一种用于低轨星载天线跟踪地面站的方法
【专利摘要】本发明一种用于低轨星载天线跟踪地面站的方法，1)计算天线下一指向时刻的UTC；2)计算获得天线下一指向时刻的卫星瞬时轨道根数；3)计算卫星在J2000惯性坐标系下的位置；4)计算天线下一指向时刻地面站在J2000惯性坐标系下的位置；5)计算卫星与地面站在J2000惯性坐标系下的相对位置分量；6)计算卫星与地面站相对位置分量在地心拱线系下的分量；7)计算卫星与地面站相对位置分量在卫星轨道坐标系下的分量；8)计算获得卫星与地面站相对分量在卫星本体系下的分量；9)计算获得卫星与地面站相对位置分量在天线坐标系下的分量；10)获得天线指向角度，并驱动天线对地面站进行指向跟踪。
【专利说明】-种用于低轨星载天线跟踪地面站的方法
【技术领域】
[0001] 本方法涉及中一种用于低轨星载天线跟踪地面站的方法，特别要求具有高指向精 度，属于天线控制【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 随着航天器数据中继、星间链路、对地高分辨率观测等任务的日益增多，对终端点 波束跟踪天线的需求也随之增多。点波束跟踪天线用于完成对地面站、中继星或目标星的 指向跟踪，以实现高速数据传输。由此，当天线口径一定时，天线具有更高的增益，波束宽度 更窄，天线跟踪的跟踪精度对任务的完成尤为重要。跟踪精度由执行误差、安装误差、姿态 误差以及热变形等组成，其中天线的执行误差占主要成分，且在系统设计时可通过仿真验 证。目前，遥感卫星对天线的执行精度要求为小于0.Γ(3〇)。
[0003] 在对地观测遥感卫星中，高增益、极化复用双轴点波束跟踪天线已成为卫星高速 数据传输最重要的手段之一。但由于低轨卫星易受地球非球形引力和大气阻力等摄动力的 影响，并且存在天线安装误差等原因，数传天线指向地面站的指向精度难以保证，从而影响 卫星遥感数据的传输。因此，设计具有高精度数传天线指向地面站算法是星高速数据传输 的关键技术之一。
[0004] 专利针对低轨卫星数传天线跟踪地面站的轨道外推计算跟踪精度小于0. 1度的 要求，在保证星上设备运算量可行性的基础上，考虑了地球非球形引力和大气阻力等摄动 力的影响，并进行了天线的安装偏差补偿，利用解析法进行24小时轨道外推。
[0005] 与本发明方法相关的技术文献说明如下：
[0006] [1]杨海峰，侯朝桢.遥感卫星的轨道外推方法.全球定位系统.2007,6 ;
[0007] [2]张晓坤.星载轨道预报算法和轨道机动仿真研究.中国科学院空间科学与应 用研究中心硕士学位论文.2005 ;
[0008] [3]刘林，王彦荣.卫星轨道预报的一种分析方法.天文学报.2005 46 (3); [0009]文献[1]在分析遥感卫星轨道特点的基础上，提出一种新的简化执道摄动力模型 (仅考虑J2项），利用模型实现了轨道外推，并利用最小方差序列匹配对低执卫星外推数据 进行修正。该文献是利用GPS数据，结合集合法和轨道外推法，以提高卫星星历的密度。该 文献轨道摄动力模型未考虑J2、J3、J4项以及大气阻力的对轨道根数的影响。
[0010] 文献[2]研究星载传统解析预报方法，提出一种星历计算数值方法，采用嵌套插 值方法的单步法积分器，实现了较高精度的轨道外推。该算法在考虑J2、J3、J4项摄动的情 况下，外推24小时的位置误差约为4km。该文献所采用的轨道外推算法不能满足本专利要 求外推24小时的位置误差约为Ikm的需求。
[0011] 文献[3]在已有分析法得到1时刻平均根数的基础上给出一种轨道预报方法，由t 时刻的平均根数给出该时刻卫星的位置和速度，在此基础上将地球非球形引力摄动的周期 项直接用卫星直角坐标的位置和速度分量表示，这样可以避免在计算轨道根数变化的周期 项时出现的奇点问题，从而对根数的选择无特殊要求，可适用于各种轨道，简化预报程序和 相应的软件，提高预报效率。该文献只未给出如何计算星载天线对地面站的指向角度。
【发明内容】
[0012] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于低轨星载天线跟 踪地面站的方法，引入半长轴衰减量以补偿大气阻力引起的摄动影响，补偿天线的安装偏 差，满足指向计算误差不能超过0.Γ的指标要求。
[0013] 本发明的技术方案是：一种用于低轨星载天线跟踪地面站的方法，步骤如下：
[0014] 1)根据卫星数管系统提供的航行时间，利用简约儒略日时间，计算天线下一指向 时刻的世界协调时UTC;
[0015] 2)获取卫星轨道初始时间UTC时、卫星初始平均轨道根数和卫星轨道半长轴衰 减，计算获得天线下一指向时刻的卫星瞬时轨道根数；
[0016] 3)根据步骤2)获得的天线下一指向时刻的卫星瞬时轨道根数，计算获得下一天 线指向时刻卫星在J2000惯性坐标系下的位置；
[0017] 4)根据地面站信息和天线指向时刻的世界协调时UTC，计算获得天线指向时刻地 面站在J2000惯性坐标系下的位置；所述的地面站信息包括经度、纬度、高程；
[0018] 5)根据步骤3)、步骤4)获得的天线指向时刻卫星以及地面站在J2000惯性坐标 系下的位置，计算获得卫星与地面站在J2000惯性坐标系下的相对位置分量；
[0019] 6)计算获得卫星与地面站相对位置分量在地心拱线系下的分量；
[0020] 7)计算获得卫星与地面站相对位置分量在卫星轨道坐标系下的分量；
[0021] 8)根据卫星提供的姿态角和轨道根数，计算获得卫星与地面站相对分量在卫星本 体系下的分量；
[0022]9)获取卫星上天线安装偏差矩阵和天线坐标系与星体坐标系的关系矩阵，计算获 得卫星与地面站相对位置分量在天线坐标系下的分量；
[0023] 10)根据步骤9)获得的卫星与地面站相对位置分量在天线坐标系下的分量，计算 获得天线指向角度，包括方位角和俯仰角；根据该指向角度驱动天线对地面站进行指向跟 足示。
[0024] 所述步骤1)的具体计算方法如下：
[0025]11)将卫星航行时间转换成简约儒略天数、简约儒略秒数、简约儒略毫秒数；
[0026] 111)将卫星航行时间的毫秒部分FlightTime_msecond与卫星基准时刻的儒略毫 秒部分JD_Initial_msecond相加，得到当前时间的儒略毫秒JD_msecond;其中[int]表示 取整；
[0027]JD_msecond/ =FlightTime_msecond+JD_Initial_msecond,
[0028]JDmsecond-JDmsecand' - \_INT]贝 _msecondχ工〇〇()， --1000
[0029] 112)将卫星航行时间的整秒部分FlightTime_second与卫星基准时刻的儒略整 秒部分JD_lnitial_second相加，计算得到当前时间的儒略秒数JD_second:
[0030] JDsecond'=JDInitialsecond+FlightTimesecond+\_INT\^-msecon^, ~ 1000
【权利要求】
1. 一种用于低轨星载天线跟踪地面站的方法，其特征在于步骤如下： 1) 根据卫星数管系统提供的航行时间，利用简约儒略日时间，计算天线下一指向时刻 的世界协调时UTC ; 2) 获取卫星轨道初始时间UTC时、卫星初始平均轨道根数和卫星轨道半长轴衰减，计 算获得天线下一指向时刻的卫星瞬时轨道根数； 3) 根据步骤2)获得的天线下一指向时刻的卫星瞬时轨道根数，计算获得下一天线指 向时刻卫星在J2000惯性坐标系下的位置； 4) 根据地面站信息和天线指向时刻的世界协调时UTC，计算获得天线指向时刻地面站 在J2000惯性坐标系下的位置；所述的地面站信息包括经度、纬度、高程； 5) 根据步骤3)、步骤4)获得的天线指向时刻卫星以及地面站在J2000惯性坐标系下 的位置，计算获得卫星与地面站在J2000惯性坐标系下的相对位置分量； 6) 计算获得卫星与地面站相对位置分量在地心拱线系下的分量； 7) 计算获得卫星与地面站相对位置分量在卫星轨道坐标系下的分量； 8) 根据卫星提供的姿态角和轨道根数，计算获得卫星与地面站相对分量在卫星本体系 下的分量； 9) 获取卫星上天线安装偏差矩阵和天线坐标系与星体坐标系的关系矩阵，计算获得卫 星与地面站相对位置分量在天线坐标系下的分量； 10) 根据步骤9)获得的卫星与地面站相对位置分量在天线坐标系下的分量，计算获得 天线指向角度，包括方位角和俯仰角；根据该指向角度驱动天线对地面站进行指向跟踪。
2. 根据权利要求1所述的一种用于低轨星载天线跟踪地面站的方法，其特征在于：所 述步骤1)的具体计算方法如下： 11) 将卫星航行时间转换成简约儒略天数、简约儒略秒数、简约儒略毫秒 数； 111)将卫星航行时间的毫秒部分FlightTime_msecond与卫星基准时刻的儒略毫秒部 分JD_Initial_msecond相加，得到当前时间的儒略毫秒JD_msecond ;其中[int]表示取 整；
其中JD_Initial_Day为卫星基准时刻的简约儒略天数； 12)将步骤11)求得的卫星航行时间的简约儒略天数、简约儒略秒数、简约儒略毫秒数 转换成UTC时；
对上述秒数进行修正，得到修正后的秒数：修正后的秒数seconds为seconds = seconds' -60XMinute ; 对上述分钟数进行修正，得到修正后的分钟数：令seconds "= (seconds' X10000+0. 5)/10000,如果此时 seconds" > 60,则再次修正后的秒数 second_ s = seconds" -60,且修正后的分钟数Minute = Minute' +1 ;如果seconds〈60,则修正后 的分钟数 Minute =Minute'。
3.根据权利要求1所述的一种用于低轨星载天线跟踪地面站的方法，其特征在于：所 述步骤2)的计算算法如下：获取卫星轨道初始时间UTC时、卫星初始平均轨道根数和卫星 轨道半长轴衰减，计算获得卫星瞬时轨道根数的长期摄动项、长周期摄动项、短周期摄动项 和大气阻力摄动项；所述的长期摄动项包括半长轴5、倾角￥、偏心率了、升交点赤经Q、 近地点幅角石、平近点角S;所述的长周期摄动项包括半长轴、倾角、偏心率!L1、升交点 赤经Q1、近地点幅角W1、平近点角M1 ;所述的短周期摄动项包括半长轴as、倾角es、偏心率 is、升交点赤经Qs、近地点幅角、平近点角Ms ;所述的大气阻力摄动项包括半长轴修正项 A a，平近点角修正AM; 则天线下一指向时刻的卫星瞬时轨道根数为：
【文档编号】H01Q3/00GK104332707SQ201410582973
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月27日 优先权日:2014年10月27日
【发明者】周勇, 胡晓曦, 许智, 胡炜, 吕芝艳, 庞洁 申请人:西安空间无线电技术研究所