本發(fā)明涉及空間探測，更具體的說是涉及一種巡視器移動中定向天線對中繼星自主跟蹤的控制方法。

背景技術(shù)：

1、目前，利用巡視器對月球極區(qū)的巡視探測，巡視器在月面工作過程中，會將數(shù)據(jù)實(shí)時通過中繼星傳輸給地面。巡視器上配置有高增益的定向天線，但高增益定向天線的波束角較小，同時在移動過程中，巡視器車體姿態(tài)會不斷變化。為保持中繼通信過程中數(shù)據(jù)通信鏈路的持續(xù)穩(wěn)定性，對動態(tài)過程中定向天線的規(guī)劃控制尤為重要。

2、對空間探測領(lǐng)域定向天線的跟蹤問題進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，目前的研究均是在探測器本身處于靜態(tài)狀態(tài)下進(jìn)行規(guī)劃。伴隨著時間的變化，因中繼星或環(huán)繞器位置出現(xiàn)變化，生成一系列規(guī)劃目標(biāo)點(diǎn)。公開號cn111427382a(一種復(fù)雜月面地形下基準(zhǔn)變化的中繼指向規(guī)劃方法)的發(fā)明專利提出了一種依據(jù)中繼星預(yù)報位置計(jì)算中繼星相對月面某個位置的高度角和方位角，之后結(jié)算到定向天線雙軸轉(zhuǎn)角上的規(guī)劃方法。公開號cn112329202a(一種火星車對環(huán)繞器天線指向算法的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方法)通過優(yōu)化運(yùn)算過程，來適應(yīng)火星車器上自主計(jì)算定向天線指向規(guī)劃的需求，但依然是在火星車位置和姿態(tài)固定后的規(guī)劃結(jié)果。

3、基于以上背景，考慮未來深空探測復(fù)雜的任務(wù)環(huán)境，巡視器需要在移動過程中，保證定向天線的跟蹤性能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時下傳。

4、因此，如何保證巡視器在移動過程中實(shí)現(xiàn)不間斷的數(shù)據(jù)回傳是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種巡視器移動中定向天線對中繼星自主跟蹤的控制方法，能夠在移動中或受遮擋等狀態(tài)下，控制自主回放開關(guān)狀態(tài)，從而保持?jǐn)?shù)傳數(shù)據(jù)不間斷。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種巡視器移動中定向天線對中繼星自主跟蹤的控制方法，包括以下步驟：

4、s1：確認(rèn)中繼星在月心j2000慣性系下的實(shí)時位置；

5、s2：通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，計(jì)算在同一坐標(biāo)系下巡視器至中繼星的單位方向矢量；并根據(jù)巡視器姿態(tài)，確認(rèn)巡視器機(jī)械坐標(biāo)下的單位方向矢量；

6、s3：根據(jù)巡視器機(jī)械坐標(biāo)系下中繼星的單位方向矢量確認(rèn)巡視器的定向天線指向中繼星的雙軸期望轉(zhuǎn)角；

7、s4：實(shí)時判斷所述定向天線雙軸期望轉(zhuǎn)角是否在巡視器的遮擋區(qū)域，判斷定向天線實(shí)際的波束中心線與中繼星期望矢量夾角是否超出閾值；

8、s5：設(shè)置數(shù)傳通道自主回放的開關(guān)，并根據(jù)s4的判斷結(jié)果選擇打開或關(guān)閉自主回放。

9、優(yōu)選的，所述s2具體包括：將中繼星在月心j2000坐標(biāo)系下的位置轉(zhuǎn)換到月心固連坐標(biāo)系下，與巡視器在月心固連系下的位置進(jìn)行計(jì)算，求得在月心固連系下巡視器至中繼星的單位矢量。

10、優(yōu)選的，所述根據(jù)巡視器姿態(tài)確認(rèn)巡視器機(jī)械坐標(biāo)下的單位方向矢量，具體為：當(dāng)所述巡視器位于極區(qū)時，將巡視器至中繼星的單位方向矢量由月心固連系轉(zhuǎn)換至極區(qū)導(dǎo)航坐標(biāo)系，并進(jìn)一步根據(jù)巡視器姿態(tài)轉(zhuǎn)換至巡視器坐標(biāo)系中。

11、優(yōu)選的，將巡視器至中繼星的單位方向矢量由月心固連系轉(zhuǎn)換至極區(qū)導(dǎo)航坐標(biāo)系，具體為：將月心固連坐標(biāo)系依次繞x軸旋轉(zhuǎn)-90°、繞z軸旋轉(zhuǎn)-90°，得到極區(qū)導(dǎo)航坐標(biāo)系下巡視器至中繼星的單位方向矢量為：

12、

13、其中，和為為極區(qū)導(dǎo)航系下經(jīng)緯度角度，rx、ry、rz均為繞三軸轉(zhuǎn)動的標(biāo)準(zhǔn)矩陣。

14、優(yōu)選的，所述極區(qū)導(dǎo)航系下的經(jīng)緯度計(jì)算式為：

15、

16、其中，θl_on和θl_at分別為月心固連系下的經(jīng)緯度角度。

17、優(yōu)選的，所述s1的具體為：根據(jù)地面上注的中繼星軌道外推初始時刻t0及對應(yīng)的中繼星軌道根數(shù)，采用二體軌道外推模型，按照指定計(jì)算周期步長δti，器上自主計(jì)算月心j2000慣性系下中繼星位置。

18、優(yōu)選的，所述s3，具體步驟包括：

19、s31：將指向目標(biāo)由巡視器機(jī)械坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至定向天線雙軸零位坐標(biāo)系；

20、s32：在定向天線雙軸零位坐標(biāo)系中，定向天線繞x軸轉(zhuǎn)動θx、繞y軸轉(zhuǎn)動θy后應(yīng)該實(shí)現(xiàn)對中繼星指向。

21、優(yōu)選的，所述s32中，定向天線繞x軸的期望轉(zhuǎn)動角度θx和繞y軸轉(zhuǎn)動的角度θy的計(jì)算式為：

22、當(dāng)rrb1(2)≠0時，

23、

24、當(dāng)rrb1(2)＝0時，

25、

26、優(yōu)選的，所述s3的具體步驟還包括：

27、判斷θx是否在x軸的機(jī)械限位角度范圍[θx_min,θx_max]內(nèi)、θy是否在y軸的機(jī)械限位角度范圍[θy_min,θy_max]內(nèi),若2個角度均在規(guī)定范圍內(nèi)，則視為有效解；若有任意一個轉(zhuǎn)角不在規(guī)定范圍內(nèi)，則視為無解，等待下一時刻繼續(xù)計(jì)算。

28、優(yōu)選的，所述s5具體為：

29、s51：判斷當(dāng)前定向天線是否被遮擋，如果被遮擋，則關(guān)閉自主回放開關(guān)；

30、s52：當(dāng)判斷當(dāng)前定向天線不被遮擋時，判斷定向天線中心波束矢量與中繼星方向矢量夾角θdv與閾值θth的關(guān)系；若當(dāng)前θdv≥θth，則判定中繼星跟蹤偏差狀態(tài)為閾值外，關(guān)閉自主回放開關(guān)；若0≤θdv<θth，則判定中繼星跟蹤偏差狀態(tài)為閾值內(nèi)，打開自主回放開關(guān)。

31、經(jīng)由上述的技術(shù)方案可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開提供了一種巡視器移動中定向天線對中繼星自主追蹤的控制方法，能夠在移動中或受遮擋等狀態(tài)下，通過引入定向天線實(shí)際矢量與期望中繼星矢量夾角的判斷和受太陽翼等車體遮擋的判斷，控制自主回放開關(guān)狀態(tài)，保持?jǐn)?shù)傳數(shù)據(jù)不間斷，進(jìn)而能夠在有限的測控弧段內(nèi)，最大限度的利用通信鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高了測控弧段的利用率。此外，本發(fā)明，能夠適應(yīng)在月球極區(qū)復(fù)雜任務(wù)環(huán)境下對實(shí)時穩(wěn)定通信鏈路的任務(wù)需求，避免了巡視器在穿越極點(diǎn)時，真北方向突變給計(jì)算帶來的困難。

技術(shù)特征：

1.一種巡視器移動中定向天線對中繼星自主跟蹤的控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種巡視器移動中定向天線對中繼星自主跟蹤的控制方法，其特征在于，所述s2具體包括：將中繼星在月心j2000坐標(biāo)系下的位置轉(zhuǎn)換到月心固連坐標(biāo)系下，與巡視器在月心固連系下的位置進(jìn)行計(jì)算，求得在月心固連系下巡視器至中繼星的單位矢量。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種巡視器移動中定向天線對中繼星自主跟蹤的控制方法，其特征在于，所述根據(jù)巡視器姿態(tài)確認(rèn)巡視器機(jī)械坐標(biāo)下的單位方向矢量，具體為：當(dāng)所述巡視器位于極區(qū)時，將巡視器至中繼星的單位方向矢量由月心固連系轉(zhuǎn)換至極區(qū)導(dǎo)航坐標(biāo)系，并進(jìn)一步根據(jù)巡視器姿態(tài)轉(zhuǎn)換至巡視器坐標(biāo)系中。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種巡視器移動中定向天線對中繼星自主跟蹤的控制方法，其特征在于，將巡視器至中繼星的單位方向矢量由月心固連系轉(zhuǎn)換至極區(qū)導(dǎo)航坐標(biāo)系，具體為：將月心固連坐標(biāo)系依次繞x軸旋轉(zhuǎn)-90°、繞z軸旋轉(zhuǎn)-90°，得到極區(qū)導(dǎo)航坐標(biāo)系下巡視器至中繼星的單位方向矢量為：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種巡視器移動中定向天線對中繼星自主跟蹤的控制方法，其特征在于，所述極區(qū)導(dǎo)航系下的經(jīng)緯度計(jì)算式為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種巡視器移動中定向天線對中繼星自主跟蹤的控制方法，其特征在于，所述s1的具體為：根據(jù)地面上注的中繼星軌道外推初始時刻t0及對應(yīng)的中繼星軌道根數(shù)，采用二體軌道外推模型，按照指定計(jì)算周期步長δti，自主計(jì)算月心j2000慣性系下中繼星位置。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種巡視器移動中定向天線對中繼星自主跟蹤的控制方法，其特征在于，所述s3，具體步驟包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種巡視器移動中定向天線對中繼星自主跟蹤的控制方法，其特征在于，所述s32中，定向天線繞x軸的期望轉(zhuǎn)動角度θx和繞y軸轉(zhuǎn)動的角度θy的計(jì)算式為：

9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的一種巡視器移動中定向天線對中繼星自主跟蹤的控制方法，其特征在于，所述s3的具體步驟還包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種巡視器移動中定向天線對中繼星自主跟蹤的控制方法，其特征在于，所述s5具體為：

技術(shù)總結(jié)
一種巡視器移動中定向天線對中繼星自主跟蹤的控制方法，包括：S1：確認(rèn)中繼星的實(shí)時位置；S2：計(jì)算在同一坐標(biāo)系下巡視器至中繼星的單位方向矢量；并根據(jù)巡視器姿態(tài)確認(rèn)巡視器機(jī)械坐標(biāo)下的單位方向矢量；S3：根據(jù)巡視器機(jī)械坐標(biāo)系下中繼星的單位方向矢量確認(rèn)巡視器的定向天線指向中繼星的雙軸期望轉(zhuǎn)角；S4：實(shí)時判斷定向天線雙軸期望轉(zhuǎn)角是否在巡視器的遮擋區(qū)域，判斷定向天線實(shí)際的波束中心線與中繼星期望矢量夾角是否超出閾值；S5：并根據(jù)S4的判斷結(jié)果選擇打開或關(guān)閉自主回放；能夠在移動中或受遮擋等狀態(tài)下，通過引入定向天線實(shí)際矢量與期望中繼星矢量夾角的判斷和受太陽翼等車體遮擋的判斷，控制自主回放開關(guān)狀態(tài)，保持?jǐn)?shù)傳數(shù)據(jù)不間斷。

技術(shù)研發(fā)人員：田鶴,辛鵬飛,陳百超,張建利,袁寶峰,宋文韜,陳廷坤,鄒猛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：吉林大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/14