[发明专利]一种减小深空探测器天线波束宽度的方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及航天工程技术领域，具体应用于深空探测器，尤其涉及一种减小深空探测器天线波束宽度的方法及系统。

背景技术

现有技术为了确保深空探测器的安全，其测控天线必须实现球形全向波束，这势必造成天线增益指标上不去。例如：波束宽度为±30°的天线增益可以大于6dBi，而采用两副天线合成球形全向波束的单天线增益一般小于-3dBi，两者相差近10dB，这给整个探测器带来增加发射功率、增大接收机灵敏度的苛刻要求，这些要求有时在工程中是不可能实现的，或者实现时需要消耗大量星上资源。

然而事实上，在深空探测器的任务飞行时间内，天线的全向波束实际上并没有在各个方向上都用上，只有部份指向地球的波束能够发挥作用，这种设计方式就导致了对深空探测器宝贵资源的浪费。因此只要找到深空探测器对准地球的这些实际使用的波束方向，就可以将天线设计成窄波束的定向天线，窄波束天线能够获得比宽波束天线更高的增益，从而能够降低深空探测器的资源消耗、或者提高通信性能。

发明内容

本发明的目的在于，为了克服深空超远距离对信号传输带来的巨大衰减，本发明利用对深空探测器实际运行轨道的仿真分析手段，发现探测器运行轨道的特性，即探测器在执行任务期间，太阳-探测器-地球三者之间的夹角呈现一定规律，从而提供一种减小深空探测器天线波束宽度的方法及系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种减小深空探测器天线波束宽度的方法，所述方法包含：

步骤1）用于获取太阳、深空探测器与地球之间的夹角所呈现的规律性范围的步骤；

步骤2）用于利用上述获取的夹角所呈现的规律性范围将天线的半波束宽度设计为大于该上述夹角范围的一副窄波束定向天线的步骤。

上述技术方案中，所述步骤1）进一步包含如下子步骤：

101-1)建立深空探测器轨道动力学模型；

以火星探测器为例，在环火星飞行轨道段，采用以火星为中心天体的轨道动力学模型，火星引力场模型采用GGM1041C，同时考虑太阳、地球、木星、火卫1、火卫2的第三体引力摄动，以及太阳光压摄动建立深空探测器的轨道动力学模型；

101-2)获得深空探测器在地球J2000坐标系下的位置矢量，根据已知探测器的轨道根数，利用步骤101-1）建立的探测器轨道动力学模型，采用龙格库塔7/8阶数值积分方法进行探测器轨道递推计算，并通过坐标系转化，获得深空探测器在地球J2000坐标系下的位置矢量；

其中，所述J2000坐标系为地球平赤道平春分点坐标系，也可以采用其它坐标系，如地球固连坐标系，只要与下述步骤中获取的太阳位置矢量是在同一坐标系下即可。但是一般常用的是地球平赤道平春分点坐标系；

102-3)获得太阳在地球J2000坐标系下的位置矢量；

102-4)根据上述步骤分别获得深空探测器及太阳在地球J2000下的位置矢量，利用几何关系计算得出太阳-、深空探测器与地球三者之间所呈现夹角在深空探测器运行轨道上不同位置的数值，即获取了太阳、深空探测器与地球之间的夹角所呈现的规律性范围。

上述技术方案中，所述步骤2）进一步包含如下子步骤：利用步骤1)获取的夹角所呈现的规律性范围，找出夹角的最大值，将天线的半波束宽度设计为大于该值。

上述技术方案中，所述步骤2）进一步包含如下子步骤：利用步骤1)获取的夹角所呈现的规律性范围，找出夹角的最大值，将一副窄波束定向天线的半波束宽度设计为该值的步骤，所述定向天线采用喇叭口型形式，根据指定的天线半波束宽度确定喇叭口的直径，从而完成整个天线的设计。

基于上述方法本发明还提供了一种减小深空探测器天线波束宽度的系统，其特征在于，所述系统包含：

夹角范围获取模块，用于获取太阳与深空探测器、以及深空探测器和地球之间的夹角所呈现的规律性范围；和

处理模块，用于利用获取的夹角所呈现的规律性范围将天线的半波束宽度设计为大于该上述夹角范围的一副窄波束定向天线。

上述技术方案中，所述夹角范围获取模块进一步包含：

建模模块，用于建立深空探测器轨道动力学模型；

深空探测器在地球J2000坐标下的位置矢量获取模块，用于获得深空探测器在地球J2000坐标系下的位置矢量，根据已知探测器的轨道根数，利用建立的探测器轨道动力学模型，采用龙格库塔7/8阶数值积分方法进行探测器轨道递推计算，并通过坐标系转化，获得深空探测器在地球J2000坐标系下的位置矢量；