星載二維驅動天線運動指標計算方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及星載二維驅動天線運動指標的論證，屬于衛星接口指標論證，具體涉 及一種星載二維驅動天線運動指標計算方法。
【背景技術】
[0002] 隨著衛星技術的發展，有效載荷的功能、性能決定了衛星應用的廣度和深度，目前 世界各大國都在抓緊進行光學、紅外、微波等有效載荷的研究，數據信息量越來越大，衛星 傳統的數傳技術很難滿足要求，數傳采用更高頻率的頻段，這就要求采用二維驅動的點目 標傳輸方案，中繼數傳也同樣采用點目標傳輸方案；另外對于一些特定的衛星，需衛星與衛 星之間進行相互通訊，也可采用二維驅動的通訊方式。
[0003] 這將需要精確指向對方以保證數據傳輸/通信的質量，特別是在衛星之間存在相 對運動時，更需及時調整衛星天線的指向，保證信號接收/發送始終處于最佳接收狀態。
[0004] 二維驅動天線的使用帶來了二維驅動天線的運動指標提出和天線控制方案的選 型問題，本發明將針對這兩個方面問題提出具體的方法進行解決。

【發明內容】

[0005] 為了解決星載二維驅動天線運動指標論證問題，本發明的目的在于提出一種星載 二維驅動天線運動指標計算方法，利用本發明，可以提出天線角度控制角速度范圍、天線角 度控制角加速度范圍、天線與地面站或中繼星等目標的可見時間、天線對整星的干擾力矩 指標，解決相應的指標接口問題，并能夠判斷二維驅動天線的控制方式合理性，指導衛星對 二維驅動天線的控制方案選型。
[0006] 根據本發明提供的一種星載二維驅動天線運動指標計算方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟S101:建立衛星軌道動力學模型和姿態信息模型；
[0008] 步驟S102:建立天線二維驅動的控制模型；
[0009] 步驟S103:根據天線二維驅動的控制模型，計算獲取天線與目標的可見性。
[0010] 優選地，在所述步驟S101中：
[0011] 將衛星軌道參數作為輸入，建立衛星軌道動力學模型;姿態信息模型，用于按照衛 星總體的運行模式，并結合衛星軌道特性，仿真輸出衛星姿態信息；
[0012] 優選地，在所述步驟S101中：
[0013] 在計算目標地理位置時，考慮地球橢球面模型，地球橢球面模型采用如下公式：
[0015]其中，r為目標在地固系下的位置矢量，x，y，z分別表示在地固系下的X方向、Y方 向、Z方向的位置矢量，I為目標的地理經度，μ為目標的地理煒度，h為目標的水平地高，代式 入3和^由以下公式表示：
[0016] As = arctan( (1-f )2tany)
[0018] 其中，f為地球橢率，
A為地球赤道半徑，數值為6378137米。
[0019] 優選地，在所述步驟S102中：
[0020]根據星載二維驅動天線的機械物理狀態，建立天線二維驅動的運行控制模型，并 建立二維驅動天線的天線坐標系，建立衛星本體坐標系與二維驅動天線的控制參數的對應 關系。
[0021 ]優選地，在建立XY向天線二維驅動的運動控制模型時：
[0022] X」角和乃角表示天線的真實驅動目標角度；
[0023] 將定義在二維驅動天線坐標系中的俯仰角β、方位角α轉換成二維驅動 天線坐標系下的兩軸轉角Xj和Yj;
[0024] 對應的光軸指向矢量為：
[0026]其中，可表示天線光軸在軌道坐標系下的矢量方向，rXl表示天線光軸在軌道坐標 系下X軸矢量值，ryi表示表示天線光軸在軌道坐標系下Y軸矢量值，rZ1表示表示天線光軸在 軌道坐標系下Z軸矢量值；
[0032] 其中，F表示天線光軸在二維驅動天線坐標系下的矢量方向，rx表示天線光軸在 二維驅動天線坐標系下的X軸矢量值，ry表示天線光軸在二維驅動天線坐標系下的Y軸矢量 值，rz表示天線光軸在二維驅動天線坐標系下的Z軸矢量值，RY( 18(n表示繞Y軸轉180°的轉 置矩陣，RZ(_9Q。)表示繞Z軸轉-90°的轉置矩陣;^表示二維驅動天線的在X軸的真實角度，Yj 表示二維驅動天線的在Y軸的真實角度。
[0033] 優選地，在所述步驟S103中：
[0034]計算不同時間下地面站或中繼星在二維驅動天線坐標系的矢量方向，并判斷矢量 方向是否在二維驅動天線的物理轉動范圍內，同時判斷地球對二維驅動天線矢量方向是否 有遮擋，若無遮擋，則判斷在當前時間下天線與目標可見。
[0035] 優選地，還包括步驟：
[0036]步驟S104:計算獲取天線與目標在可見性下的跟蹤角度：
[0037]輸出目標在二維天線中的可見時間，并將目標相對衛星本體坐標系的方向矢量轉 換到天線坐標系下，同時根據天線二維驅動的控制模型，獲取天線實際的目標控制角度，從 而獲取天線的控制角速度；
[0038] 步驟S105:計算獲取天線與目標在可見性下的跟蹤角速度；
[0039] 目標在二維天線中的可見時間內，計算不同時間下的跟蹤角速度：
[0041] 其中，};.表示天線光軸在X軸的跟蹤角速度，Xj表示天線光軸在X軸當前時間拍的 角度，表示天線光軸在X軸當前時間的前一秒角度；>\表示天線光軸在Y軸的跟蹤角速 度，Yj表示天線光軸在Y軸當前時間拍的角度，Yj-ι表示天線光軸在Y軸當前時間的前一秒角 度；
[0042] 步驟S106:計算獲取天線與目標在可見性下的跟蹤角加速度
[0043] 目標在二維天線中的可見時間內，計算不同時間下的跟蹤角加速度：
[0045] 其中，^^表示天線光軸在X軸的跟蹤角加速度，表示天線光軸在X軸當前時間 拍的角速度，ip表示天線光軸在X軸當前時間的前一秒角速度；h表示天線光軸在γ軸的 跟蹤角加速度，^表示天線光軸在Y軸當前時間拍的角速度，^:^表示天線光軸在Y軸當前 時間的前一秒角速度；
[0046] 步驟S107:計算獲取天線與目標在可見性下的干擾力矩：
[0047] 目標在二維天線中的可見時間內，計算不同時間下的干擾力矩：
[0049]其中，Μ為總干擾力矩;Mx為作用于二維天線根部的X軸干擾力矩，My為作用于二維 天線根部的Y軸干擾力矩，My為作用于二維天線根部的Z軸干擾力矩，J為二維驅動天線質量 特性參數；
[0050] Jxx表示二維天線的X主慣量
[0051] Jxy表示二維天線的XY向慣量積 [0052] Jxz表示二維天線的XZ向慣量積 [0053] Jyx表示二維天線的YX向慣量積 [0054] Jyy表示二維天線的Y主慣量 [0055] Jyz表示二維天線的YZ向慣量積
[0056] Jzx表示二維天線的ZX向慣量積 [0057] Jzy表示二維天線的ZY向慣量積 [0058] Jzz表示二維天線的Z主慣量
[0059]優選地，步驟S107計算的干擾力矩將給出反饋于衛星姿態控制中，若角加速度存 在奇點，理論上將存在無窮大，那么干擾力矩也將趨近于無窮大，則說明天線二維驅動的物 理設計不適合當前衛星的應用，需要更改天線二維驅動的物理設計避免奇點。
[0060]與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：
[0061 ]本發明可解決星載二維驅動天線運動指標的論證工程實際問題，能有效地給出二 維驅動天線運動指標，解決相應的指標接口問題，并能夠判斷二維驅動天線的控制方式合 理性。通過循環迭代分析，能夠指導衛星選用二維驅動天線的控制類型。
【附圖說明】
[0062]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、 目的和優點將會變得更明顯：
[0063] 圖1是本發明星載二維驅動天線運動指標計算方法的流程示意圖。
[0064] 圖2是二維驅動天線坐標系中各角度定義。
【具體實施方式】
[0065]下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術 人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術 人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬于本發明 的保護范圍。
[0066]圖1是本發明星載二維驅動天線運動指標計算方法流程圖；如圖1的實施例所示， 該流程包括：
[0067]步驟A:建立衛星軌道動力學和姿態信息模型
[0068]通過引入地球歲差、章動、自轉和極移模型，計算慣性系和地固系的轉換矩陣，繼 而得到目標隨地球轉動在慣性空間中的位置;通過二體或J2軌道模型(甚至更加精確的軌 道模型）根據時間遞推衛星軌道，根據衛星運行模式，在衛星軌道動力學基礎上，添加衛星 姿態信息狀態；
[0069]步驟B:建立天線二維驅動的控制模型
[0070]根據星載二維驅動天線的機械物理狀態，建立天線二維驅動的運行控制數學模 型，并建立二維驅動天線的天線坐標系，建立衛星本體坐標系與二維驅動天線的控制參數 的對應關系；
[0071 ]步驟C:仿真計算星載二維天線的運動指標
[0072]根據以上的模型，仿真輸出目標在二維天線中的可見時間，并將目標相對衛星本 體坐標系的方向矢量轉換到二維驅動天線的天線坐標系下，同時根據天線二維驅動的控制 模型，獲取天線實際的目標控制角度，從而獲取天線的控制角速度、角加速度和干擾力矩。 [0073]本發明提供的星載二維驅動天線運動指標計算方法，具體的先后和邏輯關系如 下：
[0074]步驟S101，建立衛星軌道動力學和姿態信息模型：
[0075]準備衛星軌道參數作為輸入，用于建立衛星軌道動力學模型;姿態信息模型，按照 衛星總體的運行模式，并結合衛星軌道特性，仿真輸出衛星姿態信息。
[0076]在計算目標地理位置時，考慮地球橢球面模型，地球橢球面模型采用如下公式：
[0078]其中r為目標在地固系下的位置矢量，x，y，z分別表示在地固系下的X方向、Y方向、 Z方向的位置矢量，I為目標的地理經度，μ為目標的地理煒度，h為目標的水平地高，心和^由 以下公式表示：
[0081] 其中，f為地球橢率，
，1?為地球赤道半徑，數值為6378137。
[0082] 步驟S102,天線二維驅動的控制模型：
[0083]天線二維驅動的控制模型根據設計而來，現給出最典型的XY向天線二維驅動控制 模型，χγ向天線的轉動中，X」角和乃角即天線的真實驅動目標角度。
[0084] 0疋為二維驅動天線矢量，將定義在二維驅動天線坐標系中的俯仰角β、 方位角α轉換成二維驅動天線坐標系下的兩軸轉角心和乃。
[0085]輸入:方位角為α
[0086] 俯仰角為β
[0087] 對應的光軸指向矢量為：
[0089] 其中，5表示天線光軸在軌道坐標系下的矢量方向，rX1表示天線光軸在軌道坐標 系下X軸矢量值，r yi表示表