一種獲取衛(wèi)星在軌進(jìn)行實(shí)傳時(shí)的數(shù)傳天線遮擋概率的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航天器任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域，具體涉及一種獲取衛(wèi)星在軌進(jìn)行實(shí)傳時(shí)的數(shù)傳天線遮擋概率的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]遙感衛(wèi)星、特別是高分辨率對(duì)地觀測(cè)光學(xué)遙感衛(wèi)星，其工作期間將產(chǎn)生大量的圖像數(shù)據(jù)。但是，受制于衛(wèi)星體積、質(zhì)量、功耗等方面的制約，星上用來(lái)保存數(shù)據(jù)的固態(tài)存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱(chēng)固存)的容量大小受到嚴(yán)格限制。因此，采用相機(jī)一邊成像、對(duì)地?cái)?shù)傳天線(以下簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)傳天線)同時(shí)對(duì)地面站回傳的實(shí)傳成像模式受到重視。為了保證足夠的回傳速率和傳輸增益，要求數(shù)傳天線在實(shí)傳過(guò)程中，通過(guò)自身伺服機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，讓天線波束始終指向地面站。由于高分辨率對(duì)地觀測(cè)遙感衛(wèi)星成像基本都是在姿態(tài)側(cè)擺偏置飛行模式下進(jìn)行，因此實(shí)傳工作模式一般也都是側(cè)擺實(shí)傳。
[0003]為了保證足夠的能源，衛(wèi)星需要安裝大面積太陽(yáng)能帆板，且帆板在衛(wèi)星運(yùn)行過(guò)程中將根據(jù)太陽(yáng)光的入射角度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，以提高充電效率。為了防止影響對(duì)地天線、對(duì)地光學(xué)相機(jī)等設(shè)備的對(duì)地工作視場(chǎng)，帆板往往安裝于衛(wèi)星的左右兩側(cè)，其安裝軸平行于軌道系Y軸，與水平面平行，與衛(wèi)星運(yùn)行方向垂直，與衛(wèi)星軌道面垂直。但是，當(dāng)衛(wèi)星在大角度側(cè)擺偏置飛行時(shí)，帆板將隨著星體一起進(jìn)行大角度偏轉(zhuǎn)。由于帆板安裝軸平行于軌道系Y軸，則側(cè)擺時(shí)一側(cè)帆板會(huì)向上翹起遠(yuǎn)離地面方向，而另一側(cè)帆板會(huì)向下低頭靠近地面方向。靠近地面的這一側(cè)帆板，有可能會(huì)對(duì)數(shù)傳天線的波束形成遮擋，使其無(wú)法在實(shí)傳過(guò)程中“看到”地面站，從而無(wú)法完成實(shí)傳任務(wù)。
[0004]由于衛(wèi)星帆板面積巨大，而側(cè)擺實(shí)傳又是高分辨率對(duì)地觀測(cè)光學(xué)遙感衛(wèi)星不可或缺的在軌工作方式，因此遮擋現(xiàn)象很難完全避免。而從以往型號(hào)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，通過(guò)衛(wèi)星本身構(gòu)型設(shè)計(jì)的優(yōu)化是無(wú)法徹底解決這個(gè)問(wèn)題的。
[0005]衛(wèi)星用戶可以接受遮擋現(xiàn)象的存在，但希望遮擋概率盡可能低。因此需要通過(guò)仿真分析等手段，計(jì)算出衛(wèi)星在軌進(jìn)行側(cè)擺實(shí)傳時(shí)的數(shù)傳天線遮擋概率，并將其作為衛(wèi)星系統(tǒng)指標(biāo)，在衛(wèi)星發(fā)射后在軌運(yùn)行期間通過(guò)長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行考核。
[0006]以往對(duì)數(shù)傳天線遮擋概率的仿真分析方法較為死板，即完全機(jī)械化地根據(jù)衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)結(jié)果，給出一個(gè)天線不會(huì)受到遮擋的最大包絡(luò)條件，而不考慮任何其它因素。這樣的結(jié)果，導(dǎo)致分析出來(lái)的遮擋概率往往非常高，與真正的在軌實(shí)際情況明顯不符。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種獲取衛(wèi)星在軌進(jìn)行實(shí)傳時(shí)的數(shù)傳天線遮擋概率的方法，能夠根據(jù)衛(wèi)星的構(gòu)型設(shè)計(jì)狀態(tài)，迅速計(jì)算出遮擋概率。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種獲取衛(wèi)星在軌進(jìn)行實(shí)傳時(shí)的數(shù)傳天線遮擋概率的方法，步驟如下:
[0009]I)獲取衛(wèi)星最大側(cè)擺角，以及數(shù)傳天線不受遮擋情況下的最大側(cè)擺角Θ ;
[0010]2)計(jì)算獲得衛(wèi)星的對(duì)地張角和數(shù)傳天線不會(huì)受到遮擋的最大側(cè)擺角，判斷最大側(cè)擺角是否大于數(shù)傳天線不會(huì)受到遮擋的最大側(cè)擺角Θ，如果步驟I)中獲取的衛(wèi)星最大側(cè)擺角大于步驟2)中算得的數(shù)傳天線不會(huì)受到遮擋的最大側(cè)擺角，則進(jìn)入步驟3);否則，表明數(shù)傳天線肯定不會(huì)受到遮擋，遮擋概率為0%，此時(shí)得到衛(wèi)星側(cè)擺實(shí)傳時(shí)的數(shù)傳天線遮擋概率指標(biāo)，即側(cè)擺實(shí)傳時(shí)數(shù)傳天線不會(huì)受到遮擋；
[0011]3)在STK中畫(huà)出衛(wèi)星與地面站的可視區(qū)域；
[0012]4)在STK中設(shè)置所需三維特征
[0013]41)在STK中畫(huà)出數(shù)傳天線零位矢量與衛(wèi)星-地面站矢量的夾角；
[0014]42)在STK中設(shè)置衛(wèi)星本體系YZ平面；
[0015]5)數(shù)傳天線可能受到遮擋的區(qū)域分為兩塊，分別位于衛(wèi)星星下線的東側(cè)和西側(cè)，分別定義為數(shù)傳天線可能受到遮擋的區(qū)域的東段和西側(cè)；在STK中設(shè)置衛(wèi)星的側(cè)擺角為數(shù)傳天線不會(huì)受到遮擋的最大正側(cè)擺角，畫(huà)出數(shù)傳天線可能受到遮擋的區(qū)域的東段；
[0016]6)在STK中設(shè)置衛(wèi)星姿態(tài)為數(shù)傳天線不會(huì)受到遮擋的最大負(fù)側(cè)擺角，畫(huà)出數(shù)傳天線可能受到遮擋的區(qū)域的西段；
[0017]7)計(jì)算衛(wèi)星側(cè)擺實(shí)傳時(shí)的數(shù)傳天線遮擋概率
[0018]71)計(jì)算獲得面積比
[0019]確定步驟6)得到的數(shù)傳天線可能被遮擋區(qū)域的東段和西段面積，計(jì)算東段和西段區(qū)域的面積占整個(gè)地面站可視區(qū)域的比例，求出面積比的計(jì)算公式如下所示:
[0020]面積比< (東段面積+西段面積)/地面總面積
[0021]72)計(jì)算獲得角度比
[0022]利用步驟I)中的衛(wèi)星最大側(cè)擺角和步驟2)中的數(shù)傳天線不會(huì)受到遮擋的最大側(cè)擺角，計(jì)算獲得角度比< (衛(wèi)星最大側(cè)擺角-數(shù)傳天線不會(huì)受到遮擋的最大側(cè)擺角)/衛(wèi)星最大側(cè)擺角=1-數(shù)傳天線不會(huì)受到遮擋的最大側(cè)擺角/衛(wèi)星最大側(cè)擺角；
[0023]73)獲得遮擋概率P =面積比*角度比< (東段面積+西段面積)/地面總面積* (1-數(shù)傳天線不會(huì)受到遮擋的最大側(cè)擺角/衛(wèi)星最大側(cè)擺角);
[0024]74)此時(shí)得到衛(wèi)星側(cè)擺實(shí)傳時(shí)的數(shù)傳天線遮擋概率指標(biāo)，即當(dāng)衛(wèi)星側(cè)擺角絕對(duì)值不超過(guò)Θ度時(shí)，側(cè)擺實(shí)傳時(shí)數(shù)傳天線不會(huì)受到遮擋，當(dāng)衛(wèi)星側(cè)擺角絕對(duì)值超過(guò)Θ度時(shí)，側(cè)擺實(shí)傳時(shí)數(shù)傳天線受到遮擋的概率不超過(guò)P。
[0025]步驟2)中衛(wèi)星的對(duì)地張角和數(shù)傳天線不會(huì)受到遮擋的最大側(cè)擺角具體計(jì)算方法為:
[0026]對(duì)地張角=asin (地球半徑/ (衛(wèi)星軌道高度+地球半徑))+余量角度；數(shù)傳天線不會(huì)受到遮擋的最大側(cè)擺角=數(shù)傳天線不受遮擋情況下的最大轉(zhuǎn)角-衛(wèi)星的對(duì)地張角。
[0027]步驟3)中在STK中畫(huà)出衛(wèi)星與地面站的可視區(qū)域的具體方法如下:
[0028]31)建立仿真場(chǎng)景；
[0029]32)建立衛(wèi)星軌道；
[0030]33)建立地面站；
[0031]34)建立地面站天線；
[0032]35)顯示衛(wèi)星與地面站的可視區(qū)域。
[0033]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0034](I)本發(fā)明最大的優(yōu)點(diǎn)，是在傳統(tǒng)的數(shù)傳天線遮擋概率分析方法僅考慮了衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步綜合考慮了衛(wèi)星和地面站相對(duì)位置關(guān)系，系統(tǒng)分析了遮擋發(fā)生時(shí)必須具備的條件因素，使得分析結(jié)果大幅接近衛(wèi)星在軌真實(shí)工作狀態(tài)；
[0035](2)本發(fā)明最大的亮點(diǎn)在于創(chuàng)造了面積比和角度比的概念。通過(guò)面積比，可以較為準(zhǔn)確地給定發(fā)生天線遮擋的第一個(gè)前提條件一一遮擋區(qū)域一一的概率；通過(guò)角度比，可以較為準(zhǔn)確地給定發(fā)生天線遮擋的另一個(gè)前提條件一一側(cè)擺角度一一的概率。面積比與角度比的綜合，也就可以給出數(shù)傳天線發(fā)生遮擋的概率；
[0036](3)本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，完全利用STK強(qiáng)大的計(jì)算功能作為工具，計(jì)算量非常小，不需要編程，僅需提供進(jìn)行仿真計(jì)算的輸入?yún)?shù)即可。在分析過(guò)程中，通過(guò)在STK中不斷手動(dòng)微調(diào)場(chǎng)景參數(shù)并觀察二維三維顯示框中的衛(wèi)星狀態(tài)變化情況，獲得分析結(jié)果；
[0037](4)本發(fā)明給出了一種新的天線遮擋概率指標(biāo)的提法，該提法相對(duì)于以往的指標(biāo)提法而目，描述更為準(zhǔn)確；
[0038](5)本發(fā)明具有較好的普遍適用性。本發(fā)明可以適用于各種具有側(cè)擺實(shí)傳功能的衛(wèi)星進(jìn)行相關(guān)仿真分析，并已在已發(fā)射衛(wèi)星型號(hào)的研制過(guò)程中得到了驗(yàn)證。
【附圖說(shuō)明】
[0039]圖1為本發(fā)明數(shù)傳天線轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)劃方法的流程框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]如圖1所示，為本發(fā)明方法的流程框圖，具體步驟詳述如下:
[0041]I)獲取衛(wèi)星最大側(cè)擺角，以及數(shù)傳天線不受遮擋情況下的最大轉(zhuǎn)角
[0042]衛(wèi)星最大側(cè)擺角作為衛(wèi)星最重要的系統(tǒng)指標(biāo)之一，由衛(wèi)星用戶提出，是衛(wèi)星設(shè)計(jì)的重要輸入?yún)?shù)。
[0043]數(shù)傳天線不受遮擋情況下的最大轉(zhuǎn)角，是指當(dāng)數(shù)傳天線轉(zhuǎn)動(dòng)不超過(guò)該角度時(shí)，其無(wú)論如何轉(zhuǎn)動(dòng)，都不會(huì)被遮擋。該角度越大，數(shù)傳天線被遮擋的概率越低。該角度只與衛(wèi)星構(gòu)型本身相關(guān)，由衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)工程師在完成衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)后提供。
[0044]因此，本步驟所要獲取的兩個(gè)角度，都是作為本專(zhuān)利發(fā)明方法所要用到的輸入?yún)?shù)。
[0045]2)計(jì)算衛(wèi)星的對(duì)地張角和數(shù)傳天線不會(huì)受到遮擋的最大側(cè)擺角
[0046]21)計(jì)算衛(wèi)星的對(duì)地張角
[0047]衛(wèi)星的對(duì)地張角，是指衛(wèi)星-地心矢量和衛(wèi)星-地表切點(diǎn)矢量之間的夾角，是一個(gè)銳角。該角度只與衛(wèi)星軌道高度有關(guān)，軌道高度越高，對(duì)地張角越小。
[0048]計(jì)算公式如下:
[0049]對(duì)地張角
[0050]= asin (地球半徑/ (衛(wèi)星軌道高度+地球半徑))
[0051]但是，考慮地球表面特性，結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn)，一般要求在上述計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上增加一定的余量角度，通常取2?3度。則上述公式變?yōu)?
[0052]對(duì)地張角
[0053]= asin (地球半徑/ (衛(wèi)星軌道高度+地球半徑))+余量角度
[0054]22)計(jì)算數(shù)傳天線不會(huì)受到遮擋的最大側(cè)擺角
[0055]數(shù)傳天線不會(huì)受到遮擋的最大側(cè)擺角，是指在衛(wèi)星側(cè)擺不超過(guò)該角度時(shí)，數(shù)傳天線無(wú)論如何轉(zhuǎn)動(dòng)，其波束都不會(huì)被遮擋。該角度小于等于衛(wèi)星最大側(cè)擺角，且當(dāng)其越接近衛(wèi)星最大側(cè)擺角時(shí)，數(shù)傳天線被遮擋的概率將越低。
[0056]計(jì)算公式如下:
[0057]數(shù)傳天線不會(huì)受到遮擋的最大側(cè)擺角
[0058]=數(shù)傳天線不受遮擋情況下的最大轉(zhuǎn)角-衛(wèi)星的對(duì)地張角
[0059]23)判斷最大側(cè)擺角是否大于數(shù)傳天線不會(huì)受到遮擋的最大側(cè)擺角
[0060]如果步驟I)中獲取的“衛(wèi)星最大側(cè)擺角”大于步驟22)中算得的“數(shù)傳天線不會(huì)受到遮擋的最大側(cè)擺角”，則進(jìn)入步驟3);否則，則意味著數(shù)傳天線肯定不會(huì)受到遮擋，遮擋概率為O %，直接進(jìn)入步驟8)。
[0061]在遮擋概率為O %時(shí)，可以給出衛(wèi)星側(cè)擺實(shí)傳時(shí)的數(shù)傳天線遮擋概率指標(biāo)，作為衛(wèi)星設(shè)計(jì)的系統(tǒng)指標(biāo)。其指標(biāo)提法如下:
[0062]?側(cè)擺實(shí)傳時(shí)數(shù)傳天線不會(huì)受到遮擋；
[0063]3)在STK中畫(huà)出衛(wèi)星與地面站的可視區(qū)域
[0064]根據(jù)衛(wèi)星軌道參數(shù)與地面站的地理位置信息，通過(guò)STK軟件(SatelliteToolKit)畫(huà)出衛(wèi)星與地面站的可視區(qū)域。STK為一款航天仿真分析商業(yè)軟件，具有二維三維可視界面，功能強(qiáng)大，操作方便，在國(guó)際上及我國(guó)航天領(lǐng)域均有廣泛使用。
[0065]本發(fā)明專(zhuān)利中所使用是STK版本為8.1。不同版本的STK在操作上會(huì)略有區(qū)別。由于這并非本發(fā)明專(zhuān)利的主要內(nèi)容，在此不再贅述。用STK獲取衛(wèi)星與地面站可視區(qū)域的過(guò)程如下:
[0066]31)建立仿真場(chǎng)景
[0067]打開(kāi)STK軟件后，點(diǎn)擊工具欄上的File-New，生成一個(gè)仿真場(chǎng)景。
[0068]32)建立衛(wèi)星軌道
[0069]本步驟中要建立衛(wèi)