一种地面测控天线安装位置的确定方法与流程

1.本发明涉及一种地面测控天线安装位置的确定方法，属于航天器总体技术领域。


背景技术：

2.卫星在轨遥测数据中包括了卫星在轨运行期间的全部状态信息，是极为宝贵的卫星资源。设计人员利用卫星的遥测数据开展科学分析，对卫星的长期稳定运行和后续改进设计具有重要的意义。一方面，通过分析在轨遥测数据，可对卫星的健康状态进行监视和评估，及时发现异常并采取有效的应对措施，以保障卫星在轨长期稳定运行。另一方面，星上出现故障后，通过分析在轨遥测数据，可辅助设计人员记录故障现象、定位故障原因，为后续改进设计以减少或避免同类故障的发生提供有价值的参考。因此，在卫星发射后，及早获取遥测数据并进行科学分析，对卫星的安全稳定在轨运行至关重要。
3.现阶段，利用运载火箭发射卫星时，由于发射场附近缺少合适的地面测控站等原因，在运载火箭发射主动段-地面测控站可见之前，地面的卫星设计人员往往无法获得这一时间段内卫星的遥测数据，难以对卫星状态进行评估。一旦在此期间星上有异常情况发生，由于无法获取故障数据，后续的故障定位和排查工作将面临极大的困难。为了避免这种情况的发生，及时获取运载发射主动段卫星的遥测数据具有重要的工程意义。
4.随着技术的发展，近年来越来越多的运载火箭在设计中增设了透波窗口，这为获取运载发射主动段卫星的遥测数据提供了可能。在此基础上，为了弥补地面测控站的不足，可采取在发射场附近架设天线的方案来解决运载火箭发射主动段卫星遥测数据的接收问题，因此，如何确定地面测控天线的安装位置是该方案成功实施的关键。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种地面测控天线安装位置的确定方法，适用于具有透波特性的运载火箭发射卫星主动段时，用于确定在发射场架设地面测控天线的位置，从而有效解决运载火箭主动段卫星遥测数据的接收问题。
6.本发明解决技术的方案：
7.一种地面测控天线安装位置的确定方法，包括：
8.设定输入参数，包括：卫星天线主轴在卫星本体系的安装位置、安装角度，以及卫星在运载火箭本体系的安装角度；运载火箭发射主动段不同时刻的位置和姿态角信息；卫星天线的方向图；地面测控天线的方向角；
9.计算不同时刻卫星天线的方向图边界与大地水平面相交的截止线，确定不同时刻卫星天线对地的覆盖范围；
10.根据发射场周边地形，在卫星天线对地覆盖区域内排除水面和高山，将剩余可用的平原地区选为用于架设地面测控天线的目标区域，将目标区域均匀划分获得多个位置作为可能架设地面测控天线的位置；
11.针对目标区域内获得的多个位置，根据地面测控天线的方向角，逐一计算每个位
置处遥测开始时间、遥测结束时间和测控时长；
12.按照任务需求，选择测控时长和接收遥测的起止时刻满足要求的位置，将其作为地面测控天线安装位置。
13.进一步的，设定卫星天线的方向图为固定值2π；设定地面测控天线的方向角为ξ，0
°
《ξ《90
°
，安装结束后天线的方向角为固定值；卫星天线主轴在卫星本体系的安装位置、安装角度，以及卫星在运载火箭本体系的安装角度，在卫星发射前通过测量得到。
14.进一步的，计算t时刻截止线的实现方法如下：
15.第一步：根据运载火箭发射主动段t时刻的位置和姿态角信息，确定t时刻发射系下的天线主轴位置，具体步骤如下：
16.已知t时刻，火箭位置在发射系坐标为plv_fs＝[x_l,y_l,z_l]，x_l,y_l和z_l分别表示t时刻运载火箭位置在水平面的投影沿发射方向的距离、垂直发射方向的距离和运载的高程；按照321转序的运载火箭姿态角为lv_attitude＝[alpah_l,beta_l,gama_l]，alpah_l,beta_l和gama_l分别表示t时刻运载的滚动角、俯仰角和偏航角；卫星在运载火箭本体系的安装角度为s_angle＝[phi_s,theta_s,psi_s]，卫星天线主轴在卫星本体系的安装角度为theta_sa＝[alpha_sa,beta_sa,gama_sa]，按照如下公式计算发射系下的卫星天线主轴位置：
[0017]
v_axis＝[a3(gama_l)
×
a2(beta_l)
×
a1(alpha_l)]-1
×
[a3(psi_s)
×
a2(theta_s)
×
a1(phi_s)]-1
×
[a3(gama_sa)
×
a2(beta_sa)
×
a1(alpha_sa)]-1
×
[0 0 1]
[0018]
其中，a3(i)、a2(j)、a1(k)分别为321转序下的旋转矩阵，计算公式如下：
[0019]
a3(i)＝[cos(i),sin(i),0；-1
×
sin(i),cons(i),0；0 0 1]；
[0020]
a2(j)＝[cos(j),0,-1
×
sin(j)；0 1 0；sin(j),0,cons(j)]；
[0021]
a1(k)＝[1 0 0；0cos(k),sin(k)；0-1
×
sin(k)cos(k)]；
[0022]
其中，i＝gama_l,psi_s,gama_sa；
[0023]
j＝beta_l,theta_s,beta_sa；
[0024]
k＝alpha_l,phi_s,alpha_sa；
[0025]
第二步：利用卫星天线主轴与截止线的垂直关系，按照如下计算公式确定t时刻截止线z位置：
[0026]
z＝{2/(x1_jz-x2_jz)}
×
x+{1-2
×
x1_jz/(x1_jz-x2_jz)}
[0027]
其中，(x1_jz,0,1),(x2_jz,0,-1)为截止线上两点的坐标。
[0028]
x1_jz和x2_jz的计算公式如下：
[0029]
x1_jz＝x_l+{y_l
×
v_axis
×
[0 1 0]-(1-z_l
×
v_axis
×
[0 0 1])}/{v_axis
×
[1 0 0]}
[0030]
x2_jz＝x_l+{y_l
×
v_axis
×
[0 1 0]-(-1-z_l
×
v_axis
×
[0 0 1])}/{v_axis
×
[1 0 0]}。
[0031]
进一步的，将目标区域均匀划分获得多个位置作为可能架设地面测控天线的位置的实现方式如下：
[0032]
假设目标区域为矩形，在目标区域内以西侧边界线一个顶点为起点location_11，沿北侧边界线向东每间隔1米划定一个点，直到到达东侧边界线为止，将划定的点记作location_1j，j＝2,
…
,n；然后，以location_11为起点，沿西侧边界线向南每间隔1米划定
一个点直到南侧边界线为止，将划定的点记为location_i1，i＝2,
…
,m；接着，分别以location_i1为起点，沿与北侧边界线平行的线向东每间隔1米划定一个点，直到东侧边界线为止，将划定的点记作location_ij，从而将目标区域得到了m
×
n个位置。
[0033]
进一步的，计算每个位置处遥测开始时间、遥测结束时间和测控时长的实现方法如下：
[0034]
第一步:已知t时刻，火箭位置在发射系坐标为(x_l,y_l,z_l),该时刻选取的某地面测控天线的位置为(xg,yg,zg),地面测控天线的方向角为ξ，判断在z＝zg平面内，地面测控天线
‑‑
星上天线安装位置的连线是否在地面测控天线的方向角内,即下式是否成立：
[0035]
(y_l-yg)/(x_l-xg)》cot(ξ/2)
[0036]
若上式成立，则表示在遥测可见范围内，否则表示不在遥测可见范围内；将每个时刻火箭位置代入上述公式进行判断，标记使上式成立的最早时刻为t_start，使上式成立的最晚时刻为t_end，因此将地面测控天线安装在(xg,yg,zg)的位置时，遥测开始时间为t_start，遥测结束时间为t_end，测控时长为tck＝t_end-t_start；
[0037]
第二步：针对每一个选取的地面测控天线位置，按照上述步骤计算相应的遥测开始时间、遥测结束时间和测控时长。
[0038]
进一步的，按照任务需求，选择测控时长和接收遥测的起止时刻满足要求的位置，将其作为地面测控天线安装位置的实现方式如下：
[0039]
如果任务需求为测控时间最长，则选测控时长取最大值时对应的位置作为天线的架设位置；如果任务要求为遥测开始时间最早，则选取遥测开始时间取最小值时对应的位置作为天线的架设位置；如果任务要求为遥测结束时间最晚，则选取遥测结束时间为最大值时对应的位置作为天线的架设位置。
[0040]
本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0041]
(1)本发明通过分析运载火箭发射主动段时不同时刻不同安装位置的地面测控天线可接收遥测的时长情况，确定在发射场附近架设卫星地面测控天线的安装位置，可解决现阶段运载发射主动段由于缺乏地面测控站导致无法接收卫星遥测数据的问题；
[0042]
(2)本发明给出了地面不同位置测控天线的遥测开始时间、遥测结束时间和测控时长，用户可以据此合理按需确定地面测控天线的位置；方法计算流程可操作性强，具备工程应用性；
[0043]
(3)本发明所述方法可推广至卫星在轨期间地面测控天线安装位置的计算，只需给出期望的测控时段内卫星轨迹的相关参数。
附图说明
[0044]
图1为本发明架设地面测控天线接收卫星遥测场景示意图，其中lp表示发射台、lv表示运载火箭、s表示卫星、ga表示地面测控天线、flight path表示运载火箭在主动段的飞行轨迹；
[0045]
图2为卫星天线的2π空间方向图，其中：a-axis表示天线的主轴、2πspace表示方向角为2π时的天线空间(如黑色虚线区域所示)；
[0046]
图3为地面测控天线安装位置计算流程图。
具体实施方式
[0047]
如附图1所示，本发明架设地面测控天线接收卫星遥测的场景示意图，利用具有透波窗口的运载火箭发射卫星时，通过在发射场附近位置架设的地面测控天线实现在运载火箭发射主动段-地面测控站可见之前卫星遥测数据的接收。
[0048]
如附图2所示，为卫星天线的2π空间方向图。
[0049]
如附图3所示，本发明提出一种地面测控天线安装位置的确定方法，具体步骤包括：
[0050]
步骤一：设定输入参数，包括：
[0051]
(1)设定卫星天线主轴在卫星本体系的安装位置sa_position、安装角度theta_sa＝[alpha_sa,beta_sa,gama_sa]、卫星在运载内部的安装位置s_position＝[x_s,y_s,z_s]，上述参数可在卫星发射前通过测试设备测量得到；
[0052]
(2)设定在大地东南上坐标系，运载位置t时刻在发射系坐标的位置lv_positon＝[x_l,y_l,z_l]和姿态角lv_attitude＝[alpah_l,beta_l,gama_l]。其中，x_l,y_l和z_l分别表示t时刻运载位置在水平面的投影沿发射方向的距离、垂直发射方向的距离和运载的高程，alpah_l,beta_l和gama_l分别表示t时刻运载的滚动角、俯仰角和偏航角；
[0053]
(3)设定卫星天线的方向图为固定值2π；
[0054]
(4)设定地面测控天线的方向角为ξ(0
°
《ξ《90
°
)，安装结束后天线的方向角为固定值；
[0055]
步骤二：计算不同时刻t卫星天线的方向图边界与大地水平面相交的截止线cf，确定不同时刻t卫星天线对地的覆盖区域covered area。
[0056]
计算t时刻截止线的实现方法如下：
[0057]
第一步：根据运载火箭发射主动段不同时刻的位置和姿态角信息，确定不同时刻发射系下的天线主轴位置，具体步骤如下：
[0058]
已知t时刻，火箭位置在发射系坐标为plv_fs＝[x_l,y_l,z_l]，x_l,y_l和z_l分别表示t时刻运载火箭位置在水平面的投影沿发射方向的距离、垂直发射方向的距离和运载的高程；按照321转序的运载火箭姿态角为lv_attitude＝[alpah_l,beta_l,gama_l]，alpah_l,beta_l和gama_l分别表示t时刻运载的滚动角、俯仰角和偏航角；卫星在运载火箭本体系的安装角度为s_angle＝[phi_s,theta_s,psi_s]，卫星天线主轴在卫星本体系的安装角度为theta_sa＝[alpha_sa,beta_sa,gama_sa]，按照如下公式计算发射系下的卫星天线主轴位置：
[0059]
v_axis＝[a3(gama_l)
×
a2(beta_l)
×
a1(alpha_l)]-1
×
[a3(psi_s)
×
a2(theta_s)
×
a1(phi_s)]-1
×
[a3(gama_sa)
×
a2(beta_sa)
×
a1(alpha_sa)]-1
×
[0 0 1]
[0060]
其中，a3(i)、a2(j)、a1(k)分别为321转序下的旋转矩阵，计算公式如下：
[0061]
a3(i)＝[cos(i),sin(i),0；-1
×
sin(i),cons(i),0；0 0 1]；
[0062]
a2(j)＝[cos(j),0,-1
×
sin(j)；0 1 0；sin(j),0,cons(j)]；
[0063]
a1(k)＝[1 0 0；0cos(k),sin(k)；0-1
×
sin(k)cos(k)]；
[0064]
其中，i＝gama_l,psi_s,gama_sa；
[0065]
j＝beta_l,theta_s,beta_sa；
[0066]
k＝alpha_l,phi_s,alpha_sa；
[0067]
第二步：利用卫星天线主轴与截止线的垂直关系，按照如下计算公式确定不同时刻截止线z位置：
[0068]
z＝{2/(x1_jz-x2_jz)}
×
x+{1-2
×
x1_jz/(x1_jz-x2_jz)}
[0069]
其中，(x1_jz,0,1),(x2_jz,0,-1)为截止线上两点的坐标。
[0070]
x1_jz和x2_jz的计算公式如下：
[0071]
x1_jz＝x_l+{y_l
×
v_axis
×
[0 1 0]-(1-z_l
×
v_axis
×
[0 0 1])}/{v_axis
×
[1 0 0]}
[0072]
x2_jz＝x_l+{y_l
×
v_axis
×
[0 1 0]-(-1-z_l
×
v_axis
×
[0 0 1])}/{v_axis
×
[1 0 0]}。
[0073]
步骤三，根据发射场周边地形，在卫星天线对地覆盖区域内排除水面和高山，将剩余可用的平原地区选为用于架设地面测控天线的目标区域，将目标区域均匀划分获得多个位置作为可能架设地面测控天线的位置；
[0074]
假设目标区域为矩形，在目标区域内以西侧边界线一个顶点为起点location_11，沿北侧边界线向东每间隔1米划定一个点，直到到达东侧边界线为止，将划定的点记作location_1j，j＝2,
…
,n；然后，以location_11为起点，沿西侧边界线向南每间隔1米划定一个点直到南侧边界线为止，将划定的点记为location_i1，i＝2,
…
,m；接着，分别以location_i1为起点，沿与北侧边界线平行的线向东每间隔1米划定一个点，直到东侧边界线为止，将划定的点记作location_ij，从而将目标区域得到了m
×
n个位置；假设目标区域为其它形状，可按照上述矩形区域的划分位置方式，将目标区域划定若干相同距离的位置。
[0075]
步骤四，针对目标区域内获得的多个位置，根据地面测控天线的方向角，逐一计算每个位置处遥测开始时间、遥测结束时间和测控时长；
[0076]
第一步:已知t时刻，火箭位置在发射系坐标为(x_l,y_l,z_l),该时刻选取的某地面测控天线的位置为(xg,yg,zg),地面测控天线的方向角为ξ，判断在z＝zg平面内，地面测控天线
‑‑
星上天线安装位置的连线是否在地面测控天线的方向角内,即下式是否成立：
[0077]
(y_l-yg)/(x_l-xg)》cot(ξ/2)
[0078]
若上式成立，则表示在遥测可见范围内；否则，表示不在遥测可见范围内。将每个时刻火箭位置代入上述公式进行判断，标记使上式成立的最早时刻为t_start，使上式成立的最晚时刻为t_end。因此将地面测控天线安装在(xg,yg,zg)的位置时，遥测开始时间为t_start，遥测结束时间为t_end，测控时长为tck＝t_end-t_start；
[0079]
第二步：针对每一个选取的地面测控天线位置，按照上述步骤计算相应的遥测开始时间、遥测结束时间和测控时长。
[0080]
步骤五，按照任务需求，选择测控时长和接收遥测的起止时刻满足要求的位置，将其作为地面测控天线架设位置；如果任务需求为测控时间最长，则选测控时长取最大值时对应的位置作为天线的架设位置；如果任务要求为遥测开始时间最早，则选取遥测开始时间取最小值时对应的位置作为天线的架设位置；如果任务要求为遥测结束时间最晚，则选取遥测结束时间为最大值时对应的位置作为天线的架设位置。
[0081]
本发明提出一种地面测控天线安装位置的确定方法，适用于利用具有透波特性的运载火箭发射卫星时，通过分析运载火箭发射主动段不同时刻不同安装位置的地面测控天线可接收遥测的时长情况，确定在发射场附近架设卫星测控天线的位置。主要包括五个步
骤，一是设定输入参数，二是确定不同时刻卫星天线对地的覆盖范围，三是根据发射场地形确定可能架设天线的位置，四是根据地面测控天线方向角计算每个位置处能够接收遥测的起止时刻和测控时长，五是按照任务需求完成地面测控天线架设位置计算。本发明可解决现阶段运载火箭发射主动段由于缺乏地面测控站导致无法接收卫星遥测数据的问题，并可推广至卫星在轨期间地面测控天线安装位置的计算。
[0082]
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。