[发明专利]一种绕月卫星双轴天线对地指向控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种绕月卫星环月阶段使用的双轴天线对地指向控制的方法。

背景技术

双轴天线是绕月卫星完成载荷信息下传的一个重要部件。控制系统需要控制天线沿两个轴转动，并获得天线的位置信息，保证天线对地指向精度。

双轴天线在国外的中继卫星和通信卫星上已经有较多的研究和应用，例如，日本EST-VI卫星上KSA卫星天线定位系统，Matra Marconi研制的DRRS卫星天线定位系统均为双轴天线控制。其控制方法有：PI控制、LQG加前馈控制、LQG/LTR方法、模糊PID和自适应控制等方法。这些方法均为闭环控制方法，算法过于复杂，计算量较大，同时，上面所述方法的指向目标多为其他卫星，其运动规律不固定，因此不能给出目标运行轨迹的解析表达式，必须采用闭环跟踪方式。

国内以往卫星定向天线为固定位置的天线，在卫星运动过程中，天线是不需要进行控制的。而绕月卫星的双轴天线在环月阶段作为唯一使用的天线需要向地面传输平台信息和载荷信息。由于月球探测器距离地球距离远、定向天线波束较窄，因此信息传输时必须保证定向天线指向地球。目前国内卫星的双轴天线指向控制采用程序跟踪的控制方法，其目标轨道为地面处理得到的分段拟和轨道，星上通过扫描搜索目标后再跟踪目标，这种方法的控制逻辑复杂，天线需要有反馈装置，能实时反馈目标信息，通过星上控制律的计算进行天线的闭环指向控制。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种绕月卫星双轴天线对地指向控制方法，该方法采用简单的开环程序跟踪方式，完成绕月卫星环月阶段的双轴天线对地指向的控制，同时考虑卫星姿态的影响，进行姿态偏差补偿，满足指向精度的要求。

本发明的技术解决方案是：一种绕月卫星双轴天线对地指向控制方法，包括下列步骤：

(1)根据地面向星上注入一个时刻的地球星历信息，计算任一时刻地球在卫星轨道坐标系的星历；

(2)根据所述步骤(1)计算出的地球在卫星轨道坐标系的星历计算卫星可见地球区域，并在所述的该可见区域内计算卫星指向地心的矢量在卫星轨道坐标系中的指向；

(3)根据卫星实时姿态角估值对所述的卫星指向地心的矢量在卫星轨道坐标系中的指向进行补偿计算，得到卫星指向地心的矢量在卫星本体坐标系中的指向，消除姿态偏差对天线指向的影响；

(4)根据所述步骤(3)中的卫星指向地心的矢量在卫星本体坐标系中的指向计算出天线目标角度，并对天线零位偏差进行补偿后得到最终指令角，并将所述的指令角送给天线驱动机构，由驱动机构驱动天线指向地球。

所述步骤(1)中的任一时刻地球在卫星轨道坐标系的星历的计算，首先计算地球在惯性坐标系的星历，然后根据地球在惯性坐标系的星历和赤道惯性系到卫星轨道坐标系的变换矩阵计算出地球在卫星轨道坐标系的星历。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明由于采用实时外推地球星历，通过开环程序跟踪方法，实现了天线对地指向的开环控制，相比现有技术中的双轴天线闭环控制方法，在满足绕月卫星环月阶段双轴天线对地指向精度的前提下，简化了计算过程。

(2)本发明通过对卫星姿态信息进行补偿，保证了双轴天线对地指向控制的精度。

附图说明

图1为本发明双轴天线指向控制流程图；

图2为月球遮挡卫星的几何条件示意图；

图3为本发明双轴天线的指令转角仿真曲线图；

图4为本发明双轴天线的实际转角曲线图；

图5为本发明双轴天线的指令转角与实际转角差值曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本发明双轴天线指向控制流程图，具体步骤如下：

(1)首先地面向星上注入t₀(t₀可以为地面已算出的星历信息中对应的任一时刻)时刻地球星历信息，根据外推算法计算出任意时刻t地球在赤道惯性系的星历。月心指向地心的矢量在月心赤道惯性系中的矢量E_i计算公式：