本發(fā)明屬于天線與微波技術(shù)領(lǐng)域,涉及航天飛行器天線技術(shù),具體地,涉及一種航天器可移波束天線指向動(dòng)態(tài)跟蹤的試驗(yàn)系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù):
航天器可移波束天線(以下簡(jiǎn)稱天線)一般用于保持對(duì)目標(biāo)的指向跟蹤,由于航天器自身姿態(tài)的變化、航天器與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng),目標(biāo)的視運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜,天線指向的算法及控制、天線指向?qū)δ繕?biāo)保持跟蹤的功能實(shí)現(xiàn)都需要在動(dòng)態(tài)條件下進(jìn)行系統(tǒng)仿真驗(yàn)證。
進(jìn)行這樣的仿真驗(yàn)證,主要面臨兩個(gè)問題:一是目標(biāo)視運(yùn)動(dòng)的模擬,二是天線指向誤差的指示。通常的方法是采用射頻測(cè)試的方法,用轉(zhuǎn)臺(tái)來模擬航天器的姿態(tài)變化,用目標(biāo)的位移模擬航天器與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng),用射頻信號(hào)來指示天線指向誤差。由于射頻測(cè)試對(duì)場(chǎng)地的要求更嚴(yán)格,例如要求在緊縮場(chǎng)微波暗室中或外場(chǎng)進(jìn)行,需求空間大、距離遠(yuǎn),所以限制因素更多,不利于系統(tǒng)仿真驗(yàn)證的開展。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為了解決航天器可移波束天線現(xiàn)有的指向動(dòng)態(tài)跟蹤試驗(yàn)依賴于射頻測(cè)試的問題,本發(fā)明提出了一種航天器可移波束天線指向動(dòng)態(tài)跟蹤的試驗(yàn)系統(tǒng)及方法,無需外場(chǎng)或緊縮場(chǎng)條件,對(duì)場(chǎng)地要求低,具有測(cè)試精度高、測(cè)試效率高等優(yōu)點(diǎn)。
一種航天器可移波束天線指向動(dòng)態(tài)跟蹤的試驗(yàn)系統(tǒng),包括目標(biāo)視運(yùn)動(dòng)仿真子系統(tǒng)(1)、指向誤差指示子系統(tǒng)(2)以及航天器天線指向控制子系統(tǒng)(3);
所述目標(biāo)視運(yùn)動(dòng)仿真子系統(tǒng)(1)包括固定安裝在測(cè)試場(chǎng)地(12)的三軸轉(zhuǎn)臺(tái)(4)和角度換算模塊(5);所述航天器可移波束天線(9)安裝在所述三軸轉(zhuǎn)臺(tái)(4)上;角度換算模塊(5)用于把所述航天器天線指向控制子系統(tǒng)(3)輸入的航天器自身的運(yùn)動(dòng)信息與目標(biāo)星運(yùn)動(dòng)進(jìn)行疊加,并換算為航天器實(shí)際運(yùn)動(dòng)的三軸姿態(tài)角度,轉(zhuǎn)化為三軸轉(zhuǎn)臺(tái)(4)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,然后把實(shí)測(cè)的三軸轉(zhuǎn)臺(tái)(4)各軸到位角度換算為航天器三軸姿態(tài)角度實(shí)測(cè)值,并輸出至航天器天線指向控制子系統(tǒng)(3);三軸轉(zhuǎn)臺(tái)(4)根據(jù)接收的所述轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行運(yùn)動(dòng);
所述航天器天線指向控制子系統(tǒng)(3)包括航天器動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)(11)和天線指向計(jì)算模塊(10);所述航天器動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)(11)用于對(duì)航天器的軌道、姿態(tài),以及目標(biāo)星的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬,并向視運(yùn)動(dòng)仿真子系統(tǒng)(1)輸出航天器自身的運(yùn)動(dòng)與目標(biāo)星運(yùn)動(dòng)信息;再把視運(yùn)動(dòng)仿真子系統(tǒng)(1)輸出的航天器三軸姿態(tài)角度實(shí)測(cè)值傳遞給天線指向計(jì)算模塊(10);所述天線指向計(jì)算模塊(10)根據(jù)航天器三軸姿態(tài)角度實(shí)測(cè)值、航天器星歷以及目標(biāo)星星歷,得到航天器可移波束天線(9)運(yùn)動(dòng)信息,并進(jìn)行解算得到航天器可移波束天線(9)的三軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度,并發(fā)出航天器可移波束天線(9)轉(zhuǎn)動(dòng)指令;
所述指向誤差指示子系統(tǒng)包括固定安裝在測(cè)試場(chǎng)地(12)的平面反射鏡(6),安裝在航天器可移波束天線(9)上的激光器(7)以及設(shè)置在激光器(7)出光口周向的激光屏(20);激光器(7)發(fā)出的激光(8)的指向與航天器可移波束天線(9)的波束指向一致,平面反射鏡(6)與所述航天器可移波束天線(9)的波束指向垂直。
較佳的,采用激光器夾具固定航天器可移波束天線(9),所述激光器夾具包括激光器夾具本體(15)和激光器夾具壓片(16);激光器夾具本體(15)的一側(cè)固定所述激光屏(20),另一側(cè)設(shè)置有條狀凸起,凸起中部設(shè)置弧形凹槽;激光器夾具壓片(16)與條狀凸起對(duì)接面上同樣設(shè)置有弧形凹槽,兩個(gè)凹槽位置對(duì)應(yīng),形成激光器安裝孔(17);激光器夾具本體(15)上與條狀凸起同側(cè)的側(cè)面上設(shè)置有用于與所述航天器可移波束天線(9)連接的激光器夾具機(jī)械安裝孔(19)。
一種航天器可移波束天線指向動(dòng)態(tài)跟蹤的試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法,所述角度換算模塊(5)計(jì)算航天器運(yùn)動(dòng)的三軸姿態(tài)角度的方法為:
步驟1、以平面反射鏡(6)為基準(zhǔn)建立測(cè)試全局坐標(biāo)系,其三軸單位矢量為
步驟2、航天器動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)(11)仿真得出航天器在當(dāng)前自身的三軸姿態(tài)下目標(biāo)星方向(13),并表示為(θ,φ);設(shè)航天器坐標(biāo)系三軸單位矢量為
按照視運(yùn)動(dòng)仿真子系統(tǒng)(1)的設(shè)計(jì)原則,天線波束坐標(biāo)系和測(cè)試全局坐標(biāo)系相同,即[g]t=[a]t;同時(shí),把所述航天器實(shí)際運(yùn)動(dòng)的三軸姿態(tài)角度轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系,有:
[a]t=[a/a]-1[g'/g]-1[g']t=[t][g']t(2)
其中,變換矩陣[t]表征在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)(4)上模擬航天器的疊加姿態(tài)運(yùn)動(dòng);
考慮到轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系三軸與天線波束坐標(biāo)系三軸的對(duì)應(yīng)關(guān)系,設(shè)轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系的方位軸、俯仰軸、極化軸轉(zhuǎn)角分別為az、el、pl,有:
其中
步驟3、當(dāng)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)(4)轉(zhuǎn)動(dòng)到位后,航天器三軸姿態(tài)角度實(shí)測(cè)值為別設(shè)為方位軸、俯仰軸、極化軸實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)角分別為az'、el′、pl′,則該狀態(tài)下航天器坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系的關(guān)系為:
設(shè)[a']t=[t'][a0]t,[a0]代表航天器各軸姿態(tài)角均為0時(shí)的坐標(biāo)系,設(shè)航天器滾動(dòng)角、俯仰角、偏航角分別為φ'、θ'、ψ',有:
上述的矩陣[t'],根據(jù)航天器動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)(11)仿真得出的航天器滾動(dòng)角φ、俯仰角θ、偏航角ψ確定:
本發(fā)明具有如下有益效果:
本發(fā)明中以目標(biāo)方向視為不變量,航天器將進(jìn)行疊加姿態(tài)運(yùn)動(dòng),即三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)為航天器自身運(yùn)動(dòng)與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的疊加,而天線運(yùn)動(dòng)為真實(shí)的航天器動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)輸出的天線跟蹤目標(biāo)的運(yùn)動(dòng),因此,目標(biāo)方向已變成一個(gè)測(cè)試場(chǎng)地中的固定指向,因此在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,安裝于三軸轉(zhuǎn)臺(tái)上的天線指向保持為目標(biāo)方向,因此,本發(fā)明無需外場(chǎng)或緊縮場(chǎng)條件,對(duì)場(chǎng)地要求低,具有測(cè)試精度高、測(cè)試效率高等優(yōu)點(diǎn);
三軸轉(zhuǎn)臺(tái)由航天器動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、天線指向由三軸轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng),與航天器采用實(shí)測(cè)姿態(tài)角度計(jì)算天線指向的算法一致,因而指向動(dòng)態(tài)跟蹤的驗(yàn)證是真實(shí)的;
降低對(duì)場(chǎng)地要求:采用平面反射鏡-激光器的方法,擺脫了對(duì)緊縮場(chǎng)微波暗室、外場(chǎng)等測(cè)試系統(tǒng)的依賴,降低了試驗(yàn)的復(fù)雜度和成本,提高了試驗(yàn)的效率。
附圖說明
圖1為根據(jù)本發(fā)明的一種航天器機(jī)械可移波束天線指向動(dòng)態(tài)跟蹤的試驗(yàn)系統(tǒng)組成框圖;
圖2為本發(fā)明具體實(shí)施方式所涉及的機(jī)械可移波束天線測(cè)試場(chǎng)地布局圖;
圖3為本發(fā)明具體實(shí)施方式所涉及的激光器夾具。
其中,1-視運(yùn)動(dòng)仿真子系統(tǒng),2-指向誤差指示子系統(tǒng),3-航天器天線指向控制子系統(tǒng),4-三軸轉(zhuǎn)臺(tái),5-角度換算模塊,6-平面反射鏡,7-激光器,8-激光,9-天線,10-天線指向計(jì)算模塊,11-航天器動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī),12-測(cè)試場(chǎng)地,13-目標(biāo)星方向,14-光斑,15-激光器夾具本體,16-激光器夾具壓片,17-激光器安裝孔,18-激光器壓片安裝孔,19-激光器夾具機(jī)械安裝孔,20-激光屏。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
本發(fā)明提出了一種航天器可移波束天線指向動(dòng)態(tài)跟蹤的試驗(yàn)系統(tǒng),主要包括目標(biāo)視運(yùn)動(dòng)仿真子系統(tǒng)1、指向誤差指示子系統(tǒng)2、航天器天線指向控制子系統(tǒng)3:
(一)目標(biāo)視運(yùn)動(dòng)仿真子系統(tǒng)1
目標(biāo)星的視運(yùn)動(dòng)由兩部分疊加而成:a.航天器自身姿態(tài)的變化,b.航天器與目標(biāo)星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。如果以目標(biāo)星方向13視為不變量,航天器將進(jìn)行疊加姿態(tài)運(yùn)動(dòng),具體是a和b的疊加。本發(fā)明的目標(biāo)視運(yùn)動(dòng)仿真子系統(tǒng)1,就是把目標(biāo)星方向13作為測(cè)試場(chǎng)地12中的固定方向,而模擬航天器的疊加姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。目標(biāo)視運(yùn)動(dòng)仿真子系統(tǒng)1主要由固定安裝在測(cè)試場(chǎng)地12的三軸轉(zhuǎn)臺(tái)4、角度換算模塊5組成。三軸轉(zhuǎn)臺(tái)4具有三個(gè)互相垂直的轉(zhuǎn)軸:方位軸、俯仰軸、極化軸,三個(gè)轉(zhuǎn)軸能夠同時(shí)程控轉(zhuǎn)動(dòng),并實(shí)時(shí)采集輸出三軸轉(zhuǎn)臺(tái)4各軸到位角度,還具有航天器可移波束天線9安裝機(jī)械接口;角度換算模塊5用于把所述航天器天線指向控制子系統(tǒng)3輸入的航天器自身的運(yùn)動(dòng)與目標(biāo)星運(yùn)動(dòng)進(jìn)行疊加,并換算為航天器實(shí)際運(yùn)動(dòng)的三軸姿態(tài)角度,轉(zhuǎn)化為三軸轉(zhuǎn)臺(tái)4的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,然后把實(shí)測(cè)的三軸轉(zhuǎn)臺(tái)4各軸到位角度換算為航天器三軸姿態(tài)角度實(shí)測(cè)值,并輸出至航天器天線指向控制子系統(tǒng)3;三軸轉(zhuǎn)臺(tái)4根據(jù)接收的所述轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。
(二)航天器天線及指向控制子系統(tǒng)3
航天器天線及指向控制子系統(tǒng)3,是本發(fā)明一種航天器可移波束天線指向動(dòng)態(tài)跟蹤的試驗(yàn)系統(tǒng)中的待測(cè)試部分,特點(diǎn)是:采用與航天器狀態(tài)一致的設(shè)備模擬航天器天線指向的動(dòng)態(tài)跟蹤。一般地,航天器天線及指向控制子系統(tǒng)3,主要包括航天器動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)11、天線指向計(jì)算模塊10(含指向計(jì)算軟件)、航天器可移波束天線9(含控制器及控制軟件)。航天器動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)11用于對(duì)航天器的軌道、姿態(tài),以及目標(biāo)星的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬,并向視運(yùn)動(dòng)仿真子系統(tǒng)1輸出航天器自身的運(yùn)動(dòng)與目標(biāo)星運(yùn)動(dòng)信息;再把視運(yùn)動(dòng)仿真子系統(tǒng)1輸出的航天器三軸姿態(tài)角度實(shí)測(cè)值傳遞給天線指向計(jì)算模塊10;所述天線指向計(jì)算模塊10根據(jù)航天器三軸姿態(tài)角度實(shí)測(cè)值、航天器星歷以及目標(biāo)星星歷,得到航天器可移波束天線9運(yùn)動(dòng)信息,并進(jìn)行解算得到航天器可移波束天線9的雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度,并發(fā)出航天器可移波束天線9轉(zhuǎn)動(dòng)指令。航天器可移波束天線9是天線轉(zhuǎn)動(dòng)指令的執(zhí)行部件,并驅(qū)動(dòng)指向誤差指示子系統(tǒng)2的激光器7完成指向誤差的指示。當(dāng)航天器可移波束天線9安裝于三軸轉(zhuǎn)臺(tái)4上時(shí),按天線指向算法的要求,以及天線航天器上裝星的要求實(shí)測(cè)安裝誤差。
(三)指向誤差指示子系統(tǒng)
由于目標(biāo)視運(yùn)動(dòng)仿真子系統(tǒng)1中三軸轉(zhuǎn)臺(tái)4的運(yùn)動(dòng)為航天器自身運(yùn)動(dòng)與目標(biāo)星運(yùn)動(dòng)的疊加,而航天器可移波束天線9運(yùn)動(dòng)為真實(shí)的航天器動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)11輸出的航天器可移波束天線9跟蹤目標(biāo)星的運(yùn)動(dòng),因此,目標(biāo)星方向13已變成一個(gè)測(cè)試場(chǎng)地12中的固定指向,因此在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)4轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,安裝于三軸轉(zhuǎn)臺(tái)4上的航天器可移波束天線9指向應(yīng)保持為目標(biāo)星方向13,任何偏離目標(biāo)星方向13的角度,都屬于指向誤差。
對(duì)于航天器可移波束天線9,采用平面反射鏡6和激光器7的指向誤差指示子系統(tǒng),包括一個(gè)固定安裝在測(cè)試場(chǎng)地12的平面反射鏡6,以及一個(gè)安裝在航天器可移波束天線9上的激光器7。以平面反射鏡6的法向作為所述固定指向,激光8的指向調(diào)整到與天線波束指向一致,并且在理想情況下,激光8始終垂直指向平面反射鏡6。激光器7上同時(shí)帶有一個(gè)激光屏20,激光器7發(fā)出的激光8經(jīng)過平面反射鏡6的反射,返回激光屏20上并形成一個(gè)光斑14,光斑14偏離激光屏20中心的距離,反映了激光8偏離目標(biāo)星方向13的角度偏差,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)指向誤差的指示。由于激光屏20跟隨航天器可移波束天線9運(yùn)動(dòng),還消除了航天器可移波束天線9平動(dòng)帶來的影響。
本發(fā)明采用激光器夾具固定航天器可移波束天線9,所述激光器夾具包括激光器夾具本體15和激光器夾具壓片16;激光器夾具本體15的一側(cè)固定所述激光屏20,另一側(cè)設(shè)置有條狀凸起,凸起中部設(shè)置弧形凹槽;激光器夾具壓片16與條狀凸起對(duì)接面上同樣設(shè)置有弧形凹槽,兩個(gè)凹槽位置對(duì)應(yīng),形成激光器安裝孔17;激光器夾具本體15上與條狀凸起同側(cè)的側(cè)面上設(shè)置有用于與所述天線連接的激光器夾具機(jī)械安裝孔19。激光器夾具壓片16通過激光器壓片安裝孔18與條狀凸起固連。該激光器夾具具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安裝簡(jiǎn)便的特點(diǎn),適用于一般商用圓柱形激光器的安裝固定。
應(yīng)了解,本發(fā)明的一種航天器機(jī)械可移波束天線指向動(dòng)態(tài)跟蹤的試驗(yàn)系統(tǒng),在具體實(shí)施時(shí),應(yīng)考慮以下技術(shù)細(xì)節(jié):測(cè)試場(chǎng)地12布局與標(biāo)校、角度換算模塊5的具體算法、激光器7的設(shè)計(jì)。
(一)測(cè)試場(chǎng)地12布局與標(biāo)校
對(duì)于機(jī)械可移波束天線的試驗(yàn),為確保測(cè)試精度,以及保證光學(xué)測(cè)試設(shè)備必要的測(cè)試條件,測(cè)試場(chǎng)地12的地面應(yīng)穩(wěn)固,一般應(yīng)避免在木制地板、金屬薄板上進(jìn)行測(cè)試。
在測(cè)試場(chǎng)地12固定放置平面反射鏡6、三軸轉(zhuǎn)臺(tái)4,當(dāng)航天器可移波束天線9安裝在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)4上時(shí),激光器7到平面反射鏡6的平均距離約為l(m),假定預(yù)計(jì)的天線指向誤差為δ°,則激光經(jīng)反射后的光斑14距離偏差約為2ltanδ°(m),激光屏20的半徑應(yīng)大于2ltanδ°(m)。通過光學(xué)測(cè)量方法,以平面反射鏡6為基準(zhǔn)建立測(cè)試全局坐標(biāo)系,三軸單位矢量為
(二)角度換算模塊5的具體算法
首先,通過航天器動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)11仿真得出航天器在當(dāng)前三軸姿態(tài)下目標(biāo)星方向(θ,φ)。設(shè)航天器坐標(biāo)系三軸單位矢量為
其中,θ代表球坐標(biāo)系中某個(gè)方向偏離坐標(biāo)系z(mì)軸的夾角,
按照視運(yùn)動(dòng)仿真子系統(tǒng)1的設(shè)計(jì)原則,波束坐標(biāo)系和全局坐標(biāo)系相同,即[g]t=[a]t。同時(shí),又要把航天器疊加姿態(tài)運(yùn)動(dòng)投影到轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系,于是:
[a]t=[a/a]-1[g'/g]-1[g']t=[t][g']t(2)
變換矩陣[t]反映了如何在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)4上模擬航天器的疊加姿態(tài)運(yùn)動(dòng),考慮到轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系三軸與波束坐標(biāo)系三軸的對(duì)應(yīng)關(guān)系,設(shè)方位軸、俯仰軸、極化軸轉(zhuǎn)角分別為az、el、pl,有:
其中
當(dāng)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)4轉(zhuǎn)動(dòng)到位后,采集到各軸當(dāng)前的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,設(shè)方位軸、俯仰軸、極化軸實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)角分別為az'、el′、pl′,則該狀態(tài)下航天器坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)臺(tái)零位坐標(biāo)系的關(guān)系為:
為了得出實(shí)測(cè)的航天器三軸姿態(tài)角,設(shè)[a']t=[t'][a0]t,[a0]代表航天器各軸姿態(tài)角均為0時(shí)的坐標(biāo)系,設(shè)航天器滾動(dòng)角、俯仰角、偏航角分別為φ'、θ'、ψ',有:
上述的矩陣[t'],需要根據(jù)航天器動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)11仿真得出的航天器滾動(dòng)角、俯仰角、偏航角分別為φ、θ、ψ,如下計(jì)算:
(三)激光器7設(shè)計(jì)
激光器7包括商用圓柱形激光器、激光器夾具,激光器夾具包括激光器夾具本體15和激光器夾具壓片16兩部分。商用圓柱形激光器自激光器安裝孔17安裝到激光器夾具本體15上,然后將激光器夾具壓片16壓在激光器上,并通過激光器夾具安裝孔18安裝固定。激光器夾具本體15上帶有激光器夾具機(jī)械安裝孔19,可用于激光器夾具在天線上的安裝。激光器夾具本體15上帶有一個(gè)圓形的激光屏20,用于顯示激光光斑的位置。激光屏20的外緣和激光器安裝孔17同心。
綜上所述,以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已,并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。