星載二維驅(qū)動天線運(yùn)動指標(biāo)計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及星載二維驅(qū)動天線運(yùn)動指標(biāo)的論證，屬于衛(wèi)星接口指標(biāo)論證，具體涉 及一種星載二維驅(qū)動天線運(yùn)動指標(biāo)計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，有效載荷的功能、性能決定了衛(wèi)星應(yīng)用的廣度和深度，目前 世界各大國都在抓緊進(jìn)行光學(xué)、紅外、微波等有效載荷的研究，數(shù)據(jù)信息量越來越大，衛(wèi)星 傳統(tǒng)的數(shù)傳技術(shù)很難滿足要求，數(shù)傳采用更高頻率的頻段，這就要求采用二維驅(qū)動的點(diǎn)目 標(biāo)傳輸方案，中繼數(shù)傳也同樣采用點(diǎn)目標(biāo)傳輸方案；另外對于一些特定的衛(wèi)星，需衛(wèi)星與衛(wèi) 星之間進(jìn)行相互通訊，也可采用二維驅(qū)動的通訊方式。
[0003] 這將需要精確指向?qū)Ψ揭员ＷC數(shù)據(jù)傳輸/通信的質(zhì)量，特別是在衛(wèi)星之間存在相 對運(yùn)動時，更需及時調(diào)整衛(wèi)星天線的指向，保證信號接收/發(fā)送始終處于最佳接收狀態(tài)。
[0004] 二維驅(qū)動天線的使用帶來了二維驅(qū)動天線的運(yùn)動指標(biāo)提出和天線控制方案的選 型問題，本發(fā)明將針對這兩個方面問題提出具體的方法進(jìn)行解決。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 為了解決星載二維驅(qū)動天線運(yùn)動指標(biāo)論證問題，本發(fā)明的目的在于提出一種星載 二維驅(qū)動天線運(yùn)動指標(biāo)計(jì)算方法，利用本發(fā)明，可以提出天線角度控制角速度范圍、天線角 度控制角加速度范圍、天線與地面站或中繼星等目標(biāo)的可見時間、天線對整星的干擾力矩 指標(biāo)，解決相應(yīng)的指標(biāo)接口問題，并能夠判斷二維驅(qū)動天線的控制方式合理性，指導(dǎo)衛(wèi)星對 二維驅(qū)動天線的控制方案選型。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明提供的一種星載二維驅(qū)動天線運(yùn)動指標(biāo)計(jì)算方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟S101:建立衛(wèi)星軌道動力學(xué)模型和姿態(tài)信息模型；
[0008] 步驟S102:建立天線二維驅(qū)動的控制模型；
[0009] 步驟S103:根據(jù)天線二維驅(qū)動的控制模型，計(jì)算獲取天線與目標(biāo)的可見性。
[0010] 優(yōu)選地，在所述步驟S101中：
[0011] 將衛(wèi)星軌道參數(shù)作為輸入，建立衛(wèi)星軌道動力學(xué)模型;姿態(tài)信息模型，用于按照衛(wèi) 星總體的運(yùn)行模式，并結(jié)合衛(wèi)星軌道特性，仿真輸出衛(wèi)星姿態(tài)信息；
[0012] 優(yōu)選地，在所述步驟S101中：
[0013] 在計(jì)算目標(biāo)地理位置時，考慮地球橢球面模型，地球橢球面模型采用如下公式：
[0015]其中，r為目標(biāo)在地固系下的位置矢量，x，y，z分別表示在地固系下的X方向、Y方 向、Z方向的位置矢量，I為目標(biāo)的地理經(jīng)度，μ為目標(biāo)的地理煒度，h為目標(biāo)的水平地高，代式 入3和^由以下公式表示：
[0016] As = arctan( (1-f )2tany)
[0018] 其中，f為地球橢率，
A為地球赤道半徑，數(shù)值為6378137米。
[0019] 優(yōu)選地，在所述步驟S102中：
[0020]根據(jù)星載二維驅(qū)動天線的機(jī)械物理狀態(tài)，建立天線二維驅(qū)動的運(yùn)行控制模型，并 建立二維驅(qū)動天線的天線坐標(biāo)系，建立衛(wèi)星本體坐標(biāo)系與二維驅(qū)動天線的控制參數(shù)的對應(yīng) 關(guān)系。
[0021 ]優(yōu)選地，在建立XY向天線二維驅(qū)動的運(yùn)動控制模型時：
[0022] X」角和乃角表示天線的真實(shí)驅(qū)動目標(biāo)角度；
[0023] 將定義在二維驅(qū)動天線坐標(biāo)系中的俯仰角β、方位角α轉(zhuǎn)換成二維驅(qū)動 天線坐標(biāo)系下的兩軸轉(zhuǎn)角Xj和Yj;
[0024] 對應(yīng)的光軸指向矢量為：
[0026]其中，可表示天線光軸在軌道坐標(biāo)系下的矢量方向，rXl表示天線光軸在軌道坐標(biāo) 系下X軸矢量值，ryi表示表示天線光軸在軌道坐標(biāo)系下Y軸矢量值，rZ1表示表示天線光軸在 軌道坐標(biāo)系下Z軸矢量值；
[0032] 其中，F(xiàn)表示天線光軸在二維驅(qū)動天線坐標(biāo)系下的矢量方向，rx表示天線光軸在 二維驅(qū)動天線坐標(biāo)系下的X軸矢量值，ry表示天線光軸在二維驅(qū)動天線坐標(biāo)系下的Y軸矢量 值，rz表示天線光軸在二維驅(qū)動天線坐標(biāo)系下的Z軸矢量值，RY( 18(n表示繞Y軸轉(zhuǎn)180°的轉(zhuǎn) 置矩陣，RZ(_9Q。)表示繞Z軸轉(zhuǎn)-90°的轉(zhuǎn)置矩陣;^表示二維驅(qū)動天線的在X軸的真實(shí)角度，Yj 表示二維驅(qū)動天線的在Y軸的真實(shí)角度。
[0033] 優(yōu)選地，在所述步驟S103中：
[0034]計(jì)算不同時間下地面站或中繼星在二維驅(qū)動天線坐標(biāo)系的矢量方向，并判斷矢量 方向是否在二維驅(qū)動天線的物理轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)，同時判斷地球?qū)ΧS驅(qū)動天線矢量方向是否 有遮擋，若無遮擋，則判斷在當(dāng)前時間下天線與目標(biāo)可見。
[0035] 優(yōu)選地，還包括步驟：
[0036]步驟S104:計(jì)算獲取天線與目標(biāo)在可見性下的跟蹤角度：
[0037]輸出目標(biāo)在二維天線中的可見時間，并將目標(biāo)相對衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的方向矢量轉(zhuǎn) 換到天線坐標(biāo)系下，同時根據(jù)天線二維驅(qū)動的控制模型，獲取天線實(shí)際的目標(biāo)控制角度，從 而獲取天線的控制角速度；
[0038] 步驟S105:計(jì)算獲取天線與目標(biāo)在可見性下的跟蹤角速度；
[0039] 目標(biāo)在二維天線中的可見時間內(nèi)，計(jì)算不同時間下的跟蹤角速度：
[0041] 其中，};.表示天線光軸在X軸的跟蹤角速度，Xj表示天線光軸在X軸當(dāng)前時間拍的 角度，表示天線光軸在X軸當(dāng)前時間的前一秒角度；>\表示天線光軸在Y軸的跟蹤角速 度，Yj表示天線光軸在Y軸當(dāng)前時間拍的角度，Yj-ι表示天線光軸在Y軸當(dāng)前時間的前一秒角 度；
[0042] 步驟S106:計(jì)算獲取天線與目標(biāo)在可見性下的跟蹤角加速度
[0043] 目標(biāo)在二維天線中的可見時間內(nèi)，計(jì)算不同時間下的跟蹤角加速度：
[0045] 其中，^^表示天線光軸在X軸的跟蹤角加速度，表示天線光軸在X軸當(dāng)前時間 拍的角速度，ip表示天線光軸在X軸當(dāng)前時間的前一秒角速度；h表示天線光軸在γ軸的 跟蹤角加速度，^表示天線光軸在Y軸當(dāng)前時間拍的角速度，^:^表示天線光軸在Y軸當(dāng)前 時間的前一秒角速度；
[0046] 步驟S107:計(jì)算獲取天線與目標(biāo)在可見性下的干擾力矩：
[0047] 目標(biāo)在二維天線中的可見時間內(nèi)，計(jì)算不同時間下的干擾力矩：
[0049]其中，Μ為總干擾力矩;Mx為作用于二維天線根部的X軸干擾力矩，My為作用于二維 天線根部的Y軸干擾力矩，My為作用于二維天線根部的Z軸干擾力矩，J為二維驅(qū)動天線質(zhì)量 特性參數(shù)；
[0050] Jxx表示二維天線的X主慣量
[0051] Jxy表示二維天線的XY向慣量積 [0052] Jxz表示二維天線的XZ向慣量積 [0053] Jyx表示二維天線的YX向慣量積 [0054] Jyy表示二維天線的Y主慣量 [0055] Jyz表示二維天線的YZ向慣量積
[0056] Jzx表示二維天線的ZX向慣量積 [0057] Jzy表示二維天線的ZY向慣量積 [0058] Jzz表示二維天線的Z主慣量
[0059]優(yōu)選地，步驟S107計(jì)算的干擾力矩將給出反饋于衛(wèi)星姿態(tài)控制中，若角加速度存 在奇點(diǎn)，理論上將存在無窮大，那么干擾力矩也將趨近于無窮大，則說明天線二維驅(qū)動的物 理設(shè)計(jì)不適合當(dāng)前衛(wèi)星的應(yīng)用，需要更改天線二維驅(qū)動的物理設(shè)計(jì)避免奇點(diǎn)。
[0060]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0061 ]本發(fā)明可解決星載二維驅(qū)動天線運(yùn)動指標(biāo)的論證工程實(shí)際問題，能有效地給出二 維驅(qū)動天線運(yùn)動指標(biāo)，解決相應(yīng)的指標(biāo)接口問題，并能夠判斷二維驅(qū)動天線的控制方式合 理性。通過循環(huán)迭代分析，能夠指導(dǎo)衛(wèi)星選用二維驅(qū)動天線的控制類型。
【附圖說明】
[0062]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯：
[0063] 圖1是本發(fā)明星載二維驅(qū)動天線運(yùn)動指標(biāo)計(jì)算方法的流程示意圖。
[0064] 圖2是二維驅(qū)動天線坐標(biāo)系中各角度定義。
【具體實(shí)施方式】
[0065]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0066]圖1是本發(fā)明星載二維驅(qū)動天線運(yùn)動指標(biāo)計(jì)算方法流程圖；如圖1的實(shí)施例所示， 該流程包括：
[0067]步驟A:建立衛(wèi)星軌道動力學(xué)和姿態(tài)信息模型
[0068]通過引入地球歲差、章動、自轉(zhuǎn)和極移模型，計(jì)算慣性系和地固系的轉(zhuǎn)換矩陣，繼 而得到目標(biāo)隨地球轉(zhuǎn)動在慣性空間中的位置;通過二體或J2軌道模型(甚至更加精確的軌 道模型）根據(jù)時間遞推衛(wèi)星軌道，根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)行模式，在衛(wèi)星軌道動力學(xué)基礎(chǔ)上，添加衛(wèi)星 姿態(tài)信息狀態(tài)；
[0069]步驟B:建立天線二維驅(qū)動的控制模型
[0070]根據(jù)星載二維驅(qū)動天線的機(jī)械物理狀態(tài)，建立天線二維驅(qū)動的運(yùn)行控制數(shù)學(xué)模 型，并建立二維驅(qū)動天線的天線坐標(biāo)系，建立衛(wèi)星本體坐標(biāo)系與二維驅(qū)動天線的控制參數(shù) 的對應(yīng)關(guān)系；
[0071 ]步驟C:仿真計(jì)算星載二維天線的運(yùn)動指標(biāo)
[0072]根據(jù)以上的模型，仿真輸出目標(biāo)在二維天線中的可見時間，并將目標(biāo)相對衛(wèi)星本 體坐標(biāo)系的方向矢量轉(zhuǎn)換到二維驅(qū)動天線的天線坐標(biāo)系下，同時根據(jù)天線二維驅(qū)動的控制 模型，獲取天線實(shí)際的目標(biāo)控制角度，從而獲取天線的控制角速度、角加速度和干擾力矩。 [0073]本發(fā)明提供的星載二維驅(qū)動天線運(yùn)動指標(biāo)計(jì)算方法，具體的先后和邏輯關(guān)系如 下：
[0074]步驟S101，建立衛(wèi)星軌道動力學(xué)和姿態(tài)信息模型：
[0075]準(zhǔn)備衛(wèi)星軌道參數(shù)作為輸入，用于建立衛(wèi)星軌道動力學(xué)模型;姿態(tài)信息模型，按照 衛(wèi)星總體的運(yùn)行模式，并結(jié)合衛(wèi)星軌道特性，仿真輸出衛(wèi)星姿態(tài)信息。
[0076]在計(jì)算目標(biāo)地理位置時，考慮地球橢球面模型，地球橢球面模型采用如下公式：
[0078]其中r為目標(biāo)在地固系下的位置矢量，x，y，z分別表示在地固系下的X方向、Y方向、 Z方向的位置矢量，I為目標(biāo)的地理經(jīng)度，μ為目標(biāo)的地理煒度，h為目標(biāo)的水平地高，心和^由 以下公式表示：
[0081] 其中，f為地球橢率，
，1?為地球赤道半徑，數(shù)值為6378137。
[0082] 步驟S102,天線二維驅(qū)動的控制模型：
[0083]天線二維驅(qū)動的控制模型根據(jù)設(shè)計(jì)而來，現(xiàn)給出最典型的XY向天線二維驅(qū)動控制 模型，χγ向天線的轉(zhuǎn)動中，X」角和乃角即天線的真實(shí)驅(qū)動目標(biāo)角度。
[0084] 0疋為二維驅(qū)動天線矢量，將定義在二維驅(qū)動天線坐標(biāo)系中的俯仰角β、 方位角α轉(zhuǎn)換成二維驅(qū)動天線坐標(biāo)系下的兩軸轉(zhuǎn)角心和乃。
[0085]輸入:方位角為α
[0086] 俯仰角為β
[0087] 對應(yīng)的光軸指向矢量為：
[0089] 其中，5表示天線光軸在軌道坐標(biāo)系下的矢量方向，rX1表示天線光軸在軌道坐標(biāo) 系下X軸矢量值，r yi表示表