运载火箭海上测控任务中的天线方向图分析

李红艳，沐俊山,2



运载火箭海上测控任务中的天线方向图分析

李红艳1，沐俊山1,2

（1. 中国卫星海上测控部，江阴，214431；2. 飞行器海上测量与控制联合实验室，江阴，214431）

在运载火箭的海上测控任务中，测量船的工况设计是最重要的工作之一。任务弧段、海域条件、覆盖率、飞行器天线方向图均是任务设计中的重要约束因素，过去的工况设计中一般对天线方向图做简化处理，但这种简化往往忽略天线方向图的哑点区域而造成运载火箭飞行过程中跟踪信号闪断或丢失。提出采用一种利用测控信号分析的墨迹法，使测量船在任务中尽量避开低强度测控信号区域。该方法为测量船的海上工况设计提供了既量化又直观的约束条件，有利于测量船工况设计的精细化。

工况设计；天线方向图；墨迹法；信号强度分析

0 引 言

在运载火箭的海上测控任务中，测量船的工况设计是最重要的工作之一[1,2]，其中测量船船位的部署需考虑许多细节因素和约束条件，包括任务弧段、海域条件、测控覆盖率、飞行器天线方向图覆盖等因素[3,4]。在以往的工况设计中，往往以天线方向图的半锥角作为信号覆盖分析的约束因素[5,6]，在历史任务中发现，某些运载火箭的应答机天线增益在理论的锥角范围内变化较大，甚至存在低于均值10~15 dB的较低增益区域（称作哑点区域），如果不考虑这些因素，可能会造成测量船船位在运载火箭飞行过程中信号闪断甚至跟踪丢失，对任务尤其是重大任务的圆满完成造成不良影响[7]。有时即使在设计过程中发现跟踪过程进入天线哑点区域，也只能通过逐点试算核对的方法来寻找新的船位方案，效果和效率都不尽如人意。

本文提出采用一种利用天线方向图低增益区域在地球表面产生虚拟墨迹的方法（简称“墨迹法”），既可以在设计船位时尽量避开和远离墨迹区域，确保任务弧段内跟踪信号稳定，为测量船的海上工况设计提供全面、准确而又直观的信号覆盖情况分析，也可以在选定船位后进行信号覆盖的精细化分析，为制定设备跟踪捕获方案提供精确依据。

1 测控天线方向图的数字化处理

极坐标转换为笛卡尔坐标系可用如下关系表示：

图2 天线方向图的一个剖面图像

a）数字化描绘。

数字化过程首先将原图的图像文件作颜色区分处理，即利用一种颜色将增益曲线描绘一圈并与图像其它部分颜色区别开来，若无法区分，可将原图先设成灰度图，再用颜色描绘。

b）图像处理。

读取图像文件，将像素点为设定颜色的像素转换为白色，将其它像素转换为黑色，如图3所示，由于图像存在噪声，白色点可能会稀疏地分布在图像其它区域，通过高斯滤波算法对图像进行处理滤除图像上的噪声点。

图3 天线方向图的数字化过程

c）坐标转换。

d）多剖面数据的拼接和分析。

将数据进行拼接、插值，形成一个完整的三维天线增益方向图，如图4所示。

图4 一个数字化天线方向图的三维图像

2 方向图分析与测控覆盖信号分析

2.1 天线方向图矢量分析

为了能够计算方向图矢量在地面上的投影，首先需要计算该矢量在火箭发射惯性系下的表示：

根据式（7）、式（8）可写为

其中，

2.2 天线方向图的低增益区域分析

本文提出的墨迹法通常可采用两种实现方式：墨迹法一、墨迹法二。在两种方法中，天线方向图的数字化、等值线分析、低增益区域识别以及空间坐标转换及投影计算均通过Mathematica软件自行编程实现。墨迹法一是对天线方向图进行等值线分析，求出低于某个阈值的低增益区域，将低增益区域直接投影到地面，由于火箭飞行轨迹和姿态的变化，在地面上形成连续的低增益区域；墨迹法二除了考虑天线方向图外，还考虑完全的电波传播衰减，包括星地的距离、发射机功率等参数，将测控信号在整个地面可视区域描绘，并通过分析获得低增益区域，第2种方法原理上比第1种方法更为精确，但考虑到地面增益变化主要受到天线增益影响，而在火箭跟踪中，距离变化一般在3倍以内，会带来低于5 dB的增益变化，这种变化是跟踪过程中连续可预测的变化，两种方法产生的墨迹区域差别并不大。

天线方向图的低增益区域可以描述为

图5 三维数字化方向图及其低增益区域

在通过式（7）获得每个网格点的信号强度后，在地面可视区域进行信号强度等值线分析，求出每个时刻的低增益区域，将其作为测量船船位设计的一种约束条件。

3 测量船的任务工况设计

根据以往任务模式，仿真设计一个火箭飞行弹道和姿态，其中天线安装角为170°，火箭的地面飞行轨迹和可测控区域如图6所示。

图6 火箭某测控弧段的海上任务海域分析

A，B，C，D，E—可测控区域

火箭存在某个动力弧段的测控需求，该弧段长约100 s，位于海上区域，在该弧段内火箭为了适应星箭分离的需产生了一系列姿态机动。根据仰角5°以上的要求，海上测控区域限制在两个圆的交集以内，80°以上的高仰角区域C也排除在可测控海域之外。如果按照半锥角约束，可测控区域中的A区域则被排除在外。在天线方向图中，存在一个15°×9°范围的不规则哑点区域，该区域增益较其它半锥角区域低10 dB以上，其形状如图5所示的不规则沟壑状。在某一个时刻，根据第2节给出的算法，该不规则区域在海面上形成一个不规则墨迹点，将不同时刻形成的墨迹点连接，则哑点区域投影及其连续变化产生了如图6所示的墨迹区域D，由于哑点区域和高仰角区域C毗连，则D和C以及两者之间的区域均需排除在可部署区域之外。根据以上分析，在考虑方向图内部哑点区域情况下，测量船可测控区域主要为B和E区域。

进而采用墨迹法二进行了分析，考虑到可视区域的交集是测量船在不考虑天线方向图情况下的可测控海域，因此只对可测控海域进行网格化，与离散的时间间隔一起形成了时间、经度和纬度的三维网格，地理网格经度和纬度范围分别为西经145°～东经175°和南纬20°～北纬15°，网格粒度为0.2°，在每个网格点上通过式（17）计算地面设备接收信号电平，并对每个时刻的经纬度网格进行等值线分析，可得墨迹法二产生的结果与墨迹法一结果基本相同，同如图6所示。根据式（17），结果一致是由于天线增益是决定地面接收信号变化的主要因素。另外，墨迹区域主要集中在仰角接近的一侧，使得地面到天线的径向跟踪距离的影响更小了。由于墨迹法二需要在时间、经度和纬度的三维网格上计算地面接收信号并进行等值线分析，其计算量比墨迹法二大，因此海上测控任务分析优先使用第1种方法。从计算过程和结果看，墨迹法在应用上非常直观，便于任务的总体设计和分析。

4 结束语

测控海域的设计工作是海上火箭测控方案设计阶段的一项重要工作，通过本文提出的天线方向图墨迹法，可以使测量船在任务中尽量避开和远离这些墨迹区域。天线方向图墨迹法为测量船的海上工况设计提供了重要又直观的约束条件分析方法，有利于测量船工况分析的量化设计，在任务设计阶段可有效避免测控线进入天线哑点区域造成的信号闪断问题，从而更好地满足火箭发射海上任务测控要求。

除了将测控信号分析的数字化和量化研究应用于海上测控方案设计，下一步将考虑将海洋地理信息（包括海图）、海洋环境（包括海浪、海洋天气等）的量化分析成果应用于海上测控工作的任务分析、任务执行以及数据处理阶段，逐步实现海上测控工作的数字化和自动化。

[1] 江文达. 航天测量船[M]. 北京: 国防工业出版社, 2002.

[2] 张忠华. 航天测量船船姿数据处理方法[M]. 北京: 国防工业出版社, 2009.

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[6] 邹春华, 黄琼, 何晶, 等. 入轨段星箭天线指向实时计算方法[C]. 烟台:中国空天安全会议, 2015.

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[8] 章仁为. 卫星轨道姿态动力学与控制[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 1998.

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

李红艳（1975-），女，高级工程师，主要研究方向为海上航天测控