一種提高我國空間站中繼測控覆蓋率的方法

（中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）

1 引言

航天器測控與通信系統(tǒng)的主要任務(wù)是與地面測控系統(tǒng)一起，建立一個滿足預(yù)定要求的、穩(wěn)定可靠的無線電傳輸通道，保證天-地?zé)o線測控信息的可靠傳輸。影響無線電傳輸通道建立的主要因素有發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率、信號頻率、通信距離、天線增益、天線覆蓋區(qū)域等。其中，天線覆蓋率的大小對通信鏈路的建立至關(guān)重要［1-2］。

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)可以用于對中、低軌道航天器進(jìn)行測控和數(shù)據(jù)中繼的測控通信，它既能直視中低軌道航天器，又能直視地面站，是航天器與地面站之間通信的橋梁，能夠有效擴(kuò)大中、低軌道航天器測控通信覆蓋范圍［3-4］。

與我國載人航天一期、二期工程中的載人航天器相比，空間站在軌時間更長并需要開展大量科學(xué)試驗(yàn)，同時為了保證航天員的安全以及在軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時下傳，需要盡可能大的測控覆蓋率。本文根據(jù)我國中繼衛(wèi)星以及空間站的空間幾何關(guān)系，對中繼天線不同安裝位置對中繼測控覆蓋率的影響，結(jié)合空間站在軌組建過程，提出了一種采用不同艙段的2副中繼天線融合使用并通過調(diào)整天線安裝布局提高中繼測控覆蓋率的方法，該方法實(shí)現(xiàn)了空間站中繼天線100%的測控覆蓋率，最后通過仿真分析，驗(yàn)證了該方法的有效性和正確性。

2 中繼天線覆蓋率分析

中繼測控通信涉及到3部分：①配置于地球靜止軌道上的兩顆或多顆中繼衛(wèi)星；②用戶航天器：中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的主要用戶是中低軌道的各種航天器，尤其是要求高軌道覆蓋率的載人航天器和高數(shù)據(jù)傳輸率的航天器等；③地面測控終端站，它與用戶航天器之間的測控通信是通過中繼衛(wèi)星與用戶航天器之間建立的通信鏈路轉(zhuǎn)發(fā)［5-6］。

我國第一代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)包括3顆衛(wèi)星：天鏈-1衛(wèi)星為首發(fā)星，于2008年發(fā)射；天鏈-2衛(wèi)星于2011年發(fā)射，天鏈-3衛(wèi)星于2012年發(fā)射。3顆中繼衛(wèi)星形成的最大夾角為160°，如圖1所示。我國載人航天器中繼天線一般采用機(jī)械轉(zhuǎn)動天線，它能夠通過伺服控制器驅(qū)動轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)改變天線的俯仰角和方位角，使天線指向中繼衛(wèi)星。中繼天線通過縱橫的X／Y軸實(shí)現(xiàn)俯仰0～90°，方位0～360°的轉(zhuǎn)動［7-8］。假設(shè)我國空間站采用傾角為42°、高度為400km 的圓軌道，空間站的中繼天線安裝位置為III象限線上（對天面），中繼天線的測控覆蓋率仿真結(jié)果如圖2所示，圖中白色曲線為空間站星下點(diǎn)軌跡，綠色、紅色、藍(lán)色分別為天鏈-1、2、3衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域?？梢钥闯觯谖覈壳?顆中繼衛(wèi)星定點(diǎn)位置情況下，中繼覆蓋率約為88.35%，在北美上空形成了不可見的區(qū)域。

圖1 天鏈-1、2、3衛(wèi)星定點(diǎn)示意圖Fig.1 Sketch map of Tianlian-1、2、3

圖2 中繼天線覆蓋率Fig.2 Coverage rate of relay antenna

3 提高空間站中繼測控覆蓋率的途徑

根據(jù)測控通信基礎(chǔ)理論，中繼衛(wèi)星與空間站之間可通信的條件為：①中繼衛(wèi)星與空間站可視，即在某時刻，空間站與中繼衛(wèi)星之間的連線與地球沒有交點(diǎn)；②空間站處于中繼衛(wèi)星天線的波束照射范圍內(nèi)，同時中繼衛(wèi)星也處于空間站中繼天線的照射范圍內(nèi)。上述兩條件同時滿足時才能保證中繼衛(wèi)星與空間站通信。設(shè)中繼衛(wèi)星經(jīng)度差為θ，H為空間站與中繼衛(wèi)星可見所需的最小軌道高度，中繼衛(wèi)星經(jīng)度夾角與空間站可見高度幾何關(guān)系如式（1）所示。

式中：r＝6378km 為地球半徑，R＝42 164km 為中繼衛(wèi)星與地心距離，cosδ＝r／R。

根據(jù)式（1），圖3給出了中繼衛(wèi)星的經(jīng)度差θ和空間站與中繼衛(wèi)星可見所需的最小軌道高度H的關(guān)系圖。由圖3可知，在我國中繼衛(wèi)星最大經(jīng)度差為160°的情況下，要滿足中繼衛(wèi)星與空間站可視條件，空間站需要的最低軌道高度為340km，而我國空間站的軌道高度為350～450km，因此，我國空間站中繼天線覆蓋率在理論上能夠達(dá)到100%。如圖4中的黃線所示，若空間站中繼天線的俯仰角能夠大于90°，即可以實(shí)現(xiàn)空間站中繼天線與中繼衛(wèi)星建立通信鏈路。

通過上述分析，提高我國空間站中繼覆蓋率可通過以下3種方法實(shí)現(xiàn)：①空間站中繼天線具備俯仰角大于90°的指向能力；②通過空間站調(diào)姿使中繼天線指向中繼衛(wèi)星；③調(diào)整空間站中繼天線的安裝布局。我國空間站中繼天線一般采用機(jī)械轉(zhuǎn)動天線，天線通過伺服控制器驅(qū)動轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)改變天線的俯仰角和方位角，使天線指向中繼衛(wèi)星。方法①、②對中繼天線的轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)要求較高，且代價較大，方法③相對簡單，工程實(shí)施代價小?？紤]到空間站將采用單艙發(fā)射、在軌組裝逐步建成的方案，每個艙段單獨(dú)發(fā)射時都配置了中繼天線，本文采用不同艙段的中繼天線融合使用并調(diào)整天線布局的方法提高覆蓋率。

圖3 兩中繼衛(wèi)星夾角與航天器軌道高度的關(guān)系圖Fig.3 Spacecraft orbit min.altitude vs.angle between two relay satellites

4 空間站中繼天線安裝位置分析

空間站中繼天線位置確定的原則為：既要保證每個艙段單獨(dú)發(fā)射時的覆蓋率，又要保證空間站組合體時的中繼覆蓋率最大。根據(jù)天線的安裝要求，中繼天線可以安裝在艙體的不同位置，但中繼衛(wèi)星為地球靜止軌道衛(wèi)星，軌道高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我國空間站，中繼天線安裝在艙體的對天面時，對于中繼天線跟蹤中繼衛(wèi)星最有利，因此，本文主要針對天線安裝在對天面的情況進(jìn)行分析。為了方便地說明中繼天線的安裝位置，首先建立一個坐標(biāo)系，如圖5所示，空間站的III象限（對天面）線定義為0°，I象限（對地面）線定義為180°。仿真參數(shù)如表1所示，仿真角度為0°～50°，310°～350°（對天面），角度間隔取10°，表2給出了中繼天線的不同安裝角度時的測控覆蓋率，由仿真結(jié)果可知，當(dāng)中繼天線安裝于III象限線（0°）時，覆蓋率為88.347 13%，中繼天線安裝角度與III象限20°時測控覆蓋率達(dá)到了最大值，為88.713 56%。

圖5 中繼天線安裝角度坐標(biāo)系定義Fig.5 Sketch map of coordinate system

表1 空間站軌道仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters of space station orbit

表2 中繼天線的不同安裝角度時的測控覆蓋率Table 2 Relation between coverage rate and mounting angle of antenna

根據(jù)我國空間站的構(gòu)型設(shè)計(jì)及飛行方向，空間站中的兩個艙體軸線處于平行狀態(tài)，為了便于說明，將兩個艙體中繼天線等效在圖5的同一個坐標(biāo)系下。根據(jù)上述單副中繼天線的覆蓋率仿真結(jié)果，對中繼天線2安裝角度分別取0°～350°時的測控覆蓋率進(jìn)行仿真分析，仿真參數(shù)同表1。

圖6給出了兩副中繼天線不同安裝角度時的測控覆蓋率的仿真結(jié)果，其中橫軸分別為中繼天線1、2的安裝角度，縱軸為覆蓋率?？梢钥闯觯ㄟ^采用兩副中繼天線可保證中繼測控覆蓋率達(dá)到100%。根據(jù)上述仿真結(jié)果，結(jié)合表2中單副中繼天線的覆蓋率，在滿足兩中繼天線測控覆蓋率達(dá)到100%的前提下，中繼天線1、中繼天線2安裝角度為30°和330°時，也能夠保證單艙的中繼覆蓋率最大，分別為87.006 30%和87.006 24%。值得指出的是，仿真中并未考慮空間站艙體及太陽翼遮擋等因素，同時忽略了中繼天線轉(zhuǎn)動及重新捕獲的時間。在具體工程實(shí)現(xiàn)中由于上述因素的影響，中繼覆蓋率會有所降低。

圖6 兩副中繼天線不同安裝角度時測控覆蓋率的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of the coverage rate for two antennas

根據(jù)分析結(jié)果，圖7給出了中繼天線1、中繼天線2安裝角度分別為30°和330°時的幾何示意圖，圖8為兩中繼天線布局調(diào)整后天線覆蓋范圍仿真結(jié)果。如圖中黃線所示，在天鏈-2、3衛(wèi)星中間的區(qū)域（圖2中北美上空的空白區(qū)域），空間站與中繼衛(wèi)星之間均能夠建立通信鏈路，從而保證中繼測控的覆蓋率達(dá)到了100%。

圖7 中繼天線調(diào)整后覆蓋范圍Fig.7 Coverage area of antenna after adjustment

圖8 中繼天線調(diào)整后覆蓋范圍仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of coverage area

5 結(jié)論

對于長期載人的空間站來說，為了保證航天員的安全以及在軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時下傳，需要盡可能大的測控覆蓋率。本文根據(jù)中繼衛(wèi)星的定點(diǎn)位置，對提高我國空間站中繼測控覆蓋率的途徑進(jìn)行了研究，提出了一種采用不同艙段的兩副中繼天線融合使用并通過調(diào)整天線安裝布局提高中繼的測控覆蓋率的方法。理論分析和仿真結(jié)果表明，該方法能夠有效地提高空間站中繼的測控覆蓋率。如前所述，影響空間站中繼測控覆蓋率的因素很多，本文所提的覆蓋率仿真結(jié)果并未考慮空間站艙體及太陽翼遮擋等因素，同時忽略了中繼天線轉(zhuǎn)動及重新捕獲的時間，這些因素會導(dǎo)致覆蓋率有所降低。因此，考慮艙體、太陽翼遮擋時的覆蓋率計(jì)算及中繼天線捕獲跟蹤策略是下一步需要深入研究的方向。

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