最大值，为探测器高增益天线指向地球的方向，其地面站的位置，与这时探测器上的地面站坐标进行比对，进行修正误差。
6.根据权利要求4所述的深空探测高增益天线在轨定标系统，其特征在于，所述大天线为地面站抛物面大天线，用于接收深空探测器发射出微弱射频信号；大天线具有二维驱动能力，根据探测器飞行轨道，天线波束持续跟踪探测器；地面高精度接收机连接大天线，接收微弱射频信号的进行放大，采用氦气低温放大器，能够识别接收到微弱射频信号的强度。
7.一种深空探测高增益天线在轨定标方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、深空探测器与地面站进行同步校时，时间误差在5ms以内；
步骤二、深空探测器发射单频点信号或残留载波信号，定向天线指向地球，按照恒角速度螺旋扫描；
步骤三、地面站接收处理器统计不同时刻接收信号的强度，算出信号强度的分布，找出接收最强信号的时刻；
步骤四、深空探测器根据该时刻，计算出定向天线的当时指向，求出指向误差；
步骤五、深空探测器根据该误差，进行定向天线对地球指向的修正。
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