天线方位角俯仰角以及指向计算.docx
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天线方位角俯仰角以及指向计算
创新实验澡作业报告
:
王紫浦苗成国
学号:
11218301011121830106
专业：
飞行器环境与生金保障工程
课題一双轴驱动机构转角到天线渋東空间指向
课題意义：
I®着科学技术的也猛发展，特别是航天科技成果不Bfi向军事、商业领域的转化，航天科技得到了18大的发展，航天器机枸邨着高精度、高可靠11的方向发展。
因此対航天机梅的可靠性、精度、寿金等要求強来強高，对航天器HI构精度的要求显得愈发突出，无论是航天器自身的工作，还是航天器在珈服务都对其精度有着严格的要求。
肮天器中的外伸指向机构通常焉的是星我天线机枸，星载天线是航天器对地通信的主要设备，II负着对地通信的主要任务，同时18着卫星导航的广泛应用，星裁天线就愈发的重要起来，而其指向精度的要求就愈发的突岀，指向蒂度不足，将会导致通信信号质量下降，卫星导航精度下降等结果。
民用方面移动通信和车载导航等，军用方面18餡导肮、精确打击等这些都对星我天线的指向精度有着板高的依赖性。
因此，星载天线的指向精度是非常重要的。
要保证星教天线的指向ft®,首先就是要确保星教天线驱动机构在地指向精度分折的正确性，只有这样才能对接下来的在孰指向精HE分桥和指向淚差补偿进行分桥。
星载天线驱动机枸的末曙位姿误差主要来源于机沟的结沟参数误差和热变形误差，这些炭差是驱动机沟指向淚差最原始的根源,由于受实际生产加工装配能力和空间坏境的限制，这些引起末常指向误差的零部件结构参数淚差是必须进行合理腔制的，引起结沟参数变化的热影响因素是必须加以考虑的，只有这样才能使在珈天线驱动机枸指向精度动态分析和锲差补偿亂得到较理想的结果。
纵现整个星载天线驱动机构末竭位姿误差的分折，提岀源于结沟参数误差和热变形误差引起的星我天线驱动机构末常位姿误差的研究是必要的。
发展现状：
星裁天SEffl大名是以固定形式与卫星本It相连的，仅仅通过增大
天线波東宽度和覆盖面枳来提高其工作范围，对其精度要求不是很高，（0是I®着航天科技的不斷发展和市场需求的不斷变化，这就要求，星裁天线要具备一定的自由度，因此促使了星我天线双轴驱动机构的发展。
星技天线双轴驱动机构能無实现对卫星天线的二自由，是空同环境下驱动天线运动的专用外伸执行机购。
卫星天筑的二自由度运动能昵满足对地通信、星同通信、卫星导航定位、以及对目标的实时观测跟踪，在满足逆些需求的同时也要保证其精度的提高，砸着需求的不断提高，精度已经成为炳量星裁天线双轴驱动机构性能的一个重要描标，同时也是系统设it与实现的一个难点。
综上所述可以看岀，星载天线双轴驱动机枸是驱动卫星天线系射行准确空同定位的核心部分。
与此同时，找国对星我天线驱动机构的研究、生产制造技术进行了一定时间的学习枳累，也成功的应用到了一些卫星上，具有一定的自主能力。
自2000年后，我国在发射的卫星中，有很多采用了自主研发的天线驱动机构。
相应的研究单位也趁勃发展，航天科技集01、XX航天局等相关单位对星颈天线驱动机构的研究已经取得了很大的成就和进展。
特别是伴师着我国自主导航系貌一北斗导航系貌的不斷发展，以员空间实騎室和“嫦嫌廿则”的不断深入。
星裁天线双轴驰动机枸得到了极大地发展。
即便如此，找们眼国外还是有一定差距的，目前国内与国外的差距主要在双轴驱动机构精度、便用寿金、可靠性方面，因此还是需要进行深人研究，提高其精度、使用寿命、可靠性。
期么，我们小组也秉承着对航天事业的极大热忱开始对天线指向冋題进行研究，首先我们对天线的方位角利tuft角2H亍了理论的推导。
关鍵词：
方位角備仰角双轴定位天线指向
-•天线方位角与備佃角的廿算公成推导：
--可修编.
18定已知某时刻卫星在嵋11空同的位置、速度以及天线指向虑的位置信息。
设卫星位置矢量为*=（◎，©，◎）,卫星速度矢量为％=（匕必M）,荷向点的地理经纬度分别为B、Lo根摇已知的卫星位置与速度矢量it算天线坐标系各坐标轴在惯性空间的方向矢量，计算公式：
（1）
人M）~（X卅心，XJ
乙=打亍（一巴，_耳,_化f=（Z生Zq,ZJ
yjPxi»Pyi'Pzi
根据牯向点的相关参数廿算指向点在愤性空间的位置坐标（S：
S,,S：
）,首先it算指向点在地固坐标系中的坐标，廿算公式为：
（2）
Sr（.=（N+H）cosBcosL
S*=（N+H）cosBcosL
二=[/V（l-6>）2+H]sinB
N=、①
7cos2B+（l-
）2sin2B
_1
298.257
（3）将地固坐标系中的坐标转换到惯性坐标系中
（cosGST
—sinGST
0、
"SJ
（S„cosGST-S^sinGST\
S、.
=
sinGST
cosGST
0
•
J
=
S：
esinGST+SvecosGST
IsJ
l0
0
1>
kSp）
（4）式中GST是当时的恪林尼治恒星时用；R是地球赤道平均半径。
由图3得:
TSa=S-P,
（6）廿算備仰角0
COSP'
TSa^ZaTg・Z心+Tsg・Z&y+TSa^Zax1
M\Za\九屁+zJ+Z,
于是有:
（5）
“亠-匕
B=s,-©
Tsg=SX-Pxi
o
图3卫星地球指向点位置示意图
（7）廿算天线方位角Q
.•心弘+心弋+“％
sina=
f\aRna血a
・丁沁丫心+TSa•Xay+TSa•Yaz
cosa-
—
久乓sinQ
式中
宀租；f是向詁的长度，0是向量X。
的长度。
（8）按照星本体3—1—2顺序定义姿态角，设肖、°、©分别是偏航、俯仰和漆动角。
在考虑珈道运动的基础上，进一步考虑卫星姿态变化时最终的天线方向角i1■算公式餌下：
考虑偏航角时的天线方向角％,几。
卩厂卩'
（9）fiffi和液动角变化时天线方向角0劇，%
仏=arccos（-sin^sinJ3dsin+cos。
cos层）
cos0sin徒sinQp+sin0cos仇^=arctan（—話E―j
（1O）S航、浪动利愉ffl）角变化时天线方向角"，&
P=际=arccos（sin0sin%cosa艸+cos0cos0加）
=arctan（
sin0卿sin%
cos6sin0㈣cos%一sin6>cos卩㈣如图4所示,已知指向点L.B、H,根据某一时刻卫星位置矢量和速度矢量,以
及卫星的姿态角0、J0,下面顺序计算就可得到天线的方向角
1）用公贰
（1）~（7）廿算考虑卫星珈道变化时的天线方向角"、0‘；
2）进一步考虑卫星姿态，用公式（8）~（10）it算最终的天线方向角◎、“;
图4瑚加计畑困
二.双辆定位点波東指向问題
1.天线渋東指向廿算
已知双轴定位机构转角求反射线的空间岳向比较容易，而根据反射线的空间指
向it算机构转角则可以IH结为一个非线性方程求解问题，无法得到方程的解ffi解,只能通过数值方法得到数值近眦解。
取如图1所示坐标系，A-XJZ为焦点坐标系,B-X“bZb为定位机构转动坐标系，C—X必乙为K物面反射中固联坐标系，图中h为初始时天线反射中心在焦点坐标系A—XJZ下到yz平面的高B.Bc为人射线AC与yz平面的夹角，f为反射抛物面的焦距。
«在A—畑坐标系下，反射拋物面方程
为：
疋+天=4_Az+/）,b的坐标为:
K3点逋東天线双轴定位原理示恿图
1.1从定位朴构转角廿算裁柬指向
若双辆定位机构转角大小为绕人辆的转A角，绕X。
轴的便转角B,空间任意点在
坐标系C~X^Z^A-XYZ的变换可以通过方向余旋葩阵及平務向量来描述：
S=2・D2・9・（"+G+7；其中，在gtit子中各f物理量的定义MT：
U-空间任意点^A-XYZ的坐标;
U4-空间任意点在C—X口的坐标;
T1-从点A到点B的平務向量；
T4一从点B到点C的平務向量；
Di-旋转变换ffiK（i=1,2,3）
7；=[00
cos（_%
0-sin（-％
D}=D]y=
0
1
0
sin（-%）
0cos
（-%）
_10
0■
d2=d2x=
0cosP
sinP
0-sinp
cosP
cosa0
-sina
^=D3y=
01
0
-sina0
cosa
1]=[-Lsin（-）-/?
0,Lcos（-）+（/-
22
]
取人=[°0L]为钱淵焦点在天线焦直坐标系下的坐标，则代人上式（3）,得到原焦点在C—X/Z坐标系下的坐林U4,相应的反射线CD的单位矢量在c—x/z下的分量形式为:
该单位矢量在q—xyz坐标下的分量可表示为:
应用上述方法只能完成从机构转角到天线波東捋向的廿算,而从天线波東指向廿算所需的机构转角8M存在一定困难，一般均通过预先编制廿算机构转轴与波東指向角的对应关系表的方案来解决此问題。
1.2波束指向廿算定位机构转角
线与BA交于E点。
据几何光学原理可九如图2所示的直找BC、CD.BA、CA共面，设反射线CD的
从波束指向角反解机构转角示意图
设平面图形中的夹角如图2所示，则向量BA已a,InJfflCD的单位向量巳如有
BA^CD
err
由平面三角几何有:
sin（/r-&）_sin（O）_sin（2&-
上式是单变量H的非线性超越函数，可变形为：
/（&）=/&sin（0）一1氐sin（20_q）=0
上述非线性方程可由非线性方程的数值解法求得,迪样将从捋向角到定位机购转舟的双变量变换转化为以H为单变量的非线性方程求根间題，可以il明方程
（15）在［0,45）范围内有唯一根。
从而点E（七，代，"）、点C（亠，儿，以
的坐标可由三角形的正孩定理通11下式求：
sin（&）
sin©）
sin（O）sin（q）
CD
R
从而得到在坐标系A-xyz下描if的向量就为:
BCa=C-B
而BC在天线面坐标系C—兀儿厶下可描述为［°0-］,因而有:
（2Dj・[O0lhJ=D}.BC,
因而有:
lbcsina
一人cosasin0=D^BCa
lhecosacosp
通ii上式即可求得双划机构所需转角（匕“）o
课題二地球同步耕道卫星理想轨道廿算模型
这部分我们分两部分进行，第一郡分是卫星的发射阶股，第二阶段是在珈运
fiKBo
发射地球同步定点卫星吩须采用名次变珈的发射珈道。
一般，发射珈道可分为两种类型，一是有停泊珈道的发射轨道，其中Q可分为停泊91道和转務珈道共平面和
不共平面两种;另一是无停泊珈道的发射珈道。
［移轨遒
图1（b）无停泊轨道的发射轨道示意图
有停泊赫道的发射轨道可分为五部分：
（1）上升段（第-动力飞行段，其任务是从地面起飞使飞行器进入停泊M）;
（2）停泊軌道（自由滑行段,其作用是调整飞行器的位置，以保证后面的转移轨道的主辆位于赤道平面）;
（3）近地点变珈段（第二动力飞行艮其任务是起加速作用，使飞行器从停泊珈道进人转杨珈道的近地点），
（4）转移報道（自由滑行段,其作用是调整飞行器的位置，以保证后面的远地点变轨
进人所需的地球同步定点珈道）；
（5）远地点变新段（第三动力飞行段，其任务是在转移轨道的远地点起加速和改变珈道平面的作用,使飞行器从转fHHiiiSA地球同步定自珈道）。
有停泊珈道的发射珈道适用于中纬度或高纬度地区发射地球同步定点卫星。
无停泊软道由三部分组成：
（1）上升段（第一动力飞行段，其任务是从地面起飞使飞行器进入转務林道）,
（2）转務珈道；
（3）远地自变珈段
经查阅资料可知卫星发射的经纬高度对火箭人珈有影响，具体关系式如下：
«=匕+“+%-匕
V为发射珈道的速度需求量；耳为转杨珈道的人珈速度;△岭为转務珈道到地球同步定点珈it的变珈速度;△匕为由于重力、大气阳力等因素引起的速度损失;匕为地球旋转产生的牵连速度。
还有公式：
AV=T+E
式中厂=抑+叮-2%cos厲-W-吆）为发射点纬ft对转務珈道到地球同步定点珈道的变珈速度的影响严=3（1yosB°）为发射直纬度对牵连速贋的呗«为地球同步珈道速度；匕为转杨珈通远地点速度；发射点纬M；『为发射点地心矢径。
二.在軌运行阶段
由于地球同步卫星具有高空静止的特性，因此,在卫星领域中备受关注,占有重要地位。
但其发射具有一定难度,特别是当发射点远离亦道时，发射过程颇为硕顼,需经名次变珈始能进人地球同步珈道定点位置。
故其珈道廿算尤为重要，因此，我们小组决定将对地球同步卫星的发射、变珈、定点以及珈道参数的计算作一闵要阐述。
地球同步卫星及其珈道在片有引力作用下，如果把地球与人造卫星，化为两个质点作为二体间题来考虑,那么，人造卫星的珈道方程和运行速度可表述如下。
1+fcos/
.21、
ra
P=a（\-e2）
//=G（〃?
+〃［、.）=Gm
式中r一卫星沿珈道运行的向径变量
v一卫星沿珈道运行的速度变量
P一岡推曲线参变量；拋物线珈道半通径
a一IffllOltta半长径;双曲线珈道半主径
e一圆推曲线离心率
f一真近点角
L——开普?
）］常数丄=398603km3/s2
G——片有引力常U,G=6.67x10-20km3/kg・s2
m——地球质量,m=5.976x1024kg
ms一卫星质量，与地球质量m相比可忽略
式是表示一组以地球中心为焦点的冏锥曲线族，它可以给出呱种珈道,即冏、椭冏、拋物线和双曲线。
卫星在运行中究竟取何种珈道，迪®I决于卫星发射高度、末速度和人珈方向。
（2）式表述的运行速度v是表示卫星在轨道上的运行速度而不是地面发射速度。
地球同步卫星是在亦道上空绕地球运行的角速度等干地球自转角速度的卫星。
因此，卫星相对地球而言，是在亦道上空静止不动的，故Q称地球静止卫星或亦道同步卫星。
地球同步卫星的珈道是在亦道上空与亦道面重合的闊珈道,称为地球同步轨道，也称地球静止输道或亦道同步執道。
宀
对冏珈道可有r=a=R+H,（ft⑵武可改写为R+H,根据定义"=负尺+日），
GT=H=fRTT
T,可以得出：
畑-,对于地球同步卫星来说T,
式中b一卫星沿珈道运行的角速度
H一卫星地面发射高度
T一卫星运行周期
匸——地球自转周H|J,Te=23.93447h
R——地球平均半g,R=6367km
今将已知数据代人上述几式之中，则借地球同步卫星的参数如下：
„/398603x（23.934x60x60）f„
H.=l；-6367=35800如？
V4;r
s==7.29x1O'5rad/s
es23.934x60x60
比=7.29xl0_5x（6367+35800）=3.074如〃s
T.x=23.93447/?
式中Hes_地球同步卫星的高度
%一地球同步卫星的角速度
匕一地球同步卫星的运行速度，也称静止珈道速度
・一地球同步卫星的运行周期
由上述廿算可知，地球同步卫星憾高珈卫星，其视野开阖，股盖面大，适干高空气象观测和全球通信，故可用作气象卫星和通信卫星。
总结：
经il两个星期的学习利研究,我们对天线指向廿算冋題以及地球同步珈道卫星的珈道廿算间题有了更加深刻的理解和认识，使我们对航天领域探索的微望更加強烈，为我们以后再航天事业的发展奠定了夯实的基础。
同时我『1也深训体会到01臥合作的重要性，也在完成任务的过程中休会到了专研的浪辛与快乐，让我们认识到任何事悄的成功都是要付出百倍的努力和眼辛的汗水,希望我
们的付出会有回报。
参考文献：
田浩,赵阳,孙京,等.双轴定位点波東天线波東指向廿算［J］.宇航学报,2007,28（5）:
1215-1218.
域小渭，杜云飞.卫星天线双轴定位机枸建模与仿真［J］•航空廿算技术,
2004,34（3）87-89.
冃鲁滨,曾小金.一种有效的星载可務点液東天线方案［』•空同
电子技术,2002,（4）:
53-58.
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