一種月球軟著陸探測任務(wù)各階段天線設(shè)計方法、天線及通信方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種月球軟著陸探測任務(wù)各階段天線設(shè)計方法、天線及通信方法，利用該方法設(shè)計出的天線可以滿足月球軟著陸的需要；動力下降段天線設(shè)計包括：選用兩副相同的收發(fā)共用測控天線、或兩副相同的接收測控天線與兩副相同的發(fā)射測控天線，工作頻段選為S、X和Ka頻段中至少一個，極化方式選為圓極化，方向圖選為覆蓋半空間，增益選為不小于-5dBi；數(shù)傳天線工作頻段選為S、X和Ka頻段中至少一個，極化方式選為圓極化，方向圖需覆蓋空間的半波束角為θ=γ+△，增益選為不低于G降；月面工作段天線設(shè)計包括：測控天線設(shè)計和數(shù)傳天線設(shè)計；器間通信天線設(shè)計包括：環(huán)月軌道器與月面探測器之間通信天線設(shè)計及月面探測器之間通信天線設(shè)計。
【專利說明】一種月球軟著陸探測任務(wù)各階段天線設(shè)計方法、天線及通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于深空探測測控通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種月球軟著陸探測任務(wù)各階段天線設(shè)計方法、天線及通信方法，特別是動力下降段天線、月面工作段天線以及月面器間通信天線的選用。
【背景技術(shù)】
[0002]天線作為探測器器載測控數(shù)傳系統(tǒng)的重要組成部分，是一種導(dǎo)行波與自由空間波之間的轉(zhuǎn)換裝置，用于發(fā)射或接收無線電波，完成信息交互。在探測器設(shè)計中，需要根據(jù)任務(wù)需求分解出天線的主要指標(biāo)(頻段、極化方式、方向圖以及增益)，進(jìn)而確定任務(wù)各階段選用的天線。月球軟著陸探測任務(wù)一般包括發(fā)射段、巡航段、環(huán)月段、動力下降段、月面工作段以及月面(兩個或多個探測器)器間通信等，相對于地球軌道衛(wèi)星以及月球軌道衛(wèi)星增加了動力下降段、月面工作段以及月面器間通信。本發(fā)明針對月球軟著陸探測任務(wù)動力下降段、月面工作段以及月面器間的需求，提出天線選用方法。
[0003]一般的地球軌道衛(wèi)星以及月球軌道衛(wèi)星采用兩副收發(fā)共用全向天線(或準(zhǔn)全向天線)各覆蓋半空間，兩天線對稱安裝形成全空間(或準(zhǔn)全空間)覆蓋，或采用收發(fā)指標(biāo)與共用全向天線(或準(zhǔn)全向天線)相同的獨立接收全向天線(或準(zhǔn)全向天線)和發(fā)射全向天線(或準(zhǔn)全向天線)進(jìn)行代替，接收地面站上行遙控，發(fā)送工程數(shù)據(jù)，與地面站配合完成測定軌。這類天線一般被稱為測控天線；通過帶機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置的定向天線完成載荷數(shù)據(jù)(如圖像數(shù)據(jù)等)的對地傳輸。這類天線一般被稱為數(shù)傳天線；一般的地球軌道衛(wèi)星以及月球軌道衛(wèi)星中不存在器間通信，月面探測器之間通信采用的天線稱之為器間通信天線，本發(fā)明中稱之為器間通信天線。
[0004]針對月球軟著陸探測任務(wù)增加的工作階段，其天線選用不能簡單的套用一般的地球軌道衛(wèi)星以及月球軌道衛(wèi)星的設(shè)計經(jīng)驗。
[0005]首先，針對動力下降段的對地數(shù)傳，為保證降落過程中可視化，需要將降落過程中對月拍照的圖像實時傳回地面。考慮到降落過程中探測器姿態(tài)快速變化，如果采用指向性強(qiáng)的定向天線，無法保證其對地指向。
[0006]其次，針對月面工作段的對地測控，僅需要保證天線對月面以上半空間覆蓋。且，考慮到月面遮擋對天線方向圖的影響，雙天線通道如果同時工作可能導(dǎo)致月面以上半空間天線方向圖的惡化。
[0007]再次，針對月面器間通信，天線需要覆蓋雙方活動范圍即可，不同于測控對天線半空間覆蓋的要求。同時還要兼顧月面?zhèn)鞑﹄姶挪ǖ挠绊懀C合考慮天線的形式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是針對月球軟著陸與以往航天任務(wù)不同的任務(wù)需求，提出一種月球軟著陸探測任務(wù)各階段天線設(shè)計方法、天線及通信方法，利用該方法設(shè)計出的天線可以滿足月球軟著陸的需要。
[0009]實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0010]一種月球軟著陸探測任務(wù)各階段天線設(shè)計方法，包括動力下降段天線設(shè)計、月面工作段天線設(shè)計及器間通信天線設(shè)計；
[0011]動力下降段天線設(shè)計包括:測控天線設(shè)計和數(shù)傳天線設(shè)計；
[0012]測控天線:該階段選用兩副相同的收發(fā)共用測控天線、或兩副相同的接收測控天線與兩副相同的發(fā)射測控天線，其工作頻段選為S、X和Ka頻段中的至少一個，極化方式選為圓極化，方向圖選為覆蓋半空間，增益選為不小于_5dBi ；
[0013]數(shù)傳天線:工作頻段選為S、X和Ka頻段中的至少一個，極化方式選為圓極化，
[0014]數(shù)傳天線方向圖采用如下步驟確定:
[0015]S101，在確定探 測器標(biāo)稱姿態(tài)下，獲取η個不同著陸時刻的動力下降過程中探測器-地心連線與數(shù)傳天線電軸夾角的最大值{Ci1, α2, α3……a — Qj ；
[0016]S102，從包含η個角度的集合中選取最大的角度值，并將其記為α_，計算考慮探測器姿態(tài)控制偏差后的探測器-地心連線與數(shù)傳天線電軸夾角Υ = α_+β，其中β為探測器姿態(tài)控制的最大偏差；
[0017]S103，確定數(shù)傳天線方向圖需覆蓋空間的半波束角為Θ=Υ + Λ，其中Λ為基準(zhǔn)誤差;
[0018]數(shù)傳天線的增:EifL選為不低于G降=3~Pt降_L_L調(diào)_a+k+101g10 (b降)+c_d ;其中，Pt降為數(shù)傳天線入口處功率，L為傳輸損耗，Lia為調(diào)制損失，a為地面站品質(zhì)因數(shù)，k為玻耳茲曼常數(shù)，數(shù)傳碼速率，c為一定誤碼率前提下的地面解調(diào)門限，d為信道編碼增益；
[0019]月面工作段天線設(shè)計包括:測控天線設(shè)計和數(shù)傳天線設(shè)計；
[0020]測控天線:采用動力下降段選用的測控天線中朝天面的測控天線；
[0021]數(shù)傳天線:工作頻段選為S、X和Ka頻段中的至少一個，極化方式選為圓極化，
[0022]數(shù)傳天線的增￡fL選為不低于G月面=3H31 jg _L_L調(diào)_a+k+101g10 (b月面)+c_d，其中，Pt iw為數(shù)傳天線入口處功率，b J1b為數(shù)傳碼速率；
[0023]數(shù)傳天線方向圖需覆蓋空間的半波束角選為=其中η為天線效率；
[0024]器間通信天線設(shè)計包括:環(huán)月軌道器與月面探測器之間通信天線設(shè)計、及月面探測器之間通信天線設(shè)計；
[0025]環(huán)月軌道器與月面探測器之間通信天線:工作頻段選為UHF頻段、極化方式選為圓極化，方向圖選為半空間覆蓋，增益選為不小于_5dBi ；
[0026]月面探測器之間通信天線:工作頻段選為300MHz~600MHz頻段，極化方式選為垂直線極化，方向圖需覆蓋的夾角選為[Qniin-Pniax, α _+β _]，其中[a— amJ為兩探測器之間通信天線等效饋源連線與通信天線機(jī)械軸夾角變化范圍，為通信天線機(jī)械軸向與探測器所處地水平面法向的最大夾角值；增益選為不小于Gsw=3-PtlM-L-L調(diào)-a+k+101gltl(b器間)+c_d,其中，Pt器間為通/[目天線入口處功率，b器間為器間通/[目碼速率。
[0027]進(jìn)一步地，本發(fā)明當(dāng)動力下降段和月面工作段測控天線的工作頻段選為S、X和Ka頻段，動力下降段和月面工作段數(shù)傳天線的工作頻段選為S、X和Ka頻段時，則Ka頻段選為數(shù)傳試驗鏈路，2025MHz~2110MHz的S頻段、7190MHz~7235MHz的X頻段和22.55GHz~
23.15GHz的Ka頻段選為上行頻帶，2200MHz~2290MHz的S頻段、8450MHz~8500MHz的X頻段和25.5GHz~27GHz的Ka頻段選為下行頻帶。
[0028]進(jìn)一步地，本發(fā)明動力下降段和月面工作段測控天線的工作頻段選為X頻段，動力下降段和月面工作段數(shù)傳天線的工作頻段選為X頻段。
[0029]進(jìn)一步地，本發(fā)明所述基準(zhǔn)誤差Λ為±0.92°。
[0030]一種月球軟著陸探測任務(wù)各階段天線，包括動力下降段天線、月面工作段天線及器間通信天線；
[0031]動力下降段天線:包括測控天線和數(shù)傳天線，其中測控天線為兩副相同的收發(fā)共用測控天線、或兩副相同的接收測控天線與兩副相同的發(fā)射測控天線；其中
[0032]測控天線的工作頻段為S、X和Ka頻段中的至少一個，極化方式為圓極化，方向圖為覆蓋半空間，增益為不小于_5dBi ；
[0033]數(shù)傳天線的頻段為S、X和Ka頻段中的至少一個，極化方式為圓極化，方向圖覆蓋空間的半波束角為θ=α_+β + Λ，其中Cimax為η個著陸時刻動力下降過程中探測器-地心連線與數(shù)傳天線電軸夾角的最大值，β為探測器姿態(tài)控制的最大偏差，Λ為基準(zhǔn)誤差；
[0034]月面工作段天線:包括測控天線和數(shù)傳天線；其中 [0035]測控天線:工作頻段為S、X和Ka頻段中的至少一個，極化方式為圓極化，方向圖為覆蓋半空間，增益為不小于_5dBi ；
[0036]數(shù)傳天線:工作頻段為S、X和Ka頻段中的至少一個，極化方式為圓極化，
[0037]增:--為不低于G 面=3_Pt月面-L-L調(diào)_a+k+101gltl(b月面)+c_d，其中，Pt月面為數(shù)傳天線入口處功率，bgB為數(shù)傳碼速率；
[0038]數(shù)傳天線方向圖需覆蓋空間的半波束角為
【權(quán)利要求】
1.一種月球軟著陸探測任務(wù)各階段天線設(shè)計方法，包括動力下降段天線設(shè)計、月面工作段天線設(shè)計及器間通信天線設(shè)計；其特征在于， 動力下降段天線設(shè)計包括:測控天線設(shè)計和數(shù)傳天線設(shè)計； 測控天線:該階段選用兩副相同的收發(fā)共用測控天線、或兩副相同的接收測控天線與兩副相同的發(fā)射測控天線，該階段所選用的測控天線的工作頻段選為S、x和Ka頻段中的至少一個，極化方式選為圓極化，方向圖選為覆蓋半空間，增益選為不小于-5dBi ； 數(shù)傳天線:工作頻段選為S、X和Ka頻段中的至少一個，極化方式選為圓極化， 數(shù)傳天線方向圖采用如下步驟確定: SlOl，在確定探測器標(biāo)稱姿態(tài)下，獲取η個不同著陸時刻的動力下降過程中探測器-地心連線與數(shù)傳天線電軸夾角的最大值1>1; α2，α3……Cilri, aj ； S102,從包含η個角度的集合中選取最大的角度值，并將其記為a _，計算考慮探測器姿態(tài)控制偏差后的探測器-地心連線與數(shù)傳天線電軸夾角Υ = α_+β，其中β為探測器姿態(tài)控制的最大偏差； S103，確定數(shù)傳天線方向圖需覆蓋空間的半波束角為θ =y +Λ，其中Λ為基準(zhǔn)誤差；數(shù)傳天線的增益選為不低于
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述月球軟著陸探測任務(wù)各階段天線設(shè)計方法，其特征在于，當(dāng)動力下降段和月面工作段測控天線的工作頻段選為S、X和Ka頻段，動力下降段和月面工作段數(shù)傳天線的工作頻段選為S、X和Ka頻段時，則Ka頻段選為數(shù)傳試驗鏈路，2025MHz~2110MHz的S頻段、7190MHz~7235MHz的X頻段和22.55GHz~23.15GHz的Ka頻段選為上行頻帶，2200MHz ~2290MHz 的 S 頻段、8450MHz ~8500MHz 的 X 頻段和 25.5GHz ~27GHz的Ka頻段選為下行頻帶。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述月球軟著陸探測任務(wù)各階段天線設(shè)計方法，其特征在于，動力下降段和月面工作段測控天線的工作頻段選為X頻段，動力下降段和月面工作段數(shù)傳天線的工作頻段選為X頻段。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述月球軟著陸探測任務(wù)各階段天線設(shè)計方法，其特征在于，所述基準(zhǔn)誤差Λ為±0.92°。
5.一種月球軟著陸探測任務(wù)各階段天線，包括動力下降段天線、月面工作段天線及器間通信天線；其特征在于， 動力下降段天線:包括測控天線和數(shù)傳天線，其中測控天線為兩副相同的收發(fā)共用測控天線、或兩副相同的接收測控天線與兩副相同的發(fā)射測控天線；其中 測控天線的工作頻段為S、X和Ka頻段中的至少一個，極化方式為圓極化，方向圖為覆蓋半空間，增益為不小于_5dBi ； 數(shù)傳天線的頻段為S、X和Ka頻段中的至少一個，極化方式為圓極化，方向圖覆蓋空間的半波束角為θ=α_+β + Λ，其中Cimax為η個著陸時刻動力下降過程中探測器-地心連線與數(shù)傳天線電軸夾角的最大值，β為探測器姿態(tài)控制的最大偏差，Λ為基準(zhǔn)誤差； 月面工作段天線:包括測控天線和數(shù)傳天線；其中 測控天線:工作頻段為S、X和Ka頻段中的至少一個，極化方式為圓極化，方向圖為覆蓋半空間，增益為不小于_5dBi ； 數(shù)傳天線:工作頻段為S、X和Ka頻段中的至少一個，極化方式為圓極化， 增M為不低于G月面=3_Pt月面-L-L調(diào)~a+k+101og10 (b月面)+c_d，其中，Pt月面為數(shù)傳天線入口處功率，bgS為數(shù)傳碼速率； 數(shù)傳天線方向圖需覆蓋空間的半波束角為
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述月球軟著陸探測任務(wù)各階段天線，其特征在于，動力下降段和月面工作段測控天線的工作頻段為X頻段，動力下降段和月面工作段數(shù)傳天線的工作頻段為X頻段。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述月球軟著陸探測任務(wù)各階段天線，其特征在于，所述基準(zhǔn)誤差Λ為 ±0.92°。
8.一種月球軟著陸探測任務(wù)各階段通信方法，包括發(fā)射段通信、巡航段通信、環(huán)月段通信、動力下降段通信、月面工作段通信以及月面器間通信；其特征在于，動力下降段通信采用數(shù)傳天線和測控天線，其中測控天線為兩副相同的收發(fā)共用測控天線、或兩副相同的接收測控天線與兩副相同的發(fā)射測控天線；其中 測控天線的工作頻段為S、X和Ka頻段中的至少一個，極化方式為圓極化，方向圖為覆蓋半空間，增益為不小于_5dBi ； 數(shù)傳天線的頻段為S、X和Ka頻段中的至少一個，極化方式為圓極化，方向圖覆蓋空間的半波束角為θ=α_+β + Λ，其中Cimax為η個著陸時刻動力下降過程中探測器-地心連線與數(shù)傳天線電軸夾角的最大值，β為探測器姿態(tài)控制的最大偏差，Λ為基準(zhǔn)誤差； 月面工作段通信采用測控天線和數(shù)傳天線；其中 測控天線為動力下降段所選用的測控天線中朝天面的測控天線； 數(shù)傳天線的工作頻段為S、X和Ka頻段中的至少一個，極化方式為圓極化， 增M為不低于G月面=3_Pt月面-L-L調(diào)~a+k+101og10 (b月面)+c_d，其中，Pt月面為數(shù)傳天線入口處功率，bgS為數(shù)傳碼速率； 數(shù)傳天線方向圖需覆蓋空間的半波束角為
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述月球軟著陸探測任務(wù)各階段通信方法，其特征在于，當(dāng)動力下降段和月面工作段測控天線的工作頻段選為S、X和Ka頻段，動力下降段和月面工作段數(shù)傳天線的工作頻段選為S、X和Ka頻段時，則在進(jìn)行數(shù)傳試驗時，采用Ka頻段進(jìn)行；在進(jìn)行上行通信時，采用2025MHz~2110MHz的S頻段、7190MHz~7235MHz的X頻段和22.55GHz~23.15GHz的Ka頻段進(jìn)行，在進(jìn)行下行通信時，采用2200MHz~2290MHz的S頻段、8450MHz~8500MHz的X頻段和25.5GHz~27GHz的Ka頻段進(jìn)行。
【文檔編號】H01Q21/00GK103943943SQ201410113774
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月25日
【發(fā)明者】劉適, 孫澤洲, 徐寶碧, 黃曉峰 申請人:北京空間飛行器總體設(shè)計部