[发明专利]一种空间惯性定向姿态卫星数传天线波束的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，尤其涉及一种空间惯性定向姿态卫星数传天线波束的设计方法。

背景技术

一般地，近地轨道卫星在完成有效载荷数据传输任务时，数传天线采用定向窄波束方式，可以获得3dBi以上的增益，与星载发射机及地面站配合，使得链路具备足够大的增益支持高速数据传输。这就要求卫星姿态能够保证数传天线的发射波束始终指向地球，从而实现星—地数传链路的信号传输畅通。但是，由于有效载荷工作需要的原因，在卫星姿态无法保证数传天线的发射波束指向地球时，则卫星不能与地面站建立数传链路。

有一种科学探测卫星，由于探测任务的需要，其姿态一直保持对空间某个指定方向的惯性定向。当卫星进入地面站可视弧段时，这种空间惯性定向运行方式使固定在卫星平台上的数传天线的发射波束不一定都能够指向地球，在数传天线的发射波束没有指向地球时，卫星的数传任务将无法正常开展。或者说，相对于对地定向姿态的卫星，采用空间惯性定向姿态的卫星与地面站数传的时间将会大大减少，不能满足有效载荷数据传输需要。

解决上述探测卫星有效载荷数据传输问题的方法是：采用球形全向波束的数传天线，这样，无论卫星的姿态指向何处，地面站在可视弧度内都能够接收到卫星发射的数传信号。但是，球形全向波束天线的增益相对一般数传天线要下降近10dB，需要加大星上发射功率（10倍）、提高地面接收能力来弥补，这是目前星上和地面设备的实际能力难以实现的。

现有技术为了满足空间惯性定向姿态卫星对地面站数据传输时间的要求，可以采用具有球形全向波束的数传天线，这势必造成天线增益指标上不去，需要加大星上发射功率来弥补。例如：采用两副半球形波束天线合成近似球形全向波束的单天线增益一般小于-3dBi，而普通数传天线增益可以大于3dBi，两者相差6dB以上。这就要求整个卫星增加发射功率（4倍）、增大接收机灵敏度，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和地面站资源。

现有技术为了满足空间惯性定向姿态卫星对地面站数据传输时间的要求，还可以采用带机械转台的数传天线，这时天线是窄波束的高增益天线，但是机械转台本身自重较大（数倍于天线重量），工作在舱外时环境条件严酷、对产品可靠性要求高，而且需要配置专门的控制器、根据卫星轨道及姿态数据实时计算转台的方位角与俯仰角，完成相应的角度控制才能保证天线波束稳定指向地面站。上述资源代价在小型卫星上也是难以实现的。

事实上，在空间惯性定向姿态卫星的数据传输时间范围内，天线的全向波束并没有在各个方向上都得到使用，实际上只有部份指向地球的波束能够发挥信号传输作用，在其它波束方向辐射的信号没有发挥有效作用；显然，这种采用全向波束的天线设计方式浪费了宝贵的卫星发射功率资源。

发明内容

本发明为了解决现有技术中探测卫星数传天线存在的上述技术问题，提供了一种空间惯性定向姿态卫星数传天线波束的设计方法。利用本发明的设计方法，在满足数传时间任务要求的条件下能够将天线的波束变窄，该窄波束天线能够获得比全向波束天线更高的增益，进而降低卫星的资源消耗、提高通信性能。

为了实现上述目的，本发明提供一种空间惯性定向姿态卫星数传天线波束的设计方法，所述的方法包括：

步骤1)、建立空间惯性定向姿态卫星轨道动力学模型和地面站模型；

步骤2)、根据已知的卫星轨道根数，利用步骤1）建立的空间惯性定向姿态卫星轨道的动力学模型，对该卫星轨道进行递推计算，并通过坐标系转化，获得空间惯性定向姿态卫星在地球J2000坐标系下的位置矢量；

步骤3)、选定空间惯性定向姿态卫星的本体坐标系为惯性坐标系，并使该空间惯性定向姿态卫星保持初始的姿态，利用已知的地面站位置矢量、空间惯性定向姿态卫星的姿态数据和步骤2)中获得的空间惯性定向姿态卫星的位置矢量，计算得出地面站相对于卫星可视时的方位角、俯仰角规律性数据；

步骤4）、利用步骤3)中计算得出的地面站相对于卫星可视时的方位角、俯仰角规律性数据，计算得出数传天线波束中心轴的最佳指向，并通过轨道仿真将该数传天线的波束宽度设计为正好满足数传时间要求的宽度，从而完成数传天线关键参数的设计。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤2）中卫星轨道递推计算的方法采用龙格库塔7/8阶数值积分法。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤4）中数传天线波束中心轴的最佳指向的计算方法采用重心法。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的数传天线可以采用小型背射螺旋天线，并根据指定的数传天线波束宽度确定该螺旋天线的参数。