火星探测器测控通信天线配置系统
阅读说明：本技术 火星探测器测控通信天线配置系统 (Mars detector measurement and control communication antenna configuration system ) 是由 朱新波 王民建 张玉花 徐亮 陆希 李金岳 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种火星探测器测控通信天线配置系统,涉及卫星天线技术领域,该方法包括：测控接收天线配置和测控发射天线配置；其中,测控接收天线配置包括第一低增益接收天线、第二低增益接收天线以及高增益接收天线；测控发射天线配置包括第一低增益发射天线、第二低增益发射天线、中增益发射天线以及高增益发射天线。本发明能够解决火星探测器从主动段发射、器箭分离、地火转移段、姿态调整、深空机动,一直到环火通信等全过程的对地测控通信问题。(The invention provides a mars detector measurement and control communication antenna configuration system, which relates to the technical field of satellite antennas, and comprises the following steps: configuring a measurement and control receiving antenna and a measurement and control transmitting antenna; the measurement and control receiving antenna configuration comprises a first low-gain receiving antenna, a second low-gain receiving antenna and a high-gain receiving antenna; the measurement and control transmitting antenna configuration comprises a first low-gain transmitting antenna, a second low-gain transmitting antenna, a middle-gain transmitting antenna and a high-gain transmitting antenna. The invention can solve the problems of ground measurement and control communication in the whole process from the active section launching, the device and arrow separation, the ground fire transfer section, the attitude adjustment, the deep space maneuver to the ring fire communication and the like of the Mars detector.)
技术领域
本发明涉及卫星天线技术领域，具体地，涉及一种火星探测器测控通信天线配置系统。
背景技术
国内空间探测的器地最大距离为月地通信的40万公里附近，而火星探测器的最大距离为4亿公里。整个火星探测任务全过程中，器地距离不断变化，从主动段近距离到最远达到4亿公里，信号传播空间损耗变化范围大，既要满足器箭分离后探测器的近地空间全向覆盖，又要满足远距离情况下的正常通信和应急通信需求。
公开号为CN109103599B的发明专利，公开了一种卫星天线限位结构及卫星天线，包括底座和所述底座上设置的转动盘，所述转动盘由电机控制转动，所述转动盘和所述底座之间设有限位圈，所述转动盘带动所述限位圈旋转，所述底座上还设有限位信号开关，当所述限位圈转动至设定角度时触发所述限位信号开关发出信号，使所述电机控制所述转动盘反向转动，在所述转动盘上设置有压电能量收集器，用于收集转动盘产生的能量。该发明中未涉及火星探测全过程的天线设计。
公开号为CN108336482A的发明专利，公开了一种天线组件、电子设备和天线配置方法，其中天线组件包括：天线本体、第一开关、馈点电路和收发器；天线本体包括第一端部和第二端部，第一端部与第一开关的一端连接，第一开关的另一端接地，第二端部与馈点电路的一端连接，馈点电路的另一端与收发器连接；当第一开关闭合，天线本体与第一开关形成第一回路，第二端部形成天线末端；当第一开关断开，天线本体与馈点电路形成第二回路，第一端部形成天线末端。该发明未涉及火星探测器全过程天线的配置设计。
公开号为CN204947062U的实用新型专利，公开了一种卫星天线安装结构和卫星天线，包括反射面和支撑结构；所述反射面上开设有第一通孔，所述支撑结构上开设有第二通孔；其中，所述第一通孔的轴向中心线垂直于所述反射面，所述第一通孔和第二通孔对应贯通；还包括铆钉，所述铆钉依次穿过所述第一通孔和第二通孔，连接所述反射面和支撑结构。该实用新型未涉及火星探测器天线配置设计。
公开号为CN106876878A的发明专利，公开了一种基于卫星天线的通信系统和一种卫星天线，包括：卫星通讯系统和卫星天线；所述卫星天线与所述卫星通讯系统无线通信连接；所述卫星天线内置有无线接入模块，所述卫星天线通过所述无线接入模块与第一终端无线通信连接。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种火星探测器测控通信天线配置系统。
根据本发明提供的一种火星探测器测控通信天线配置系统，所述方案如下：
第一方面，提供了一种火星探测器测控通信天线配置系统，所述系统包括：测控接收天线和测控发射天线；
其中，测控接收天线包括第一低增益接收天线、第二低增益接收天线以及高增益接收天线；
测控发射天线包括第一低增益发射天线、第二低增益发射天线、中增益发射天线以及高增益发射天线。
优选的，第一低增益发射天线、第二低增益发射天线、第一低增益接收天线以及第二低增益接收天线均采用45°斜装的方式。
优选的，将第一低增益接收天线和第二低增益接收天线进行对角安装，将第一低增益发射天线和第二低增益发射天线进行对角安装，其中第一低增益接收天线和第一低增益发射天线安装于对地面，第二低增益接收天线和第二低增益发射天线安装于对天面，入轨初期，采用全向的收发天线状态。
优选的，地火转移段及环火段，使用高增益接收天线和高增益发射天线，满足姿态稳定状态下对地覆盖要求。
优选的，在火星探测器调姿、变轨或者应急模式下，器地距离小于第一低增益发射天线的通信能力时，使用第一低增益接收天线和第一低增益发射天线实现宽波束的信号收发。
优选的，在火星探测器调姿、变轨或者应急模式下，器地距离大于第一低增益发射天线的通信能力时，使用第一低增益接收天线和中增益发射天线实现宽波束的信号收发。优选的，每次调姿或者变轨动作时，预设一条动作结束后T h延时指令将备份通道的接收天线由高增益天线切换到第二低增益接收天线，若调姿或者变轨动作正常结束，通过正常的上行通道清除延时指令，否则，延时指令正常执行，将上行通道切换到全向的接收状态，确保对探测器上行通道的通畅。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
能够解决火星探测器从主动段发射、器箭分离、地火转移段、姿态调整、深空机动，一直到环火通信等全过程的对地测控通信问题。
1、本发明通过双低增益天线全向收发组合的设计，实现了器箭分离后姿态不确定下的可靠通信；
2、本发明通过高、低、中增益的组合设计，不仅实现了全过程姿态稳定下高速测控数传通信，同时也保障了姿态故障下的应急通信。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为天线连接示意图；
图2为火星环绕器天线布局示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种火星探测器测控通信天线配置系统，参照图1和图2所示，该系统包括：测控接收天线和测控发射天线。
其中，测控接收天线包括第一低增益接收天线(±90°和±50°波束)、第二低增益接收天线(±90°)以及高增益接收天线(机构转动范围Y轴：-50°～+50°，X轴：-60°～+72°，波束±0.5°)。
测控发射天线包括第一低增益发射天线(±90°和±50°波束)、第二低增益发射天线(±90°)、中增益发射天线(±25°)以及高增益发射天线(机构转动范围Y轴：-50°～+50°，X轴：-60°～+72°，波束±0.5°)。
将第一低增益接收天线和第二低增益接收天线进行对角安装，将第一低增益发射天线和第二低增益发射天线进行对角安装，其中第一低增益接收天线和第一低增益发射天线安装于对地面，第二低增益接收天线和第二低增益发射天线安装于对天面，入轨初期，采用第一低增益接收天线(±90°波束)、第二低增益接收天线(±90°波束)组成全向的接收状态，采用第一低增益发射天线(±90°波束)、第二低增益发射天线(±90°波束)组成全向的发射状态，满足近地空间全向收发覆盖要求。
其中第一低增益接收天线通过第二同轴开关选通到应答机a接收机，第二低增益接收天线通过第一同轴开关和第二同轴开关选通至应答机b接收机，形成一个360°方向的接收范围，不论器箭分离后何种姿态，均可以完成上行信号的正常接收。
同样的，通过开关选择，固放a输出的信号选通至低第一增益发射天线，固放b输出的信号选通至第二低增益发射天线，发射信号形成一个360°发射范围，不论器箭分离后何种姿态，地面均可以接收到器上发射的下行信号。
地火转移段及环火段，在器地距离大于100万公里后，使用高增益接收天线和高增益发射天线，上行通道为高增益天线+应答机接收机A，下行通道为应答机发射机A+行放A+高增益发射天线，波束±0.5°，满足姿态稳定状态下对地覆盖要求。
在火星探测器调姿、变轨或者应急模式下，器地距离小于第一低增益发射天线(±50°)的通信能力时，使用第一低增益接收天线(±50°)和第一低增益发射天线(±50°)，上行通道为第一低增益接收天线(±50°)+应答机接收机A，下行通道为应答机发射机A+行放A+第一低增益发射天线(±50°)，满足姿态调整或者应急状态下对地通信要求。
在火星探测器调姿、变轨或者应急模式下，器地距离超过第一低增益发射天线(±50°)的通信能力时，使用第一低增益接收天线(±50°)和中增益发射天线(±25°)，上行通道为第一低增益接收天线(±50°)+应答机接收机A，下行通道为应答机发射机A+行放A+中增益发射天线(±25°)，满足姿态调整或者应急状态下对地覆盖要求。
第一低增益发射天线、第二低增益发射天线、第一低增益接收天线(±90°)、第二低增益接收天线(±50°)以及第三低增益接收天线(±90°)均采用45°斜装的方式，在探测器飞行姿态下可以更好的保证波束中心的对地指向。
每次调姿或者变轨动作时，预设一条动作结束后T h延时指令将备份通道的接收天线由高增益天线切换到第二低增益接收天线，若调姿或者变轨动作正常结束，通过正常的上行通道清除延时指令，否则，延时指令正常执行，将上行通道切换到全向的接收状态，确保对探测器上行通道的通畅。
接下来，对本发明进行更为具体的说明。
参照图1和图2所示，第一低增益接收天线(±90°，±50°波束)安装探测器顶面，在XOZ面内指向+X轴偏向-Z方向45°，第二低增益接收天线(±90°)安装于环绕器底面，在XOZ面内指向-X轴偏向+Z方向45°，两者形成全向覆盖。
第一低增益发射天线(±90°，±50°波束)安装探测器顶面，在XOZ面内指向+X轴偏向-Z方向45°，第二低增益发射天线(±90°)安装于环绕器底面，在XOZ面内指向-X轴偏向+Z方向45°，两者形成全向覆盖。
中增益天线安装于环绕器顶板，在XOZ面内指向+X轴偏向-Z方向25°。
高增益天线安装于火星探测器的侧板上，在轨起爆展开到初始零位(-Z方向)并锁定。以-Z方向为初始零度，通过X轴、Y轴驱动机构驱动天线可在X、Y方向具备两维转动功能。
实施原理：
具体的火星探测器测控通信天线配置系统的实施原理如下：
1、入轨初期，采用全向的收发天线状态。此时上行主份通道为第一低增益接收天线(±90°)+应答机接收机A，上行备份通道为第一低增益接收天线(±90°)+应答机接收机B。下行主份通道为应答机发射机A+固放A+第一低增益发射天线(±90°)，下行备份通道为应答机发射机A+固放B+第二低增益发射天线(±90°)。满足近地空间全向收发覆盖要求。
2、地火转移段及环火段，在器地距离大于100万公里后，使用高增益接收天线和高增益发射天线，上行通道为高增益接收天线+应答机接收机A，下行通道为应答机发射机A+行放A+高增益发射天线，高增益天线波束±0.5°满足姿态稳定状态下对地覆盖要求。
3、在火星探测器调姿、变轨或者应急模式下，，器地距离小于第一低增益发射天线(±50°)的通信能力时，使用第一低增益接收天线(±50°)和第一低增益发射天线(±50°)，上行通道为第一低增益接收天线(±50°)+应答机接收机A，下行通道为应答机发射机A+行放A+第一低增益发射天线(±50°)，满足姿态调整或者应急状态下对地通信要求。
4、在火星探测器调姿、变轨或者应急模式下，器地距离超过第一低增益发射天线(±50°)的通信能力时，使用第一低增益接收天线(±50°)和中增益发射天线(±25°)，上行通道为第一低增益接收天线(±50°)+应答机接收机A，下行通道为应答机发射机A+行放A+中增益发射天线(±25°)，满足姿态调整或者应急状态下对地覆盖要求。
5、每次调姿或者变轨动作时，预设一条动作结束后T h延时指令将备份通道的接收天线由高增益天线切换到第二低增益接收天线，若调姿或者变轨动作正常结束，通过正常的上行通道清除延时指令，否则，延时指令正常执行，将上行通道切换到全向的接收状态，确保对探测器上行通道的通畅。
本发明实施例提供了一种火星探测器测控通信天线配置系统，对火星探测器配置多付高低中增益测控天线，在轨飞行过程中根据飞行距离和工作模式进行不同天线组合模式的切换，解决了火星探测器从主动段发射、器箭分离、地火转移段、姿态调整、深空机动，一直到环火通信等全过程的对地测控通信问题，整个天线配置系统的组合使用可以满足在火星探测器奔火过程中最远4亿公里全过程的对地覆盖通信。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
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