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太阳同步对日定向卫星的测控天线布局设计.pdf
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1、第 45 卷第 1 期2024 年 1 月Vol.45,No.1Jan.2024遥 测 遥 控Journal of Telemetry,Tracking and CommandWebsite:太阳同步对日定向卫星的测控天线布局设计张嘉伟,夏俊,孙允恒,朱昶文,秦莉(上海卫星工程研究所 上海 201109)摘要:对日定向姿态卫星在轨没有固定指向地球的一侧,若采用在卫星对天面和对地面反向对称各安装一副测控天线以实现准全向覆盖的传统布局设计,在测控弧段中地面站方位跨越测控天线组合方向图干涉区的过程中,测控链路极易受到该区域天线增益的剧烈波动而出现链路中断,从而对测控任务产生较大影响。太阳同步轨道具有
2、轨道平面和太阳矢量保持相对固定夹角的特性,若运行于太阳同步轨道的卫星采用对日定向姿态,则可利用该轨道特性,结合我国地面站主要位于北半球的特点,通过优化测控天线在星上的布局,减少测控天线干涉区对测控链路的影响。通过仿真分析给出该设计的具体实现过程,并给出不同轨道高度和降交点地方时对应的测控天线推荐安装角度,可为运行在太阳同步轨道上的对日定向姿态卫星提供测控天线布局参考。关键词:对日定向;太阳同步;测控天线;布局中图分类号:V556.1;V443+.4 文献标志码:A 文章编号:2095-1000(2024)01-0082-09DOI:10.12347/j.ycyk.20231007001引用格式
3、:张嘉伟,夏俊,孙允恒,等.太阳同步对日定向卫星的测控天线布局设计 J.遥测遥控,2024,45(1):8290.TT&C Antenna Placement of Sun-Pointing Satellite in Sun-Synchronous OrbitZHANG Jiawei,XIA Jun,SUN Yunheng,ZHU Changwen,QIN Li(Shanghai Research Institute of Satellite Engineering,Shanghai 201109,China)Abstract:TT&C communication link of sun po
4、inting satellite in sun-synchronous orbit is easy to be interrupted due to the gain pattern interference area of the satellites TT&C antennas which are placed in traditional way.In order to reduce this kind of communication link interruption,the antennas placement on the satellite should be optimize
5、d by taking advantage of the characteristic that the orbital plane of the sun-synchronous orbit and the solar vector maintain a relatively fixed.In this paper,the concrete realization process of TT&C antennas placement for sun pointing satellite in sun-synchronous orbit is given through a simulation
6、 example,and the recommended installation angle of the TT&C antennas for sun pointing satellites in different sun-synchronous orbit are also provided as a reference.Keywords:Sun pointing;Sun-synchronous;TT&C antenna;PlacementCitation:ZHANG Jiawei,XIA Jun,SUN Yunheng,et al.TT&C Antenna Placement of S
7、un-Pointing Satellite in Sun-Synchronous OrbitJ.Journal of Telemetry,Tracking and Command,2024,45(1):8290.0引言太阳同步轨道平面和太阳矢量之间的夹角保持相对固定,运行在该轨道上的卫星降交点地方时基本保持不变,卫星每天可在相同的光照条件下对地面目标进行观测,因此太阳同步轨道是光学遥感卫星较多采用的轨道类型13。近年来,越来越多的光学遥感卫星采用太阳电池阵固定安装的方式,在非成像时稳态对日定向获取能源,在成像时姿态机动使载荷相机指向地面成像区域。采用该设计,一方面是由于条带拼接、多点成像、立体
8、成像等需求需要卫星具备敏捷机动能力,而太阳电池阵固定安装可使整星惯量较小,且电池阵的基频较高,对姿态控制的挠性较小,有利于卫星快速姿态机动和稳定4,5;另一方面,采用太阳电池阵固定安装方式无需长期活动部件,具有可靠性高、成本低的优点。对于在轨为三轴稳定对地姿态的卫星,理论上仅需在卫星对地面安装一副辐射中心指向卫星+Z轴(卫星质心指向地心)方向的宽波束测控天线,收稿日期:2023-10-07;修回日期:2024-01-112024 年 1 月遥 测 遥 控即可满足正常在轨状态的对地测控需求。但对于在轨为对日定向姿态的卫星,由于其没有固定面向地球的一侧,如何设计测控天线在卫星上的安装位置和安装角度
9、,能够保证卫星测控有较好的覆盖度和稳定度,成为值得研究的课题。在低轨卫星测控天线布局的现有研究中,无论是文献6和文献7所提出的实现对地准全向覆盖的测控天线布局设计,还是文献8和文献9所讨论的太阳同步轨道卫星中继测控天线覆盖性,都是建立在卫星本体坐标系的+Z轴指向地心的基础之上,对于对日定向姿态的低轨卫星不具有较好的参考意义。文献10提出了一种将卫星对地面天线和背地面天线分别接入采用不同扩频码的独立应答机以实现测控天线的全向覆盖方法,这种做法虽然因为避免了天线组合方向图干涉区的影响而可适用于对日定向姿态卫星,但一方面降低了测控链路的可靠度,另一方面地面测控站需要实时配置两条链路才能正常执行任务,
10、实际应用价值不高。1测控天线布局设计1.1布局原理对于在轨为三轴稳定对地姿态的低轨卫星,上文提到理论上仅需在卫星对地面安装一副宽波束测控天线即可满足正常在轨状态的对地测控。例如,对于运行在400 km高度的圆轨道上的三轴稳定对地姿态卫星,地面站仅会出现在卫星本体坐标系+Z轴(卫星质心指向地心)70范围内,故仅需要在卫星对地面安装一副指向+Z轴并在70波束范围内增益满足链路需求的测控天线即可满足在轨测控需求。但考虑到发射阶段和姿态异常等特殊情况,一般会在卫星对天面和对地面反向对称各安装一副宽波束测控天线,并通过功分网络与应答机射频收发口连接,从而实现测控信号准全向覆盖1113。这种设计下,若卫星
11、对天面和对地面天线使用同一款天线,则在与卫星+Z轴(卫星质心指向地心)夹角约90附近,对天面和对地面测控天线组成的合成增益方向图会产生干涉区14。这一方面是因为两副天线在天线离轴90处增益下降,另一方面则是对称反向安装的两副天线在该角度辐射的电磁波幅度相近而相位相反产生抵消。干涉区域内天线组的合成增益不仅数值较小,而且随角度变化增益波动剧烈,故当地面站的方位位于天线方向图的干涉区内时,星地测控链路有可能出现中断情况。为了保证三轴稳定对地姿态的低轨卫星星地测控链路稳定,文献8和文献9给出的设计思路是卫星对地面使用波束更宽但增益相对较小的测控天线,卫星对天面使用增益更高但波束相对较窄的测控天线,同
12、时搭配以不等比例功分器,给对地面天线分配以较大功率、对天面天线分配以较小功率。这样可使组合方向图的干涉区向卫星对天一侧移动,保证卫星对地一侧的天线方向图能够在更宽角度上实现增益稳定。这种测控天线的布局设计已成为低轨卫星的常用设计,某采用该布局设计的低轨卫星在整星环境下实测的对天面和对地面测控天线组合方向图如图1所示。由图可见,增益随角度波动剧烈的天线方向图干涉区偏向卫星对天一侧,保证了卫星对地一侧整个半球空间内组合增益相对稳定。图1某低轨卫星的测控天线实测组合方向图 Fig.1The measured combined gain pattern of TT&C antennas on a lo
13、w-orbit satellite83第 45 卷第 1 期张嘉伟等,太阳同步对日定向卫星的测控天线布局设计1.2对日定向姿态卫星适应性在轨为对日定向姿态的卫星并没有固定面向地球的一侧,若按照传统思路布局测控天线,地面站相对卫星的方位必定会从卫星一侧天线的波束范围内移动至另一侧天线的波束范围内,这样无法规避天线干涉区的影响。某在轨为对日定向姿态的低轨卫星在其-Z面(对日面)和+Z面(背日面)各安装一副测控天线组成准全向覆盖,其某一测控弧段的应答机接收功率遥测曲线如图2所示。该曲线直观地反映了该测控弧段内地面站方位从卫星一侧的测控天线波束转移到另一侧测控天线波束的过程。在地面站方位扫过两天线波束
14、交界处的干涉区时,由于组合天线增益随角度变化剧烈波动引起了卫星应答机接收功率的大幅度跳变,同一时段地面接收卫星下传的遥测信号也会出现功率波动,该过程中极易出现上下行通信链路闪断。对日定向卫星的历次测控弧段出现地面站方位扫过天线干涉区的概率也是需要关注的一个重要方面。假设某卫星为对日定向姿态,并运行在600 km高度太阳同步轨道上,其Z面两测控天线的合成方向图干涉区位于与卫星+Z 轴夹角处于80100的区域。在仿真软件中设置地面站位于卫星方向图干涉区时测控弧段不可用,在仿真时长设置足够的情况下,仿真得到的卫星与某地面站可通信弧段如图3所示。图中实线为卫星与地面站可通信弧段的星下点轨迹,卫星的星下
15、点进入虚线圈内时表明卫星与地面站几何可见。由图可见,除极个别仰角低、时间短的边缘弧段外,几乎所有可通信弧段均不连续,这表示这些弧段都出现了地面站方位扫过天线干涉区的情况。此外,相当一部分中断出现在弧段中间位置,这对测控任务的顺利执行尤为不利。综上分析可知,传统的在卫星Z面反向对称安装测控天线组成准全向覆盖的布局方式,不适合对日定向姿态的低轨卫星。2太阳同步轨道对日定向卫星天线布局分析2.1可行性太阳同步轨道卫星的轨道平面绕地球极轴运动的角速度等于地球绕太阳公转的平均角速度。这种轨道的平面与地球-太阳矢量之间的夹角可以保持不变,这使得太阳同步轨道卫星的降交点地方时基本保持不变,星下点每次经过相同
16、地点的地方时也相同。低轨卫星对某一地面站几何可见的时段并不是均匀分布的,而是集中在一段时间连续几何可见后,在下一次可见前会有较长间隔时间。上一段所述太阳同步轨道的特征带来的好处是,该轨道上的卫星对某地面站可见时间段在一天之中较为固定,这样可见时间段内太阳相对于卫星的角度在东西方向上的变化范围也就相对较小。此外,由于我国地面测控站集中在北纬18至北纬47之间,而一年之中太阳直射点仅在南北回归线之间约 46.5的纬度范围内变动,因此在卫星对我国地面站可见时间段内,太阳相对于卫星的角度在南北方向上变化也不大。在两个正交维度上,卫星与我国地面站可见期间太阳相对于卫星的角度变化范围都相对较小且确定,同时
17、测控天线普遍波束范围较宽,可以覆盖较大角度,因此对于太 图2某在轨对日定向姿态卫星在某测控弧段内应答机接收功率遥测曲线 Fig.2Received power telemetry curve of a sun pointing satellite s transponder in TT&C arc section图3卫星可通信测控弧段仿真结果 Fig.3Simulation result of the communicable TT&C arc section842024 年 1 月遥 测 遥 控阳同步轨道上的对日定向卫星,通过优化天线布局减小天线干涉区对测控任务的影响是具有可行性的。2.2约
18、束条件上面提到天线布局优化可行的前提是太阳相对卫星的角度在卫星对地面站可见时段内角度变化范围相对较小且确定,故要进行深入分析,首先要确定卫星本体坐标系以及地面站的具体位置。可以确定的是,对日定向姿态的卫星本体坐标系Z轴是平行于太阳指向地心矢量的。而对于卫星本体坐标系的X轴或Y轴的方向,不同卫星可能有不同的定义,但必然将太阳黄道面作为参照。此处为分析方便,选定卫星Y轴平行于太阳黄道面的负法向,这也是对日定向卫星常采用的对日基准坐标系之一15,卫星X轴方向则按照右手法则确定。上述卫星本体坐标系的示意图如图4所示。我国地面测控站基本位于佳木斯站以西和以南、喀什站以东和三亚站以北的东经 75131、北
19、纬1847范围内,因此分析工作可以通过卫星对这三个站的通信可见情况展开。2.3分析方法测控天线布局的优化设计至少要兼顾到卫星与佳木斯、喀什和三亚三个不同方位地面站的通信可见性,因此分析方法不能与某一个地面站具有过高的关联性。传统三轴稳定对地姿态卫星的测控天线布局方法提供了一个重要参考,即对于该姿态卫星,由于其+Z轴指向地心,仅需在卫星对地面安装一副波束中心平行于+Z轴的宽波束测控天线,则其对地面站的通信可见性并不受地面站具体位置的限制。因此,对于对日定向姿态卫星,可以获取卫星与佳木斯、喀什和三亚站几何可见弧段内卫星指向地心矢量相对卫星本体坐标系的角度,然后可根据其角度范围确定测控天线的最佳布局
20、方位。由上述可行性分析可知,对于太阳同步轨道上的对日定向姿态卫星而言,其与我国地面测控站几何可见弧段内指向地心矢量的角度应该是在几个相对集中的范围之内。当然,由于空间中同一位置在不同时间点太阳的方位角不同,需要考虑分析时段的设置。由于太阳同步轨道的特性决定了卫星每天与地面站可见时段相对固定,且一年中太阳直射点仅在南北回归线之间变动,因此分析时段无需太长,只对夏至日、春分日或秋分日以及冬至日附近时段进行分析,可在不影响结果的前提下极大减少工作量。2.4仿真分析选取高度为600 km、降交点地方时为1200 00的太阳同步轨道作为输入,通过仿真获得卫星与佳木斯、喀什和三亚站几何可见弧段内卫星指向地
21、心矢量(下文简称星地矢量)在卫星本体坐标系中的角和角。其中,角定义为星地矢量在卫星本体坐标系XOY平面上投影矢量与+X轴的夹角,向+Y侧为正值;角定义为星地矢量与+Z轴的夹角,范围0180。分别选择夏至日、秋分日和冬至日前后共8日分别对佳木斯、喀什和三亚三个地面站进行可见性仿真,该仿真时长可覆盖卫星长期运行过程中对地面站可见时的所有方位及俯仰角度。考虑到最高仰角过低的弧段持续时间很短,地面站一般不会执行测控任务,将仿真结果中卫星相对地面站最高仰角不超过10的弧段剔除。最终获得的三个时段卫星对三个地面站可见弧段中星地矢量的角度值如图5所示,其中横坐标为角,纵坐标为角,每个数据点为可见弧段中整分钟
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