CN114722338B - 多物理场耦合效应下的卫星多波束指向偏差估计方法 - Google Patents

多物理场耦合效应下的卫星多波束指向偏差估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多物理场耦合效应下的卫星多波束指向偏差估计方法，具体为：构建多物理场耦合指向，分析多物理场造成误差的周期特征，随后基于误差周期特征构建多波束天线指向偏差表征函数，指向偏差表征函数拟合求解，最终得到指向偏差具体表征，利用该卫星多波束天线指向偏差表征函数实现对卫星多波束指向偏差的估计。本发明的优点为：通过发掘误差源的周期特征，构建多波束天线指向偏差表征函数，克服了多物理场条件下天线指向误差的强耦合、难以解耦问题；综合考虑电磁场、温度场、引力场和机械场所引入的各类误差，误差因素涵盖全面，得到的表征函数能够更准确的反应天线指向偏差的变化情况。

Description

多物理场耦合效应下的卫星多波束指向偏差估计方法
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种多物理场耦合效应下的卫星多波束指向偏差估计方法。
背景技术
卫星天线受空间各类环境因素影响，将导致天线指向漂移，引入指向偏差，进而导致卫星通信质量的下降，因此需要通过偏置补偿等方式对天线进行校准。为了实现高效、准确的偏置补偿，需要对卫星天线的指向偏差进行建模计算，然而，卫星天线在轨期间处于由电磁场、温度场、引力场和机械场等构成的多物理场中，多物理场导致的各类误差效应之间存在强耦合、难以解耦的高维非线性特征，不能针对各类误差效应进行独立分析。因此，如何在多物理场复合效应条件下，提出多波天线指向偏差的数学表征方法，实现波束指向偏差量的估计，是提高指向精度和波束标校性能领域亟待解决的重要问题。
发明内容
针对在多物理场复合效应条件下，如何实现波束指向偏差量的估计的问题，本发明公开了一种多物理场耦合效应下的卫星多波束指向偏差估计方法，其步骤包括：
S1，构建多物理场耦合指向偏差模型；
所述的步骤S1，包括：
卫星多波束天线所处的多物理场环境包括电磁场环境、温度场环境、引力场环境和机械场环境，其中，电磁场环境和机械场环境造成卫星多波束天线的敏感器与控制系统误差，温度场环境、引力场环境和机械场环境造成卫星多波束天线的热变形误差，引力场环境和电磁场环境造成卫星的轨道误差，机械场环境造成卫星多波束天线安装结构误差；根据上述多物理场环境造成的误差相互之间存在的强耦合关系，构建多物理场耦合指向偏差模型，该多物理场耦合指向偏差模型表示为：
Figure BDA0003626192790000021
其中，x、y、z为卫星多波束天线在地球惯性坐标系中的坐标，t表示时间，E(x,y,z,t)、T(x,y,z,t)、G(x,y,z,t)、M(x,y,z,t)分别表示t时刻，位于坐标(x,y,z)处的卫星多波束天线受到的电磁场、温度场、引力场和机械场的数值，ke、kt、kg、km分别为电磁场、温度场、引力场和机械场的耦合系数，f1()、f2()、f3()、f4()分别为卫星多波束天线的敏感器与控制系统误差函数、天线热变形误差函数、卫星轨道误差函数和天线安装结构误差函数；Λfield(E(x,y,z,t),T(x,y,z,t),G(x,y,z,t),M(x,y,z,t),ke,kt,kg,km)表示t时刻下坐标为(x,y,z)的卫星多波束天线在受到的电磁场、温度场、引力场和机械场分别为E(x,y,z,t)、T(x,y,z,t)、G(x,y,z,t)、M(x,y,z,t)条件下，电磁场、温度场、引力场和机械场的耦合系数分别为ke、kt、kg、km时，该卫星多波束天线的指向偏差。
S2，分析多物理场耦合效应造成误差的周期特征；
所述的步骤S2，其具体包括：
根据误差持续时间和变化规律，误差的周期特征分为常值误差、长周期误差、日周期误差和短周期误差，其中，常值误差指不随时间变化的误差，长周期误差指误差源变化周期大于等于3天的误差，日周期误差指误差源变化周期小于3天且大于等于6小时的误差，短周期误差指误差源变化周期小于6小时的误差；
对多物理场耦合效应造成的卫星多波束天线的误差进行分析，将敏感器与控制系统误差分解为常值误差、长周期误差、日周期误差和短周期误差，将天线热变形误差分解为长周期误差、日周期误差和短周期误差，将轨道误差分解为长周期误差和日周期误差，认为天线安装结构误差为常值误差；
S3，基于误差的周期特征，构建卫星多波束天线指向偏差表征函数；
所述的步骤S3，其具体包括：
将各类误差导致的卫星多波束天线指向偏差，按照误差周期特征分解为常值误差偏差、日周期误差偏差、长周期误差偏差和短周期误差偏差；所述的常值误差偏差为常值向量，记为C＝(Cx,Cy,Cz)，其中Cx、Cy、Cz分别为常值误差引入的卫星多波束天线指向的常值误差偏差向量在x轴、y轴和z轴上的坐标；所述的长周期误差偏差的表示式为：
Figure BDA0003626192790000031
其中，Lx、Ly、Lz分别为长周期误差引入的卫星多波束天线指向偏差向量在x轴、y轴和z轴上的坐标，a0、ai、bi、θ为长周期误差偏差的拟合系数，i＝1,2,3,4；
所述的日周期误差偏差的表示式为：
D＝(Dx,Dy,Dz)＝-[1-exp(-p·t)]·q，
其中，Dx、Dy、Dz分别为日周期误差引入的卫星多波束天线指向偏差向量在x轴、y轴和z轴上的坐标，p、q为日周期误差偏差的拟合系数向量；
所述的短周期误差偏差的表示式为：
Figure BDA0003626192790000041
其中，Sx、Sy、Sz分别为短周期误差引入的卫星多波束天线指向偏差向量在x轴、y轴和z轴上的坐标，m0、mj、nj、φ为短周期误差偏差的拟合系数，j＝1,2,...,10；
多波束天线指向偏差表征函数Perror为常值误差偏差、长周期误差偏差、日周期误差偏差和短周期误差偏差之和，其表达式为：
Perror＝C+L+D+S；
S4，根据实测数据对卫星多波束天线指向偏差表征函数中的拟合系数进行拟合求解，得到卫星多波束天线指向偏差表征函数的具体形式，利用该卫星多波束天线指向偏差表征函数实现对卫星多波束指向偏差的估计。
本发明具有如下优点：
1.本发明所提方法，通过发掘误差源的周期特征，构建多波束天线指向偏差表征函数，克服了多物理场条件下天线指向误差的强耦合、难以解耦问题；
2.本发明所提方法，综合考虑电磁场、温度场、引力场和机械场所引入的各类误差，误差因素涵盖全面，得到的表征函数能够更准确的反应天线指向偏差的变化情况，从而实现了对多物理场耦合效应下的卫星多波束指向偏差的准确估计。
附图说明
图1为本发明的多物理场耦合效应下的卫星多波束指向偏差估计方法的流程图。
具体实施方式
图1为本发明的多物理场耦合效应下的卫星多波束指向偏差估计方法的流程图。下面结合附图，对本发明进行详细描述。本发明公开了一种多物理场耦合效应下的卫星多波束指向偏差估计方法，其步骤包括：
S1，构建多物理场耦合指向偏差模型；
所述的步骤S1，包括：
卫星多波束天线所处的多物理场环境包括电磁场环境、温度场环境、引力场环境和机械场环境，其中，电磁场环境和机械场环境造成卫星多波束天线的敏感器与控制系统误差，温度场环境、引力场环境和机械场环境造成卫星多波束天线的热变形误差，引力场环境和电磁场环境造成卫星的轨道误差，机械场环境造成卫星多波束天线安装结构误差；上述多物理场环境造成的误差相互之间存在强耦合关系，共同导致天线指向的偏差；根据上述多物理场环境造成的误差相互之间存在的强耦合关系，构建多物理场耦合指向偏差模型，该多物理场耦合指向偏差模型表示为：
Figure BDA0003626192790000051
其中，x、y、z为卫星多波束天线在地球惯性坐标系中的坐标，t表示时间，E(x,y,z,t)、T(x,y,z,t)、G(x,y,z,t)、M(x,y,z,t)分别表示t时刻，位于坐标(x,y,z)处的卫星多波束天线受到的电磁场、温度场、引力场和机械场的数值，ke、kt、kg、km分别为电磁场、温度场、引力场和机械场的耦合系数，f1()、f2()、f3()、f4()分别为卫星多波束天线的敏感器与控制系统误差函数、天线热变形误差函数、卫星轨道误差函数和天线安装结构误差函数；Λfield(E(x,y,z,t),T(x,y,z,t),G(x,y,z,t),M(x,y,z,t),ke,kt,kg,km)表示t时刻下坐标为(x,y,z)的卫星多波束天线在受到的电磁场、温度场、引力场和机械场分别为E(x,y,z,t)、T(x,y,z,t)、G(x,y,z,t)、M(x,y,z,t)条件下，电磁场、温度场、引力场和机械场的耦合系数分别为ke、kt、kg、km时，该卫星多波束天线的指向偏差。
S2，分析多物理场耦合效应造成误差的周期特征；
所述的步骤S2，其具体包括：
根据误差持续时间和变化规律，误差的周期特征分为常值误差、长周期误差、日周期误差和短周期误差，其中，常值误差指不随时间变化的误差，长周期误差指误差源变化周期大于等于3天的误差，日周期误差指误差源变化周期小于3天且大于等于6小时的误差，短周期误差指误差源变化周期小于6小时的误差；
对多物理场耦合效应造成的卫星多波束天线的误差进行分析，将敏感器与控制系统误差分解为常值误差、长周期误差、日周期误差和短周期误差，将天线热变形误差分解为长周期误差、日周期误差和短周期误差，将轨道误差分解为长周期误差和日周期误差，认为天线安装结构误差为常值误差；
S3，基于误差的周期特征，构建卫星多波束天线指向偏差表征函数；
所述的步骤S3，其具体包括：
将各类误差导致的卫星多波束天线指向偏差，按照误差周期特征分解为常值误差偏差、日周期误差偏差、长周期误差偏差和短周期误差偏差；所述的常值误差偏差为常值向量，记为C＝(Cx,Cy,Cz)，其中Cx、Cy、Cz分别为常值误差引入的卫星多波束天线指向的常值误差偏差向量在x轴、y轴和z轴上的坐标；所述的长周期误差偏差的表示式为：
Figure BDA0003626192790000061
其中，Lx、Ly、Lz分别为长周期误差引入的卫星多波束天线指向偏差向量在x轴、y轴和z轴上的坐标，a0、ai、bi、θ为长周期误差偏差的拟合系数，i＝1,2,3,4；
所述的日周期误差偏差的表示式为：
D＝(Dx,Dy,Dz)＝-[1-exp(-p·t)]·q，
其中，Dx、Dy、Dz分别为日周期误差引入的卫星多波束天线指向偏差向量在x轴、y轴和z轴上的坐标，p、q为日周期误差偏差的拟合系数向量；
所述的短周期误差偏差的表示式为：
Figure BDA0003626192790000071
其中，Sx、Sy、Sz分别为短周期误差引入的卫星多波束天线指向偏差向量在x轴、y轴和z轴上的坐标，m0、mj、nj、φ为短周期误差偏差的拟合系数，j＝1,2,...,10；
多波束天线指向偏差表征函数Perror为常值误差偏差、长周期误差偏差、日周期误差偏差和短周期误差偏差之和，其表达式为：
Perror＝C+L+D+S；
S4，根据实测数据对卫星多波束天线指向偏差表征函数中的拟合系数进行拟合求解，得到卫星多波束天线指向偏差表征函数的具体形式，利用该卫星多波束天线指向偏差表征函数实现对卫星多波束指向偏差的估计。
以上结合附图详细说明了本发明，但是本领域的普通技术人员应当明白，说明书是用于解释权利要求的，本发明的保护范围以权利要求为准，在本发明的基础上，任何所做的修改、等同替换和改进等都应当在所要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种多物理场耦合效应下的卫星多波束指向偏差估计方法，其特征在于，其步骤包括：
S1，构建多物理场耦合指向偏差模型；
S2，分析多物理场耦合效应造成误差的周期特征；
S3，基于误差的周期特征，构建卫星多波束天线指向偏差表征函数；
S4，根据实测数据对卫星多波束天线指向偏差表征函数中的拟合系数进行拟合求解，得到卫星多波束天线指向偏差表征函数的具体形式，利用该卫星多波束天线指向偏差表征函数实现对卫星多波束指向偏差的估计；
所述的步骤S1，包括：
卫星多波束天线所处的多物理场环境包括电磁场环境、温度场环境、引力场环境和机械场环境，其中，电磁场环境和机械场环境造成卫星多波束天线的敏感器与控制系统误差，温度场环境、引力场环境和机械场环境造成卫星多波束天线的热变形误差，引力场环境和电磁场环境造成卫星的轨道误差，机械场环境造成卫星多波束天线安装结构误差；根据上述多物理场环境造成的误差相互之间存在的强耦合关系，构建多物理场耦合指向偏差模型，该多物理场耦合指向偏差模型表示为：
Figure FDA0003817601920000021
其中，x、y、z为卫星多波束天线在地球惯性坐标系中的坐标，t表示时间，E(x,y,z,t)、T(x,y,z,t)、G(x,y,z,t)、M(x,y,z,t)分别表示t时刻，位于坐标(x,y,z)处的卫星多波束天线受到的电磁场、温度场、引力场和机械场的数值，ke、kt、kg、km分别为电磁场、温度场、引力场和机械场的耦合系数，f1( )、f2( )、f3( )、f4( )分别为卫星多波束天线的敏感器与控制系统误差函数、天线热变形误差函数、卫星轨道误差函数和天线安装结构误差函数；Λfield(E(x,y,z,t),T(x,y,z,t),G(x,y,z,t),M(x,y,z,t),ke,kt,kg,km)表示t时刻下坐标为(x,y,z)的卫星多波束天线在受到的电磁场、温度场、引力场和机械场分别为E(x,y,z,t)、T(x,y,z,t)、G(x,y,z,t)、M(x,y,z,t)条件下，电磁场、温度场、引力场和机械场的耦合系数分别为ke、kt、kg、km时，该卫星多波束天线的指向偏差。
2.如权利要求1所述的多物理场耦合效应下的卫星多波束指向偏差估计方法，其特征在于，所述的步骤S2，其具体包括：
根据误差持续时间和变化规律，误差的周期特征分为常值误差、长周期误差、日周期误差和短周期误差，其中，常值误差指不随时间变化的误差，长周期误差指误差源变化周期大于等于3天的误差，日周期误差指误差源变化周期小于3天且大于等于6小时的误差，短周期误差指误差源变化周期小于6小时的误差；
对多物理场耦合效应造成的卫星多波束天线的误差进行分析，将敏感器与控制系统误差分解为常值误差、长周期误差、日周期误差和短周期误差，将天线热变形误差分解为长周期误差、日周期误差和短周期误差，将轨道误差分解为长周期误差和日周期误差，认为天线安装结构误差为常值误差。
3.如权利要求2所述的多物理场耦合效应下的卫星多波束指向偏差估计方法，其特征在于，所述的步骤S3，其具体包括：
将各类误差导致的卫星多波束天线指向偏差，按照误差周期特征分解为常值误差偏差、日周期误差偏差、长周期误差偏差和短周期误差偏差；所述的常值误差偏差为常值向量，记为C＝(Cx,Cy,Cz)，其中Cx、Cy、Cz分别为常值误差引入的卫星多波束天线指向的常值误差偏差向量在x轴、y轴和z轴上的坐标；所述的长周期误差偏差的表示式为：
Figure FDA0003817601920000031
其中，Lx、Ly、Lz分别为长周期误差引入的卫星多波束天线指向偏差向量在x轴、y轴和z轴上的坐标，a0、ai、bi、θ为长周期误差偏差的拟合系数，i＝1,2,3,4；
所述的日周期误差偏差的表示式为：
D＝(Dx,Dy,Dz)＝-[1-exp(-p·t)]·q，
其中，Dx、Dy、Dz分别为日周期误差引入的卫星多波束天线指向偏差向量在x轴、y轴和z轴上的坐标，p、q为日周期误差偏差的拟合系数向量；
所述的短周期误差偏差的表示式为：
Figure FDA0003817601920000041
其中，Sx、Sy、Sz分别为短周期误差引入的卫星多波束天线指向偏差向量在x轴、y轴和z轴上的坐标，m0、mj、nj、φ为短周期误差偏差的拟合系数，j＝1,2,...,10；
卫星多波束天线指向偏差表征函数Perror为常值误差偏差、长周期误差偏差、日周期误差偏差和短周期误差偏差之和，其表达式为：
Perror＝C+L+D+S，
其中，Perror为卫星多波束天线指向偏差表征函数。
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