一種用于低軌星載天線跟蹤地面站的方法
【專利摘要】本發(fā)明一種用于低軌星載天線跟蹤地面站的方法，1)計算天線下一指向時刻的UTC；2)計算獲得天線下一指向時刻的衛(wèi)星瞬時軌道根數(shù)；3)計算衛(wèi)星在J2000慣性坐標系下的位置；4)計算天線下一指向時刻地面站在J2000慣性坐標系下的位置；5)計算衛(wèi)星與地面站在J2000慣性坐標系下的相對位置分量；6)計算衛(wèi)星與地面站相對位置分量在地心拱線系下的分量；7)計算衛(wèi)星與地面站相對位置分量在衛(wèi)星軌道坐標系下的分量；8)計算獲得衛(wèi)星與地面站相對分量在衛(wèi)星本體系下的分量；9)計算獲得衛(wèi)星與地面站相對位置分量在天線坐標系下的分量；10)獲得天線指向角度，并驅動天線對地面站進行指向跟蹤。
【專利說明】-種用于低軌星載天線跟蹤地面站的方法

【技術領域】
[0001] 本方法涉及中一種用于低軌星載天線跟蹤地面站的方法，特別要求具有高指向精 度，屬于天線控制【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 隨著航天器數(shù)據(jù)中繼、星間鏈路、對地高分辨率觀測等任務的日益增多，對終端點 波束跟蹤天線的需求也隨之增多。點波束跟蹤天線用于完成對地面站、中繼星或目標星的 指向跟蹤，以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。由此，當天線口徑一定時，天線具有更高的增益，波束寬度 更窄，天線跟蹤的跟蹤精度對任務的完成尤為重要。跟蹤精度由執(zhí)行誤差、安裝誤差、姿態(tài) 誤差以及熱變形等組成，其中天線的執(zhí)行誤差占主要成分，且在系統(tǒng)設計時可通過仿真驗 證。目前，遙感衛(wèi)星對天線的執(zhí)行精度要求為小于0.Γ(3〇)。
[0003] 在對地觀測遙感衛(wèi)星中，高增益、極化復用雙軸點波束跟蹤天線已成為衛(wèi)星高速 數(shù)據(jù)傳輸最重要的手段之一。但由于低軌衛(wèi)星易受地球非球形引力和大氣阻力等攝動力的 影響，并且存在天線安裝誤差等原因，數(shù)傳天線指向地面站的指向精度難以保證，從而影響 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的傳輸。因此，設計具有高精度數(shù)傳天線指向地面站算法是星高速數(shù)據(jù)傳輸 的關鍵技術之一。
[0004] 專利針對低軌衛(wèi)星數(shù)傳天線跟蹤地面站的軌道外推計算跟蹤精度小于0. 1度的 要求，在保證星上設備運算量可行性的基礎上，考慮了地球非球形引力和大氣阻力等攝動 力的影響，并進行了天線的安裝偏差補償，利用解析法進行24小時軌道外推。
[0005] 與本發(fā)明方法相關的技術文獻說明如下：
[0006] [1]楊海峰，侯朝楨.遙感衛(wèi)星的軌道外推方法.全球定位系統(tǒng).2007,6 ;
[0007] [2]張曉坤.星載軌道預報算法和軌道機動仿真研究.中國科學院空間科學與應 用研究中心碩士學位論文.2005 ;
[0008] [3]劉林，王彥榮.衛(wèi)星軌道預報的一種分析方法.天文學報.2005 46 (3); [0009]文獻[1]在分析遙感衛(wèi)星軌道特點的基礎上，提出一種新的簡化執(zhí)道攝動力模型 (僅考慮J2項），利用模型實現(xiàn)了軌道外推，并利用最小方差序列匹配對低執(zhí)衛(wèi)星外推數(shù)據(jù) 進行修正。該文獻是利用GPS數(shù)據(jù)，結合集合法和軌道外推法，以提高衛(wèi)星星歷的密度。該 文獻軌道攝動力模型未考慮J2、J3、J4項以及大氣阻力的對軌道根數(shù)的影響。
[0010] 文獻[2]研究星載傳統(tǒng)解析預報方法，提出一種星歷計算數(shù)值方法，采用嵌套插 值方法的單步法積分器，實現(xiàn)了較高精度的軌道外推。該算法在考慮J2、J3、J4項攝動的情 況下，外推24小時的位置誤差約為4km。該文獻所采用的軌道外推算法不能滿足本專利要 求外推24小時的位置誤差約為Ikm的需求。
[0011] 文獻[3]在已有分析法得到1時刻平均根數(shù)的基礎上給出一種軌道預報方法，由t 時刻的平均根數(shù)給出該時刻衛(wèi)星的位置和速度，在此基礎上將地球非球形引力攝動的周期 項直接用衛(wèi)星直角坐標的位置和速度分量表示，這樣可以避免在計算軌道根數(shù)變化的周期 項時出現(xiàn)的奇點問題，從而對根數(shù)的選擇無特殊要求，可適用于各種軌道，簡化預報程序和 相應的軟件，提高預報效率。該文獻只未給出如何計算星載天線對地面站的指向角度。


【發(fā)明內容】

[0012] 本發(fā)明解決的技術問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種用于低軌星載天線跟 蹤地面站的方法，引入半長軸衰減量以補償大氣阻力引起的攝動影響，補償天線的安裝偏 差，滿足指向計算誤差不能超過0.Γ的指標要求。
[0013] 本發(fā)明的技術方案是：一種用于低軌星載天線跟蹤地面站的方法，步驟如下：
[0014] 1)根據(jù)衛(wèi)星數(shù)管系統(tǒng)提供的航行時間，利用簡約儒略日時間，計算天線下一指向 時刻的世界協(xié)調時UTC;
[0015] 2)獲取衛(wèi)星軌道初始時間UTC時、衛(wèi)星初始平均軌道根數(shù)和衛(wèi)星軌道半長軸衰 減，計算獲得天線下一指向時刻的衛(wèi)星瞬時軌道根數(shù)；
[0016] 3)根據(jù)步驟2)獲得的天線下一指向時刻的衛(wèi)星瞬時軌道根數(shù)，計算獲得下一天 線指向時刻衛(wèi)星在J2000慣性坐標系下的位置；
[0017] 4)根據(jù)地面站信息和天線指向時刻的世界協(xié)調時UTC，計算獲得天線指向時刻地 面站在J2000慣性坐標系下的位置；所述的地面站信息包括經度、緯度、高程；
[0018] 5)根據(jù)步驟3)、步驟4)獲得的天線指向時刻衛(wèi)星以及地面站在J2000慣性坐標 系下的位置，計算獲得衛(wèi)星與地面站在J2000慣性坐標系下的相對位置分量；
[0019] 6)計算獲得衛(wèi)星與地面站相對位置分量在地心拱線系下的分量；
[0020] 7)計算獲得衛(wèi)星與地面站相對位置分量在衛(wèi)星軌道坐標系下的分量；
[0021] 8)根據(jù)衛(wèi)星提供的姿態(tài)角和軌道根數(shù)，計算獲得衛(wèi)星與地面站相對分量在衛(wèi)星本 體系下的分量；
[0022]9)獲取衛(wèi)星上天線安裝偏差矩陣和天線坐標系與星體坐標系的關系矩陣，計算獲 得衛(wèi)星與地面站相對位置分量在天線坐標系下的分量；
[0023] 10)根據(jù)步驟9)獲得的衛(wèi)星與地面站相對位置分量在天線坐標系下的分量，計算 獲得天線指向角度，包括方位角和俯仰角；根據(jù)該指向角度驅動天線對地面站進行指向跟 足示。
[0024] 所述步驟1)的具體計算方法如下：
[0025]11)將衛(wèi)星航行時間轉換成簡約儒略天數(shù)、簡約儒略秒數(shù)、簡約儒略毫秒數(shù)；
[0026] 111)將衛(wèi)星航行時間的毫秒部分FlightTime_msecond與衛(wèi)星基準時刻的儒略毫 秒部分JD_Initial_msecond相加，得到當前時間的儒略毫秒JD_msecond;其中[int]表示 取整；
[0027]JD_msecond/ =FlightTime_msecond+JD_Initial_msecond,
[0028]JDmsecond-JDmsecand' - \_INT]貝 _msecondχ工〇〇()， --1000
[0029] 112)將衛(wèi)星航行時間的整秒部分FlightTime_second與衛(wèi)星基準時刻的儒略整 秒部分JD_lnitial_second相加，計算得到當前時間的儒略秒數(shù)JD_second:
[0030] JDsecond'=JDInitialsecond+FlightTimesecond+\_INT\^-msecon^, ~ 1000

【權利要求】
1. 一種用于低軌星載天線跟蹤地面站的方法，其特征在于步驟如下： 1) 根據(jù)衛(wèi)星數(shù)管系統(tǒng)提供的航行時間，利用簡約儒略日時間，計算天線下一指向時刻 的世界協(xié)調時UTC ; 2) 獲取衛(wèi)星軌道初始時間UTC時、衛(wèi)星初始平均軌道根數(shù)和衛(wèi)星軌道半長軸衰減，計 算獲得天線下一指向時刻的衛(wèi)星瞬時軌道根數(shù)； 3) 根據(jù)步驟2)獲得的天線下一指向時刻的衛(wèi)星瞬時軌道根數(shù)，計算獲得下一天線指 向時刻衛(wèi)星在J2000慣性坐標系下的位置； 4) 根據(jù)地面站信息和天線指向時刻的世界協(xié)調時UTC，計算獲得天線指向時刻地面站 在J2000慣性坐標系下的位置；所述的地面站信息包括經度、緯度、高程； 5) 根據(jù)步驟3)、步驟4)獲得的天線指向時刻衛(wèi)星以及地面站在J2000慣性坐標系下 的位置，計算獲得衛(wèi)星與地面站在J2000慣性坐標系下的相對位置分量； 6) 計算獲得衛(wèi)星與地面站相對位置分量在地心拱線系下的分量； 7) 計算獲得衛(wèi)星與地面站相對位置分量在衛(wèi)星軌道坐標系下的分量； 8) 根據(jù)衛(wèi)星提供的姿態(tài)角和軌道根數(shù)，計算獲得衛(wèi)星與地面站相對分量在衛(wèi)星本體系 下的分量； 9) 獲取衛(wèi)星上天線安裝偏差矩陣和天線坐標系與星體坐標系的關系矩陣，計算獲得衛(wèi) 星與地面站相對位置分量在天線坐標系下的分量； 10) 根據(jù)步驟9)獲得的衛(wèi)星與地面站相對位置分量在天線坐標系下的分量，計算獲得 天線指向角度，包括方位角和俯仰角；根據(jù)該指向角度驅動天線對地面站進行指向跟蹤。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種用于低軌星載天線跟蹤地面站的方法，其特征在于：所 述步驟1)的具體計算方法如下： 11) 將衛(wèi)星航行時間轉換成簡約儒略天數(shù)、簡約儒略秒數(shù)、簡約儒略毫秒 數(shù)； 111)將衛(wèi)星航行時間的毫秒部分FlightTime_msecond與衛(wèi)星基準時刻的儒略毫秒部 分JD_Initial_msecond相加，得到當前時間的儒略毫秒JD_msecond ;其中[int]表示取 整；
其中JD_Initial_Day為衛(wèi)星基準時刻的簡約儒略天數(shù)； 12)將步驟11)求得的衛(wèi)星航行時間的簡約儒略天數(shù)、簡約儒略秒數(shù)、簡約儒略毫秒數(shù) 轉換成UTC時；
對上述秒數(shù)進行修正，得到修正后的秒數(shù)：修正后的秒數(shù)seconds為seconds = seconds' -60XMinute ; 對上述分鐘數(shù)進行修正，得到修正后的分鐘數(shù)：令seconds "= (seconds' X10000+0. 5)/10000,如果此時 seconds" > 60,則再次修正后的秒數(shù) second_ s = seconds" -60,且修正后的分鐘數(shù)Minute = Minute' +1 ;如果seconds〈60,則修正后 的分鐘數(shù) Minute =Minute'。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種用于低軌星載天線跟蹤地面站的方法，其特征在于：所 述步驟2)的計算算法如下：獲取衛(wèi)星軌道初始時間UTC時、衛(wèi)星初始平均軌道根數(shù)和衛(wèi)星 軌道半長軸衰減，計算獲得衛(wèi)星瞬時軌道根數(shù)的長期攝動項、長周期攝動項、短周期攝動項 和大氣阻力攝動項；所述的長期攝動項包括半長軸5、傾角￥、偏心率了、升交點赤經Q、 近地點幅角石、平近點角S;所述的長周期攝動項包括半長軸、傾角、偏心率!L1、升交點 赤經Q1、近地點幅角W1、平近點角M1 ;所述的短周期攝動項包括半長軸as、傾角es、偏心率 is、升交點赤經Qs、近地點幅角、平近點角Ms ;所述的大氣阻力攝動項包括半長軸修正項 A a，平近點角修正AM; 則天線下一指向時刻的衛(wèi)星瞬時軌道根數(shù)為：
【文檔編號】H01Q3/00GK104332707SQ201410582973
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月27日 優(yōu)先權日:2014年10月27日
【發(fā)明者】周勇, 胡曉曦, 許智, 胡煒, 呂芝艷, 龐潔 申請人:西安空間無線電技術研究所