黃 瓊，鄒春華，李紅艷，陳紅英

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基于火箭遙測(cè)的星箭天線方向監(jiān)視方法

黃 瓊，鄒春華，李紅艷，陳紅英

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江陰，214431）

在入軌段測(cè)控任務(wù)中，為了實(shí)時(shí)監(jiān)視火箭和衛(wèi)星的天線方向性，基于測(cè)量船跟蹤計(jì)算軟件的實(shí)際，通過分析入軌段火箭飛行姿態(tài)、位置等測(cè)量數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)利用火箭實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算火箭和衛(wèi)星天線方向性的方案，規(guī)定了具體流程，并通過實(shí)例計(jì)算，驗(yàn)證了該方法的可行性。

火箭遙測(cè)；飛行姿態(tài)；天線方向性；實(shí)時(shí)

0 引 言

火箭飛行任務(wù)中，在入軌段需要進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整和控制，以建立衛(wèi)星入軌姿態(tài)?；鸺淖藨B(tài)決定火箭和其運(yùn)載的衛(wèi)星天線方向性的變化。航天器的測(cè)控天線一般是寬波束天線，不同方向的信號(hào)增益往往是不同的，天線的方向性圖測(cè)試時(shí)是以波束中心軸作為參考，而船載測(cè)控設(shè)備的天線為窄波束天線，跟蹤時(shí)波束指向測(cè)控目標(biāo)，目標(biāo)天線波束中心與船載測(cè)控天線波束中心的連線即測(cè)量線（即測(cè)站與目標(biāo)的連線）與目標(biāo)天線波束中心軸的夾角決定目標(biāo)測(cè)控天線的增益情況[1]。測(cè)量船在承擔(dān)入軌段跟蹤測(cè)控時(shí)，一套統(tǒng)一測(cè)控設(shè)備往往同時(shí)承擔(dān)火箭和其運(yùn)載的衛(wèi)星的測(cè)控任務(wù)，星箭分離時(shí)刻往往是火箭測(cè)量任務(wù)的終止時(shí)刻，也是衛(wèi)星測(cè)控任務(wù)的起始時(shí)刻。因此在制定測(cè)量船海上測(cè)控技術(shù)實(shí)施方案時(shí)，需利用火箭和衛(wèi)星的飛行軌跡和姿態(tài)分析測(cè)控天線對(duì)測(cè)量船的覆蓋情況，以保證測(cè)量船執(zhí)行任務(wù)時(shí)捕獲跟蹤目標(biāo)穩(wěn)定。

目前，測(cè)量船執(zhí)行任務(wù)對(duì)目標(biāo)天線的覆蓋情況主要依賴任務(wù)前期理論分析計(jì)算的結(jié)果，缺少對(duì)衛(wèi)星和火箭天線方向性的實(shí)時(shí)監(jiān)視手段。在實(shí)際飛行跟蹤測(cè)控過程中，常常發(fā)生信號(hào)電平的強(qiáng)弱變化與理論分析不一致，信號(hào)正常的情況出現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)起伏，不僅影響到外測(cè)精度，嚴(yán)重情況還將影響跟蹤，造成目標(biāo)丟失。

為此需要根據(jù)測(cè)量船執(zhí)行任務(wù)情況和測(cè)量船軟件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星、火箭天線方向性實(shí)時(shí)監(jiān)視的方法和流程，滿足測(cè)量船海上測(cè)控任務(wù)對(duì)目標(biāo)天線覆蓋情況監(jiān)視的需要，從而使測(cè)量船能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視火箭、衛(wèi)星天線方向，在某些時(shí)段測(cè)控天線不能覆蓋測(cè)站的異常情況下，操作人員能夠根據(jù)天線實(shí)際方向及時(shí)采取規(guī)避、切換等方法確保跟蹤穩(wěn)定。因此，本文提出一種基于火箭遙測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算火箭和衛(wèi)星天線方向性的方法。

1 天線方向性計(jì)算

1.1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

坐標(biāo)系統(tǒng)是指描述空間位置的表達(dá)形式，種類很多，但均由一定物理意義的原點(diǎn)、基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線、坐標(biāo)原點(diǎn)、主參考平面和主方向構(gòu)成。坐標(biāo)原點(diǎn)是在坐標(biāo)系統(tǒng)中所有坐標(biāo)均等于0的點(diǎn)；主參考平面也可稱為主平面，是坐標(biāo)系統(tǒng)的定位和定向所依靠的主要參考平面；主方向是坐標(biāo)系統(tǒng)中主坐標(biāo)軸所指的方向，一般指向有某種幾何或物理意義的特征點(diǎn)。常用的坐標(biāo)系、和軸的順序按右手法則確定[2]。

坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換包含坐標(biāo)系變換和基準(zhǔn)變換。前者指在同一地球橢球下空間點(diǎn)的不同坐標(biāo)表示形式之間的變換；后者指空間點(diǎn)在不同定義的地球橢球之間的坐標(biāo)變換。不同基準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換方法很多，常用到如下方法：

假設(shè)，在某一坐標(biāo)系中的矢量為，在旋轉(zhuǎn)后的新坐標(biāo)中為，若平面、平面和平面分別繞軸、軸和軸轉(zhuǎn)動(dòng)角（逆時(shí)針為正），那么[3]：

其中，

1.2 入軌段測(cè)量船數(shù)據(jù)獲取情況

在海上測(cè)控方案制定前，火箭方、衛(wèi)星方和發(fā)射中心需要事先提供飛行器標(biāo)稱的飛行軌道，包括發(fā)射工位的精確天文坐標(biāo)、大地坐標(biāo)和起飛基準(zhǔn)方位方向，衛(wèi)星和火箭的天線方向圖，以及衛(wèi)星裝箭位置情況等。

在跟蹤測(cè)量過程，測(cè)量船能實(shí)時(shí)獲取并進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算的數(shù)據(jù)有：

a）飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)。包括飛行器在發(fā)射慣性坐標(biāo)系（以下簡(jiǎn)稱發(fā)慣系）下的俯仰、偏航以及滾動(dòng)姿態(tài)角數(shù)據(jù)[4]?？梢酝ㄟ^處理火箭實(shí)時(shí)下傳的調(diào)頻遙測(cè)中的計(jì)算機(jī)字得到。

b）目標(biāo)本體數(shù)據(jù)。目標(biāo)本體數(shù)據(jù)包含不同飛行器的位置、速度等信息，這些數(shù)據(jù)可通過不同途徑獲取。如，火箭的本體坐標(biāo)數(shù)據(jù)可以從外測(cè)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理得到，也可以通過處理火箭下行調(diào)頻遙測(cè)中的計(jì)算機(jī)字得到，還可以通過火箭GNSS位置數(shù)據(jù)得到；衛(wèi)星的本體數(shù)據(jù)則可以從衛(wèi)星外測(cè)數(shù)據(jù)處理得到。

c）測(cè)量船位。是由船姿船位系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取并提供的測(cè)量船工作位置，包括經(jīng)度ship、緯度ship和高程ship，常采用大地坐標(biāo)系表示。

d）處理使用時(shí)間。獲取發(fā)射時(shí)間0以及北京時(shí)間。

1.3 測(cè)量船跟蹤計(jì)算現(xiàn)狀

測(cè)量船數(shù)據(jù)處理涉及的坐標(biāo)系種類繁多，關(guān)系復(fù)雜。既涉及到發(fā)射、測(cè)量、彈體等坐標(biāo)系，也涉及到測(cè)量、軌道及飛行器等坐標(biāo)系，還涉及到天文、各類大地參考系等坐標(biāo)系；既有與飛行器位置數(shù)據(jù)的關(guān)系，也有與飛行軌道的關(guān)系，還與天文、大地參考系的關(guān)系。在測(cè)量船實(shí)時(shí)處理和顯示軟件中，相應(yīng)坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖1所示[1,5]。

圖1 測(cè)量船常用坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換關(guān)系

在入軌段測(cè)量任務(wù)中，測(cè)量船需要實(shí)時(shí)處理的數(shù)據(jù)類別主要有遙測(cè)數(shù)據(jù)和外測(cè)數(shù)據(jù)。前者包括火箭的秒節(jié)點(diǎn)彈道、關(guān)機(jī)點(diǎn)彈道和特征點(diǎn)彈道等，其原始數(shù)據(jù)用發(fā)慣系表示，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到地心固連坐標(biāo)系（通常為DX-2坐標(biāo)系）數(shù)據(jù)后向任務(wù)中心傳輸。后者則包括統(tǒng)一載波測(cè)控系統(tǒng)和脈沖雷達(dá)的測(cè)量數(shù)據(jù)（測(cè)距、測(cè)角等）、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量船位、慣導(dǎo)測(cè)量船姿數(shù)據(jù)以及測(cè)量船變形數(shù)據(jù)等，經(jīng)過處理后得到測(cè)站地平坐標(biāo)系下的跟蹤測(cè)元（方位角、俯仰角、距離），其中脈沖雷達(dá)的數(shù)據(jù)經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到地心固連坐標(biāo)系數(shù)據(jù)[5]。

1.4 天線方向性計(jì)算方案

文獻(xiàn)[1]、[6]論述了根據(jù)發(fā)射坐標(biāo)系下的火箭位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算天線方向性的具體方法，但測(cè)量船若需實(shí)時(shí)處理和監(jiān)視顯示測(cè)控天線指向情況，不僅需要對(duì)測(cè)量船相對(duì)目標(biāo)本體坐標(biāo)系的位置進(jìn)行計(jì)算，還要分析測(cè)量線相對(duì)目標(biāo)本體坐標(biāo)系軸的夾角。同時(shí)，還要對(duì)飛行器飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行歐拉變換，計(jì)算量較大。為了適用測(cè)量船軟件實(shí)際，同時(shí)便于實(shí)時(shí)計(jì)算和監(jiān)視顯示，針對(duì)飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)為發(fā)慣系的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了如下監(jiān)視計(jì)算方法和過程[7]：

a）根據(jù)發(fā)射時(shí)刻0和遙測(cè)數(shù)據(jù)包中的北京時(shí)間c計(jì)算飛行時(shí)長(zhǎng)：

=c-0

b）根據(jù)c時(shí)刻火箭遙測(cè)計(jì)算機(jī)字處理得到火箭姿態(tài)信息，即火箭的姿態(tài)參數(shù)（俯仰程序角c、偏航程序角c、滾動(dòng)程序角c、俯仰程序角偏差Δ、偏航程序角偏差Δ及滾動(dòng)程序角偏差Δ），按其物理含義即可得出發(fā)慣系下的姿態(tài)角：

=+Δ

=c+Δ

=c+Δ

c）根據(jù)c時(shí)刻的測(cè)量船位置和高程數(shù)據(jù)（c，c，c），按下列公式轉(zhuǎn)換成地心固連系位置參數(shù)，即：

式中c為卯酉圈的曲率半徑，（其中，為地球橢球赤道半徑；為第1地球偏心率）。

同理，根據(jù)發(fā)射工位中火箭彈體的初始坐標(biāo)（大地緯度f、經(jīng)度f和高程f）計(jì)算出火箭初始點(diǎn)的地固系位置參數(shù)，和。

d）根據(jù)c時(shí)刻地心固連系的火箭彈體數(shù)據(jù)e，e和e，按下式轉(zhuǎn)換成發(fā)慣系下的，和，即：

式中f為發(fā)射工位天文經(jīng)度；f為發(fā)射工位天文緯度；f為起飛基準(zhǔn)方位方向；為地球自轉(zhuǎn)角速度；為飛行時(shí)長(zhǎng)。

同理，根據(jù)測(cè)量船位置（c，c和c）計(jì)算發(fā)慣系下船位，和。

e）計(jì)算測(cè)量船在火箭彈體坐標(biāo)系的位置參數(shù)，公式如下：

g）根據(jù)事前提供的火箭本體與衛(wèi)星本體的對(duì)應(yīng)關(guān)系，應(yīng)用前章節(jié)旋轉(zhuǎn)矩陣()，即可處理出測(cè)量線在衛(wèi)星本體上的方向。定義為測(cè)量線與衛(wèi)星天線增益中心軸的夾角，以表征天線的方向性。假定衛(wèi)星天線增益中心軸相對(duì)火箭彈體坐標(biāo)系的和分別為和，則可采用下式計(jì)算：

h）根據(jù)夾角及火箭、衛(wèi)星的天線方向性測(cè)試圖（由火箭、衛(wèi)星研制部門提供）得知當(dāng)前火箭、衛(wèi)星對(duì)測(cè)站的天線覆蓋情況。具體的流程如圖2所示。

圖2 星箭天線方向?qū)崟r(shí)監(jiān)視方法流程

2 實(shí)際應(yīng)用

某任務(wù)中，測(cè)量船同時(shí)對(duì)火箭和衛(wèi)星兩個(gè)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)控?；鸺蛹?jí)末速修正關(guān)機(jī)比預(yù)定時(shí)間提前約25 s，在火箭調(diào)姿過程中，設(shè)備跟蹤衛(wèi)星的AGC電壓存在明顯波動(dòng)，信號(hào)不穩(wěn)定。通過事后數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)測(cè)距二階差分量存在跳變的現(xiàn)象，具體測(cè)距差分[9]圖見圖3。

圖3 測(cè)距差分圖

1—USB_R （0，200），（1∶240，1∶200km）；2—USB_R二階差分（0，－11），（1∶240，1∶4m）；3—USB_AGC DAT （0，1.2），（1∶240，1∶0.50無量綱）

因?yàn)樾l(wèi)星天線增益通常具有軸對(duì)稱性，因此根據(jù)衛(wèi)星方提供的衛(wèi)星天線方向圖可知超過某一角度，假設(shè)為時(shí)，衛(wèi)星信號(hào)增益不作設(shè)計(jì)要求。在該次海上測(cè)控方案設(shè)計(jì)時(shí)，值未超過，理論上滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。但實(shí)際任務(wù)中存在信號(hào)增益起伏較大的現(xiàn)象，具體如圖4所示。

圖4 天線方向性夾角

3 結(jié) 論

本文根據(jù)測(cè)量船執(zhí)行入軌段測(cè)控任務(wù)的實(shí)際情況，提出基于火箭實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)視計(jì)算火箭、衛(wèi)星天線方向性的方案。該方案主要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)矩陣的計(jì)算，省去了對(duì)火箭姿態(tài)的歐拉角進(jìn)行轉(zhuǎn)換，方法過程簡(jiǎn)明、易實(shí)現(xiàn)，并運(yùn)用任務(wù)的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了試算，很好地反映了飛行器測(cè)控天線對(duì)測(cè)站的覆蓋情況。

方案還充分考慮到航天測(cè)量船計(jì)算航天器入軌參數(shù)的現(xiàn)狀。相關(guān)軟件已將旋轉(zhuǎn)矩陣()編制成動(dòng)態(tài)鏈接庫，只需在原航天測(cè)量船坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)充，增加測(cè)量船在火箭本體坐標(biāo)系的位置、測(cè)量線在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的指向等計(jì)算，即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算并監(jiān)視顯示衛(wèi)星火箭方向性的目的。

本文提出的實(shí)時(shí)計(jì)算天線方向性的方法，對(duì)測(cè)量船執(zhí)行入軌段測(cè)控任務(wù)，尤其對(duì)測(cè)量船多目標(biāo)測(cè)控任務(wù)跟蹤時(shí)具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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A Monitoring Method of Antenna Direction Based on the Real-time Telemetering Data of Rockets

Huang Qiong, Zou Chun-hua, Li Hong-yan, Chen Hong-ying

(China Satellite Maritime Tracking and Control Department, Jiangyin, 214431)

To monitor the antenna directivity of rockets and satellites in injection phase, an antenna directivity calculating method that uses real time telemetering data is developed through analyzing rocket’s measured data such as flight attitude and location, etc. The process flow is specified as well. Additionally, a practical calculation is given in this paper to verify the availability of the method.

Telemetering of rockets; Flight attitude; Antenna directivity; Real time

1004-7182(2016)02-0086-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160219

V556.3

A

2015-04-03；

2015-06-25

黃 瓊（1979-），女，工程師，主要研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控總體