[发明专利]一种月球软着陆探测任务各阶段天线设计方法、天线及通信方法

说明书

技术领域

本发明属于深空探测测控通信技术领域，具体涉及一种月球软着陆探测任务各阶段天线设计方法、天线及通信方法，特别是动力下降段天线、月面工作段天线以及月面器间通信天线的选用。

背景技术

天线作为探测器器载测控数传系统的重要组成部分，是一种导行波与自由空间波之间的转换装置，用于发射或接收无线电波，完成信息交互。在探测器设计中，需要根据任务需求分解出天线的主要指标（频段、极化方式、方向图以及增益），进而确定任务各阶段选用的天线。月球软着陆探测任务一般包括发射段、巡航段、环月段、动力下降段、月面工作段以及月面（两个或多个探测器）器间通信等，相对于地球轨道卫星以及月球轨道卫星增加了动力下降段、月面工作段以及月面器间通信。本发明针对月球软着陆探测任务动力下降段、月面工作段以及月面器间的需求，提出天线选用方法。

一般的地球轨道卫星以及月球轨道卫星采用两副收发共用全向天线（或准全向天线）各覆盖半空间，两天线对称安装形成全空间（或准全空间）覆盖，或采用收发指标与共用全向天线（或准全向天线）相同的独立接收全向天线（或准全向天线）和发射全向天线（或准全向天线）进行代替，接收地面站上行遥控，发送工程数据，与地面站配合完成测定轨。这类天线一般被称为测控天线；通过带机构驱动装置的定向天线完成载荷数据（如图像数据等）的对地传输。这类天线一般被称为数传天线；一般的地球轨道卫星以及月球轨道卫星中不存在器间通信，月面探测器之间通信采用的天线称之为器间通信天线，本发明中称之为器间通信天线。

针对月球软着陆探测任务增加的工作阶段，其天线选用不能简单的套用一般的地球轨道卫星以及月球轨道卫星的设计经验。

首先，针对动力下降段的对地数传，为保证降落过程中可视化，需要将降落过程中对月拍照的图像实时传回地面。考虑到降落过程中探测器姿态快速变化，如果采用指向性强的定向天线，无法保证其对地指向。

其次，针对月面工作段的对地测控，仅需要保证天线对月面以上半空间覆盖。且，考虑到月面遮挡对天线方向图的影响，双天线通道如果同时工作可能导致月面以上半空间天线方向图的恶化。

再次，针对月面器间通信，天线需要覆盖双方活动范围即可，不同于测控对天线半空间覆盖的要求。同时还要兼顾月面传播对电磁波的影响，综合考虑天线的形式。

发明内容

本发明的目的是针对月球软着陆与以往航天任务不同的任务需求，提出一种月球软着陆探测任务各阶段天线设计方法、天线及通信方法，利用该方法设计出的天线可以满足月球软着陆的需要。

实现本发明的技术方案如下：

一种月球软着陆探测任务各阶段天线设计方法，包括动力下降段天线设计、月面工作段天线设计及器间通信天线设计；

动力下降段天线设计包括：测控天线设计和数传天线设计；

测控天线：该阶段选用两副相同的收发共用测控天线、或两副相同的接收测控天线与两副相同的发射测控天线，其工作频段选为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式选为圆极化，方向图选为覆盖半空间，增益选为不小于-5dBi；

数传天线：工作频段选为S、X和Ka频段中的至少一个，极化方式选为圆极化，

数传天线方向图采用如下步骤确定：

S101，在确定探测器标称姿态下，获取n个不同着陆时刻的动力下降过程中探测器-地心连线与数传天线电轴夹角的最大值{α₁，α₂，α₃……α_n-1，α_n}；

S102，从包含n个角度的集合中选取最大的角度值，并将其记为α_max，计算考虑探测器姿态控制偏差后的探测器-地心连线与数传天线电轴夹角γ=α_max+β，其中β为探测器姿态控制的最大偏差；

S103，确定数传天线方向图需覆盖空间的半波束角为θ=γ+△，其中△为基准误差；

数传天线的增益选为不低于G_降=3-P_t降-L-L_调-a+k+10log₁₀(b_降)+c-d；其中，P_t降为数传天线入口处功率，L为传输损耗，L_调为调制损失，a为地面站品质因数，k为玻耳兹曼常数，b_降为数传码速率，c为一定误码率前提下的地面解调门限，d为信道编码增益；

月面工作段天线设计包括：测控天线设计和数传天线设计；