确定球形黑体辐射引起的天线噪声温度的方法和设备与流程

本发明一般地涉及航天测控技术领域。更具体地，本发明涉及用于确定球形黑体辐射引起的天线噪声温度的方法和设备。

背景技术：

天体辐射噪声是航天测控，特别是深空测控中必须考虑的影响因素。测控天线在指向探测器的同时，有时某些天体也会部分甚至全部进入测控天线的有效波束。例如，在月球探测任务中，测控天线跟踪月球探测器时，月球也会进入测控天线波束内；又如，当太阳-航天器-测控天线共线(即日凌)时，太阳会进入测控天线波束内。此时，天体辐射会增大测控天线接收系统的噪声温度、降低接收信噪比，影响测控性能。

为合理安排测控弧段，可靠完成航天任务，需准确分析天体辐射噪声带来的接收天线噪声温度。在理论分析中，可以将这些天体模型化为具有特定辐射亮温度的黑体。黑体辐射噪声引起的测控天线的(归一化)噪声温度为：

tincr、tb分别表示黑体辐射引起的接收噪声温度(增量)、黑体辐射亮温度，gr为测控接收天线的归一化方向图，θa为相对天线视轴方向的角度，为方位角。分子的积分范围为黑体对测控天线形成的空间角(disk)，分母的积分范围为整个空间(4π)。用于表示天线方向图的球坐标系的z轴一般取天线视轴方向，如果仍在该坐标系中进行分子积分的计算，对于常见的球形(如月球、太阳等)天体或在计算辐射噪声时可近似为球形的天体，积分区域就会变为位于球坐标系空间某一方位的圆锥形空间角，如图1所示。对于这样的“不规则”积分区域，即便采用数值积分方法，也不便处理。

技术实现要素：

本发明基于前述背景，对常见的球形黑体辐射引起的天线噪声温度，将其分子积分转换至以球形黑体方向为z轴的球坐标系下，得到了“规则”积分区域，并利用球面三角公式，得到新坐标系下的天线方向图gr，从而获得新坐标系下积分的显式表达，便于数值积分。

为此，在一个方面中，本发明提供一种确定球形黑体辐射引起的天线噪声温度的方法，包括：

以球形黑体方向为z轴，使xoz平面通过测控天线视轴，建立球坐标系；

在所述球坐标系下，推导如下的黑体上任意一点与测控天线视轴的角距离θa表达式(1)，其中θa＞0，

其中，θoff是黑体与所述测控天线视轴的角距离，是黑体上任意一点p的球坐标；

在所述球坐标系下，变换得到如下的天线归一化方向图表达式(2)和积分区域表达式(3)，

以及

通过数值方法求积分，确定用于计算所述球形黑体辐射引起的归一化噪声温度的表达式(4)，

其中tincr、tb分别表示黑体辐射引起的接收噪声温度增量和黑体辐射亮温度，gr为所述归一化方向图，为方位角。

在一个实施例中，表达式(4)的分母积分在原球坐标系下进行。

在另一个方面中，本发明提供一种确定球形黑体辐射引起的天线噪声温度的设备，包括：

建立模块，其配置用于以球形黑体方向为z轴，使xoz平面通过测控天线视轴，建立球坐标系；

推导模块，其配置用于在所述球坐标系下，推导如下的黑体上任意一点与测控天线视轴的角距离θa表达式(1)，其中θa＞0，

其中，θoff是黑体与所述测控天线视轴的角距离，是黑体上任意一点p的球坐标；

变换模块，其配置用于在所述球坐标系下，变换得到如下的天线归一化方向图表达式(2)和积分区域表达式(3)，

以及

确定模块，其配置用于通过数值方法求积分，确定用于计算所述球形黑体辐射引起的归一化噪声温度的表达式(4)，

其中tincr、tb分别表示黑体辐射引起的接收噪声温度增量和黑体辐射亮温度，gr为所述归一化方向图，为方位角。

在又一个方面中，本发明提供一种确定球形黑体辐射引起的天线噪声温度的设备，包括：

处理器；

存储器，其存储有包括计算机指令的程序，当所述程序由所述处理器执行时，使得所述设备执行以下的操作：

以球形黑体方向为z轴，使xoz平面通过测控天线视轴，建立球坐标系；

在所述球坐标系下，推导如下的黑体上任意一点与测控天线视轴的角距离θa表达式(1)，其中θa＞0，

其中，θoff是黑体与所述测控天线视轴的角距离，是黑体上任意一点p的球坐标；

在所述球坐标系下，变换得到如下的天线归一化方向图表达式(2)和积分区域表达式(3)，

以及

通过数值方法求积分，确定用于计算所述球形黑体辐射引起的归一化噪声温度的表达式(4)，

其中tincr、tb分别表示黑体辐射引起的接收噪声温度增量和黑体辐射亮温度，gr为所述归一化方向图，为方位角。

在另外的实施例中，本发明提供一种计算机可读存储介质，存储有用于确定球形黑体辐射引起的天线噪声温度的程序，当所述程序由处理器执行时，执行以下的操作：

以球形黑体方向为z轴，使xoz平面通过测控天线视轴，建立球坐标系；

在所述球坐标系下，推导如下的黑体上任意一点与测控天线视轴的角距离θa表达式(1)，其中θa＞0，

其中，θoff是黑体与所述测控天线视轴的角距离，是黑体上任意一点p的球坐标；

在所述球坐标系下，变换得到如下的天线归一化方向图表达式(2)和积分区域表达式(3)，

以及

通过数值方法求积分，确定用于计算所述球形黑体辐射引起的归一化噪声温度的表达式(4)，

其中tincr、tb分别表示黑体辐射引起的接收噪声温度增量和黑体辐射亮温度，gr为所述归一化方向图，为方位角。

本发明的技术方案对于计算球形黑体辐射引起的归一化噪声温度具有重要参考意义，本发明的确定或计算结果可用于相关场景下的测控性能分析。例如，本发明可用于确定任意口径(如12m、18m、35m、66m等)的测控天线、任意球形天体或可近似为球形的天体(如太阳、月球、火星等)、二者任意角距离下的天线噪声温度计算，不需要试验辅助。计算得到的天线噪声温度用于航天器测控通信链路余量计算，可提高链路预算精度；结合测控任务分析计算天线噪声温度，并辅助航天器飞行程序设计，能有效规避在天线噪声温度显著增大期间安排航天器的关键飞行事件，提高任务的可靠性。

附图说明

通过阅读仅作为示例提供并且参考附图进行的以下描述，将更好地理解本发明及其优点，其中：

图1是示出根据本发明的用于确定球形黑体辐射引起的天线噪声温度的方法的简化流程图；

图2是示出根据本发明的用于确定球形黑体辐射引起的天线噪声温度的设备的简化框图；

图3是示出根据本发明的球形黑体立体角的示意图(球坐标系+z方向与天线视轴重合)；

图4是示出根据本发明的球形黑体立体角的又一示意图(球坐标系+z方向与球形黑体方向重合)；

图5是示出根据本发明的球面三角几何关系的示意图(球坐标系+z方向与球形黑体方向重合)；以及

图6是示出由太阳辐射引起的归一化噪声温度随θoff的变化曲线。

具体实施方式

本发明的技术方案主要用于计算球形黑体辐射引起的接收天线归一化噪声温度。本发明基于地面测控站天线噪声温度的积分计算公式，针对常见的球形黑体模型，利用积分坐标变换和球面三角公式，获得了便于计算的显式表达式，并据此计算了球形黑体辐射引起的归一化噪声温度。

下面将结合附图来详细描述本发明的实施例。

图1是示出根据本发明的用于确定球形黑体辐射引起的天线噪声温度的方法100的简化流程图。

如图1中所示，在步骤s101，以球形黑体方向为z轴，使xoz平面通过测控天线视轴，建立球坐标系。接着，在步骤s102，在所述球坐标系下，推导如下的黑体上任意一点与测控天线视轴的角距离θa表达式(1)，其中θa＞0，

其中，θoff是黑体与所述测控天线视轴的角距离，是黑体上任意一点p的球坐标；

在步骤s103，在所述球坐标系下，变换得到如下的天线归一化方向图表达式(2)和积分区域表达式(3)，

以及

在步骤s104，通过数值方法求积分，确定用于计算所述球形黑体辐射引起的归一化噪声温度的表达式(4)，

其中tincr、tb分别表示黑体辐射引起的接收噪声温度增量和黑体辐射亮温度，gr为所述归一化方向图，为方位角。

其中表达式(4)的分母积分可以在原球坐标系下进行。

图2是示出根据本发明的用于确定球形黑体辐射引起的天线噪声温度的设备200的简化框图。如图2所示，设备200包括建立模块201，其配置用于以球形黑体方向为z轴，使xoz平面通过测控天线视轴，建立球坐标系。设备200还包括推导模块202，其配置用于在所述球坐标系下，推导如下的黑体上任意一点与测控天线视轴的角距离θa表达式(1)，其中θa＞0，

其中，θoff是黑体与所述测控天线视轴的角距离，是黑体上任意一点p的球坐标；

设备200还包括变换模块203，其配置用于在所述球坐标系下，变换得到如下的天线归一化方向图表达式(2)和积分区域表达式(3)，

以及

设备200另外还包括确定模块204，其配置用于通过数值方法求积分，确定用于计算所述球形黑体辐射引起的归一化噪声温度的表达式(4)，

其中tincr、tb分别表示黑体辐射引起的接收噪声温度增量和黑体辐射亮温度，gr为所述归一化方向图，为方位角。

以下将结合图3-图6，以具体示例来描述本发明的技术方案。

假设球形黑体为太阳，其角直径d为0.5rad，太阳与测控天线视轴的角距离θoff为0.25rad，即测控天线视轴指向太阳边缘。取测控天线归一化方向图为，

式中，j1表示一阶贝塞尔函数，天线口径dant取35m，电磁波波长λ取0.13m(s频段电磁波波长)。

步骤1：选取新的球坐标系，如图2所示。

步骤2：在新坐标系下，根据图3所示球面三角关系，

太阳上任意一点与测控天线视轴的角距离θa(θa＞0)为，

步骤3：新坐标系下，变换得到天线归一化方向图及积分区域分别为，

步骤4：将式(8)、(9)代入黑体辐射噪声引起的噪声温度公式的分子，分母积分在原球坐标系进行(积分区域为“规则”的全空间)。通过数值方法求积分，得到，

进一步，取θoff在0～d范围内(即天线视轴正对太阳到偏离太阳中心一个角直径)，得到太阳辐射引起的归一化噪声温度随θoff的变化曲线如图4所示。

本发明的确定球形黑体辐射引起的天线噪声温度的方法可以通过在计算机可读的记录介质以计算机可读代码来体现。计算机可读记录介质包括存储可通过计算机系统解读的数据的所有种类的记录介质。该记录介质例如可以包括但不限于只读存储器(rom，“readonlymemory”)、随机存取存储器(ram，“randomaccessmemory”)、磁盘、磁盘、光盘、闪存等。进一步，这些计算机可读的记录介质可以通过通信网络(包括计算机通信网络、蜂窝通信网络或局域域通信网络)在各个通信实体之间传播或扩散，从而也可以通过任意的方式来运行存储在计算机可读存储介质上的计算机可读指令或计算机可执行代码。

虽然本发明所实施的方式如上，但所述内容只是为便于理解本发明而采用的实施例，并非用以限定本发明的范围和应用场景。任何本发明所述技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。