一种深空探测器天线指向的设计方法
【专利摘要】本发明提供一种深空探测器天线指向的设计方法，具体步骤为：步骤一、计算探测器-地心方位矢量在机械坐标系上的表示步骤二、根据所述计算全向天线方位矢量与探测器-测控站间的夹角θ；步骤三、在所述夹角θ大于最大允许角度γ时，使探测器绕探测器机械坐标系的+x轴旋转，使得旋转后全向天线的增益满足上、下行链路要求。该方法通过绕对日定向轴转动一定角度，保证测控过程连续，减少地面切换使用天线的操作，降低地面操作复杂度，同时天线处于增益较大的区间，提高链路信道余量。
【专利说明】一种深空探测器天线指向的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及深空探测【技术领域】，具体涉及一种深空探测器天线指向的设计方法。
【背景技术】
[0002] 深空探测器在地月转移和环月飞行过程中，在正常巡航模式下及不对月成像状态 下，通常采用机械系某固定轴（以下定义为+X轴）对日定向，保证太阳翼法线方向与太阳 光方向平行。在这种情况下，若全向测控天线安装指向能够与±x轴平行，则探测器绕X轴 旋转与否不影响天线轴线与探测器-测控站间的夹角，从而对探测器巡航飞行姿态没有约 束要求。在这种条件下，探测器会采用慢旋姿态，不仅可以避开天线的凹点，还能利用自旋 稳定特点提_抗干扰能力。
[0003] 但对于具有复杂构型的探测器，器体表面设备较多，使安装空间受限，需要采取与 探测器±X轴有一定夹角的布局形式，以尽可能减小天线周边的设备遮挡对其增益的影 响。而在该布局下，若探测器采用自旋方式，天线轴线与探测器-测控站间的夹角可能会出 现在0?180度范围内周期性变化，地面测控系统如进行上行发令操作，地面需要实时判断 对地有利的天线，频繁周期性的切换上行频点（通常探测器全空间配置2组全向天线A和 B，全向天线A与B各负责半个空间，指向相差180度，全向天线A和B的点频不相同）以适 应上述夹角变化，从而增加了地面测控系统监视和操作的工作强度和任务复杂度，同时在 切换过程中将面临上行的重新捕获，意味着该段时间无法发送上行指令，降低了应急处置 能力。但若不进行自旋，同样根据分析发现，在探测器+X轴对日定向，Y、Z轴指向某些特定 方向时，天线轴线与探测器_测控站间的夹角会始终处于90度的附近振荡，这时对于探测 器上下两个面的全向天线增益都是最低的，同时仍存在频繁切换点频的问题。若为保证天 线指向，简单使探测器对日定向轴偏离太阳矢量，由于大部分太阳翼都不是双轴驱动，指向 方向无法完全适应，使太阳翼法线偏离了太阳矢量方向，从而影响太阳翼的供电输出；同时 由于敏感器在探测器上是固定安装且视场有限，指向通常针对特定的空间范围，如对日定 向轴偏离太阳矢量，则可能影响太阳敏感器正常对日捕获和跟踪，或者使星敏感器受到阳 光等杂光干扰，无法正常工作。
[0004] 因此，针对全向天线必须在+X轴对日指向的同时，优化设计Y、Z轴指向（绕X轴 转动特定角度），来解决上述问题。
[0005] 对于月球背面着陆任务，由于着陆器无法实现对地直接通信，必须采用环月或位 于地月拉格朗日点（L2点）的探测器（即中继星）实现数据转发，为了提高着陆器通过中 继星数传的效率，特别是关键任务阶段的实时监控，需要实现实时转发，中继星必须采用对 地和对月两组定向天线。由于定向天线波束窄，考虑地球、月球的轨道变化，一般需要采用 双轴转动跟踪机构来实现连续长时间对地和对月指向，但采用转动机构会带来重量和功耗 增大、指向控制计算复杂等问题。
[0006] 因此，针对定向天线必须设计一种较为简单的指向控制方法保证长时间同时对月 和对地指向，并满足太阳翼供电所需的指向约束。
【发明内容】
[0007] 有鉴于此，本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种深空探测器天线 指向的设计方法，该方法能够在不影响太阳翼供电、敏感器使用的条件下，使全向天线绕对 日定向轴转动一定角度，实现测控上下行大部分时间只使用一组天线，保证测控过程连续， 减少地面切换使用天线的操作，降低地面操作复杂度，同时天线处于增益较大的区间，提高 链路信道余量。
[0008] 本发明的技术解决方案如下：
[0009] -种深空探测器天线指向的设计方法，所述天线包括全向天线，所述全向天线对 地指向设计的具体步骤为：
[0010] 探测器机械坐标系（X，Y，Z)定义为：+X轴为用于对日定向的固定轴，依据右手坐 标系原则确定+Y轴与+Z轴；
[0011] 步骤一、计算探测器-地心方位矢量在机械坐标系上的表示
【权利要求】
1. 一种深空探测器天线指向的设计方法，所述天线包括全向天线，其特征在于，所述全 向天线对地指向的具体步骤为： 步骤一、计算探测器-地心方位矢量在机械坐标系上的表示t,=p2,"x，Pw 步骤二、根据所述U十算全向天线方位矢量与探测器-测控站间的夹角Θ ;
其中，[匕H]为探测器上全向天线在探测器机械坐标系上的方位矢量； 步骤三、在所述夹角Θ大于最大允许角度Y时，使探测器绕探测器机械坐标系的+X 轴旋转，使得旋转后全向天线的增益满足上、下行链路要求。
2. 根据权利要求1所述深空探测器天线指向的设计方法，其特征在于，所述全向天线 包括全向天线A和全向天线Β，所述步骤三中绕+X轴旋转为： 以全向天线A为的方位矢量进行计算， (1)计算Vly与机械坐标系+Y轴的夹角β i，计算V2my与机械坐标系+Y轴夹角为β 2 ; ⑵当Vlx · V2mx彡O时，此时使探测器绕机械坐标系+X轴旋转β角度后，使用全向天 线A ;
当Vlx*V2mx<0时，此时判断全向天线A方位矢量与探测器-测控站间的夹角Θ是否 满足Θ <90°，若是则使探测器按照上述计算的β角绕+X轴旋转后，使用全向天线Α，否 则使探测器按照上述计算的β角绕+X轴旋转后，使用全向天线B。
3. 根据权利要求2所述深空探测器天线指向的设计方法，其特征在于，执行所述设计 方法为探测器处于地月转移阶段和环月阶段。
4. 根据权利要求1或3所述深空探测器天线指向的设计方法，其特征在于，所述步骤一 的具体过程为： (a) 根据当前接收的探测器遥测数据，计算探测器在地心J2000惯性坐标系下的三 轴位置j = 心/(-?，则探测器-地心单位矢量在地心J2000惯性坐标系的表示为
(b) 计算地心J2000惯性坐标系转换到探测器机械坐标系的矩阵CmbCbi ; (c) 根据所述矩阵CmbCbi计算巧在探测器机械坐标系下的方位矢量为I =CwfcQf2。
5. 根据权利要求1或2所述深空探测器天线指向的设计方法，其特征在于，当探测器处 于环月阶段，所述步骤一计算的用根据星历计算月心-地心连线矢量在地心J2000惯性 坐标系的方位矢量来替代。
6. 根据权利要求1或2所述深空探测器天线指向的设计方法，其特征在于，所述天线还 包括定向天线，所述定向天线对地指向和对月指向的设计为： 坐标系（x，y，z)定义为：+x轴指向对月定向天线安装面，+z轴指向对地定向天线安装 面，+y轴与+X轴、+z轴按右手定则构成直角坐标系； 探测器对地指向定向天线采用固定于探测器本体的安装方式，对地天线指向位于月 球白道面内指向地心；探测器对月指向定向天线采用双轴驱动机构安装，当探测器与着陆 器着陆点连线不在对月指向定向天线指向的±90度内范围包络时，探测器绕其本体+z轴 转动180度，若月球背面上的着陆器处于月夜休眠，无对地转发需求时，取消相应的姿态调 整。
【文档编号】B64G1/66GK104369877SQ201410445809
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年9月3日 优先权日:2014年9月3日
【发明者】董捷, 孙泽洲, 李飞, 马继楠, 吴学英, 张熇 申请人:北京空间飞行器总体设计部