CN110929410B - 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 PDF

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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

深空探测器测控天线安装指向优化方法
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：
Figure BSA0000196379010000021
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：
Figure BSA0000196379010000031
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：
Figure BSA0000196379010000032
其中，
Figure BSA0000196379010000033
基于M个点的三维坐标，构建的指向搜索矩阵S为：
Figure BSA0000196379010000034
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：
Figure BSA0000196379010000035
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：
Figure BSA0000196379010000051
在上述b步骤中，探测器至测站的方向矩阵K为：
Figure BSA0000196379010000061
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：
Figure BSA0000196379010000062
其中，
Figure BSA0000196379010000063
基于M个点的三维坐标，构建的指向搜索矩阵S为：
Figure BSA0000196379010000064
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：
Figure BSA0000196379010000065
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。
Figure BSA0000196379010000071
Figure BSA0000196379010000081
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：
Figure BSA0000196379010000082
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：
Figure BSA0000196379010000083
基于这些点的三维坐标，构建指向搜索矩阵S如下：
Figure BSA0000196379010000091
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：
Figure BSA0000196379010000092
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：
Figure BSA0000196379010000093
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 (3)

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；
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：
Figure FDA0003783003710000011
其中，
Figure FDA0003783003710000012
基于M个点的三维坐标，构建的指向搜索矩阵S为：
Figure FDA0003783003710000021
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：
Figure FDA0003783003710000022
其中，arccos表示求矩阵中每一个元素的反余弦，值域为[0π]；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。
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：
Figure FDA0003783003710000023
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：
Figure FDA0003783003710000031
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