CN109194380B - 一种用于空间目标探测器的测控通信支持系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于空间目标探测器的测控通信支持系统，包括：至少两颗位于同步轨道且用于对空间目标探测器进行测控通信的中继卫星，以及用于对所述中继卫星进行控制和对所述空间目标探测器进行测控通信的地面站；所述中继卫星在所述同步轨道上的定点位置以所述地面站的经度为中心对称布置。本发明的测控通信支持系统通过采用两颗中继卫星和一个地面站的组合方式，实现了对空间目标探测器测控通信的完全覆盖。通过设置两颗测控范围在±90°之间的中继卫星定点在同步轨道上，充分利用中继卫星在空间测控通信范围广的优点，避免了在地面设置多个地面站，解决了对空间目标探测任务中全球布设地面站的不足，而且节约了布设多个地面站的成本。

Description

一种用于空间目标探测器的测控通信支持系统

技术领域

本发明涉及航天技术领域，尤其涉及一种用于空间目标探测器的测控通信支持系统。

背景技术

目前，人类开展月球探测活动(包括无人探测和载人登月)的测控通信任务主要由地基测控通信网完成的。以美国为例，其月球探测任务主要是依靠NASA的深空网(DeepSpace Network,DSN)。从目前文献资料上看，除美国通过在全球范围内布站，建立了可对月球探测任务100％全覆盖的深空网以外。其他国家和组织或是仅立足国内现有地面测控网络和地面应用系统资源(俄罗斯、中国)，或是在国内地面测控站的基础上依靠交换、相互支持机时的机制，通过与国外充分合作(欧空局、日本、印度)，来完成月球探测过程中的测控通讯任务。

随着基于地球中继卫星的天基测控通信网的完善，目前的月球探测任务也有辅以地球天基测控通信网，但其在不考虑月球遮挡和月球轨道倾角的情况下，对环月探测器的测控覆盖率可由50％提高到95％，仍然未能实现地面对月球探测器的全面测控通信能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于空间目标探测器的测控通信支持系统，解决测控通信支持系统无法完全对空间目标探测器测控通信覆盖的问题。

为实现上述发明目的，本发明提供一种用于空间目标探测器的测控通信支持系统，包括：至少两颗位于同步轨道且用于对空间目标探测器进行测控通信的中继卫星，以及用于对所述中继卫星进行控制和对所述空间目标探测器进行测控通信的地面站；

所述中继卫星在所述同步轨道上的定点位置以所述地面站的经度为中心对称布置。

根据本发明的一个方面，所述中继卫星与所述地面站在经度方向的夹角为θ，满足：

θ≥θ₁+θ₂＝9.65°，

其中，

R_e为地球平均半径，R_m为空间目标探测器所探测的目标到地心的距离，R_s为地球同步轨道半径。

根据本发明的一个方面，所述中继卫星与所述地面站在经度方向的夹角为θ，满足：θ≤45°。

根据本发明的一个方面，所述中继卫星与所述地面站在经度方向的夹角为θ，则所述地面站的纬度约束在±λ之间，且满足：

其中，h＝R_m·cosα，

α为所探测目标的轨道面与地球赤道面的夹角。

根据本发明的一个方面，所述中继卫星包括中央控制单元、与所述中央控制单元相连接的测控通信单元和卫星天线；

所述中央控制单元控制所述卫星天线转动，且所述卫星天线的转动角度小于或等于180°；

所述测控通信单元通过所述卫星天线接收和发送对所述空间目标探测器的测控通信信号，以及接收和发送与所述地面站进行通信的链路信号。

根据本发明的一个方面，所述地面站包括中央控制系统、与所述中央控制系统相连接的测控通信支持系统和测控通信天线；

所述中央控制系统控制所述测控通信天线转动，且所述测控通信天线的转动角度小于或等于180°；

所述测控通信支持系统通过所述测控通信天线接收和发送对所述空间目标探测器的测控通信信号，以及接收和发送与所述中继卫星进行通信的链路信号。

根据本发明的一个方面，当所述地面站到所述空间目标探测器所探测的目标的位置矢量与所述地面站在地心惯性系位置矢量之间的第一矢量夹角ε满足-90°＜ε＜90°时，所述地面站对所述空间目标探测器进行测控通信；

当所述中继卫星到所述空间目标探测器所探测的目标的位置矢量与所述中继卫星在地心惯性系位置矢量之间的第二矢量夹角γ满足-90°＜γ＜-δ和δ＜γ＜90°时，所述中继卫星对所述空间目标探测器进行测控通信，其中，δ为所述中继卫星对地球的视场角。

根据本发明的一种方案，本发明的测控通信支持系统通过采用两颗中继卫星和一个地面站的组合方式，实现了对空间目标探测器测控通信的完全覆盖。通过设置两颗测控范围在±90°之间的中继卫星定点在同步轨道上，充分利用中继卫星在空间测控通信范围广的优点，从而避免了在地面设置多个地面站，进而解决了对空间目标探测任务中全球布设地面站的不足，而且节约了布设多个地面站的成本。同时，通过结合具有测控范围在±90°之间的地面站，不仅可以完成对中继卫星在空间飞行的控制，及时获取中继卫星传输的链路信号，而且还可以减少中继卫星的布置数量，从而弥补中继卫星测控范围外所产生的测控通信盲区，进而充分保证了本发明的测控通信支持系统对空间目标探测器测控通信的覆盖率，

根据本发明的一种方案，通过上述设置，使中继卫星与地面站之间满足上述关系，使中继卫星与地面站的布置位置更加合理，进一步提高了中继卫星与地面站构成的测控通信支持系统能够将空间目标探测器所探测的目标始终纳入到测控通信覆盖的范围内，避免了测控通信支持系统产生测控通信盲区，实现了对目标的实时测控通信，从而保证了地面能够及时获取空间目标探测器的工作状态。

附图说明

图1示意性表示现有测控通信支持系统的结构图；

图2示意性表示根据本发明的测控通信支持系统的中继卫星与地面站在经度方向的夹角θ小于θ₁+θ₂时的测控通信覆盖区域图；

图3示意性表示根据本发明的测控通信支持系统的中继卫星与地面站在经度方向的夹角θ等于θ₁+θ₂时的测控通信覆盖区域图；

图4示意性表示根据本发明的测控通信支持系统的中继卫星与地面站在经度方向的夹角θ等于45°时的测控通信覆盖区域图；

图5示意性表示根据本发明的测控通信支持系统的中继卫星与地面站在经度方向的夹角θ大于45°时的测控通信覆盖区域图；

图6示意性表示根据本发明的测控通信支持系统的仿真结果图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

如图1所示，现有的用于空间目标探测器的测控通信支持系统，包括一颗中继卫星1和一个地面站2。在不考虑空间目标探测器所探测的目标的遮挡和目标轨道倾角的情况下，现有的用于空间目标探测器的测控通信支持系统可简化为对目标的测控通信覆盖。以月球(即空间目标探测器所探测的目标)为例，地面站2布置在地球赤道上，中继卫星1则定点在地面站2正上方，中继卫星1与地面站2的经度相同。参见图1所示，现有的用于空间目标探测器的测控通信支持系统存在有对月球的不可覆盖区域A。现有的用于空间目标探测器的测控通信支持系统对月球覆盖率通过以下公式得出：

其中，R_e为地球平均半径，取R_e＝6378km；R_m为空间目标探测器所探测的目标到地心的距离即月球到地心的距离，取R_m＝384747km；R_s为地球同步半径，取R_s＝42164km。

通过上述公式可得出现有的用于空间目标探测器的测控通信支持系统对月球覆盖率为η＝95％。通过上述计算结果可知，现有的用于空间目标探测器的测控通信支持系统无法对月球达到100％的覆盖，从而容易导致空间目标探测器处于不可覆盖区域A时，测控通信支持系统无法对空间目标探测器进行测控通信，进而发生目标空间探测器“失联”的情况发生，导致无法对空间目标探测器进行实时测控。

如图2所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种用于空间目标探测器的测控通信支持系统包括至少两颗中继卫星1和地面站2。在本实施方式中，中继卫星1位于地球的同步轨道上，并且用于对空间目标探测器进行测控通信。在本实施方式中，地面站2用于对中继卫星1进行控制和对空间目标探测器进行测控通信。在本实施方式中，中继卫星1在同步轨道上的定点位置以地面站2的经度为中心对称布置。在本实施方式中，以两颗中继卫星1为例进行详细说明，当然其也可以为四颗、六颗等其设置方式与前述设置方式保持一致，在此不再赘述。

结合图2、图3、图4和图5所示，根据本发明的一种实施方式，中继卫星1与地面站2在经度方向的夹角为θ。在本实施方式中，以地球和月球为例进行说明，在不考虑月球遮挡和月球轨道倾角的情况下，对空间目标探测器的测控通信覆盖可简化为对月球的测控通信覆盖。参见图2所示，通过设置两个中继卫星1，并且中继卫星1在同步轨道上的定点位置以地面站2的经度为中心对称布置。两颗中继卫星1的定点位置之间具有一定间隔(即中继卫星1与地面站2在经度方向存在夹角θ)，当θ为0°时，两颗中继卫星1在同步轨道的定点位置同时处于地面站2的正上方。当夹角θ逐渐由0°开始增加即0＜θ＜θ₁+θ₂时，本发明的测控通信支持系统对月球的测控通信的覆盖盲区则逐渐减小。结合图2和图3所示，当θ＝θ₁+θ₂时，本发明的测控通信支持系统对月球的测控通信的覆盖盲区则变为零，则此时中继卫星1与地面站2在经度方向的夹角θ即为本发明的测控通信支持系统实现对月球测控通信完全覆盖的最小夹角。因此，在本实施方式中，中继卫星1与地面站2在经度方向的夹角θ满足：

θ≥θ₁+θ₂，

其中，

在本实施方式中，当θ＝θ₁+θ₂时，根据上述公式，即可得出中继卫星1与地面站2在经度方向的夹角θ的值为9.65°。参见图4所示，当中继卫星1与地面站2在经度方向的夹角θ继续增大，依然能够实现本发明的测控通信支持系统对月球测控通信的完全覆盖。当夹角θ增大到45°时，达到本发明的测控通信支持系统对月球测控通信完全覆盖的临界状态。结合图4和图5所示，当夹角θ大于45°时，本发明的测控通信支持系统对月球测控通信出现测控盲区，并且若夹角θ继续增大，则测控通信盲区也逐渐变大，因此，在本实施方式中，中继卫星1与地面站2在经度方向的夹角θ满足：9.65°≤θ≤45°。

根据本发明的一种实施方式，中继卫星1包括中央控制单元、测控通信单元和卫星天线。在本实施方式中，测控通信单元和卫星天线分别与中央控制单元相连接。中央控制单元控制卫星天线转动，且卫星天线的转动角度小于或等于180°，即实现中继卫星1的测控范围在±90°之间。在本实施方式中，测控通信单元通过卫星天线接收和发送对空间目标探测器的测控通信信号，以及接收和发送与地面站2进行通信的链路信号。

根据本发明的一种实施方式，地面站2包括中央控制系统、测控通信支持系统和测控通信天线。在本实施方式中，测控通信支持系统和测控通信天线分别与中央控制系统相连接。中央控制系统控制测控通信天线转动，且测控通信天线的转动角度小于或等于180°，即实现地面站2的测控范围在±90°之间。测控通信支持系统通过测控通信天线接收和发送对空间目标探测器的测控通信信号，以及接收和发送与中继卫星1进行通信的链路信号。

根据本发明的一种实施方式，当地面站2到的空间目标探测器所探测的目标的位置矢量与地面站2在地心惯性系位置矢量之间的第一矢量夹角ε满足-90°＜ε＜90°时，地面站2对空间目标探测器进行测控通信；当中继卫星1到空间目标探测器所探测的目标的位置矢量与中继卫星1在地心惯性系位置矢量之间的第二矢量夹角γ满足-90°＜γ＜-δ和δ＜γ＜90°时，中继卫星1对空间目标探测器进行测控通信，其中，δ为中继卫星1对地球的视场角。结合结合图2、图3、图4和图5所示，地面站2对目标的测控通信覆盖区域与中继卫星1对目标的测控通信覆盖区域具有重合部分，并且地面站2对目标的测控通信覆盖区域还能够弥补中继卫星1测控范围外所产生的测控通信盲区。

通过上述设置，本发明的测控通信支持系统通过采用两颗中继卫星1和一个地面站2的组合方式，实现了对空间目标探测器测控通信的完全覆盖。通过设置两颗测控范围在±90°之间的中继卫星1定点在同步轨道上，充分利用中继卫星1在空间测控通信范围广的优点，从而避免了在地面设置多个地面站2，进而解决了对空间目标探测任务中全球布设地面站的不足，而且节约了布设多个地面站的成本。同时，通过结合具有测控范围在±90°之间的地面站2，不仅可以完成对中继卫星1在空间飞行的控制，及时获取中继卫星1传输的链路信号，而且还可以减少中继卫星1的布置数量，从而弥补中继卫星1测控范围外所产生的测控通信盲区，进而充分保证了本发明的测控通信支持系统对空间目标探测器测控通信的覆盖率，

根据本发明的一种实施方式，中继卫星1与地面站2在经度方向的夹角为θ，则地面站2的纬度约束在±λ之间即设置地面站2的纬度的范围为[-λ，0°]和[0°，λ]，且满足：

h＝R_m·cosα，

其中，R_e为地球平均半径，R_m为空间目标探测器所探测的目标到地心的距离，α为所探测目标的轨道面与地球赤道面的夹角，取值为30°，R_s为地球同步轨道半径。通过上述设置，使中继卫星1与地面站2之间满足上述关系，使中继卫星1与地面站2的布置位置更加合理，进一步提高了中继卫星1与地面站2构成的测控通信支持系统能够将空间目标探测器所探测的目标始终纳入到测控通信覆盖的范围内，避免了测控通信支持系统产生测控通信盲区，实现了对目标的实时测控通信，从而保证了地面能够及时获取空间目标探测器的工作状态。

为进一步说明本发明，以两颗中继卫星1和一个地面站2的组合对本发明的建立步骤进行阐述，并且以地球和月球为例进行说明。

S1.确定地面站2的经度。在本实施方式中，根据地面站的配置应充分考虑我国的国情，地面站应优先选取国内站。因此，在本实施方式中，地面站2的设置经度在东经[90°，120°]范围内进行选取。

S2.确定两颗中继卫星1的的定点位置。在本实施方式中，选取地面站2的设置经度为115°，则以地面站所在经度(即115°)为中心左右各布置一颗中继卫星1。根据前述实施方式中中继卫星1与地面站2在经度方向的夹角θ的范围，在前述范围内选取夹角θ的值。在本实施中，选取中继卫星1与地面站2在经度方向的夹角θ为25°，因此，两个中继卫星1在同步轨道的定点位置的经度分别为90°和140°。

S3.确定地面站2的纬度，在本实施方式中，根据选取的夹角θ，获取地面站2的设置纬度，选取为北纬40°，从而确定地面站2的位置。

S4.根据上述步骤建立本发明的测控通信支持系统的模拟仿真。在本实施方式中，根据上述步骤中获取的中继卫星1的布置参数(即中继卫星1与地面站2在经度方向的夹角θ和两个中继卫星1在同步轨道的定点位置的经度)和地面站2的布置参数(即地面站2的设置经度和纬度)建立本发明的测控通信支持系统的仿真模型。在本实施方式中，结合图2、图3、图4和图5所示，当地面站2到的空间目标探测器所探测的目标的位置矢量与地面站2在地心惯性系位置矢量之间的第一矢量夹角ε满足-90°＜ε＜90°时，地面站2对空间目标探测器进行测控通信，即在上述范围内，地面站2对空间目标探测器可见；当中继卫星1到空间目标探测器所探测的目标的位置矢量与中继卫星1在地心惯性系位置矢量之间的第二矢量夹角γ满足-90°＜γ＜-δ和δ＜γ＜90°时，中继卫星1对空间目标探测器进行测控通信，即在上述范围内，中继卫星1对空间目标探测器可见，其中，δ为中继卫星1对地球的视场角。在本实施方式中，中继卫星1对地球的视场角δ＝8.7°。根据建立的仿真模型，选取一个月球运行周期，经仿真分析，参见图6所示，在图6中，横坐标表示时间，选取一个月球轨道周期(如，一个月)，纵坐标表示是否可以测控覆盖(若没有覆盖则显示为空白)，由图6中可看出，在一个月球周期内，本发明的测控通信支持系统可实现对空间目标探测器的100％覆盖(不考虑月球遮挡)。

上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。

以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)

1.一种用于空间目标探测器的测控通信支持系统，其特征在于，包括：至少两颗位于同步轨道且用于对空间目标探测器进行测控通信的中继卫星(1)，以及用于对所述中继卫星(1)进行控制和对所述空间目标探测器进行测控通信的地面站(2)；

所述中继卫星(1)在所述同步轨道上的定点位置以所述地面站(2)的经度为中心对称布置；

所述中继卫星(1)与所述地面站(2)在经度方向的夹角为θ，满足：

45°≥θ≥θ₁+θ₂＝9.65°，

其中，

R_e为地球平均半径，R_m为空间目标探测器所探测的目标到地心的距离，R_s为地球同步轨道半径；

所述中继卫星(1)与所述地面站(2)在经度方向的夹角为θ，则所述地面站的纬度约束在±λ之间，且满足：

其中，h＝R_m·cosα，

α为所探测目标的轨道面与地球赤道面的夹角；

所述中继卫星(1)包括中央控制单元、与所述中央控制单元相连接的测控通信单元和卫星天线；

所述中央控制单元控制所述卫星天线转动，且所述卫星天线的转动角度小于或等于180°；

所述测控通信单元通过所述卫星天线接收和发送对所述空间目标探测器的测控通信信号，以及接收和发送与所述地面站(2)进行通信的链路信号；

所述地面站(2)包括中央控制系统、与所述中央控制系统相连接的测控通信支持系统和测控通信天线；

所述中央控制系统控制所述测控通信天线转动，且所述测控通信天线的转动角度小于或等于180°；

所述测控通信支持系统通过所述测控通信天线接收和发送对所述空间目标探测器的测控通信信号，以及接收和发送与所述中继卫星(1)进行通信的链路信号；

当所述地面站(2)到所述空间目标探测器所探测的目标的位置矢量与所述地面站(2)在地心惯性系位置矢量之间的第一矢量夹角ε满足-90°＜ε＜90°时，所述地面站(2)对所述空间目标探测器进行测控通信；

当所述中继卫星(1)到所述空间目标探测器所探测的目标的位置矢量与所述中继卫星(1)在地心惯性系位置矢量之间的第二矢量夹角γ满足-90°＜γ＜-δ和δ＜γ＜90°时，所述中继卫星(1)对所述空间目标探测器进行测控通信，其中，δ为所述中继卫星(1)对地球的视场角。

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