CN111786087A - 适应星间传输的对地数传天线布局方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适应星间传输的对地数传天线布局方法，首先确定在轨运行卫星上数传天线对地、星间数据传输的需求，其次，确定数传天线在轨运行卫星上的安装位置与轴线指向，最后，确定数传天线与在轨运行卫星的连接方式，保证数传天线不被遮挡。通过本发明中的方法解决了星座组网多颗卫星伴飞、绕飞过程中，卫星在轨半空域星间数传天线波束遮挡、数传天线与对地面载荷、太阳阵干涉以及发射时整流罩内空间狭小的构型布局问题，实现了半空域数据传输、多组件干涉消除、适应整流罩内部空间使用的有益效果，提供了一种扩展能力强、适用性高的选用型式，具有较高的通用性。

Description

适应星间传输的对地数传天线布局方法

技术领域

本发明涉及空间飞行器构型与布局设计、地面与在轨通信信号数据传输以及多约束系统集成与兼容性技术，具体地，涉及一种适应星间传输的对地数传天线布局方法，尤其涉及卫星上一种满足运载火箭整流罩内部容纳空间、适应星间数据传输要求的对地数传天线的布局方法。

背景技术

未来航天器将朝着大型化、多功能化、性能扩展以及高集成度等方向发展。这些航天器在构型和布局过程中的显著特点主要包括：尺寸包络要求更大、探测范围更广、干涉遮挡问题更突出，布局优化能力急待增强。

对相关技术进行论文检索，《星载测控天线的布局与设计》(章英杰，徐昌庆，信息技术,2011(9):59-61)，主要阐述通过对天和对地分配能量的调整，以及对天和对地天线的合理布局和设计来调整干涉区的位置，此星载测控天线往往通过几副天线的合成来达到方向图的准全向，但是未涉及点波束数传天线半域空间覆盖、在轨星间传输问题。

通过对相关技术进行专利检索，专利文献CN107819196A公开了一种带性能约束的三维指向对地数传天线布局系统，主要涉及单台天线坐标系定义、邻近单机隔离、安装刚度、电缆敷设以及精度控制，实现单台三维指向对地数传天线在卫星上的安装，不涉及多台数传天线的对称布局、半空域覆盖和星间传输。

随着通信领域高低轨卫星、星座组网等在轨应用不断提出，现有数传天线单一对地进行通信信号传输能力已不适应多星绕飞、伴飞对前后、左右侧向星间数据传输的需求。对于安装于卫星对地面的数传天线，天线正下方、前后方和左右侧构成安装面以下的半个空域(半球体)，必须开展复杂指向的数传天线构型布局研究，开发一种既能满足运载火箭整流罩内部空间、也能适应星间传输的对地数传天线布局办法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适应星间传输的对地数传天线布局方法。

根据本发明提供的一种适应星间传输的对地数传天线布局方法，

步骤1：确定卫星上数传天线对地、星间数据传输的需求：

步骤2：确定数传天线在卫星上的安装位置与轴线指向：

步骤3：确定数传天线与卫星的连接方式，保证数传天线不被遮挡。

优选地，所述数传天线对地数据传输的需求为在卫星上的数传天线能够指向地球表面数据接收站，以建立稳定的数据传输链路指向关系；

所述数传天线对星间数据传输的需求为卫星上数传天线能够与运行轨道前后、左右方位其他卫星上接收设备实现星间数据传输。

优选地，根据地球表面数据接收站以及在轨数据接收的在轨运行卫星的空间方位，确定数传天线布局所需的转动角度范围。

优选地，所述数传天线数量为2台，根据在轨运行卫星星体、对地面载荷包络尺寸以及太阳阵布局位置，2台所述数传天线对称安装在在轨运行卫星的数传天线安装面上，其中，所述数传天线安装面与地面平行，数传天线的初始轴线与对地面法线平行。

优选地，所述数传天线与卫星星体之间通过2套具有收拢和展开功能的伸展机构连接，所述伸展机构展开角为90°，通过火工品收拢压紧于卫星的侧板上。

优选地，所述数传天线通过数传天线支架安装在伸展机构上，当伸展机构进行收拢和展开动作时，所述数传天线能够适应星间传输的要求；

所述伸展机构展开时能够携带数传天线运动到在轨运行卫星星体的外部且能够使数传天线朝向地面。

优选地，所述数传天线支架上设置有二维驱动机构，所述二维驱动机构能够根据转动角自适应调整数传天线的高度。

优选地，所述数传天线设计为前、后、左、右向±90°角度转动，所述数传天线能够凸出到在轨运行卫星星体的高度为100mm-300mm，所述二维驱动机构支架初始设计高度在100mm-300mm之间且能够根据转动角自适应调整高度。

优选地，所述在轨运行卫星发射时安装有数传天线的伸展机构收拢压紧于卫星载荷舱两侧；

同时，为适应在轨运行卫星上的火箭整流罩及收拢压紧状态的太阳阵，伸展机构远离卫星平台舱太阳阵安装。

优选地，2台所述数传天线对地轴线间距为4000mm，数传天线初始轴线与对地面法线平行。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明解决了星座组网多颗卫星伴飞、绕飞过程中，卫星在轨半空域星间数传天线波束遮挡、数传天线与对地面载荷、太阳阵干涉以及发射时整流罩内空间狭小的构型布局问题，从结构优化、半空域波束可见、对称布局以及拓展星体外挂接口集成角度出发，获得了半空域大波束角数据传输、多组件干涉消除、适应整流罩内部空间使用的有益效果，对航天器点波束数传天线构型与布局设计提供一种扩展能力强、适用性高的选用型式，具有较高的通用性。

2、本发明对多模数传天线构型与布局设计提供一种扩展能力强、适用性高的选用型式，具有较高的通用性，具有星间传输空间覆盖广、伸展机构拓展性强、收拢压紧状态布局紧凑等特点，合理利用了星体空间，增强了星间传输空域，优化了复杂载荷构型的布局。

3、本发明中当伸展机构展开时能够携带数传天线运动到在轨运行卫星星体的外部且能够使数传天线朝向地面，数传天线支架上的二维驱动机构能够根据转动角自适应调整数传天线的高度，有利于星间以及对地数据有效传输。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明伸展机构展开状态的结构示意图；

图2为本发明伸展机构收拢状态的结构示意图；

图3为数传天线通信信号星间前后向传输的结构示意图；

图4为数传天线通信信号星间左右向传输的结构示意图。

图中示出：

数传天线1 卫星滚转轴线8

数传天线对地轴线2 卫星纵向飞行轴线9

数传天线前向传输轴线3 天线伸展机构10

数传天线后向传输轴线4 太阳阵11

数传天线左向传输轴线5 天线及伸展机构收拢压紧状态12

数传天线右向传输轴线6 太阳阵收拢压紧状态13

卫星对地轴线7 运载火箭整流罩14

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

为了解决轨道多颗卫星对地数传天线半空域通信建链、星体多部件干涉遮挡、伸展部件超出运载火箭整流罩空间等空间飞行器构型布局工程问题，依据对地数传天线特点，开展适应星间数据传输和多组件防干涉处理的新型构型布局设计优化方法研究，本发明提供了一种适应星间传输的对地数传天线布局方法，首先，确定在轨运行卫星上数传天线对地、星间数据传输的需求，所述数传天线对地数据传输的需求为在轨运行卫星上的数传天线指向地球表面数据接收站，在轨运行卫星上数传天线具备指向地球表面数据接收站以及指向在轨其它卫星进行星间传输的能力，以建立稳定的数据传输链路指向关系；所述数传天线对星间数据传输的需求为星上数传天线能够与运行轨道前后、左右方位其他星上接收设备实现星间数据传输，且本发明中的星上数据天线能够与轨道前后、左右方位其他星上接收设备实现星间数据传输，如图3、图4所示，根据地球表面数据接收站以及在轨数据接收的在轨运行卫星的空间方位，确定数传天线布局所需的转动角度范围。在一个具体地设计中，所述数传天线设计为前、后、左、右向±90°角度转动，所述数传天线能够凸出到在轨运行卫星星体的高度为100mm-300mm，所述二维驱动机构支架初始设计高度在100mm-300mm之间，能够根据转动角自适应调整高度。

其次，确定数传天线在轨运行卫星上的安装位置与轴线指向，所述数传天线数量为2台，2台所述数传天线对地轴线间距为4000mm，数传天线初始轴线与对地面法线平行，根据在轨运行卫星星体、在轨运行卫星对地面载荷包络尺寸以及在轨运行卫星太阳阵布局位置，2台所述数传天线对称安装在在轨运行卫星的数传天线安装面上，2台所述数传天线对地轴线间距为4000mm，数传天线初始轴线与对地面法线平行，即两轴夹角为0°其中，所述数传天线安装面与地面平行，数传天线的初始轴线与对地面法线平行。

进一步地，太阳阵为太阳能电池组成的方阵，主要用于将光能转换成电能的电源系统，给在轨运行卫星供电。

最后，确定数传天线与在轨运行卫星的连接方式，保证数传天线大角度转动而不被遮挡，在一个优选例中，所述数传天线与在轨运行卫星星体之间通过具有收拢和展开功能的伸展机构连接。

进一步地，如图1、图2所示，所述数传天线通过数传天线支架安装在伸展机构上，所述伸展机构展开角为90°，通过火工品收拢压紧于卫星侧板上，火工品是能够通过引燃或其他作用做机械功的一次性使用的元器件，当伸展机构进行收拢和展开动作时，所述数传天线能够适应星间传输的要求，所述伸展机构展开时能够携带数传天线运动到在轨运行卫星星体的外部且使数传天线朝向地面，所述数传天线支架上设置有二维驱动机构，所述二维驱动机构能够根据转动角自适应调整数传天线的高度。

具体地，卫星上设置有卫星载荷舱以及卫星平台舱，所述在轨运行卫星发射时安装有数传天线的伸展机构收拢压紧于卫星载荷舱两侧；同时，为适应在轨运行卫星上的火箭整流罩及收拢压紧状态的太阳阵，伸展机构远离卫星平台舱的太阳阵安装，以避免与火箭整流罩及收拢压紧状态的太阳阵干涉或碰撞。

本发明从结构优化、半空域波束可见、对称布局以及拓展星体外挂接口集成角度出发，解决了卫星对地数传天线半空域通信建链、星体多部件干涉遮挡、伸展部件超出运载火箭整流罩空间等构型布局的问题，为星座组网、星间数传通信等卫星方案研制论证过程中，有效防干涉处理、半空域通信建链、星箭包络对接等工程问题的解决奠定了基础，对多模数传天线构型与布局设计提供一种扩展能力强、适用性高的选用型式，具有较高的通用性。经三维造型与运动仿真验证，该方案具有星间传输空间覆盖广(半空域)、伸展机构拓展性强、收拢压紧状态布局紧凑等特点，取得了合理利用星体空间、星间传输空域增强以及优化复杂载荷构型布局等有益效果。

本发明以某卫星为实施例，为满足数传天线半空域波束无遮挡、星体多组件防干涉以及运载火箭整流罩安装空间要求，卫星对地面安装多台对地数传天线。由于卫星对地面还安装有其它载荷，其它载荷高度作为数传天线支架和伸展机构高度的设计输入和约束，数传天线支架高度、伸展机构包络和长度需要作适应性修改。当太阳阵转动时，为防止与数传天线碰撞，数传天线展开及运动指向过程中，布局位置设计应位于太阳阵下方并留有10mm以上安全间隙。伸展机构平时收拢压紧于卫星侧面，同时位于收拢太阳阵上方，并留有10mm以上安全间隙。2套伸展机构由收拢压紧过渡到完成展开，展开角设计为90度。2台数传天线伸展机构完全展开后，2台数传天线对地轴线间距为4000mm。由于数传天线对地及星间传输需求与星体可用布局安装位置及整流罩可用空间互相制约，这就要求合理布局对地数传天线位置并设计满足整流罩要求的天线连接伸展机构，本发明中的适应星间传输的对地数传天线布局方法旨在解决上述问题。

下面结合附图说明本发明的优选实施例。

本发明提供的一种适应星间传输的对地数传天线布局方法，包括如下的步骤：

步骤1、确定数传天线对地、星间数据传输需求：

在轨道上运行的卫星上数传天线要求指向地球表面数据接收站，以建立稳定的数据传输链路指向关系，对于星间传输特定需求，还要求星上数传天线能够与轨道前后、左右方位其他星上接收设备实现星间数据传输。根据地面数据接收站以及在轨数据接收卫星的空间方位，确定数传天线布局所需的转动角度范围需求；

步骤2、确定数传天线在卫星上安装位置与轴线指向：

根据卫星星体、对地面载荷包络尺寸以及太阳阵布局位置，将数传天线对称布局在与卫星对地面平行的数传天线安装面上，数传天线初始轴线与对地面法线平行；

步骤3、确定数传天线与卫星的连接方式：

数传天线与卫星星体之间通过具有收拢和展开功能的伸展机构连接；

步骤4、数传天线支架与伸展机构适应星间传输设计优化：

为保证数传天线大角度转动而不被遮挡，伸展机构凸出星体对地面安装，且数传天线二维驱动机构支架能够根据转动角自适应调整设计高度；

步骤5、发射时数传天线布局的收拢压紧方式：

为适应火箭整流罩及收拢压紧状态的太阳阵，安装有数传天线的伸展机构远离卫星平台舱太阳阵，收拢压紧于卫星载荷舱两侧。

从上述布局办法方案的描述中可以看出：本发明所提供的一种适应星间传输的对地数传天线布局方法，从结构优化、半空域波束可见、对称布局以及拓展星体外挂接口集成角度出发，解决了星座组网多颗卫星伴飞、绕飞过程中，卫星在轨半空域星间数传天线波束遮挡、数传天线与对地面载荷、太阳阵干涉以及发射时整流罩内空间狭小的构型布局问题。经三维造型与运动仿真验证，该方案具有星间传输空间覆盖广(半空域)、伸展机构拓展性强、收拢压紧状态布局紧凑等特点，取得了合理利用星体空间、星间传输空域增强以及优化复杂载荷构型布局等有益效果。

本发明从卫星构型布局、数传天线星间传输特点、平台载荷一体化设计思想上取得突破，为星座组网、星间数传通信等卫星方案研制论证过程中，有效防干涉处理、半空域通信建链、星箭包络对接等工程问题的解决奠定了基础，对多模数传天线构型与布局设计提供一种扩展能力强、适用性高的选用型式，具有较高的通用性，成为卫星对地数传天线星间传输设计人员的首选，该发明在本领域内应用将十分广泛。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种适应星间传输的对地数传天线布局方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：确定卫星上数传天线对地、星间数据传输的需求：

步骤2：确定数传天线在卫星上的安装位置与轴线指向：

步骤3：确定数传天线与卫星的连接方式，保证数传天线不被遮挡。

2.根据权利要求1所述的适应星间传输的对地数传天线布局方法，其特征在于，所述数传天线对地数据传输的需求为在卫星上的数传天线能够指向地球表面数据接收站，以建立稳定的数据传输链路指向关系；

所述数传天线对星间数据传输的需求为卫星上数传天线能够与运行轨道前后、左右方位其他卫星上接收设备实现星间数据传输。

3.根据权利要求2所述的适应星间传输的对地数传天线布局方法，其特征在于，根据地球表面数据接收站以及在轨数据接收的在轨运行卫星的空间方位，确定数传天线布局所需的转动角度范围。

4.根据权利要求1所述的适应星间传输的对地数传天线布局方法，其特征在于，所述数传天线数量为2台，根据在轨运行卫星星体、对地面载荷包络尺寸以及太阳阵布局位置，2台所述数传天线对称安装在在轨运行卫星的数传天线安装面上，其中，所述数传天线安装面与地面平行，数传天线的初始轴线与对地面法线平行。

5.根据权利要求3所述的适应星间传输的对地数传天线布局方法，其特征在于，所述数传天线与卫星星体之间通过2套具有收拢和展开功能的伸展机构连接，所述伸展机构展开角为90°，通过火工品收拢压紧于卫星的侧板上。

6.根据权利要求5所述的适应星间传输的对地数传天线布局方法，其特征在于，所述数传天线通过数传天线支架安装在伸展机构上，当伸展机构进行收拢和展开动作时，所述数传天线能够适应星间传输的要求；

所述伸展机构展开时能够携带数传天线运动到在轨运行卫星星体的外部且能够使数传天线朝向地面。

7.根据权利要求6所述的适应星间传输的对地数传天线布局方法，其特征在于，所述数传天线支架上设置有二维驱动机构，所述二维驱动机构能够根据转动角自适应调整数传天线的高度。

8.根据权利要求7所述的适应星间传输的对地数传天线布局方法，其特征在于，所述数传天线设计为前、后、左、右向±90°角度转动，所述数传天线能够凸出到在轨运行卫星星体的高度为100mm-300mm，所述二维驱动机构支架初始设计高度在100mm-300mm之间且能够根据转动角自适应调整高度。

9.根据权利要求5所述的适应星间传输的对地数传天线布局方法，其特征在于，所述在轨运行卫星发射时安装有数传天线的伸展机构收拢压紧于卫星载荷舱两侧；

同时，为适应在轨运行卫星上的火箭整流罩及收拢压紧状态的太阳阵，伸展机构远离卫星平台舱太阳阵安装。

10.根据权利要求4所述的适应星间传输的对地数传天线布局方法，其特征在于，2台所述数传天线对地轴线间距为4000mm，数传天线初始轴线与对地面法线平行。

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