专利名称：一种适用于金星探测器的数传天线偏置安装角的姿态指向方法
技术领域：
本发明涉及一种金星探测器的姿态指向设计方法，更特别地说，是指一种适用于金星探测器的数传天线偏置安装角的姿态指向方法。
背景技术：
随着航天技术的发展，人类活动逐渐扩展到太阳系内类地行星等深空探测领域。 通过发射行星探测器进行行星空间环境以及太阳系和宇宙起源与演化等科学任务探测。对于以金星为代表的类地行星探测器，其生存环境(包括能源、温度和通讯等)完全不同于地球轨道器，即需要依据探测任务和飞行轨道以及环境设计合适的姿态指向以满足探测器对能源、温控以及数传等指标需求。金星探测器具有地球遥远，可维护能力较差；故探测器应采取简洁设计以增加系统抗干扰能力探测器应尽可能少地安装设备，减少转动部件的数量以及转角范围；探测器应采取固定或准固定散热面设计，即可有效控制探测器内部各设备的温度，还可减小热控系统的研制难度；探测器下行数传通道的空间损耗较大难以获得高速通信，故数传天线应保持长时间指向地球以延长通讯时长。为了最大限度获取探测数据并完成对地传输，同时降低探测器的研制难度，需要针对探测器进行全寿命期姿态指向规划。人类已发射多颗金星探测器，其姿态指向设计各不相同早期探测器以能否进入行星环绕轨道为任务目标，其运行寿命和信息采集量有限，姿态设计方法往往沿用地球卫星三轴稳定对地指向的理念；随着控制能力的增强，探测器逐渐采用多星定向方式，即在不同的任务阶段采取不同的姿态指向。Current status of the PLANET-CVenus orbiter design(19 October 2002)禾口 Planet-C :Venus Climate Orbitermission of Japan(10 April 2006)中介绍了金星探测器的结构。自1989年以来，共有两个多星定向的金星探测器发射升空“金星快车 (VenusExpress) ”探测器(ESA，2005. 11)，“拂晓(AKATSUKI) ”探测器(JAXA，2010. 5)。Venus Express携带两个数传天线且背向安装高增益大型天线进行较远距离数据传输，低增益小型天线进行较近距离数据传输。AKATSMI携带高增益、中增益和低增益三个数传天线，其中高增益天线作为主份执行数传任务。VenusExpress和AKATSUKI帆板的轴向垂直于金星公转平面，并进行对日跟踪定向以保持光线入射角接近90°。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有金星探测器必须装备2个或2个以上数传天线以及固定散热器的设计不足，提供一种基于天线偏置安装角的姿态指向方法；该方法既可将对地数传天线数量减至1个以减少装载设备，又可固定探测器的散热器以简化设计和降低研制难度。本发明的一种适用于金星探测器的数传天线偏置安装角的姿态指向方法，该姿态指向方法(1)根据金星探测器的指向控制精度确定数传天线的偏置安装角；(2)以数传天线指向地球和帆板法向指向太阳为基准建立姿态，并以散热面切换的操作节点和所分割的弧段进行姿态变化；(3)根据天线偏置角的设计值，计算1个地、金绕日公转的公倍周期内姿态机动和散热器切换的定量坐标；(4)探测器将在地、金公转的公倍周期内重复上述各节点和弧段内动作，直至金星探测器寿命结束。本发明基于天线偏置安装角的姿态指向设计方法的优点在于①本发明通过偏置安装数传天线以设计和规划金星探测器的姿态指向，仅依靠1 个数传天线实现天线对地和帆板对日的长期定向，弥补现有方法需安装2个或以上数传天线的不足，既减轻了重量又缓解电路、信息交互以及电磁兼容等分系统的设计压力。②本发明通过分节点和弧段设计姿态指向，既实现对地传输定向又固定散热面， 从而简化探测器的设计难度并降低研制成本。
图1是金星探测器与数传天线、帆板的布局结构图。图IA是金星探测器与数传天线、帆板的另一视角布局结构图。图IB是图1的俯视图。图2是应用本发明改良后金星探测器的姿态指向设计示意图。图中1.金星探测器 1A.A板面 1B.B板面 1C. C板面ID. D板面 IE. E板面 2. A帆板 2A. A帆板转动轴3. B帆板 3A. B帆板转动轴 4. A散热器 5. B散热器 6.数传天线6A.数传天线转动轴
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。基于天线偏置安装的姿态指向本发明设计了一种具有一个数传天线的金星探测器，该金星探测器的结构如图1、图1A、图IB所示，金星探测器1的外部为六面体，其中A板面IA与C板面IC为相对面，当A板面IA作为前面板时，则C板面IC为后面板；B板面IB 与D板面ID为相对面，当B板面IB作为左面板时，则D板面ID为右面板；E板面IE与F板面为相对面；当E板面IE作为上面板时，则F板面为下面板。参见图1、图IA所示，B板面IB上安装有A散热器4，C板面IC上安装有B散热器 5。即B板面IB和C板面IC设计为散热面，金星探测器1的B板面IB和C板面IC上的散热器进行交替使用，可通过百叶窗等热控成熟技术切换。参见图1、图1A、图IB所示，D板面ID上安装有数传天线6，且天线偏置角为θ， 0° < θ <90°。所述天线偏置角θ是指数传天线转动轴6Α与金星探测器1的D板面 ID之间的夹角。参见图1、图1Α、图IB所示，E板面IE上安装有A帆板2Α，F板面上安装有B帆板 3Α。A帆板2的转动通过金星探测器1内部设置的驱动机构带动A帆板转动轴2Α转动来实现；B帆板3的转动通过金星探测器1内部设置的驱动机构带动B帆板转动轴3A转动来实现。在本发明中，依据设计的具有一个数传天线的金星探测器(改进后的金星探测器)在任务期间的金星公转弧段与节点(参见图2所示)进行姿态指向的布置，其天线偏置安装的姿态指向包括下列步骤。金星公转弧段包括有弧段α、弧段β、弧段Y、弧段ζ和弧段δ ；即弧段α 金星探测器以图2所示姿态进行数传天线6对地指向，在所述弧段α内金星探测器1的B板面IB和金星探测器1的C板面IC面均不受照，可作为散热面使用；弧段β 金星探测器以图2所示姿态进行数传天线6对地指向，在所述弧段β内金星探测器1的B板面IB不受照，而金星探测器1的C板面IC受照，故金星探测器1的B 板面IB可作为散热面使用；弧段Υ 金星探测器以图2所示姿态进行数传天线6对地指向，在所述弧段Y内金星探测器1的B板面IB和金星探测器1的C板面IC均不受照，可作为散热面使用；弧段ζ 金星探测器以图2所示姿态进行数传天线6对地指向，在所述弧段ζ内金星探测器1的C板面IC不受照，而金星探测器1的B板面IB受照，故金星探测器1的C 板面IC可作为散热面使用；弧段δ 金星探测器以图2所示姿态进行数传天线6对地指向，在所述弧段δ内金星探测器1的C板面IC不受照，而金星探测器1的B板面IB受照，故金星探测器1的C 板面IC可作为散热面使用。在本发明中，金星探测器每转过一个弧段称作一个节点，即节点I 由弧段δ进入弧段α，金星探测器1的B板面IB由受照变化为不受照， 可将散热面由金星探测器ι的C板面IC切换为金星探测器1的B板面1Β，姿态无需机动；节点II 由弧段α进入弧段β，金星探测器1的C板面IC由不受照变化为受照， 散热面无需切换且姿态无需机动；节点III:由弧段β进入弧段Y，金星探测器1的B板面IB由不受照变化为受照，姿态需绕数传天线6的转动轴6Α轴向进行180°机动，则金星探测器1的B板面IB和金星探测器1的C板面IC均不受照，且金星探测器1的B板面IB仍可作为散热面使用；节点IV 由弧段γ进入弧段ζ，金星探测器1的B板面IB由不受照变化为受照， 可将散热面由金星探测器1的B板面IB切换为金星探测器1的C板面1C，姿态无需机动；节点V 由弧段ζ进入弧段α，金星探测器1的C板面IC由不受照变化为受照， 姿态需绕数传天线6的转动轴6Α轴向进行180°机动，则金星探测器1的C板面IC不再受照，且金星探测器1的C板面IC仍可作为散热面使用。在一个任务期间内，金星探测器1共进行2次180°姿态机动，2次散热面切换 ’散热面切换发生在靠近地球的节点I和节点IV，且金星探测器1的B板面IB承担散热面的时间远大于金星探测器1的C板面1C，即弧段α、弧段β和弧段γ的弧线长度远大于弧段 ζ和弧段δ的弧线长度。根据弧段α、弧段β、弧段Y、弧段ζ和弧段δ所表示的弧段长度、以及金星探测器1每转过一个弧段所构成的一个节点，能够定量描述出姿态指向与节点位置之间的关系
权利要求
1.一种适用于金星探测器的数传天线偏置安装角的姿态指向方法，其特征在于所述姿态指向是金星公转弧段与节点进行姿态指向的布置；金星公转弧段包括有弧段α、弧段 β、弧段Y、弧段ζ和弧段δ ；所述金星探测器每转过一个弧段称作一个节点；弧段α是指金星探测器(1)上的数传天线(6)对地指向，在所述弧段α内金星探测器(1)的B板面(IB)和金星探测器(1)的C板面(IC)面均不受照，可作为散热面使用；弧段β是指金星探测器(1)上的数传天线(6)对地指向，在所述弧段β内金星探测器⑴的B板面(IB)不受照，而金星探测器⑴的C板面(IC)受照，故金星探测器⑴的 B板面(IB)可作为散热面使用；弧段Y是指金星探测器(1)上的数传天线(6)对地指向，在所述弧段Y内金星探测器(1)的B板面(IB)和金星探测器(1)的C板面(IC)均不受照，可作为散热面使用；弧段ζ是指金星探测器(1)上的数传天线(6)对地指向，在所述弧段ζ内金星探测器⑴的C板面(IC)不受照，而金星探测器⑴的B板面(IB)受照，故金星探测器⑴的 C板面(IC)可作为散热面使用；弧段δ是指金星探测器(1)上的数传天线(6)对地指向，在所述弧段δ内金星探测器⑴的C板面(IC)不受照，而金星探测器⑴的B板面(IB)受照，故金星探测器⑴的 C板面(IC)可作为散热面使用；节点I是指由弧段δ进入弧段α，金星探测器(1)的B板面(IB)由受照变化为不受照，可将散热面由金星探测器(1)的C板面(IC)切换为金星探测器(1)的B板面(1Β)，姿态无需机动；节点II是指由弧段α进入弧段β，金星探测器(1)的C板面(IC)由不受照变化为受照，散热面无需切换且姿态无需机动；节点III是指由弧段β进入弧段Y，金星探测器(1)的B板面(IB)由不受照变化为受照，姿态需绕数传天线(6)的转动轴(6Α)轴向进行180°机动，则金星探测器⑴的B板面(IB)和金星探测器⑴的C板面(IC)均不受照，且金星探测器⑴的B板面(IB)仍可作为散热面使用；节点IV是指由弧段Y进入弧段ζ，金星探测器(1)的B板面(IB)由不受照变化为受照，可将散热面由金星探测器(1)的B板面(IB)切换为金星探测器(1)的C板面(1C)，姿态无需机动；节点V是指由弧段ζ进入弧段α，金星探测器(1)的C板面(IC)由不受照变化为受照，姿态需绕数传天线(6)的转动轴(6Α)轴向进行180°机动，则金星探测器⑴的C板面 (IC)不再受照，且金星探测器(1)的C板面(IC)仍可作为散热面使用。
2.根据权利要求1所述的适用于金星探测器的数传天线偏置安装角的姿态指向方法， 其特征在于金星探测器(1)共进行2次180°姿态机动，2次散热面切换；散热面切换发生在靠近地球的节点I和节点IV，且金星探测器(1)的B板面(IB)承担散热面的时间远大于金星探测器(1)的C板面(IC)，即弧段α、弧段β和弧段γ的弧线长度远大于弧段ζ和弧段δ的弧线长度。
3.根据权利要求1所述的适用于金星探测器的数传天线偏置安装角的姿态指向方法， 其特征在于所述金星探测器⑴的B板面(IB)上安装有A散热器(4)，C板面(IC)上安装有B散热器(5)；所述金星探测器(1)的D板面(ID)上安装有数传天线(6)，数传天线转动轴(6A)与金星探测器(1)的D板面(ID)之间的夹角等于0° < θ <90°。
4.根据权利要求1所述的适用于金星探测器的数传天线偏置安装角的姿态指向方法，其特征在于以地-日连线为起始点，逆时针转动为正向定义各个节点的位置如下fL λ 节点 I 的位置=M = ^-SiiT1 -^sin^。\le J(L λ 节点II的位置^ = ^+008-1 ^cos沒。LTK-lE J (L λ节点III的位置炉3=龙+汐+ sin-1 ^sin^。\le J (L λ节点IV的位置炉4 = 2龙-汐+ sin-1 ^sin^。\le J(L λ 节点 V 的位置=M=Cos-1 fcose -θ。\le J
5.根据权利要求1所述的适用于金星探测器的数传天线偏置安装角的姿态指向方法，其特征在于以地-日连线为起始点，逆时针转动为正向定义各个弧段的长度如下fL Λ fL Λ 弧段 α 的长度及 =cos_1 ^cosO - sin"1 ^cosO。TTK-uE JK-uE J(L λ(ι λ弧段 β 的长度=兀 + sin_1 lsin (9 - cos"1 — sin^。J 、Le y弧段Y的长度RY =。fL λ fL λ弧段 ζ 的长度 Ai = COS-1 ^cos^ -sin"1 ^cosO。JyfLλ(Τλ弧段 S 的长度= 2(9 - sin_1 ^ ηθ - cos"1 sin θ。Jy
全文摘要
本发明公开了一种适用于金星探测器的数传天线偏置安装角的姿态指向方法，该姿态指向方法(1)根据金星探测器的指向控制精度确定数传天线的偏置安装角，(2)以数传天线指向地球和帆板法向指向太阳为基准建立姿态，并以散热面切换的操作节点和所分割的弧段进行姿态变化，(3)根据天线偏置角的设计值，计算1个地、金绕日公转的公倍周期内姿态机动和散热器切换的定量坐标，(4)探测器将在地、金公转的公倍周期内重复上述各节点和弧段内动作，直至金星探测器寿命结束。本发明的姿态指向，克服现有金星探测器必须装备2个或以上数传天线以及固定散热器的不足，既可将对地数传天线数量减至1个以减少装载设备，又可固定金星探测器的散热器以简化设计和降低研制难度。
文档编号B64G1/24GK102514735SQ20111035817
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月11日 优先权日2011年11月11日
发明者侯小瑾, 刘胜利, 吕秋杰, 徐世杰, 徐 明, 朱佳敏, 蒙薇, 谭田 申请人:北京航空航天大学