CN110138436A - 一种月球软着陆探测任务各阶段中继接收机参数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种月球软着陆探测任务各阶段中继任务的接收机参数计算方法，所述接收机参数包括接收功率、扫描范围和扫描频率范围，其中所述接收功率综合考虑信号发送的EIRP、发射天线指向损失、自由空间损失、发射和接收两天线间的极化损失及卫星接收系统增益确定；所述扫描范围综合考虑多普勒频率、发射端频率准确度和接收端中心频率偏差确定；所述扫描频率范围综合考虑多普勒频率变化率和发射端频率稳定度。本发明综合考虑多普勒频率和频率变化率的特性确定接收机参数指标，适用于月球软着陆过程中探测器接收机参数的确定。

Description

一种月球软着陆探测任务各阶段中继接收机参数计算方法

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中继任务的接收机参数计算方法。

背景技术

环月段、动力下降段和月面工作段过程中的中继通信是在我国航天领域未涉及过的通信应用领域。

接收机工作在环月段、动力下降段和月面工作段的过程中，其对应的接收机的接收功率、接收机扫描范围和接收机扫描频率范围三项指标的如何确定是决定接收正常工作的前提和基础。

一般的卫星接收机只需接收地面站的上行信号或地球静止中继卫星的前向信号，因此现有的针对接收参数的确定方式并不适用于嫦娥四号探测器(包括着陆器和巡视器)接收机参数的确定。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对月球软着陆探测中继任务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中继任务的接收机参数计算方法。

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中继任务的接收机参数计算方法，所述接收机参数包括接收功率、扫描范围和扫描频率范围，其中

所述接收功率综合考虑信号发送的EIRP、发射天线指向损失、自由空间损失、发射和接收两天线间的极化损失及卫星接收系统增益确定；

所述扫描范围综合考虑多普勒频率、发射端频率准确度和接收端中心频率偏差确定；

所述扫描频率范围综合考虑多普勒频率变化率和发射端频率稳定度。

进一步地，本发明在动力下降、月面工作阶段，所述空间损失为自由空间损失；

在器间通信阶段，所述空间损失为自由空间损失和地面反射、散射造成的衰减，当器间视距范围内存在障碍物，所述空间损失还包括绕射衰减量。

进一步地，本发明所述扫描范围为：

接收机扫描范围的最小值f_scan(min)＝f_d(min)+f_s(min)+f_r(min)

接收机扫描范围的最大值f_scan(max)＝f_d(max)+f_s(max)+f_r(max)

其中，f_d(min)和f_d(max)为多普勒频率范围的最小值和最大值；f_s(min)和f_s(max)为发射端频率准确度范围的最小值和最大值；f_r(min)和f_r(max)为接收端中心频率偏差的最小值和最大值。

进一步地，本发明所述扫描频率范围为：

接收机扫描速率的最小值f_scan′(min)＝f_d′(min)+f_s′(min)

接收机扫描速率的最大值f_scan′(max)＝f_d′(max)+f_s′(max)

其中，f_d′(min)和f_d′(max)为多普勒频率变化率范围的最小值和最大值；f_s′(min)和f_s′(max)为发射端频率准确度变化率范围的最小值和最大值。

有益效果：

本发明在计算接收机参数时，考虑到探测器和中继星均在运行过程中的复 杂轨道下的多普勒频移对接收机指标确定的影响；在多普勒频率和频率变化率计算分析的基础上，综合考虑多普勒频率、发射端频率准确度和接收端中心频率偏差和发射端频率稳定度，最终确定接收机参数指标。

附图说明

图1为本发明实施例接收机参数计算方法的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明一种月球软着陆探测任务各阶段中继任务的接收机门限确定方法，如图1所示，具体过程为：

一、接收功率计算

一般需要综合信号发送的EIRP、自由空间损失、信号接收(G/T)值等，在满足上行载波性能余量和遥控性能余量的基础上，确定合适的应答机接收功率，具体为：

卫星总的接收功率如公式(1)所示：

P＝EIRP|_g+L_TP+L_SP|_u+L_a+L_P+G (1)

其中，P为卫星总的接收功率，dBW；EIRP|_g为有效发射功率，dBW；L_TP为发射天线指向损失，dB；L_SP|_u为空间损失，dB；L_a为大气衰减，dB；L_P为发射和接收两天线间的极化损失，dB；G为卫星接收系统增益，dB。

由于月球软着陆过程中存在不同的阶段，分别为动力下降、月面工作和器间通信。

(1)动力下降

L_SP|_u表示的空间损失，为自由空间损失，L_SP|_u＝32.45+20log d+20log f，其中d为通信距离，单位为km；f为频率，单位为MHz。

L_a表示的大气衰减，由于探测器与中继星之间无大气，按0计算。

L_P表示的发射和接收两天线间的极化损失，两天线均为圆极化天线，按0计算。

G表示的卫星接收系统增益，遥测使用全向天线，增益为-3dBi，数传使用固定安装(为降低软着陆过程中天线所受的冲击)的窄波束天线，增益为6.5dBi。

(2)月面工作

L_SP|_u表示的空间损失，为自由空间损失，L_SP|_u＝32.45+20log d+20log f，其中d为通信距离，单位为km；f为频率，单位为MHz。

L_a表示的大气衰减，探测器与中继星之间无大气，按0计算。

L_P表示的发射和接收两天线间的极化损失，两天线均为圆极化天线，按0计算。

G表示的卫星接收系统增益，遥测使用全向天线，增益为-3dBi，数传使用可调整指向(为提高数传码速率)的窄波束天线，增益为20dBi(±3.5锥内)。

(3)器间通信

L_SP|_u表示的空间损失，月面器间相互通信，除了自由空间损耗外，还包括月表地形对信号传输影响，根据地面反射、散射模型确定月面地形对器间信造成的反射和散射衰减量。

地面反射、散射造成的衰减L_mp为：

其中，D为球面反射扩散因子；

为月面反射系数，或者为散射情况下的等效反射系数；

r为收、发天线有效辐射源的距离；

r₁+r₂为地面反射无线电波在收、发天线间传播距离；

φ'为反射波与直射波之间的相差；

若器间视距范围内存在障碍物，则还需根据视距内障碍物的数量选择单峰绕射模型或多峰绕射模型，计算绕射衰减量。相关模型的具体计算公式见标准ITU-R P526-10Propagation by Diffraction。

L_a表示的大气衰减，两器之间无大气，按0计算。

L_P表示的发射和接收两天线间的极化损失，由于月面对垂直极化波吸收较少，对水平极化波吸收较多，因此采用垂直极化天线，极化损失按1dB计算。

G表示的卫星接收系统增益，为-7dBi。

二、径向速度及径向加速度计算

根据探测器轨道和运行速度、地面站位置、中继星轨道和运行速度，对探测器的径向速度及加速度进行计算，包括：

1)环月段探测器与地面站相对速度和相对加速度

2)环月段探测器与中继星相对速度和相对加速度

3)动力下降段探测器与中继星相对速度和相对加速度

4)月面工作段探测器与中继星相对速度和相对加速度

5)月面工作段中继星与巡视器相对速度和相对加速度

三、多普勒频率及其变化率计算与分析

多普勒频率及其变化率会对载波捕获和跟踪带来影响，在月球软着陆探测中继任务中，为确定接收机的接收功率、接收频率范围和接收频率变化率范围，需对嫦娥四号着陆器及巡视器各工作轨道的不同频段的多普勒频率和多普勒频率变化率进行计算，并对中继星多普勒频率及其变化率进行计算与分析，对中继星对着陆器前向信号扫面范围进行计算与分析。

探测器在测控通信时，径向速度和径向加速度会带来载波的多普勒频率和多普勒频率变化率，多普勒频率及多普勒频率变化率的计算方法分别如公式(2)和公式(3)所示。

f_d＝-f_c×v_r/c (2)

f′_d＝-f_c×a_r/c (3)

其中，f_d为多普勒频率，f′_d为多普勒频率变化率，f_c为上行载波频率，v_r和a_r分别为探测器相对地面站/中继星的径向速度和径向加速度，c为光速。

在径向速度和径向加速度不变的情况下，多普勒频率和多普勒频率变化率与上行载波频率成正比，所以分不同频段进行计算和分析。

四、接收机扫描范围和扫描速率指标确定

多普勒频率是由多普勒效应所带来的频率变化，信号源运行过程中，其相对观测者产生了相对移动，因此带来了多普勒频率的变化。远离观测者越远，多普勒频率越小；离观测者越近，多普勒频率越大，精确计算飞行过程中的多普勒频率，需综合考虑多普勒频率、发射端频率准确度和接收端中心频率偏差，最终确定接收机的扫描范围。

同时，经过对多普勒频率变化率和发射端频率稳定度的计算，确定应答机 的扫描速率。确定方法为计算各项参数之和的最大包络。

定义上述计算出的多普勒频率范围的最小值为f_d(min)，最大值为f_d(max)；发射端频率准确度范围的最小值为f_s(min)，最大值为f_s(max)；接收端中心频率偏差的最小值为f_r(min)，最大值为f_r(max)，则

接收机扫描范围的最小值f_scan(min)＝f_d(min)+f_s(min)+f_r(min)

接收机扫描范围的最大值f_scan(max)＝f_d(max)+f_s(max)+f_r(max)

定义上述计算出的多普勒频率变化率范围的最小值为f_d′(min)，最大值为f_d′(max)；发射端频率准确度变化率范围的最小值为f_s′(min)，最大值为f_s′(max)，则

接收机扫描速率的最小值f_scan′(min)＝f_d′(min)+f_s′(min)

接收机扫描速率的最大值f_scan′(max)＝f_d′(max)+f_s′(max)。

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 (4)

1.一种月球软着陆探测任务各阶段中继任务的接收机参数计算方法，所述接收机参数包括接收功率、扫描范围和扫描频率范围，其特征在于，

所述接收功率综合考虑信号发送的EIRP、发射天线指向损失、自由空间损失、发射和接收两天线间的极化损失及卫星接收系统增益确定；

所述扫描范围综合考虑多普勒频率、发射端频率准确度和接收端中心频率偏差确定；

所述扫描频率范围综合考虑多普勒频率变化率和发射端频率稳定度。

2.根据权利要求1所述月球软着陆探测任务各阶段中继任务的接收机参数计算方法，其特征在于，

所述接收机参数包括接收功率、扫描范围和扫描频率范围，其特征在于，

在动力下降、月面工作阶段，所述空间损失为自由空间损失；

在器间通信阶段，所述空间损失为自由空间损失和地面反射、散射造成的衰减，当器间视距范围内存在障碍物，所述空间损失还包括绕射衰减量。

3.根据权利要求1所述月球软着陆探测任务各阶段中继任务的接收机参数计算方法，其特征在于，

所述扫描范围为：

接收机扫描范围的最小值f_scan(min)＝f_d(min)+f_s(min)+f_r(min)

接收机扫描范围的最大值f_scan(max)＝f_d(max)+f_s(max)+f_r(max)

其中，f_d(min)和f_d(max)为多普勒频率范围的最小值和最大值；f_s(min)和f_s(max)为发射端频率准确度范围的最小值和最大值；f_r(min)和f_r(max)为接收端中心频率偏差的最小值和最大值。

4.根据权利要求1所述月球软着陆探测任务各阶段中继任务的接收机参数计算方法，其特征在于，

所述扫描频率范围为：

接收机扫描速率的最小值f_scan′(min)＝f_d′(min)+f_s′(min)

接收机扫描速率的最大值f_scan′(max)＝f_d′(max)+f_s′(max)

其中，f_d′(min)和f_d′(max)为多普勒频率变化率范围的最小值和最大值；f_s′(min)和f_s′(max)为发射端频率准确度变化率范围的最小值和最大值。