CN117184446A - 一种可变构多载荷敏捷机动卫星构型及回波信号采集方法 - Google Patents

Abstract

一种可变构双侧视敏捷机动卫星构型及回波信号采集方法，涉及新型卫星系统设计领域。解决了现有卫星受单一的瞬时视场限制，卫星的覆盖范围有限的问题。所述卫星构型包括：卫星主结构、举升臂、成像侦察载荷、三轴关节和二维相控阵馈源天线；所述卫星主结构内部设有设备舱，用于控制成像侦察载荷进行探测；所述卫星主结构左右两侧设有举升臂，所述成像侦察载荷固定在所述卫星主结构两侧的举升臂上，所述卫星主结构通过三轴关节与举升臂连接；所述卫星主结构两侧还设有两个二维相控阵馈源天线，所述二维相控阵馈源天线与卫星主结构顶部转动连接。本发明应用于卫星探测领域。

Description

一种可变构多载荷敏捷机动卫星构型及回波信号采集方法

技术领域

本发明涉及新型卫星系统设计领域，尤其涉及一种可变构多载荷敏捷机动卫星构型。

背景技术

当前成像侦察卫星多采取有效载荷固连于刚性卫星平台的布局形式。在此种布局形式下，卫星仅存在单一的瞬时视场，由于有效载荷与卫星平台固连，卫星的视场受限于有效载荷的视场。这意味着卫星每次观测只能覆盖一个固定的区域，无法在同一时间内同时观测多个区域，导致覆盖范围受到限制；由于瞬时视场的限制，卫星的覆盖范围有限，为了增大覆盖区域，卫星只能通过整星姿态机动来调整视场。然而，卫星的整星姿态机动能力受到整星大惯量和执行机构能力的限制，导致机动范围和速度有限；针对当前单轨多区域成像侦察能力需求的提升，卫星只能采取整星姿态机动的方式增大覆盖区域，但机动能力也会受到整星大惯量和执行机构能力的限制；此外，卫星的构型相对固定，制约了卫星功能的扩展。

发明内容

本发明针对现有卫星受单一的瞬时视场限制，卫星的覆盖范围有限的问题，提出一种可变构多载荷敏捷机动卫星构型，所述方案包括：

一种可变构多载荷敏捷机动卫星构型，所述卫星构型包括：

卫星主结构、举升臂、成像侦察载荷和三轴关节；

所述卫星主结构内部设有设备舱，用于控制成像侦察载荷进行探测；

所述卫星主结构左右两侧设有举升臂，所述成像侦察载荷固定在所述卫星主结构两侧的举升臂上，所述卫星主结构通过三轴关节与举升臂连接。

进一步的，还提供一种优选方式，所述成像侦察载荷包括：天线反射面、薄膜太阳翼和二维相控阵馈源天线；所述数个桁架围成桶形，所述桁架表面固定薄膜太阳翼，所述天线反射面嵌入桁架围成的桶形内部；所述二维相控阵馈源天线设在卫星主结构两侧，所述二维相控阵馈源天线与卫星主结构顶部转动连接。

进一步的，还提供一种优选方式，所述桁架的高度为5m。

进一步的，还提供一种优选方式，所述卫星主结构还包括伸缩桁架和桁架伸展机构，所述伸缩桁架和桁架伸展机构固定连接。

进一步的，还提供一种优选方式，所述伸缩桁架的伸缩长度为0～40m。

基于同一发明构思，本发明还提供一种基于可变构多载荷敏捷机动卫星构型的回波信号采集方法，所述方法包括：

卫星主结构通过三轴关节控制举升臂的角度和方向，将成像侦察载荷定向到的目标区域；

成像侦察载荷将采集目标区域的回波信号传输回卫星主结构内的设备舱，所述设备舱的处理器进行信号处理取图像信息。

进一步的，还提供一种优选方式，所述方法还包括左右垂轨对侧视采集图像，所述左右垂轨对侧视采集图像包括：

当左右垂轨对侧视情况时，成像侦察载荷连线垂直于飞行速度方向，所述卫星主结构的成像侦察载荷同时对星下点左右两侧区域进行成像。

进一步的，还提供一种优选方式，所述方法还包括左右垂轨同侧视采集图像，所述左右垂轨同侧视采集图像包括：

当左右垂轨同侧视时，成像侦察载荷连线垂直于飞行速度方向，所述卫星主结构的成像侦察载荷同时对星下点同侧区域进行成像。

进一步的，还提供一种优选方式，所述方法还包括前后沿轨同侧视动目标探测，所述前后沿轨同侧视动目标探测包括：

当前后沿轨同侧视时，成像侦察载荷连线平行于飞行速度方向，所述卫星主结构的成像侦察载荷同时对星下点同侧区域进行成像。

进一步的，还提供一种优选方式，所述方法还包括上下垂轨对侧视探测上行链路和下行链路信号，所述上下垂轨对侧视探测上行链路和下行链路信号包括：

当上下垂轨对侧视时，成像侦察载荷连线垂直于飞行速度方向，其中一侧成像侦察载荷绕桁架轴旋转180°指向高轨区域，另一侧成像侦察载荷保持对地。

本发明的有益之处在于：

本发明解决了现有卫星受单一的瞬时视场限制，卫星的覆盖范围有限的问题。

本发明所述的一种可变构多载荷敏捷机动卫星构型通过在卫星主结构左右两侧添加举升臂，并将成像侦察载荷固定在举升臂上，实现了在同一轨道周期内对多个区域进行成像，增加卫星的覆盖范围，提升单轨多区域成像侦察能力。通过在卫星主结构和举升臂之间采用三轴关节连接，可以实现对成像侦察载荷的姿态调整和视场切换，使得卫星可以快速准确地调整视场，以适应不同目标区域的需求。相比于传统布局的卫星，这种灵活调整视场的能力提高了成像侦察的效率和准确性。在卫星主结构两侧还设有两个二维相控阵馈源天线。这些天线可以用于指向不同的地面目标，从而进一步增加卫星的目标覆盖范围和观测能力。通过调整馈源天线的指向角度和发射功率，可以实现对不同区域目标的侦察需求。

本发明所述的一种基于可变构多载荷敏捷机动卫星构型的回波信号采集方法，通过使用三轴关节控制举升臂的角度和方向，卫星可以精确地将成像侦察载荷定向到目标区域。这种精确定向能够提高成像质量和目标监测的准确性，使卫星具备更强的侦察和观测能力。卫星主结构通过设备舱将成像侦察载荷采集到的信号传输回卫星，这种内部传输方式可以在保护数据安全的同时提高传输效率。相比将数据传输至地面再进行处理，内部传输可以节省传输时间和带宽，并对实时数据需求提供支持。在卫星主结构两侧还设有两个二维相控阵馈源天线。这些天线可以用于指向不同的地面目标，从而进一步增加卫星的目标覆盖范围和观测能力。通过调整馈源天线的指向角度和发射功率，可以实现对不同区域目标的侦察需求。

本发明应用于卫星探测领域。

附图说明

图1为实施方式一所述的一种可变构多载荷敏捷机动卫星构型示意图，其中，1为卫星主结构，2为天线反射面，3为举升臂，4为二维相控阵馈源天线，5为设备舱，6为三轴关节，7为薄膜太阳翼，8为伸缩桁架，9为桁架伸展机构；

图2为实施方式二所述的可变构双侧视微波成像侦察卫星构型展开示意图；

图3为实施方式七所述的左右垂轨对侧视示意图；

图4为实施方式八所述的左右垂轨同侧视示意图；

图5为实施方式九所述的前后沿轨同侧视示意图；

图6为实施方式十所述的上下垂轨对侧视示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。

实施方式一、参见图1说明本实施方式。本实施方式所述的一种可变构多载荷敏捷机动卫星构型，所述卫星构型包括：

卫星主结构1、举升臂3、成像侦察载荷和三轴关节6；

所述卫星主结构1内部设有设备舱5，用于控制成像侦察载荷进行探测；

所述卫星主结构1左右两侧设有举升臂3，所述成像侦察载荷固定在所述卫星主结构1两侧的举升臂3上，所述卫星主结构1通过三轴关节6与举升臂3连接。

本实施方式中卫星主结构1通过三轴关节6与举升臂3连接，这种连接方式可以提供较高的结构刚性和稳定性。这对于成像侦察卫星非常重要，因为它需要在卫星运行时保持稳定的姿态以获得清晰的图像。通过三轴关节6连接，卫星主结构1和举升臂3之间的运动可以受到较好的约束，以确保成像侦察载荷的稳定性和精确性。

现在主流的卫星都是中心刚体的布局，本实施方式省略了中心刚体，通过在卫星主结构1左右两侧添加举升臂3，并将成像侦察载荷固定在举升臂3上，实现了在同一轨道周期内对多个区域进行成像。这种配置可以增加卫星的覆盖范围，提升单轨多区域成像侦察能力。通过在卫星主结构1和举升臂3之间采用三轴关节6连接，可以实现对成像侦察载荷的姿态调整和视场切换。这样，卫星可以快速准确地调整视场，以适应不同目标区域的需求。相比于传统布局的卫星，这种灵活调整视场的能力提高了成像侦察的效率和准确性。在卫星主结构1两侧还设有两个二维相控阵馈源天线4。这些天线可以用于指向不同的地面目标，从而进一步增加卫星的目标覆盖范围和观测能力。通过调整馈源天线的指向角度和发射功率，可以实现对不同区域目标的成像侦察需求。

本实施方式所述的卫星构型，提升了成像侦察卫星的成像能力、灵活性和覆盖范围。通过多区域成像、灵活调整视场和目标覆盖全面性的增加，该方案旨在克服传统布局方式的限制，满足更多复杂任务需求，提高卫星的应用价值和性能。

实施方式二、本实施方式是对实施方式一所述的一种可变构多载荷敏捷机动卫星构型的进一步限定，所述成像侦察载荷包括：天线反射面2、薄膜太阳翼7和二维相控阵馈源天线4；所述数个桁架围成桶形，所述桁架表面固定薄膜太阳翼7，所述天线反射面2嵌入桁架围成的桶形内部；所述二维相控阵馈源天线4设在卫星主结构1两侧，所述二维相控阵馈源天线4与卫星主结构1顶部转动连接。

本实施方式采用桁架围成桶形的结构设计，可以有效减少成像侦察载荷的重量和体积。桁架结构本身具有良好的强度和刚度，同时提供了稳定的支撑框架，使载荷在卫星运行过程中能够保持稳定和安全。薄膜太阳翼7的使用可以进一步减少重量和空间占用，提高卫星的负载能力和有效载荷的成像能力。在桁架表面固定薄膜太阳翼7的同时，天线反射面2嵌入桁架围成的桶形内部。这种整合设计可以实现多功能性。天线反射面2可以实现馈源舱发射接收信号的反射功能，而薄膜太阳翼7则可以为卫星提供能量供应，以支持载荷和卫星系统的正常运行。通过将这两个功能整合到成像侦察载荷上，可以最大限度地提高系统资源的利用效率。通过在卫星主结构1顶部安装二维相控阵馈源天线4，并与卫星主结构1顶部转动连接，可以实现对馈源天线的角度调整。这样可以改变卫星的视场角度，从而灵活适应不同的成像需求。调整角度可以实现对特定区域的深入观察和细节捕捉。因此，该连接方案提供了对成像角度可调的灵活性。

本实施方式减轻成像侦察载荷的重量和尺寸，以确保卫星整体重量的控制和有效运载能力的提升。较轻的成像侦察载荷可以为卫星提供更多的可分配载荷空间，使其可以搭载更多的关键设备和功能，以满足不同任务需求。通过将天线反射面2和薄膜太阳翼7整合到成像侦察载荷上，该设计方案旨在实现资源的综合利用。天线反射面2不仅实现了通信和数据传输功能，同时兼具成像侦察功能。薄膜太阳翼7为卫星提供能源支持，使其能够独立运行和执行任务。这种综合利用资源的设计有助于提高卫星的自主性和可持续性。

实施方式三、本实施方式是对实施方式二所述的一种可变构多载荷敏捷机动卫星构型的进一步限定，所述桁架的高度为5m。

实施方式四、本实施方式是对实施方式一所述的一种可变构多载荷敏捷机动卫星构型的进一步限定，所述卫星主结构1还包括伸缩桁架8和桁架伸展机构，所述伸缩桁架8和桁架伸展机构固定连接。

结合实施方式二说明本实施方式。卫星主结构1承担卫星在发射阶段的力学载荷，为有效载荷和其他单机设备提供安装接口；主结构中心位置安装可伸缩豆荚杆桁架及对应的伸展机构，卫星入轨后由伸展机构驱动桁架展开，并支持在轨运行时桁架长度的调节。

设备舱5内安装有效载荷工作时必要的姿态控制、电源、热控、测控数传、数据处理等单机设备。

举升臂3连接卫星主结构1与载荷天线，入轨后举升臂3展开，使馈源天线与反射面到达指定位置；举升臂3根部安装三自由度关节并配置大力矩电机，驱动载荷完成任意方向上的变构。

二维相控阵馈源天线可发射和接收微波信号，经由天线反射面2反射完成成像和侦察等任务。在反射面天线桁架上贴有薄膜太阳能电池，实现天线电源一体化设计，可进一步降低整星重量、提高整星展收比。

本实施方式中伸缩桁架和桁架伸展机构允许卫星主结构1在发射前处于紧凑的状态，从而减小了卫星在整流罩内的体积和空间需求。这种设计能够将卫星的展开过程延迟到达到轨道后再进行，提高了卫星的适应性和部署灵活性。伸缩桁架提供了良好的结构支撑，卫星主结构1是随着展开长度增加而降低的，桁架可伸缩的目的是满足干涉成像、动目标探测等对双载荷天线距离(也即基线长度)的要求。这种设计可以改善卫星的稳定性和结构的抗振能力，降低因振动和陀螺效应带来的潜在风险。通过固定连接，伸缩桁架和伸展机构能够稳定地固定在预定位置，确保卫星在各种操作条件下的结构完整性和可靠性。

本实施方式中通过采用伸缩桁架和桁架伸展机构的设计，可以将卫星主结构1的体积和重量降至最低。这有助于提高卫星的有效载荷能力，使其能够携带更多的科学仪器、通信设备和成像侦察载荷，并提供更高的数据收集和传输能力。卫星主结构1可以在发射过程中保持紧凑状态，在进入轨道后再展开。这种设计提供了更大的灵活性和适应性，使卫星能够与不同的发射平台和载荷适配器兼容。通过固定连接，伸缩桁架和桁架伸展机构能够确保卫星主结构1的稳定性和可靠性。这种连接方式提供了强大的结构支撑，使卫星主结构1在发射期间和在轨道中保持完整和稳定，以应对各种环境和工作负载条件。

本实施方式通过整合伸缩桁架和桁架伸展机构，旨在优化卫星的重量和体积，提高其发射适应性，并提供可靠的结构支撑，以确保卫星在各个阶段的部署和运行期间保持稳定和安全。

实施方式五、本实施方式是对实施方式一所述的一种可变构多载荷敏捷机动卫星构型的进一步限定，所述伸缩桁架的长度伸缩长度为0～40m。

实施方式六、本实施方式所述的一种基于可变构双侧视敏捷机动卫星构型的回波信号采集方法，所述方法包括：

卫星主结构1通过三轴关节6控制举升臂3的角度和方向，将成像侦察载荷定向到的目标区域；

成像侦察载荷将采集目标区域的回波信号传输回卫星主结构1内的设备舱5，所述设备舱的处理器进行信号处理取图像信息。

本实施方式通过使用三轴关节6控制举升臂3的角度和方向，卫星可以精确地将成像侦察载荷定向到目标区域。这种精确定向能够提高成像质量和目标监测的准确性，使卫星具备更强的侦察和观测能力。卫星主结构1通过设备舱5将成像侦察载荷采集到的回波信号数据传输回卫星，这种内部传输方式可以在保护数据安全的同时提高传输效率。相比将数据传输至地面再进行处理，内部传输可以节省传输时间和带宽，并对实时数据需求提供支持。

本实施方式通过使用三轴关节6控制举升臂3和定向成像侦察载荷，卫星的侦察和观测能力得到提升。这样的能力提升可以用于监测和收集地球表面的各种信息，包括地质变化、资源利用、环境监测等，以支持科学研究、资源管理和环境保护等领域的应用。通过将成像侦察载荷采集到的回波信号传输至卫星主结构1内部的设备舱5，可以实现高效的数据传输和处理。这种方法可以减少数据传输时间和带宽需求，提高数据处理速度，支持实时监测和应用需要。

实施方式七、参加图3说明本实施方式。本实施方式是对实施方式六所述的一种基于可变构多载荷敏捷机动卫星构型的回波信号采集方法的进一步限定，所述方法还包括左右垂轨对侧视采集图像，所述左右垂轨对侧视采集图像包括：

当左右垂轨对侧视情况时，成像侦察载荷连线垂直于飞行速度方向，所述卫星主结构1的成像侦察载荷同时对星下点左右两侧区域进行成像。

本实施方式通过左右垂轨对侧视采集图像，成像侦察载荷可以同时对卫星下方左右两侧区域进行成像。这种双侧视采集的方式可以扩大侦察范围，提供更广泛的地面目标信息。相比仅在星下点单侧(左右侧其中之一)进行成像，左右垂轨对侧视可以获取更全面的画面，包括目标的侧面、周围环境等，增加目标识别和分析的准确性。

本实施方式中左右垂轨对侧视图像采集使得成像侦察载荷能够同时获得多个目标区域的数据，有助于扩大卫星在单个轨道周期内的覆盖范围。

实施方式八、本实施方式是对实施方式六所述的一种基于可变构多载荷敏捷机动卫星构型的回波信号采集方法的进一步限定，所述方法还包括左右垂轨同侧视采集图像，所述左右垂轨同侧视采集图像包括：

当左右垂轨同侧视时，成像侦察载荷连线垂直于飞行速度方向，所述卫星主结构的成像侦察载荷同时对星下点同侧区域进行成像。

本实施方式通过左右垂轨同侧视，在垂直于飞行速度方向上，两载荷间形成干涉基线，从而实现干涉测量，获得区域地面高程变化等信息。

实施方式九、本实施方式是对实施方式六所述的一种基于可变构多载荷敏捷机动卫星构型的回波信号采集方法的进一步限定，所述方法还包括前后沿轨同侧视动目标探测，所述前后沿轨同侧视动目标探测包括：

当前后沿轨同侧视时，成像侦察载荷连线平行于飞行速度方向，所述卫星主结构1的成像侦察载荷同时对星下点同侧区域进行成像。

本实施方式通过前后沿轨同侧视，可实现对地面、空中动态目标的探测与监视。

实施方式十、本实施方式是对实施方式六所述的一种基于可变构多载荷敏捷机动卫星构型的图像采集方法的进一步限定，所述方法还包括上下垂轨对侧视探测上行链路和下行链路信号，所述探测上行链路和下行链路信号包括：

当上下垂轨对侧视时，成像侦察载荷连线垂直于飞行速度方向，其中一侧成像侦察载荷绕桁架轴旋转180°指向高轨区域，另一侧成像侦察载荷保持对地。

本实施方式通过上下垂轨对侧视，可以探测对地下行链路和对高轨卫星上行链路的信号，还可以同时发射干扰信号干扰对方通信。其中一侧成像侦察载荷绕桁架轴旋转180°指向高轨区域，另一侧成像侦察载荷保持对地。这可以增强卫星对上下行链路通信的同时相探测能力。

实施方式十一、本实施方式为实施方式一所述的一种可变构多载荷敏捷机动卫星构型提供一具体实施例，同时也用于解释实施方式二至实施方式五，具体的：

在本实施方式中，双侧视微波成像侦察载荷在整星上对称布局，二者质量、惯量特性相同，因此在保持载荷沿任意旋转轴以等大反向角速度旋转时可保持整星零动量，从而摆脱传统飞轮对整星角动量包络的限制，提升卫星变构机动能力。

设天线反射面2为一个直径22m、质量200kg的均质圆盘，旋转轴距离圆盘平面内惯性主轴的距离为20m，则反射面转动惯量为

在电机最大输出力矩500Nm时，反射面最大角加速度β_m＝T_m/J＝0.333°/s²，在始终保持最大角加速度加减速进行姿态机动的条件下，姿态机动用时t与角位移θ满足

故最短机动时间为

机动期间的最大角速度为

对应单侧最大角动量为

由(3)(4)(5)式得机动角度45°时的机动时间为23.25s，最大角速度为3.87°/s，最大角动量为5813Nms；机动90°时的机动时间为32.88s，最大角速度为5.47°/s，最大角动量为8221Nms，具备与主流敏捷机动卫星相当或更优的机动能力，实现相控阵雷达对地面目标的扫描能力。

在具体实施过程中，卫星所搭载有效载荷不仅局限于双侧视微波成像侦察载荷，对于搭载通信、光学遥感等载荷，且载荷数量大于2的情况也应纳入本发明保护范围。

以上结合附图对本发明提供的技术方案进行进一步详细地描述，是为了突出优点和有益之处，并不用于作为对本发明的限制，任何基于本发明的精神原则范围内的，对本发明的修改、实施方式的组合、改进和等同替换等，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可变构多载荷敏捷机动卫星构型，其特征在于，所述卫星构型包括：

卫星主结构、举升臂、成像侦察载荷和三轴关节；

所述卫星主结构内部设有设备舱，用于控制成像侦察载荷进行探测；

所述卫星主结构左右两侧设有举升臂，所述成像侦察载荷固定在所述卫星主结构两侧的举升臂上，所述卫星主结构通过三轴关节与举升臂连接。

2.根据权利要求1所述的一种可变构多载荷敏捷机动卫星构型，其特征在于，所述成像侦察载荷包括：天线反射面、薄膜太阳翼和二维相控阵馈源天线；所述数个桁架围成桶形，所述桁架表面固定薄膜太阳翼，所述天线反射面嵌入桁架围成的桶形内部；所述二维相控阵馈源天线设在卫星主结构两侧，所述二维相控阵馈源天线与卫星主结构顶部转动连接。

3.根据权利要求2所述的一种可变构多载荷敏捷机动卫星构型，其特征在于，所述桁架的高度为5m。

4.根据权利要求1所述的一种可变构多载荷敏捷机动卫星构型，其特征在于，所述卫星主结构还包括伸缩桁架和桁架伸展机构，所述伸缩桁架和桁架伸展机构固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种可变构多载荷敏捷机动卫星构型，其特征在于，所述伸缩桁架的伸缩长度为0～40m。

6.一种基于可变构多载荷敏捷机动卫星构型的回波信号采集方法，其特征在于，所述方法包括：

卫星主结构通过三轴关节控制举升臂的角度和方向，将成像侦察载荷定向到的目标区域；

成像侦察载荷将采集目标区域的回波信号传输回卫星主结构内的设备舱，所述设备舱的处理器进行信号处获取图像信息。

7.根据权利要求6所述的一种基于可变构多载荷敏捷机动卫星构型的回波信号采集方法，所述方法还包括左右垂轨对侧视采集图像，所述左右垂轨对侧视采集图像包括：

当左右垂轨对侧视情况时，成像侦察载荷连线垂直于飞行速度方向，所述卫星主结构的成像侦察载荷同时对星下点左右两侧区域进行成像。

8.根据权利要求6所述的一种基于可变构多载荷敏捷机动卫星构型的回波信号采集方法，所述方法还包括左右垂轨同侧视采集图像，所述左右垂轨同侧视采集图像包括：

当左右垂轨同侧视时，成像侦察载荷连线垂直于飞行速度方向，所述卫星主结构的成像侦察载荷同时对星下点同侧区域进行成像。

9.根据权利要求6所述的一种基于可变构多载荷敏捷机动卫星构型的回波信号采集方法，所述方法还包括前后沿轨同侧视动目标探测，所述前后沿轨同侧视动目标探测包括：

当前后沿轨同侧视时，成像侦察载荷连线平行于飞行速度方向，所述卫星主结构的成像侦察载荷同时对星下点同侧区域进行成像。

10.根据权利要求6所述的一种基于可变构多载荷敏捷机动卫星构型的回波信号采集方法，所述方法还包括上下垂轨对侧视探测上行链路和下行链路信号，所述上下垂轨对侧视探测上行链路和下行链路信号包括：

当上下垂轨对侧视时，成像侦察载荷连线垂直于飞行速度方向，其中一侧成像侦察载荷绕桁架轴旋转180°指向高轨区域，另一侧成像侦察载荷保持对地。