CN110929410A - 深空探测器测控天线安装指向优化方法 - Google Patents
深空探测器测控天线安装指向优化方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110929410A CN110929410A CN201911217024.1A CN201911217024A CN110929410A CN 110929410 A CN110929410 A CN 110929410A CN 201911217024 A CN201911217024 A CN 201911217024A CN 110929410 A CN110929410 A CN 110929410A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- measurement
- station
- detector
- control
- matrix
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 111
- 238000009434 installation Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000005457 optimization Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 39
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 33
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 8
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 10
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
本发明涉及一种深空探测器测控天线安装指向优化方法，包括步骤：a.对每个测站n测控弧段内的各采样i，确定探测器至测站的单位向量在探测器本体坐标系下的投影kxn(i)，kyn(i)，kzn(i)；b.构建N个测站测控弧段内，探测器至测站的方向矩阵K；c.采用斐波那契网格在球面上取M个坐标点，基于M个点的三维坐标，构建指向搜索矩阵S；d.基于方向矩阵K和搜索矩阵S，计算每一个搜索方向与测控弧段内探测器指向测站的方向的夹角；e.获取每一个搜索方向与测控弧段内探测器指向测站的方向的夹角的总和，总和最小的搜索方向为探测器测控天线在其本体坐标系下的最佳安装指向。根据本发明的方法，可使探测器测控天线工作在增益较大的锥角范围，获得更好测控通信质量。
Description
技术领域
本发明涉及航天测控技术领域，尤其涉及一种面向测控需求的深空探测器测控天线安装指向优化方法。
背景技术
在深空探测任务中，上下行测控链路是连接地面与深空探测器的唯一通道。稳定的遥控、遥测以及高精度的外测等均依赖于高质量的测控链路，而深空探测器的测控天线是测控链路中的关键环节。
目前，常见的深空探测器测控天线均为全向天线，可以保证在较大的锥角范围内具有不错的天线增益，以适应测控任务中不同角度下的地基测控。除测控天线本身的设计外，其在深空探测器上的安装指向同样会对测控效果带来显著的影响。如果安装指向不当，器上测控天线对地测控的方向总是偏离其视轴方向，此时测控天线带来的实际天线增益就会明显小于其视轴方向的最大增益。偏离视轴方向越远，实际增益降低越多，在±90°方向上甚至可超过10dB。虽然在深空探测器的总体设计中，通常会考虑较恶劣的情形进行相关指标设计，但这相应地增加了设计成本，降低了总体效能。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种面向测控需求的深空探测器测控天线安装指向优化方法。
为实现上述发明目的，本发明提供一种深空探测器测控天线安装指向优化方法，其特征在于，待优化的测控时段内有N个测站开展观测，对第n个测站的测控弧段，以dt为采样间隔的探测器轨道为Rn(i)、本体坐标系Ob-XbYbZb三轴指向为exn(i)-eyn(i)-ezn(i)、测站位置为rn(i)；其中，n＝1，2，...，N；i为采样编号，i＝1，2，...，In，In为第n个测站测控弧段内的采样数总和；
所述优化方法包括以下步骤：
a.对每个测站n测控弧段内的各采样i，确定探测器至测站的单位向量在探测器本体坐标系下的投影kxn(i)，kyn(i)，kzn(i)；
b.构建N个测站测控弧段内，探测器至测站的方向矩阵K；
c.采用斐波那契网格在球面上取M个坐标点，基于M个点的三维坐标，构建指向搜索矩阵S；
d.基于方向矩阵K和搜索矩阵S，计算每一个搜索方向与测控弧段内探测器指向测站的方向的夹角；
e.获取每一个搜索方向与测控弧段内探测器指向测站的方向的夹角的总和，总和最小的搜索方向为探测器测控天线在其本体坐标系下的最佳安装指向。
根据本发明的一个方面，在所述a步骤中，确定探测器至测站的单位向量在探测器本体坐标系下的投影kxn(i)，kyn(i)，kzn(i)的公式如下：
根据本发明的一个方面，在所述b步骤中，探测器至测站的方向矩阵K为：
根据本发明的一个方面，在所述c步骤中，采用斐波那契网格在球面上取M个坐标点的坐标为：
其中，
基于M个点的三维坐标，构建的指向搜索矩阵S为：
其中，该矩阵的第1至M行分别对应第1至M个搜索方向。
根据本发明的一个方面，在所述d步骤中，计算每一个搜索方向与测控弧段内探测器指向测站的方向的夹角的公式如下：
其中，arccos表示求矩阵中每一个元素的反余弦，值域为[0 π]；矩阵A中每一行对应每一个搜索方向与测控弧段内探测器指向测站的方向的夹角。
根据本发明的一个方案，在深空探测器轨道、飞行姿态、使用的地基测控设备均明确的情况下，根据器上测控天线对地测控的方向进行深空探测器测控天线安装指向优化设计，使测控天线尽可能在其视轴的小锥角范围内使用，利用其增益较大的工作区，具有如下优势：1、在一定程度上放宽发射功率或天线自身设计要求，实现更高效的整体设计；2、在发射功率和天线自身设计确定的情况下，可以提高上下行测控链路信噪比，获得更好的测控通信质量。
附图说明
图1示意性表示根据本发明的深空探测器测控天线安装指向优化方法的流程图；
图2示意性表示探测器至测站的单位向量在探测器本体坐标系下的投影示意图；
图3示意性表示采用斐波那契网格在球面上“均匀地”取点示意图；
图4示出了结合我国探月任务的探测器至测站的单位向量及探测器天线安装指向优化结果图。
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。
图1示意性表示根据本发明的深空探测器测控天线安装指向优化方法的流程图。在本发明中，待优化的测控时段内有N个测站开展观测，对第n个测站的测控弧段，以dt为采样间隔的探测器轨道为Rn(i)、本体坐标系Ob-XbYbZb三轴指向为exn(i)-eyn(i)-ezn(i)、测站位置为rn(i)；其中，n＝1，2，...，N；i为采样编号，i＝1，2，...，In，In为第n个测站测控弧段内的采样数总和。基于此，如图1所示，根据本发明的深空探测器测控天线安装指向优化方法包括以下步骤：
a.对每个测站n测控弧段内的各采样i，确定探测器至测站的单位向量在探测器本体坐标系下的投影kxn(i)，kyn(i)，kzn(i)；
b.构建N个测站测控弧段内，探测器至测站的方向矩阵K；
c.采用斐波那契网格在球面上取M个坐标点，基于M个点的三维坐标，构建指向搜索矩阵S；
d.基于方向矩阵K和搜索矩阵S，计算每一个搜索方向与测控弧段内探测器指向测站的方向的夹角；
e.获取每一个搜索方向与测控弧段内探测器指向测站的方向的夹角的总和，总和最小的搜索方向为探测器测控天线在其本体坐标系下的最佳安装指向。
在本发明中，在上述a步骤中，确定探测器至测站的单位向量在探测器本体坐标系下的投影kxn(i)，kyn(i)，kzn(i)的公式如下：
在上述b步骤中，探测器至测站的方向矩阵K为：
在上述c步骤中，采用斐波那契网格在球面上取M个坐标点的坐标为：
其中，
基于M个点的三维坐标，构建的指向搜索矩阵S为：
其中，该矩阵的第1至M行分别对应第1至M个搜索方向。
在上述d步骤中，计算每一个搜索方向与测控弧段内探测器指向测站的方向的夹角的公式如下：
其中，arccos表示求矩阵中每一个元素的反余弦，值域为[0 π]；矩阵A中每一行对应每一个搜索方向与测控弧段内探测器指向测站的方向的夹角。
以下结合我国探月任务轨道和深空测控网，以一种具体实施方式对本发明的上述方法作进一步说明。
探测器飞行时段为地月转移段中后期，待优化的测控时段内有3个测站开展观测，分别为佳木斯深空站(Jiamusi)、喀什深空站(Kashi)、阿根延深空站(Argentina)。设探测器在飞行时段内的姿态为+Xb轴对日定向，+Zb轴垂直于黄道面。3个测站的测控弧段，以2小时为采样间隔，获得相关数据。本发明实现的具体流程步骤如下：
第一步：对3个测站测控弧段内的各采样，确定探测器至测站的单位向量在探测器本体坐标系下的投影kx，ky，kz，投影如图2所示，结果列于下表1中。佳木斯深空站观测弧段内，探测器至该测站共有19个指向数据(I1＝19)；喀什深空站观测弧段内，探测器至该测站共有19个指向数据(I2＝19)；阿根廷深空站观测弧段内，探测器至该测站共有27个指向数据(I3＝27)。以上指向数据合计65个，图4显示了探测器至3个测站的单位向量数据。
表1
第二步：构建3个测站测控弧段内，探测器至测站的方向矩阵K如下：
第三步：采用斐波那契网格(Fibonacci lattice)在球面上“均匀地”取104个点(如图3所示)，坐标如下：
基于这些点的三维坐标，构建指向搜索矩阵S如下：
该矩阵的第1至104行分别对应第1至104个搜索方向。
第四步：基于方向矩阵K和搜索矩阵S，计算每一个搜索方向与测控弧段内探测器指向测站的方向的夹角如下：
arccos表示求矩阵中每一个元素的反余弦，值域为[0 π]。矩阵A中每一行对应每一个搜索方向与测控弧段内探测器指向测站的方向的夹角。
第五步：对矩阵A的每一行里的65个元素求和，得到每一个搜索方向与测控弧段内探测器指向测站的方向的夹角的总和，总和最小的一行的行号为5182，其所对应的搜索方向，即为探测器测控天线在其本体坐标系下的最佳安装指向：
图4中也以黑色箭头显示了探测器测控天线在其本体坐标系下的最佳安装指向，图中可看出该指向位于探测器指向测站的散布区域的中心，此时的测控天线的主要工作区域为其视轴周围增益较大的锥角范围，因此可实现更高效的整体设计或获得更好的测控通信质量。
根据本发明的上述优化方法，该方法模型清晰、算法简洁、计算方便，可以使测控天线主要工作在其增益较大的锥角范围，实现更高效的整体设计或获得更好的测控通信质量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (5)
1.一种深空探测器测控天线安装指向优化方法，其特征在于，待优化的测控时段内有N个测站开展观测，对第n个测站的测控弧段，以dt为采样间隔的探测器轨道为Rn(i)、本体坐标系Ob-XbYbZb三轴指向为exn(i)-eyn(i)-ezn(i)、测站位置为rn(i)；其中，n＝1，2，...，N；i为采样编号，i＝1，2，...，In，In为第n个测站测控弧段内的采样数总和；
所述优化方法包括以下步骤：
a.对每个测站n测控弧段内的各采样i，确定探测器至测站的单位向量在探测器本体坐标系下的投影kxn(i)，kyn(i)，kzn(i)；
b.构建N个测站测控弧段内，探测器至测站的方向矩阵K；
c.采用斐波那契网格在球面上取M个坐标点，基于M个点的三维坐标，构建指向搜索矩阵S；
d.基于方向矩阵K和搜索矩阵S，计算每一个搜索方向与测控弧段内探测器指向测站的方向的夹角；
e.获取每一个搜索方向与测控弧段内探测器指向测站的方向的夹角的总和，总和最小的搜索方向为探测器测控天线在其本体坐标系下的最佳安装指向。
2.根据权利要求1所述的深空探测器测控天线安装指向优化方法，其特征在于，在所述a步骤中，确定探测器至测站的单位向量在探测器本体坐标系下的投影kxn(i)，kyn(i)，kzn(i)的公式如下：
3.根据权利要求1所述的深空探测器测控天线安装指向优化方法，其特征在于，在所述b步骤中，探测器至测站的方向矩阵K为：
4.根据权利要求1所述的深空探测器测控天线安装指向优化方法，其特征在于，在所述c步骤中，采用斐波那契网格在球面上取M个坐标点的坐标为：
其中，
基于M个点的三维坐标，构建的指向搜索矩阵S为：
其中，该矩阵的第1至M行分别对应第1至M个搜索方向。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的深空探测器测控天线安装指向优化方法，其特征在于，在所述d步骤中，计算每一个搜索方向与测控弧段内探测器指向测站的方向的夹角的公式如下：
其中，arccos表示求矩阵中每一个元素的反余弦，值域为[0 π]；矩阵A中每一行对应每一个搜索方向与测控弧段内探测器指向测站的方向的夹角。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911217024.1A CN110929410B (zh) | 2019-12-03 | 2019-12-03 | 深空探测器测控天线安装指向优化方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911217024.1A CN110929410B (zh) | 2019-12-03 | 2019-12-03 | 深空探测器测控天线安装指向优化方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110929410A true CN110929410A (zh) | 2020-03-27 |
| CN110929410B CN110929410B (zh) | 2022-09-09 |
Family
ID=69848280
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201911217024.1A Active CN110929410B (zh) | 2019-12-03 | 2019-12-03 | 深空探测器测控天线安装指向优化方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110929410B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111969332A (zh) * | 2020-07-30 | 2020-11-20 | 西南电子技术研究所（中国电子科技集团公司第十研究所） | 大间距宽角扫描毫米波相控阵天线稀布阵方法 |
| CN112130590A (zh) * | 2020-08-24 | 2020-12-25 | 西安空间无线电技术研究所 | 一种基于瞬时惯性系下速度补偿的星载天线对地指向确定方法 |
| CN113240290A (zh) * | 2021-05-18 | 2021-08-10 | 北京航天飞行控制中心 | 一种观测弧段规划生成方法、系统、存储介质及电子设备 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104369877A (zh) * | 2014-09-03 | 2015-02-25 | 北京空间飞行器总体设计部 | 一种深空探测器天线指向的设计方法 |
| WO2017088352A1 (zh) * | 2015-11-27 | 2017-06-01 | 上海卫星工程研究所 | 一种天文测速与地面无线电组合的火星捕获段导航方法 |
| CN110095659A (zh) * | 2019-04-30 | 2019-08-06 | 北京卫星环境工程研究所 | 深空探测巡视器通讯天线指向精度动态测试方法 |
-
2019
- 2019-12-03 CN CN201911217024.1A patent/CN110929410B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104369877A (zh) * | 2014-09-03 | 2015-02-25 | 北京空间飞行器总体设计部 | 一种深空探测器天线指向的设计方法 |
| WO2017088352A1 (zh) * | 2015-11-27 | 2017-06-01 | 上海卫星工程研究所 | 一种天文测速与地面无线电组合的火星捕获段导航方法 |
| CN110095659A (zh) * | 2019-04-30 | 2019-08-06 | 北京卫星环境工程研究所 | 深空探测巡视器通讯天线指向精度动态测试方法 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111969332A (zh) * | 2020-07-30 | 2020-11-20 | 西南电子技术研究所（中国电子科技集团公司第十研究所） | 大间距宽角扫描毫米波相控阵天线稀布阵方法 |
| CN112130590A (zh) * | 2020-08-24 | 2020-12-25 | 西安空间无线电技术研究所 | 一种基于瞬时惯性系下速度补偿的星载天线对地指向确定方法 |
| CN113240290A (zh) * | 2021-05-18 | 2021-08-10 | 北京航天飞行控制中心 | 一种观测弧段规划生成方法、系统、存储介质及电子设备 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110929410B (zh) | 2022-09-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110929410B (zh) | 深空探测器测控天线安装指向优化方法 | |
| JP6455789B2 (ja) | アンテナ姿勢計測方法 | |
| CN109743093B (zh) | 一种无人机毫米波通信波束追踪方法 | |
| CN107733515B (zh) | 一种在轨复杂环境下卫星通信链路分析方法 | |
| CN109975749B (zh) | 一种校正源存在条件下的短波单站直接定位方法 | |
| CN108562902B (zh) | 基于模拟退火算法的高低轨双基地sar构型设计方法 | |
| CN107070526A (zh) | 低轨星载智能天线接收系统及方法 | |
| CN103675773A (zh) | 一种定标器与卫星指向对准的确定方法 | |
| CN113259884B (zh) | 基于多参数融合的室内定位基站布设优化方法 | |
| CN109543292B (zh) | 基于轨道预测的星间链路信号捕获过程的仿真方法 | |
| CN104048645B (zh) | 线性拟合地面扫描点云整体定向方法 | |
| CN109146955A (zh) | 一种基于微小卫星群获取目标三维图像信息的方法 | |
| CN109444809A (zh) | 一种基于智能天线的无人机测控方法 | |
| CN108199794A (zh) | 一种新型Massive MIMO信道模型的统计性建模方法 | |
| CN111199281B (zh) | 基于地理坐标空域位置谱的短波单站直接定位偏差补偿方法 | |
| CN109470237A (zh) | 一种基于偏振光与地磁组合导航姿态测量方法 | |
| CN105866777A (zh) | 多角度多时段导航卫星双基地PS-InSAR三维形变反演方法 | |
| CN110940310A (zh) | 弹箭载中继测控终端相控阵天线波束指向角度计算方法 | |
| CN106845028B (zh) | 一种基于月基对地观测光学覆盖度的月球基地选址方法 | |
| Hao et al. | SPSA-based step tracking algorithm for mobile DBS reception | |
| CN108169709B (zh) | 一种基于分布式天线的室内三维定位方法 | |
| CN105824019B (zh) | 大型分布式空间监测雷达的最优化波束对齐方法 | |
| CN113065243B (zh) | 一种卫星星载天线布局的优化方法 | |
| Salunke et al. | Analysis of LMS, NLMS and MUSIC algorithms for adaptive array antenna system | |
| CN114819041B (zh) | 一种卫星多波束天线指向标校信号簇设计方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |