運載火箭海上測控任務中的天線方向圖分析

李紅艷，沐俊山,2

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運載火箭海上測控任務中的天線方向圖分析

李紅艷1，沐俊山1,2

（1. 中國衛(wèi)星海上測控部，江陰，214431；2. 飛行器海上測量與控制聯(lián)合實驗室，江陰，214431）

在運載火箭的海上測控任務中，測量船的工況設(shè)計是最重要的工作之一。任務弧段、海域條件、覆蓋率、飛行器天線方向圖均是任務設(shè)計中的重要約束因素，過去的工況設(shè)計中一般對天線方向圖做簡化處理，但這種簡化往往忽略天線方向圖的啞點區(qū)域而造成運載火箭飛行過程中跟蹤信號閃斷或丟失。提出采用一種利用測控信號分析的墨跡法，使測量船在任務中盡量避開低強度測控信號區(qū)域。該方法為測量船的海上工況設(shè)計提供了既量化又直觀的約束條件，有利于測量船工況設(shè)計的精細化。

工況設(shè)計；天線方向圖；墨跡法；信號強度分析

0 引 言

在運載火箭的海上測控任務中，測量船的工況設(shè)計是最重要的工作之一[1,2]，其中測量船船位的部署需考慮許多細節(jié)因素和約束條件，包括任務弧段、海域條件、測控覆蓋率、飛行器天線方向圖覆蓋等因素[3,4]。在以往的工況設(shè)計中，往往以天線方向圖的半錐角作為信號覆蓋分析的約束因素[5,6]，在歷史任務中發(fā)現(xiàn)，某些運載火箭的應答機天線增益在理論的錐角范圍內(nèi)變化較大，甚至存在低于均值10~15 dB的較低增益區(qū)域（稱作啞點區(qū)域），如果不考慮這些因素，可能會造成測量船船位在運載火箭飛行過程中信號閃斷甚至跟蹤丟失，對任務尤其是重大任務的圓滿完成造成不良影響[7]。有時即使在設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)跟蹤過程進入天線啞點區(qū)域，也只能通過逐點試算核對的方法來尋找新的船位方案，效果和效率都不盡如人意。

本文提出采用一種利用天線方向圖低增益區(qū)域在地球表面產(chǎn)生虛擬墨跡的方法（簡稱“墨跡法”），既可以在設(shè)計船位時盡量避開和遠離墨跡區(qū)域，確保任務弧段內(nèi)跟蹤信號穩(wěn)定，為測量船的海上工況設(shè)計提供全面、準確而又直觀的信號覆蓋情況分析，也可以在選定船位后進行信號覆蓋的精細化分析，為制定設(shè)備跟蹤捕獲方案提供精確依據(jù)。

1 測控天線方向圖的數(shù)字化處理

極坐標轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標系可用如下關(guān)系表示：

圖2 天線方向圖的一個剖面圖像

a）數(shù)字化描繪。

數(shù)字化過程首先將原圖的圖像文件作顏色區(qū)分處理，即利用一種顏色將增益曲線描繪一圈并與圖像其它部分顏色區(qū)別開來，若無法區(qū)分，可將原圖先設(shè)成灰度圖，再用顏色描繪。

b）圖像處理。

讀取圖像文件，將像素點為設(shè)定顏色的像素轉(zhuǎn)換為白色，將其它像素轉(zhuǎn)換為黑色，如圖3所示，由于圖像存在噪聲，白色點可能會稀疏地分布在圖像其它區(qū)域，通過高斯濾波算法對圖像進行處理濾除圖像上的噪聲點。

圖3 天線方向圖的數(shù)字化過程

c）坐標轉(zhuǎn)換。

d）多剖面數(shù)據(jù)的拼接和分析。

將數(shù)據(jù)進行拼接、插值，形成一個完整的三維天線增益方向圖，如圖4所示。

圖4 一個數(shù)字化天線方向圖的三維圖像

2 方向圖分析與測控覆蓋信號分析

2.1 天線方向圖矢量分析

為了能夠計算方向圖矢量在地面上的投影，首先需要計算該矢量在火箭發(fā)射慣性系下的表示：

根據(jù)式（7）、式（8）可寫為

其中，

2.2 天線方向圖的低增益區(qū)域分析

本文提出的墨跡法通?？刹捎脙煞N實現(xiàn)方式：墨跡法一、墨跡法二。在兩種方法中，天線方向圖的數(shù)字化、等值線分析、低增益區(qū)域識別以及空間坐標轉(zhuǎn)換及投影計算均通過Mathematica軟件自行編程實現(xiàn)。墨跡法一是對天線方向圖進行等值線分析，求出低于某個閾值的低增益區(qū)域，將低增益區(qū)域直接投影到地面，由于火箭飛行軌跡和姿態(tài)的變化，在地面上形成連續(xù)的低增益區(qū)域；墨跡法二除了考慮天線方向圖外，還考慮完全的電波傳播衰減，包括星地的距離、發(fā)射機功率等參數(shù)，將測控信號在整個地面可視區(qū)域描繪，并通過分析獲得低增益區(qū)域，第2種方法原理上比第1種方法更為精確，但考慮到地面增益變化主要受到天線增益影響，而在火箭跟蹤中，距離變化一般在3倍以內(nèi)，會帶來低于5 dB的增益變化，這種變化是跟蹤過程中連續(xù)可預測的變化，兩種方法產(chǎn)生的墨跡區(qū)域差別并不大。

天線方向圖的低增益區(qū)域可以描述為

圖5 三維數(shù)字化方向圖及其低增益區(qū)域

在通過式（7）獲得每個網(wǎng)格點的信號強度后，在地面可視區(qū)域進行信號強度等值線分析，求出每個時刻的低增益區(qū)域，將其作為測量船船位設(shè)計的一種約束條件。

3 測量船的任務工況設(shè)計

根據(jù)以往任務模式，仿真設(shè)計一個火箭飛行彈道和姿態(tài)，其中天線安裝角為170°，火箭的地面飛行軌跡和可測控區(qū)域如圖6所示。

圖6 火箭某測控弧段的海上任務海域分析

A，B，C，D，E—可測控區(qū)域

火箭存在某個動力弧段的測控需求，該弧段長約100 s，位于海上區(qū)域，在該弧段內(nèi)火箭為了適應星箭分離的需產(chǎn)生了一系列姿態(tài)機動。根據(jù)仰角5°以上的要求，海上測控區(qū)域限制在兩個圓的交集以內(nèi)，80°以上的高仰角區(qū)域C也排除在可測控海域之外。如果按照半錐角約束，可測控區(qū)域中的A區(qū)域則被排除在外。在天線方向圖中，存在一個15°×9°范圍的不規(guī)則啞點區(qū)域，該區(qū)域增益較其它半錐角區(qū)域低10 dB以上，其形狀如圖5所示的不規(guī)則溝壑狀。在某一個時刻，根據(jù)第2節(jié)給出的算法，該不規(guī)則區(qū)域在海面上形成一個不規(guī)則墨跡點，將不同時刻形成的墨跡點連接，則啞點區(qū)域投影及其連續(xù)變化產(chǎn)生了如圖6所示的墨跡區(qū)域D，由于啞點區(qū)域和高仰角區(qū)域C毗連，則D和C以及兩者之間的區(qū)域均需排除在可部署區(qū)域之外。根據(jù)以上分析，在考慮方向圖內(nèi)部啞點區(qū)域情況下，測量船可測控區(qū)域主要為B和E區(qū)域。

進而采用墨跡法二進行了分析，考慮到可視區(qū)域的交集是測量船在不考慮天線方向圖情況下的可測控海域，因此只對可測控海域進行網(wǎng)格化，與離散的時間間隔一起形成了時間、經(jīng)度和緯度的三維網(wǎng)格，地理網(wǎng)格經(jīng)度和緯度范圍分別為西經(jīng)145°～東經(jīng)175°和南緯20°～北緯15°，網(wǎng)格粒度為0.2°，在每個網(wǎng)格點上通過式（17）計算地面設(shè)備接收信號電平，并對每個時刻的經(jīng)緯度網(wǎng)格進行等值線分析，可得墨跡法二產(chǎn)生的結(jié)果與墨跡法一結(jié)果基本相同，同如圖6所示。根據(jù)式（17），結(jié)果一致是由于天線增益是決定地面接收信號變化的主要因素。另外，墨跡區(qū)域主要集中在仰角接近的一側(cè)，使得地面到天線的徑向跟蹤距離的影響更小了。由于墨跡法二需要在時間、經(jīng)度和緯度的三維網(wǎng)格上計算地面接收信號并進行等值線分析，其計算量比墨跡法二大，因此海上測控任務分析優(yōu)先使用第1種方法。從計算過程和結(jié)果看，墨跡法在應用上非常直觀，便于任務的總體設(shè)計和分析。

4 結(jié)束語

測控海域的設(shè)計工作是海上火箭測控方案設(shè)計階段的一項重要工作，通過本文提出的天線方向圖墨跡法，可以使測量船在任務中盡量避開和遠離這些墨跡區(qū)域。天線方向圖墨跡法為測量船的海上工況設(shè)計提供了重要又直觀的約束條件分析方法，有利于測量船工況分析的量化設(shè)計，在任務設(shè)計階段可有效避免測控線進入天線啞點區(qū)域造成的信號閃斷問題，從而更好地滿足火箭發(fā)射海上任務測控要求。

除了將測控信號分析的數(shù)字化和量化研究應用于海上測控方案設(shè)計，下一步將考慮將海洋地理信息（包括海圖）、海洋環(huán)境（包括海浪、海洋天氣等）的量化分析成果應用于海上測控工作的任務分析、任務執(zhí)行以及數(shù)據(jù)處理階段，逐步實現(xiàn)海上測控工作的數(shù)字化和自動化。

[1] 江文達. 航天測量船[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2002.

[2] 張忠華. 航天測量船船姿數(shù)據(jù)處理方法[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2009.

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[7] 茅永興. 航天發(fā)射任務測量船應急測控海域設(shè)計方法[J]. 飛行器測控學報, 2009(10): 5-8.

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Antenna Pattern Analysis for Sea based Launch Vehicle Tracking Mission

Li Hong-yan1, Mu Jun-shan1,2

(1. China Satellite Maritime Tracking and Control Department, Jiangyin, 214431;2. Joint Laboratory of Ocean-based Flight Vehicle Measurement and Control, Jiangyin, 214431)

The mission analysis for tracking ships is essential for sea based spacecraft tracking and control. Many constraints such as access intervals, tracking site maritime condition, coverage and antenna pattern have to be considered in the analysis. In mission analyses, antenna patterns of spacecraft transceivers were commonly simplified as the parameter half cone. However, the simplification sometimes neglects the possible dumb area in the pattern, and it could even cause flash-off of signal and loss of tracking in some missions. The paper proposes an antenna pattern inking method for sea based space tracking mission analysis. The method provides a visualized constraint for mission analyses. The method is convenient and beneficial for the quantification of sea based space tracking mission analysis.

Mission analysis; Antenna pattern; Inking method; Signal analysis

1004-7182(2017)06-0112-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20170624

V412.4

A

2017-05-01；

2017-08-20

李紅艷（1975-），女，高級工程師，主要研究方向為海上航天測控