专利名称：一种天线固联式对地通信方法
技术领域：
本发明涉及一种天线固联式对地通信方法，特别涉及一种地球同步静止轨道中继卫星对地通信方法，属于卫星通信领域。
背景技术：
跟踪与数据中继卫星系统CTracking and Data Relay Satellite System)，简称 TDRSS，是为中、低轨道的航天器与航天器之间、航天器与地面站之间提供数据中继、连续跟踪与轨适测控服务的系统，简称中继系统。跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)是20世纪航天测控通信技术的重大突破，其“天基”设计思想，从根本上解决了测控、通信的高覆盖率问题，同时还解决了高速数传和多目标测控通信等技术难题，并且有很高的经济效益。TDRSS 系统使航天测控通信技术发生了革命性的变化，目前还在继续向前发展，不断地拓宽自己的应用领域。现在，美国与俄罗斯两国的跟踪与数据中继卫星系统均已进入应用阶段，正在发展后续系统；欧空局和日本在这类卫星的发展中采用了新的思路和技术途径；我国正在积极推进研究跟踪与数据中继卫星系统。位于地球同步静止轨道上的中继卫星，距离地球的高度约为36000km，卫星的运行方向与地球自转方向相同、运行周期与地球自转一周的时间相等，即23时56分4秒。其作用相当于把地面的测控站升高到了地球静止卫星轨道高度，可居高临下地观测到在近地空间内运行的大部分航天器，将其测控信号发回地面通信站，实现地面站对近地空间内运行的航天器的长期跟踪。地球同步静止中继卫星的最大特点是保持与地球的相对静止，这样使得卫星上所安装的对地通信天线能够更加稳定持续地指向地球表面上特定的接收点，避免了地球自转带来的干扰。现在的中继卫星的天线有越来越大型化的趋势，且带有一定的柔性。天线在工作时要做一些较为快速的机动动作，天线运动过程的柔性不是总可以忽略的，在系统的动力学分析中，有时需要考虑部件柔性的影响，这种影响有时会很大，甚至达到破坏性的程度。 北京理工大学学报2007年2月第27卷第2期第171页——第173页，文章题目“大型柔性天线运动对中继卫星姿态影响的分析”中以跟踪与数据中继卫星为分析对象，建立了整星多柔体系统动力学模型，分析了天线运动作用下，柔性天线和其他附件的综合作用对星本体姿态的扰动，并分析了各种现象产生的原因。同时，天线在做快速机动动作时，必然需要消耗一定量的能量，这样增加了航天器本体的负担。由此可以看出，为改变现有天线需随着任务的执行进行快速机动，不断调整天线指向的局面，采用天线与航天器相固联的方式安装，必然可以有效地避免其机动带来的扰动和相应的能量的消耗，具有很重要的工程实际
眉、ο
发明内容
本发明要解决中继卫星对地通信天线随任务要求做快速机动动作带来的对航天器本体姿态扰动和相应的能量消耗问题，提出了一种天线固联式对地通信方法，该方法既能保证中继卫星在满足实际跟踪任务要求的姿态机动过程中，最长时间保持与地面站的通信，且能避免天线机动动作对航天器本体姿态扰动和相应的能量消耗问题。本发明是通过下述技术解决方案实现的本发明的一种天线固联式对地通信方法，中继卫星根据具体跟踪任务要求对目标进行实时跟踪，取消中继卫星对地通信天线的转动机构，通过与中继卫星本体以最优安装角固联的天线实现对地实时通信，所述最优安装角需保证中继卫星在满足实际跟踪任务要求的姿态机动过程中，最长时间保持与地面站的通信而不受中继卫星本体姿态机动的影响。所述的最优安装角确定方法如下步骤1 根据具体跟踪任务的要求，中继卫星上的跟踪部件实时跟踪任务中的用户星，已知被跟踪用户星的轨道参数和中继卫星自身的轨道参数，由这两颗星的轨道参数得到中继卫星到被跟踪用户星的方向矢量。步骤2 为实现中继卫星对用户星的实时跟踪，使中继卫星到被跟踪用户星的方向矢量实时的与中继卫星上安装的跟踪部件视线轴重合。由于中继卫星上安装的跟踪部件的视线轴相对于中继卫星本体是固定不变的，而且矢量方向是已知的。因此，可以得到由具体任务所决定的中继卫星的期望姿态欧拉角。步骤3 当中继卫星上的跟踪部件视线轴与两星之间的方向矢量实时重合之后， 中继卫星本体绕自身滚转轴运动，但是对跟踪任务是不产生影响的，因为任何机动都是需要消耗能量并会产生相应的振动干扰的，所以假设中继卫星本体绕自身滚转轴不动。中继卫星上安装的通信天线需要与地面站保持通信，考虑最近的通信链路，选择地面站位于中继卫星星下点位置；中继卫星、地球和地面站之间的几何关系需要满足约束条件1 无论中继卫星本体姿态如何机动，都能保证通信天线始终指向地面站；由中继卫星、地球和地面站之间的几何关系可以得出中继卫星与地面站之间的方向矢量；步骤4 为保证中继卫星对地面站的实时通信需要满足约束条件2 中继卫星与地面站之间的方向矢量与中继卫星上通信天线的视线轴之间的夹角在所发射的波束宽度范围内。中继卫星上通信天线的视线轴矢量方向是确定的。由于中继卫星上通信天线所发射的波束有一定的宽度范围，一般在0.6°到Γ之间。只要使中继卫星与地面站之间的方向矢量与中继卫星上通信天线的视线轴之间的夹角在此波束宽度范围内，就能够满足中继卫星对地面站的实时通信。步骤5 建立中继卫星本体坐标系0XJ#B，中继卫星本体坐标系OXbYJb原点0位于中继卫星质心，坐标系的三轴分别为中继卫星的惯量主轴，分别为滚转轴&轴，偏航轴A 轴，俯仰轴&轴；满足所述约束条件1和约束条件2的安装角有多组，其中同时满足所述约束条件1和约束条件2累计时间最长的安装角即为所要确定的通信天线固联在中继卫星本体上最优安装角(β，Y)，其中β β为天线方向；^在中继卫星本体坐标系 AOTb平面内的投影与\轴正方向的夹角，γ (0彡γ < π)为天线方向；^与中继卫星本体坐标系&轴正方向的夹角。有益效果1、采用天线与中继卫星本体固联的方式，减少了星本体上的活动部件，消除了天线的快速机动动作对中继卫星本体姿态运动的影响，减少了由此而带来的扰动和不确定性因素，使得中继卫星的姿态机动精度更高。2、采用对地通信天线与中继卫星本体固联的方式，有效地减少了原有天线机动所需的燃料的消耗，一方面使得发射所需携带的燃料重量减轻，另一方面也降低了中继卫星的运行成本。
图1为中继卫星轨道任务及地心惯性坐标系、中继卫星本体坐标系、中继卫星轨道坐标系和中继卫星期望坐标系示意图；图2为天线与中继卫星本体固联的位置示意图；图3为用户星轨道为太阳同步圆轨道时中继卫星对地通信天线安装角时间分布图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。实施例本发明的一种天线固联式对地通信方法，中继卫星根据具体跟踪任务要求对目标进行实时跟踪，取消中继卫星对地通信天线的转动机构，通过与中继卫星本体以最优安装角固联的天线实现对地实时通信，所述最优安装角需保证中继卫星在满足实际跟踪任务要求的姿态机动过程中，最长时间保持与地面站的通信而不受中继卫星本体姿态机动的影响。所述的最优安装角确定方法如下步骤1 本实施例的具体跟踪任务为地球同步静止轨道中继卫星上的跟踪部件实时跟踪太阳同步圆轨道用户星，设定中继卫星对用户星的跟踪时间为IO5秒(大于一个地球同步轨道周期)，所述中继卫星轨道半径为riZiZieAXlO7!!!，星下点经度为λ = 110° Ε，入轨时刻为2012年1月1日O时O分。地球半径为Re = 6378km，地球自转角速度为 Coe = 7. 2921159X 10_5rad/s，地球引力常数为 μ e = 3. 986X 10_5km7s2。被跟踪用户星选择太阳同步圆轨道上的卫星，轨道参数如表1所示。表1太阳同步圆轨道上的用户星参数列表
用户星半长轴偏心率轨道倾角升交点赤经近地点幅角过近地点时刻数据Q1 = 6659km=OI1 =96.4°Q1 =120°ωλ =30° 由这两颗星的轨道参数得到中继卫星到被跟踪用户星的方向矢量，为求得中继卫星到被跟踪用户星的方向矢量，建立地心惯性坐标系MX1Y1Z1，其原点位于地心M，Z1轴沿地球极轴指向北极，X1轴指向春分点，Y1轴与&轴、Z1轴构成右手系。该坐标系如图1所示。 中继卫星与被追踪用户星之间的方向矢量J可以由两个航天器所在轨道的轨道信息获得， 航天器所在轨道的轨道信息都是已知的。设由地心指向被跟踪用户星的矢径在地心惯性坐
5标系下表示为;;，其具体形式为
权利要求
1.一种天线固联式对地通信方法，其特征在于中继卫星根据具体跟踪任务要求对目标进行实时跟踪，取消中继卫星对地通信天线的转动机构，通过与中继卫星本体以最优安装角固联的天线实现对地实时通信，所述最优安装角需保证中继卫星在满足实际跟踪任务要求的姿态机动过程中，最长时间保持与地面站的通信而不受中继卫星本体姿态机动的影响。
2.根据权利要求1所述的一种天线固联式对地通信方法，其特征在于所述最优安装角确定方法如下，步骤1 根据具体任务的要求，中继卫星上的跟踪部件实时跟踪任务中的用户星，已知被跟踪用户星的轨道参数和中继卫星自身的轨道参数，由这两颗星的轨道参数得到中继卫星到被跟踪用户星的方向矢量；步骤2:为实现中继卫星对用户星的实时跟踪，使中继卫星到被跟踪用户星的方向矢量实时的与中继卫星上安装的跟踪部件视线轴重合，由具体跟踪任务确定中继卫星的期望姿态欧拉角；步骤3 当中继卫星上的跟踪部件视线轴与两星之间的方向矢量实时重合之后；中继卫星上安装的通信天线需要与地面站保持通信，选择地面站位于中继卫星星下点位置；中继卫星、地球和地面站之间的几何关系需要满足约束条件1 无论中继卫星本体姿态如何机动，都能保证通信天线始终指向地面站；由中继卫星、地球和地面站之间的几何关系可以得出中继卫星与地面站之间的方向矢量；步骤4:为保证中继卫星对地面站的实时通信需要满足约束条件2 中继卫星与地面站之间的方向矢量与中继卫星上通信天线的视线轴之间的夹角在所发射的波束宽度范围内；步骤5 建立中继卫星本体坐标系OXbYJb,中继卫星本体坐标系OXbYJb原点0位于中继卫星质心，坐标系的三轴分别为中继卫星的惯量主轴，分别为滚转轴&轴，偏航轴A轴， 俯仰轴4轴；满足所述约束条件1和约束条件2的安装角有多组，其中同时满足所述约束条件1和约束条件2累计时间最长的安装角即为所要确定的通信天线固联在中继卫星本体上最优安装角(β，Y)，其中β (0彡β彡2π)为天线方向》在中继卫星本体坐标系\0、 平面内的投影与\轴正方向的夹角，γ < π)为天线方向》与中继卫星本体坐标系4轴正方向的夹角。
3.根据权利要求1或2所述的一种天线固联式对地通信方法，其特征在于所述的中继卫星上通信天线所发射的波束宽度范围为在0.6°到Γ之间。
全文摘要
本发明涉及一种天线固联式对地通信方法，特别涉及一种地球同步静止轨道中继卫星对地通信方法，属于卫星通信领域。本发明的一种天线固联式对地通信方法，中继卫星根据具体跟踪任务要求对目标进行实时跟踪，取消中继卫星对地通信天线的转动机构，通过与中继卫星本体以最优安装角固联的天线实现对地实时通信，所述最优安装角需保证中继卫星在满足实际跟踪任务要求的姿态机动过程中，最长时间保持与地面站的通信而不受中继卫星本体姿态机动的影响。采用此方式，使得中继卫星的姿态机动精度更高；同时有效地减少了原有天线机动所需的燃料的消耗，一方面使得发射所需携带的燃料重量减轻，另一方面也降低了中继卫星的运行成本。
文档编号H04B7/185GK102394688SQ20111033255
公开日2012年3月28日 申请日期2011年10月27日 优先权日2011年10月27日
发明者刘伟, 张景瑞, 罗杨 申请人:北京理工大学