[發明專利]一種航天器用數傳天線跟蹤地面站測試驗證系統和方法

有效

• 申請號: 201710607688.3
• 申請日: 2017-07-24
• 公開（公告）號: CN107515410B
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發明（設計）人: 孫小松;黎康;彭洲;史曉霞;陶景橋;王浩;石鄭偉
• 申請（專利權）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: G01S19/23
• 分類號: G01S19/23;G05B23/02
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 張曉飛

1.一種航天器用數傳天線精確跟蹤地面站測試驗證系統，其特征在于：包括遙控系統、控制分系統、數傳天線控制模塊、衛星動力學模塊和數據處理模塊；遙控系統發送衛星機動控制指令，控制分系統接收到機動控制指令后，控制衛星平臺進行相應的姿態機動，并將執行機構信息發送給動力學模塊；同時控制分系統根據衛星的軌道、衛星姿態和地面站信息，實時計算數傳天線指向角度，并發送給數傳天線控制模塊；數傳天線控制模塊根據天線指向角度信息，驅動數傳天線指向地面站；衛星動力學模塊接收星上的執行機構信息，對衛星動力學進行仿真，輸出真實的衛星姿態、軌道信息，并發送給數據處理模塊；數據處理模塊對接收的數據進行處理，判斷數傳天線指向是否能夠精確跟蹤地面站；

所述數據處理模塊包括數傳天線跟蹤地面站計算模塊和數據比對模塊；數傳天線跟蹤地面站計算模塊根據衛星的姿態、軌道信息，計算數傳天線在慣性空間中的指向，然后根據衛星的軌道位置、地球橢球信息及地面站高程信息計算得到地心至地面站矢量在慣性空間中的指向，最終根據地球自轉信息、地球橢球信息、歲差和章動矩陣計算得到地面站的經緯度信息并發送給數據比對模塊；數據比對模塊將地面站經緯度信息與理論裝訂的地面站信息進行比對，計算得到數傳天線跟蹤地面站的跟蹤誤差，如果該跟蹤誤差小于設定的閾值，則認為數傳天線指向能夠精確跟蹤地面站；否則，則認為數傳天線不能精確跟蹤地面站。

2.一種航天器用數傳天線精確跟蹤地面站測試驗證方法，其特征在于包括步驟如下：

(1)遙控系統向發送衛星機動控制指令；

(2)控制分系統根據衛星的軌道、衛星姿態和地面站信息，實時計算數傳天線指向角度，并發送給數傳天線控制模塊，數傳天線控制模塊根據計算出的天線指向角，驅動數傳天線指向地面站；

(3)衛星動力學模塊接收星上的執行機構信息，對衛星動力學進行仿真，并輸出真實的衛星姿態、軌道信息，并發送給數傳天線跟蹤地面站計算模塊；

(4)計算得到地面站的經緯度信息并發送給數據比對模塊，具體為：

數傳天線跟蹤地面站計算模塊根據衛星的姿態、軌道信息，計算數傳天線在慣性空間中的指向，然后根據衛星的軌道位置、地球橢球信息及地面站高程信息計算得到地心至地面站矢量在慣性空間中的指向，最終根據地球自轉信息、地球橢球信息、歲差和章動矩陣計算得到地面站的經緯度信息并發送給數據比對模塊；

(5)數據比對模塊將地面站經緯度信息與理論裝訂的地面站信息進行比對，計算得到數傳天線跟蹤地面站的跟蹤誤差，如果該誤差小于指定的閾值，則認為數傳天線指向能夠精確跟蹤地面站；否則，則認為數傳天線不能精確跟蹤地面站。

3.根據權利要求2所述的一種航天器用數傳天線精確跟蹤地面站測試驗證方法，其特征在于：所述的步驟(4)的具體實現過程如下：

(2a)相關數據更新；

(2b)數傳天線指向矢量計算；

(2c)迭代計算數傳天線指向的地面站的經緯度信息。

4.根據權利要求3所述的一種航天器用數傳天線精確跟蹤地面站測試驗證方法，其特征在于：所述的步驟(2a)中相關數據更新的具體實現如下:

(2a1)根據衛星的時間和軌道信息，計算獲得衛星星下點位置的格林尼治恒星時角LamdaG0；

(2a2)更新天線指向角度方位角α和俯仰角β。

5.根據權利要求3所述的一種航天器用數傳天線精確跟蹤地面站測試驗證方法，其特征在于：所述步驟(2b)數傳天線指向矢量計算的具體過程為：

(2b1)根據衛星的時間、姿態信息、軌道信息，計算獲得衛星星體坐標系相對于慣性系的轉換矩陣C_ib，以及衛星在慣性系中的位置矢量

(2b2)根據更新后的天線指向角度α,β、天線安裝矩陣C_ab,天線安裝偏差矩陣C_arb和轉換矩陣C_ib，計算獲得慣性系中表示的天線指向

6.根據權利要求3所述的一種航天器用數傳天線精確跟蹤地面站測試驗證方法，其特征在于：所述的步驟(2c)中迭代計算數傳天線指向的地面站的經緯度信息的具體實現如下:

(2c1)根據天線指向和衛星在慣性系中的位置矢量計算獲得天線矢量和星地矢量間的夾角：

(2c2)計算獲得地面站矢量與衛星到地面站矢量的夾角θ_sE相關的算式為：

S_sE＝sin(θ_sE)＝r_ssin(θ_sa)/r_E0；

其中e為地球偏心率，R_E為地球半徑，為地面站的緯度，初始值為0，rs衛星在慣性系中的位置；

當計算的S_sE存在以下情況時，可出現多種情況：

當|S_sE|≥1時，說明此時天線指向與地球無交點，置地面站的經度、緯度為E_λ、為0，并停止本周期計算，并跳回(2a)進行下一周期的計算；

當|S_sE|<1時，說明此時天線指向有地面站，計算此時地面站矢量與星地矢量之間的夾角θ_rErs為：

θ_rErs＝θ_sE-θ_sa

θ_sE＝sin^-1(S_sE)

(2c3)根據θ_sE、θ_rErs、和衛星在慣性系中的位置r_s，計算獲得地面站到衛星的矢量

(2c4)根據衛星矢量和計算獲得地面站矢量為：

(2c5)根據衛星星下點位置的格林尼治恒星時角LamdaG0，將地面站矢量轉換到地球固連坐標系中；

(2c6)根據地球坐標系中的地面站矢量，計算地面站經緯度E_λ、并對地面站的經緯度進行歲差和章動項補償；

(2c7)將帶入步驟(2c2)中，重復計算至步驟(2c6)，直至計算出的與上次計算的相差小于設定的閾值，則E_λ(n)、即為地面站最終的經度和緯度值。