CN111427382A

CN111427382A - 一种复杂月面地形下基准变化的中继指向规划方法

Info

Publication number: CN111427382A
Application number: CN202010141059.8A
Authority: CN
Inventors: 吴伟仁; 彭松; 申振荣; 贾阳; 温博; 金晟毅; 张建利
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Priority date: 2020-03-03
Filing date: 2020-03-03
Publication date: 2020-07-17
Anticipated expiration: 2040-03-03
Also published as: CN111427382B

Abstract

本发明提供一种复杂月面地形下基准变化的中继指向规划方法，依据中继星预报位置计算中继星相对月面某个位置的高度角和方位角，然后求解桅杆的偏航角和展开角，定向天线按照桅杆的偏航角和展开角转动后，其波束中心指向中继星；由此可见，本发明无需考虑地形的变化，能够有效解决巡视器在轨阶段对中继星通信问题。

Description

一种复杂月面地形下基准变化的中继指向规划方法

技术领域

本发明属于空间探测技术领域，尤其涉及一种复杂月面地形下基准变化的中继指向规划方法。

背景技术

中国月球探测器实现了人类的首次月背着陆巡视探测，巡视器在月背表面工作中，将数据通过中继星传输给地面。巡视器上配置高增益的定向天线，由于高增益定向天线的波束角较小，需要定向天线在规定的指向精度范围内对准中继星，建立稳定的中继空间数据通信链路，因此定向天线对中继星的指向规划尤为重要。和地面站天线或卫星天线不同，巡视器由于其移动性，器载天线的指向基准跟随地形发生变化，同时由于中继星在不停运动，指向目标也在发生变化，为了克服指向基准和目标方位变化带来的影响，本文提出了一种指向规划方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种复杂月面地形下基准变化的中继指向规划方法，解决了巡视器在轨阶段对中继星的通信问题。

一种复杂月面地形下基准变化的中继指向规划方法，应用于巡视器，其中定向天线通过桅杆安装于巡视器，所述方法包括以下步骤：

S1：获取中继星在月球表面北东地坐标系下的高度角h_e和方位角

S2：根据高度角h_e和方位角

获取巡视器本体坐标系下的中继星方向矢量r_eb；

S3：根据中继星方向矢量r_eb获取桅杆的偏航角θ_{mast_yaw}和展开角θ_{mast_pitch}，使得桅杆按照偏航角θ_{mast_yaw}和展开角θ_{mast_pitch}进行偏转后，定向天线的波束中心指向中继星，实现中继指向规划，具体的：

θ_{mast_yaw}＝-θ_z

θ_{mast_pitch}＝θ_y

其中，r_eb(1)为中继星方向矢量r_eb中的第一个元素，r_eb(2)为中继星方向矢量r_eb中的第二个元素，r_eb(3)为中继星方向矢量r_eb中的第三个元素。

进一步地，中继星在月球表面北东地坐标系下的高度角h_e和方位角

的获取方法具体为：

S11：获取中继星t时刻在地心J2000坐标系下的位置p_relay：

p_relay＝p₀+v·(t-t0)

其中，p₀和v分别为中继星轨道数据给出的中继星t₀时刻在地心J2000坐标系下的初始位置和速度，x_relay、y_relay、z_relay分别为中继星t时刻在地心J2000坐标系下x、y、z轴的位置；

S12：由DE405星历获取月球在地心J2000坐标系下的位置p_m；

S13：获取巡视器在月球固连坐标系下的位置p_r；

S14：将巡视器在月球固连坐标系下的位置p_r变换至月球天文参考坐标系下的位置p_{r_1}；

S15：获取巡视器在地心J2000坐标系下的位置p_{r_2}，其中，p_{r_2}＝p_m+p_{r_1}；

S16：获取地心J2000坐标系下，中继星相对巡视器的位置p_{relay_r}，其中，p_{relay_r}＝p_relay-p_{r_2}；

S17：将中继星相对巡视器的位置p_{relay_r}进行正交化，得到地心J2000坐标系下，巡视器至中继星的单位方位矢量r_{relay_r}；

S18：将巡视器至中继星的单位方位矢量r_{relay_r}进行坐标转换，得到月球表面北东地坐标系下巡视器至中继星的单位方位矢量r_{relay_r_3}；

S19：根据巡视器至中继星的单位方位矢量r_{relay_r_3}计算高度角h_e和方位角

具体为：

h_e＝-arcsin[r_{relay_r_3}(3)]

其中，r_{relay_r_3}(1)为单位方位矢量r_{relay_r_3}的第一个元素、r_{relay_r_3}(2)为单位方位矢量r_{relay_r_3}的第二个元素、r_{relay_r_3}(3)分别为单位方位矢量r_{relay_r_3}的第三个元素。

进一步地，步骤S18中所述的坐标转换具体为：

将单位方位矢量r_{relay_r}由地心J2000坐标系转换至月球固连坐标系，得到月球固连坐标系下的单位方位矢量r_{relay_r_1}；

将单位方位矢量r_{relay_r_1}由月球固连坐标系转换至月球表面天东北坐标系，得到月球表面天东北坐标系下的单位方位矢量r_{relay_r_2}；

将单位方位矢量r_{relay_r_2}由月球表面天东北坐标系转换至月球表面北东地坐标系，得到月球表面北东地坐标系下的单位方位矢量r_{relay_r_3}。

进一步地，巡视器在月球固连坐标系下的位置p_r获取方法具体为：

其中，rad_m为月球半径，θ_lon为巡视器在月面上的经度，θ_lat为巡视器在月面上的纬度，H为巡视器在月面上的高度，x_r、y_r、z_r分别为巡视器在月球固连坐标系下的三轴位置。

进一步地，所述中继星方向矢量r_eb的获取方法为：

根据中继星的高度角h_e与方位角

获取月球表面北东地坐标系下的中继星方向矢量r_e：

根据中继星方向矢量r_e获取中继星方向矢量r_eb，具体为：

r_eb＝R_x(θ_roll)·R_y(θ_pitch)·R_z(θ_yaw)·r_e

其中，θ_yaw、θ_pitch以及θ_roll分别为巡视器的偏航角、俯仰角以及滚动角。

有益效果：

附图说明

图1为本发明提供的一种复杂月面地形下基准变化的中继指向规划方法的流程图；

图2为本发明提供的巡视器及定向天线示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种复杂月面地形下基准变化的中继指向规划方法，应用于巡视器，如图2所示，巡视器定向天线在巡视器前部的桅杆上固定安装，通过桅杆展开关节和偏航关节运动，实现定向天线的指向变化，即通过改变桅杆的展开角和偏航角，使安装在桅杆上的定向天线电轴方向与中继星同巡视器连线的夹角小于定向天线规定的通信波束角约束，从而满足巡视器与中继星的通信链路数据传输要求。

所述方法包括以下步骤：

S2：根据高度角h_e和方位角

获取巡视器本体坐标系下的中继星方向矢量r_eb；具体为：

根据中继星的高度角h_e与方位角

获取月球表面北东地坐标系下的中继星方向矢量r_e：

根据中继星方向矢量r_e获取中继星方向矢量r_eb，具体为：

r_eb＝R_x(θ_roll)·R_y(θ_pitch)·R_z(θ_yaw)·r_e

需要说明的是，R_x(x)、R_y(x)、R_z(x)是指对括号中的变量作相关的矩阵运算，例如，在本步骤中，R_x(θ_roll)具体为：

同理可得R_y(θ_pitch)和R_z(θ_yaw)。

θ_{mast_yaw}＝-θ_z

θ_{mast_pitch}＝θ_y

其中，θ_z为巡视器本体坐标系下桅杆的偏航角，θ_y为巡视器本体坐标系下桅杆的展开角，θ_{mast_yaw}为桅杆坐标系下桅杆的偏航角，θ_{mast_pitch}为桅杆坐标系下桅杆的展开角，r_eb(1)为中继星方向矢量r_eb中的第一个元素，r_eb(2)为中继星方向矢量r_eb中的第二个元素，r_eb(3)为中继星方向矢量r_eb中的第三个元素。

需要说明的是，巡视器本体坐标系下桅杆的偏航角和展开角表达式的推导过程如下：

定向天线在零位时，其波束中心的方向矢量在巡视器本体坐标系下的表示为：

则假定θ_z为偏航角，θ_y为展开角，则定向天线依次经过桅杆偏航角θ_z(转动轴平行于巡视器本体坐标系的Z轴)，桅杆展开角θ_y(转动轴平行于巡视器本体坐标系的Y轴)后，定向天线波束中心线的方向矢量在巡视器本体坐标系下可表示为如下公式：

此外，定向天线依次经过偏航角θ_z，桅杆展开角θ_y后应该实现对地指向，所以波束中心线的方向矢量r₁＝r_eb，则有：

sinθ_z＝r_eb(2) (r_eb(2)＝r₁(2))

最后，结合实际情况分析可得巡视器本体坐标系下桅杆的偏航角θ_z和展开角θ_y的表达式。

下面给出中继星在月球表面北东地坐标系下的高度角h_e和方位角

的获取方法，具体为：

S11：获取中继星t时刻在地心J2000坐标系下的位置p_relay：

S12：由DE405星历获取月球在地心J2000坐标系下的位置p_m；

(x_m,y_m,z_m)＝de405(t,10,3)，de405函数中10表示月球，3表示地球，则地心J2000坐标系月心位置为：

S13：获取巡视器在月球固连坐标系下的位置p_r；具体为：

其中，rad_m为月球半径，取为1738km，θ_lon为巡视器在月面上的经度，θ_lat为巡视器在月面上的维度，H为巡视器在月面上的高度，x_r、y_r、z_r分别为巡视器在月球固连坐标系下的三轴位置。

S14：将巡视器在月球固连坐标系下的位置p_r变换至月球天文参考坐标系下的位置p_{r_1}；具体的：

p_{r_1}＝R_z(-(90+α_{0_moon}))·R_x(-(90-δ_{0_moon}))·R_z(-W_{_moon})·p_r

其中，(α_{0_moon},δ_{0_moon},W_{_moon})为t时刻的月球定向参数，月球定向参数可由太阳系内天体的定向模型求出；其中，太阳系内天体的定向模型定义了国际天文参考坐标系(ICRF)中天体北极的方位(时刻初值为2000年1月1日12:00:00.000TDB)，也就是说，本实施例中，α_{0_moon}为月球北极在ICRF中的赤经，δ_{0_moon}为月球北极在ICRF中的赤纬，W_{_moon}为月球0°经线距离。

S17：将中继星相对巡视器的位置p_{relay_r}进行正交化，得到地心J2000坐标系下，巡视器至中继星的单位方位矢量r_{relay_r}；具体的：

其中，T表示转置。

坐标转换包括以下步骤：

S181：将单位方位矢量r_{relay_r}由地心J2000坐标系转换至月球固连坐标系，得到月球固连坐标系下的单位方位矢量r_{relay_r_1}；

r_{relay_r_1}＝R_z(W_{_moon})·R_x(90-δ_{0_moon})·R_z(90+α_{0_moon})·r_{relay_r}

其中：

S182：将单位方位矢量r_{relay_r_1}由月球固连坐标系转换至月球表面天东北坐标系，得到月球表面天东北坐标系下的单位方位矢量r_{relay_r_2}；

r_{relay_r_2}＝R_y(-θ_lat)·R_z(θ_lon)·r_{relay_r_1}

S183：将单位方位矢量r_{relay_r_2}由月球表面天东北坐标系转换至月球表面北东地坐标系，得到月球表面北东地坐标系下的单位方位矢量r_{relay_r_3}；

r_{relay_r_3}＝R_y(-90)·r_{relay_r_2}

具体为：

h_e＝-arcsin[r_{relay_r_3}(3)]

其中，(-90°<h_e<90°)，

r_{relay_r_3}(1)为单位方位矢量r_{relay_r_3}的第一个元素、r_{relay_r_3}(2)为单位方位矢量r_{relay_r_3}的第二个元素、r_{relay_r_3}(3)分别为单位方位矢量r_{relay_r_3}的第三个元素。

由此可见，本实施例通过坐标系转换将中继星位置和月面巡视器位置转换到同一坐标系下，计算两者的相对方位；然后考虑巡视器的姿态，将相对方位转换到巡视器本体坐标系下；最后根据定向天线的安装矩阵和活动关节定义分解关节转角，使得天线波束中心对准目标方位，解决了巡视器在轨阶段对中继星通信问题。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。