CN113904709A - 深空探测在轨判断高增益天线指向的***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种深空探测在轨判断高增益天线指向的***及方法，涉及深空探测航天器无线电通信技术领域，该方法包括：卫星接收模块：包括低增益天线、带二维驱动机构的高增益天线、第一深空应答机以及第二深空应答机；深空站模块：包括大口径天线、基带设备以及转发装置；地面数据处理中心：包括遥测监视设备、数据库以及数据处理工具。本发明能够大幅提高了判断的准确性；在巡航状态下不需要额外的地面操作和星上调姿，可以实现实时监控。
Description
技术领域
本发明涉及深空探测航天器无线电通信技术领域，具体地，涉及一种深空探测在轨判断高增益天线指向的***及方法。
背景技术
执行深空探测任务的航天器为了实现超远距离的测控通信，一般会配备大口径窄波束的抛物面高增益天线，在巡航状态下，高增益天线和低增益接收天线同时对地。由于二维机构指向精度的问题，常常需要对高增益天线进行在轨标定。在远地情况下，可以忽略地球半径，将地球当做一个质点进行数学建模，天线标定的常用方法是通过十字扫描或者螺旋扫描的方式，由地面站通过下行接收信号强弱判定高增益天线指向是否精确。该方法需要通过地面干涉星上姿态的手段控制天线的指向，操作流程较为复杂，大大增加了星上的风险。
公开号为CN111755824A的发明专利，公开了一种用于小倾角GEO卫星天线覆盖区补偿的天线控制方法，首先卫星通过在轨自主实时指向时机的计算，在无地面干预情况下，启动天线指向计算，并自主输出天线波束指向规划角，驱动天线转动机构，实现典型位置的波束指向微调，继而实现覆盖区域的调整。该文主要是通过卫星在轨自主实时计算指向时机，自主进行驱动角规划，从而实现区域覆盖。与本文中提出的根据在轨遥测值，通过人工处理判断不一样。
公开号为CN111891402A的发明专利，公开了一种基于自主机动的火星探测对地天线指向恢复方法，该方法的步骤包括：S1、在长期稳态飞行基准下，若高增益天线驱动异常，GNC根据最后一拍高增益天线驱动角，计算高增益天线对地指向目标姿态，自主规划机动路径机动至高增益天线对地指向目标姿态；S2、根据S1中的目标姿态计算，GNC根据器上飞轮力矩及角动量约束，自主进行路径规划，并计算机动路径过程中的控制四元数及控制用角速度；S3、若仍然无通信建立，则进入绕对日轴慢旋状态。该文主要是在高增益指向异常后，通过GNC记录在轨最后一拍高增益天线驱动角遥测，进行自主路径规划驱动。与本文中提出的正常在轨判断高增益指向不一样。
公开号为CN110441758B的发明专利，公开了一种星载线阵多波束测高激光雷达的在轨几何定标方法，包括：输入初始定标参数至星载线阵多波束测高激光雷达几何模型，计算各激光探测单元对应的激光足印初始坐标；估算激光足印的平面偏差大小及方向；根据激光足印初始坐标及激光足印的平面偏差大小及方向，确定激光足印初始坐标对应的激光足印控制点坐标；利用各激光探测单元对应的激光足印初始坐标与激光足印控制点坐标之间的差值，计算各激光探测单元的测距校正参数；根据激光足印控制点坐标求解激光足印的整***置偏差，再由整***置偏差得到星载线阵多波束测高激光雷达的整体姿态校正参数。该方法是通过激光探测实现参数修正，不涉及在轨抛物面天线指向判断。
公开号为CN112362080A的发明专利，公开了一种航天器天线在轨指向标定的器地数据同步偏差确定方法，包括：获取航天器高增益天线指向扫描时的扫描角度，以及在高增益天线指向扫描时地面测控设备测量的功率数据；其中，扫描角度采用航天器时标，功率数据采用地面时标；对扫描角度和功率数据的同步偏差进行粗搜索，得到第一偏差结果；根据第一偏差结果，对扫描角度和功率数据的同步偏差进行精搜索，得到器地数据同步偏差。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种深空探测在轨判断高增益天线指向的***及方法。
根据本发明提供的一种深空探测在轨判断高增益天线指向的***及方法，所述方案如下：
第一方面，提供了一种深空探测在轨判断高增益天线指向的***，所述***包括：
卫星接收模块：包括低增益接收天线、带二维驱动机构的高增益天线、第一深空应答机以及第二深空应答机；
深空站模块：包括大口径天线、基带设备以及转发装置；
地面数据处理中心：包括遥测监视设备、数据库以及数据处理工具；
其中，深空站模块发送上行遥控信号，卫星接收模块通过天线和应答机接收上行遥控信号，并在应答机中测量接收到的信号电平强度，深空站模块接收到探测器的遥测并进行处理，将表征器上接收信号电平的遥测数据送往地面数据处理中心。
优选的，所述高增益天线与所述第一深空应答机连接，所述低增益天线与所述第二深空应答机连接，所述低增益天线固定安装在高增益天线所在面的舱板上，所述高增益天线由整器控制二维驱动机构进行X轴、Y轴和展开轴转动。
优选的，整器采集深空应答机的入口电平遥测并传输到地面。
优选的，所述深空应答机的跟踪灵敏度为-150dBm以上。
第二方面，提供了一种深空探测在轨判断高增益天线指向的方法，所述方法包括：
步骤S1：探测器保持高增益天线闭环控制指向地球，深空站发送上行遥控信号，同时接收器上传到地面的下行遥测信号；
步骤S2：地面站将处理后的下行遥测信号转发至数据处理中心；
步骤S3：地面数据处理中心提取数据库内的第一深空应答机和第二深空应答机的入口信号电平遥测数据，并对同时段的两组入口电平数据进行差值处理，得到差值A；
步骤S4：计算第一深空应答机接收通道和第二深空应答机接收通道的通道增益，进行差值处理，得到差值B；
步骤S5：将步骤S3中的差值A与步骤S4中的差值B进行比较，判断高增益天线的指向精度。
优选的，所述步骤S1包括调整深空站模块的发射功率，使信号强度满足与低增益天线所连第一深空应答机的跟踪门限。
优选的，所述步骤S1中低增益天线为固定指向，高增益天线通过驱动机构形成与低增益天线同一指向。
优选的，所述步骤S3中的入口信号电平遥测能够线性反映应答机入口端的信号强度。
优选的，所述步骤S4中接收通道包括第一深空应答机至低增益天线通道和第二深空应答机至高增益天线通道。
优选的，所述步骤S4中通道增益包括天线本身的增益和天线出口端到深空应答机入口端的射频链路插损。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明利用星上的低增益天线通道来消除信号到达高增益天线接收前端的其他干扰因素，大幅提高了判断的准确性；
2、该方法在航天器大部分飞行时间内都可以使用，在巡航状态下不需要额外的地面操作和星上调姿，可以实现实时监控。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为天地信息传输流程；
图2为数据处理流程图；
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种深空探测在轨判断高增益天线指向的***，参照图1所示，包括卫星接收模块、深空站模块以及地面数据处理中心三部分，其中，卫星接收模块：包括低增益天线、带二维驱动机构的高增益天线(即带二维驱动机构的高增益窄波束抛物面天线)、第一深空应答机以及第二深空应答机。深空站模块：包括大口径天线、基带设备以及转发装置；地面数据处理中心：包括遥测监视设备、数据库以及数据处理工具。深空应答机具有极高的灵敏度，跟踪灵敏度为-150dBm以上。
高增益天线与第一深空应答机连接，低增益天线与第二深空应答机连接，低增益天线固定安装在高增益天线所在面的舱板上，高增益天线由整器控制二维驱动机构进行X轴、Y轴和展开轴转动。整器采集深空应答机的入口电平遥测并分包转发。
本发明还提供了一种深空探测在轨判断高增益天线指向的方法，参照图2所示，该方法包括：
步骤S1：探测器保持高增益天线闭环控制指向地球；调整深空站模块的发射功率，使信号强度满足与低增益天线所连第一深空应答机的跟踪门限。中低增益天线为固定指向，高增益天线通过驱动机构形成与低增益天线同一指向。第一深空应答机和第二深空应答机具备极高的捕获灵敏度，在数亿公里外仍具备载波捕获能力。
步骤S2：地面站将处理后的下行遥测信号，即地面收到的卫星遥测，转发至数据处理中心；
步骤S3：监视第一深空应答机和第二深空应答机的入口信号电平遥测，提取数据库内的遥测数据，并对同时段的两组入口电平数据进行差值处理，得到差值A；入口信号电平遥测能够线性真实反映应答机入口端的信号强度。
步骤S4：计算第一深空应答机接收通道和第二深空应答机接收通道的通道增益，进行差值处理，得到差值B；接收通道包括第一深空应答机至低增益天线通道和第二深空应答机至高增益天线通道。通道增益包括天线本身的增益和天线出口端到深空应答机入口端的射频链路插损。
步骤S5：将步骤S3中的差值A与步骤S4中的差值B进行比较，判断高增益天线的指向精度。
接下来，对本发明进行更为具体的说明。
如图1所示，本发明涉及到卫星接收模块、深空站模块以及地面数据处理中心。卫星接受模块接收地面站遥控信号，由整器对遥测进行采集，生成深空应答机入口电平遥测信息；深空站模块将处理后的下行遥测信号转发至地面数据处理中心。
深空站***接收卫星下传遥测信息，解调后通过地面光纤电缆网将其转发至地面数据处理中心缓存至数据库中。
从数据库中提取同一时间段、同一深空测控站内深空应答机入口电平的遥测信息，生成数据表格，表格数据内容分为三列，第一列为器上时间，第二列为第一深空应答机入口电平遥测数值，第三列为第二深空应答机入口电平遥测数值。对所有内容按照第一列器上时间升序排列，检查时间的连续性。对深空应答机入口电平遥测数值进行筛选，剔除坏点。对经过预处理的两组数据在同一时刻的电平值进行做差并求平均值，得到差值绝对值A。
查询第一深空应答机到低增益天线的通道增益为X，第二深空应答机到高增益天线的通道增益为Y，对两个通道的插损进行做差得到差值绝对值B。对比差值绝对值A与差值绝对值B的大小，在绝对值小于1的情况下，认为高增益天线基本指向地球；若差值大于等于1，认为高增益天线指向有偏差。
本发明实施例提供了一种深空探测在轨判断高增益天线指向的***及方法，将两个卫星接收通道的信号强度进行做差处理，消除地面站到天线入口的信道影响，与天线地面实测增益作比较，达到判定在轨高增益天线指向精度的目的，适用于较远距离的深空飞行器，判据简单有效，具有一定的工程价值。其中，利用星上的低增益天线通道来消除信号到达高增益天线接收前端的其他干扰因素，大幅提高了判断的准确性；且该方法在航天器大部分飞行时间内都可以使用，在巡航状态下不需要额外的地面操作和星上调姿，可以实现实时监控。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的***及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的***及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的***及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种深空探测在轨判断高增益天线指向的***，其特征在于，包括：
卫星接收模块：包括低增益接收天线、带二维驱动机构的高增益天线、第一深空应答机以及第二深空应答机；
深空站模块：包括大口径天线、基带设备以及转发装置；
地面数据处理中心：包括遥测监视设备、数据库以及数据处理工具；
其中，深空站模块发送上行遥控信号，卫星接收模块通过天线和应答机接收上行遥控信号，并在应答机中测量接收到的信号电平强度，深空站模块接收到探测器的遥测并进行处理，将表征器上接收信号电平的遥测数据送往地面数据处理中心。
2.根据权利要求1所述的深空探测在轨判断高增益天线指向的***，其特征在于，所述高增益天线与所述第一深空应答机连接，所述低增益天线与所述第二深空应答机连接，所述低增益天线固定安装在高增益天线所在面的舱板上，所述高增益天线由整器控制二维驱动机构进行X轴、Y轴和展开轴转动。
3.根据权利要求1所述的深空探测在轨判断高增益天线指向的***，其特征在于，整器采集深空应答机的入口电平遥测并分包传输到地面站。
4.根据权利要求1所述的深空探测在轨判断高增益天线指向的***，其特征在于，所述深空应答机的跟踪灵敏度为-150dBm以上。
5.一种深空探测在轨判断高增益天线指向的方法，其特征在于，包括：
步骤S1：探测器保持高增益天线闭环控制指向地球，深空站发送上行遥控信号，同时接收器上传到地面的下行遥测信号；
步骤S2：地面站将处理后的下行遥测信号转发至数据处理中心；
步骤S3：地面数据处理中心提取数据库内的第一深空应答机和第二深空应答机的入口信号电平遥测数据，并对同时段的两组入口电平数据进行差值处理，得到差值A；
步骤S4：计算第一深空应答机接收通道和第二深空应答机接收通道的通道增益，进行差值处理，得到差值B；
步骤S5：将步骤S3中的差值A与步骤S4中的差值B进行比较，判断高增益天线的指向精度。
6.根据权利要求5所述的深空探测在轨判断高增益天线指向的方法，其特征在于，所述步骤S1包括调整深空站模块的发射功率，使信号强度满足与低增益天线所连第一深空应答机的跟踪门限。
7.根据权利要求5所述的深空探测在轨判断高增益天线指向的方法，其特征在于，所述步骤S1中低增益天线为固定指向，高增益天线通过驱动机构形成与低增益天线同一指向。
8.根据权利要求5所述的深空探测在轨判断高增益天线指向的方法，其特征在于，所述步骤S3中的入口信号电平遥测能够线性反映应答机入口端的信号强度。
9.根据权利要求5所述的深空探测在轨判断高增益天线指向的方法，其特征在于，所述步骤S4中接收通道包括第一深空应答机至低增益天线通道和第二深空应答机至高增益天线通道。
10.根据权利要求5所述的深空探测在轨判断高增益天线指向的方法，其特征在于，所述步骤S4中通道增益包括天线本身的增益和天线出口端到深空应答机入口端的射频链路插损。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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