一种探空火箭地面遥测系统设计方法
| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
| 专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
| 申请号 | CN202510034494.3 | 申请日 | 2025-01-09 |
| 公开(公告)号 | CN120014815A | 公开(公告)日 | 2025-05-16 |
| 申请人 | 中国科学院国家空间科学中心; | 申请人类型 | 科研院所 |
| 发明人 | 李雪; 高翔; 姚秀娟; 闫毅; 李震; 马元浩; 范亚楠; | 第一发明人 | 李雪 |
| 权利人 | 中国科学院国家空间科学中心 | 权利人类型 | 科研院所 |
| 当前权利人 | 中国科学院国家空间科学中心 | 当前权利人类型 | 科研院所 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：北京市 | 城市 | 当前专利权人所在城市：北京市海淀区 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：北京市海淀区中关村南二条1号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：100190 |
| 主IPC国际分类 | G08C17/02 | 所有IPC国际分类 | G08C17/02 ; G06F30/15 ; G06F30/18 ; G06F30/20 ; G05D1/86 ; H01Q1/22 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 8 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 北京方安思达知识产权代理有限公司 | 专利代理人 | 杨小蓉; 戴烨; |
| 摘要 | 本 发明 公开了一种探空火箭地面遥测系统设计方法，包括：根据探空火箭数传数据的链路标准，结合探空火箭的弹道仿真数据，对通信链路进行仿真计算；根据探空火箭的弹道仿真数据，可选站址数据，箭载天线发射和接收特性数据，确定通信需求和 跟踪 需求；根据通信需求和跟踪需求，确定探空火箭地面遥测系统的天线指标，设计天线布设方案；根据所述天线布设方案，对探空火箭地面遥测系统影响通信链路 质量 的因素进行仿真分析，判断所述探空火箭地面遥测系统是否满足探空火箭任务要求，完成探空火箭地面遥测系统。采用本发明设计实现的探空火箭地面遥测系统方案满足子午二期探空火箭数据任务数传跟踪及接收要求，实现有限布 站点 位下探空火箭的可靠通信。 | ||
| 权利要求 | 1.一种探空火箭地面遥测系统设计方法，包括： |
||
| 说明书全文 | 一种探空火箭地面遥测系统设计方法技术领域[0001] 本发明属于探空火箭地面测控及数传技术领域，尤其涉及一种探空火箭地面遥测系统设计方法。 背景技术[0002] 探空火箭具有飞行高度高、飞行时间短的特点，同时受箭体遮挡、箭上天线方向图特性、布站位置资源有限等因素影响，数据接收可能存在潜在风险。目前公开发表的文献缺乏对探空火箭地面遥测系统方案设计方法的研究。探空火箭能够深入到中高层大气，对大气各层结构成分和参数进行垂直探测，这对于理解大气环境的变化、地磁场等日‑地物理现象至关重要。探空火箭发射过程中的地面遥测面临着独特而复杂的技术挑战。探空火箭高速飞行轨迹不断变化，飞行速度、加速度变化快，造成通信链路不稳定，信号易受干扰。火箭天线方向图存在凹区，加之箭体自身遮挡，进一步增加了数据传输的难度。同时，探空火箭姿态和位置的快速变化，对地面跟踪系统的精度和响应速度提出了极高要求。如何在这种动态、复杂的环境下，保证遥测数据的连续性、完整性和可靠性，成为一个亟待解决的关键问题。这不仅涉及通信技术，还需要考虑弹道特性、天线设计、信号处理等多个方面。若无法有效应对这些挑战，将直接影响发射任务的成功率和科学数据的获取质量。 发明内容[0004] 有鉴于此，本发明提出了一种探空火箭地面遥测系统设计方法，包括： [0005] 根据探空火箭数传数据的链路标准，结合探空火箭的弹道仿真数据，对通信链路进行仿真计算； [0006] 根据探空火箭的弹道仿真数据，可选站址数据，箭载天线发射和接收特性数据，确定通信需求和跟踪需求； [0007] 根据通信需求和跟踪需求，确定探空火箭地面遥测系统的天线指标，设计天线布设方案； [0008] 根据所述天线布设方案，对探空火箭地面遥测系统影响通信链路质量的因素进行仿真分析，判断所述探空火箭地面遥测系统是否满足探空火箭任务要求，完成探空火箭地面遥测系统。 [0009] 优选的，所述对通信链路进行仿真计算，包括：探空火箭分别与发射场站以及观测站的最大链路距离。 [0010] 优选的，所述通信需求包括：可选的发射场站和/或观测站的最大链路距离、箭载EIRP、数传速率、编码方式和调制方式。 [0011] 优选的，所述观测站的个数大于等于1个。 [0013] [0014] 其中，t表示时刻。 [0015] 优选的，所述探空火箭地面遥测系统的天线指标包括：满足探空火箭从发射到落海全程的信号跟踪接收，通信频段、最大数据速率、支持的通信调制机制和数据接收误码率均满足设定要求。 [0016] 优选的，所述天线布设方案包括：结合距离、植被和地形对于通信信道的影响，分别设计每个可选站址的天线类型、布设位置、布设方式、信号捕获跟踪方式和数量，其中，所述天线类型包括：宽波束螺旋天线、中增益阵列天线、高增益抛物面天线和抛物面自跟踪天线，所述布设位置为发射场站或观测站，布设方式为机动或固定，信号捕获跟踪方式包括：初始锁定、穿越捕获和自跟踪。 [0017] 优选的，所述根据所述天线布设方案，对探空火箭地面遥测系统影响通信链路质量的因素进行仿真分析，包括： [0018] 根据探空火箭弹道仿真数据和箭载天线发射特性，计算探空火箭飞行过程中地面站接收天线处的信号强度，得到探空火箭地面遥测系统的链路余量； [0019] 根据箭载天线方向图特性，判断探空火箭飞行过程中地面站是否处于箭载天线凹区； [0020] 根据探空火箭弹道仿真数据，判断探空火箭飞行过程中地面站视线是否被箭体遮挡； [0021] 根据探空火箭弹道仿真数据和箭载天线方向图特性，分析探空火箭姿态变化对地面站跟踪接收的影响； [0022] 其中，所述地面站包括发射场站和观测站。 [0023] 与现有技术相比，本发明的优势在于： [0024] 本发明针对探空火箭任务，现有的地面遥测站无法实现全链路跟踪任务，提出了一种地面遥测系统方案设计方法。采用本发明的方法在子午工程二期电离层、热层两发探空火箭中，将探空火箭发射系统指标、火箭弹道仿真数据及可选站址作为输入，通过对通信及跟踪需求开展分析，设置多类型天线分布接收通信弧段，覆盖从射前及火箭起竖阶段测试、点火、飞行初期、关键弧段到落海全链路跟踪接收，提出地面遥测系统设计方案，最终对系统的链路余量、天线凹区、箭体遮挡、姿态控制等影响因素开展仿真分析。仿真分析结果证明，采用本发明的方法设计实现的探空火箭地面遥测系统方案满足子午二期探空火箭数据任务数传跟踪及接收要求，实现有限布站点位下探空火箭的可靠通信。附图说明 [0025] 图1是探空火箭地面遥测系统设计流程； [0026] 图2是地面站与弹道面布局关系(热层探空火箭)； [0027] 图3是地面站与弹道面布局关系(电离层探空火箭)； [0028] 图4是数传天线垂直切面方向图‑极坐标系形式； [0029] 图5是电离层探空火箭上升段峨蔓站下行链路与火箭箭尾方向夹角； [0030] 图6是热层探空火箭上升段峨蔓站下行链路与火箭箭尾方向夹角。 具体实施方式[0031] 本发明提出了一种探空火箭地面遥测系统设计方法，包括： [0032] 根据探空火箭数传数据的链路标准，结合探空火箭的弹道仿真数据，对通信链路进行仿真计算； [0033] 根据探空火箭的弹道仿真数据，可选站址数据，箭载天线发射和接收特性数据，确定通信需求和跟踪需求； [0034] 根据通信需求和跟踪需求，确定探空火箭地面遥测系统的天线指标，设计天线布设方案； [0035] 根据所述天线布设方案，对探空火箭地面遥测系统影响通信链路质量的因素进行仿真分析，判断所述探空火箭地面遥测系统是否满足探空火箭任务要求，完成探空火箭地面遥测系统。 [0036] 下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。 [0037] 实施例 [0038] 本发明的实施例提出一种探空火箭地面遥测系统设计方法，该方法可以为探空火箭地面遥测系统方案设计提供方法参考。 [0039] 采用该方法，本实施例以子午工程二期电离层、热层两发探空火箭为例。首先，根据火箭弹道仿真数据及可选站址，对探空火箭数据链路通信和跟踪需求开展计算及分析，作为地面天线指标的依据；其次，根据需求分析结果，确定地面站天线类型、跟踪特性、布设方式、作用距离等指标，提出地面遥测系统布展方案；最后，根据所提出的地面遥测系统设计方案，结合火箭弹道仿真数据，对链路余量、箭体遮挡等影响通信可靠性的因素开展仿真分析，考察系统设计是否满足任务要求。分析结果表明，该申请提出的探空火箭地面遥测系统方案设计满足子午二期探空火箭数据任务数传跟踪及接收要求，可以实现子午二期探空火箭地面段及空间段数据的全程有效跟踪和接收，并为其他任务探空火箭方案设计提供方法参考。 [0040] 型号任务的系统建设一般包含了任务论证、需求分析、方案设计、测试验证、任务执行等阶段。本申请以子午工程二期探空火箭任务为例，面向探空火箭任务中的地面遥测系统建设需求，重点论述需求分析、方案设计及仿真验证阶段工作，将地面遥测系统设计需求转化为系统指标设计依据，并提出仿真验证的要点。总结归纳一般探空火箭地面遥测系统设计流程如图1所示。在需求分析阶段，重点考察火箭弹道、箭载天线发射和接收特性、链路数据格式和速率以及可选站址等因素，对遥测系统的通信需求和跟踪需求开展分析；在方案设计阶段，将通信需求和跟踪需求作为输入，作为遥测系统天线指标选取以及天线布设方案的依据，开展遥测系统方案设计；最后，通过仿真分析，对箭地链路余量、天线凹区、箭体遮挡和姿态控制、天气等影响通信链路质量的因素开展分析，验证地面遥测系统的功能和性能是否符合探空火箭任务要求。 [0041] 下面以子午工程二期探空火箭遥测系统为例，对图1各阶段主要工作开展详细阐述。 [0042] 建设需求分析 [0043] 子午工程的建设分为两个阶段：子午工程一期和子午工程二期，子午工程二期于2019年启动建设。子午工程二期涵盖了电离层与热层两发探空火箭发射任务，热层、电离层两发探空火箭分别对约210km和320km高度大气特性进行科学探测。地面遥测系统是子午工程二期探空火箭项目的重要组成部分，用于执行两发探空火箭探测任务的遥测数据接收任务：①射前阶段系统对接试验及演练试验任务；②发射后火箭飞行阶段跟踪接收任务。地面遥测系统布站地点位于海南省的峨蔓镇及发射场，考虑到探空火箭制导时间短，受气动影响，难以实现弹道精确控制，结合本次任务中探空火箭飞行时间短，飞行高度高的特点，面向探空火箭下行数据实时接收、处理和转发要求，从火箭通信需求、跟踪需求两个方面对地面遥测系统技术需求进行分析。 [0044] 通信需求分析 [0045] 子午工程二期探空火箭数传数据采用CCSDS数据链路标准，结合探空火箭的弹道仿真数据，对通信链路进行仿真计算。地面遥测系统建站地点有两处，分别为海南省的峨蔓镇及海南省富克发射场，其中，峨蔓镇位于弹道面侧翼，发射点前方；发射场布展点可选用发射场坪、场内建筑屋顶等地。 [0046] 对通信链路开展仿真计算可知，电离层探空火箭与峨蔓站和发射场站之间的最大链路距离分别约为361.6km、359.7km，热层探空火箭与峨蔓站和发射场站之间的最大链路距离分别为215km、212km，地面站与弹道面布局关系如图2和图3所示。结合箭载发射天线特性，通信链路关键参数如表1所示。 [0047] 表1下行数传链路特性及需求 [0048] [0049] 跟踪需求分析 [0050] 通过火箭弹道仿真数据，可以对电离层、热层探空火箭与地面站之间的俯仰角、方位角度变化情况开展分析，并以此为依据，对地面站角度跟踪动态能力提出的具体指标需求。分析并总结子午工程二期电离层、热层探空火箭俯仰、方位技术指标需求见表2，表中指标可以作为设计和考察发射场站、峨蔓站的角度跟踪动态能力相关指标的依据。 [0051] 方位角速度计算公式： θ为方位角在t时刻内变化的范围； [0052] 方位角加速度计算公式： 描述方位角速度ω随时间t的变化率； [0053] 俯仰角速度计算公式： φ为俯仰角在t时刻内变化的范围； [0054] 俯仰角加速度计算公式： 描述俯仰角速度ρ随时间t的变化率。 [0055] 表2电离层、热层探空火箭方位、俯仰需求分析 [0056] [0057] 地面遥测系统方案设计 [0058] 为了达到全链路接收的目的，在峨蔓镇布设具备自跟踪功能的固定天线，将峨蔓站作为飞行阶段接收主站。同时，考虑到距离、植被、地形等环境对通信信道的影响，在发射场站设立若干机动站，主要用作飞行起始段的接收，同时保障射前阶段测试任务。 [0059] 此外，由于地形遮挡与环境因素，峨蔓站在火箭水平和起竖测试阶段无法接收遥测信号，需要火箭升空后达到一定高度后才能稳定跟踪目标，为稳妥起见，考虑峨蔓站以5°为稳定跟踪基准。通过仿真计算，当电离层、热层探空火箭分别发射12.3s、13.1s左右，高度约为3.9km时，峨蔓站与火箭可达5°仰角。通过将发射场站、峨蔓站接收的链路弧段数据进行拼接，从而实现对火箭遥测数据全程跟踪接收，同时兼顾射前测试任务以及飞行过程中的重点弧段接收保障。结合上述对通信需求以及跟踪需求的分析结果，地面遥测系统设计方案表3。 [0060] 表3地面遥测系统设计方案 [0061] [0062] 地面遥测系统共包含4套地面接收天线。发射场布设3套接收天线：低增益宽波束螺旋天线1套、中增益数字阵列天线1套和高增益抛物面天线1套。低增益宽波束螺旋天线为机动站，重点保障射前及火箭起竖阶段测试，同时其成本较低，适合近距离放置于火箭发射点，其方向图覆盖性能确保点火初期的遥测接收；中增益全数字多波束宽带阵列天线具有中等的天线增益与相对较窄方向图覆盖，具有跟踪速度快，动态适应能力强的优点，重点保障飞行初期遥测接收，同时作为机动站，兼顾射前阶段测试任务；高增益抛物面天线增益大，可确保系统有足够的通信余量进行远距离接收，在火箭关键动作弧段作为外场站备份，进一步保障遥测接收。峨蔓站布设1套抛物面自跟踪固定天线，采用单脉冲跟踪体制，具备实时性、快速性的优点，同时具备过顶跟踪能力，作为飞行阶段接收主站，实现链路俯仰角约5°后到火箭落海间的大弧段接收。 [0063] 仿真分析 [0064] 为了考察地面遥测系统的接收跟踪能力，结合箭载发射天线方向图与弹道仿真数据，分析地形遮挡、数传天线凹区、箭尾遮挡、箭体姿态变化造成的影响，对地面遥测系统数传信号跟踪和接收的完整性、可靠性进行仿真分析。 [0065] 链路余量分析 [0066] 结合箭载发射系统和信道特性，对地面遥测系统各天线接收性能进行分析。箭上发射系统EIRP为‑8.5dBW，数据传输速率4096bps，调制方式BPSK，编码选用RS(255，223)，结合接收天线性能，计算下行数传链路余量，计算结果见表4。通信链路余量最小值为3.3dB，结果表明各天线均能达到稳定接收。地面遥测系统各天线性能具备通过数据拼接实现全链路接收的基本条件。 [0067] 表4地面遥测系统链路余量计算 [0068] [0069] 天线凹区及箭体遮挡影响分析 [0070] 在火箭上升段，地面站如果处于天线凹区，会影响地面站接收性能，同时，考虑箭体对通信链路的遮挡，存在约±5°范围的天线方向图零陷区。考虑发射场站仅接收飞行初期遥测数据，此时接收天线与箭体夹角较大，重点考察外场峨蔓站处于零陷区的可能性。数传发射天线垂直切面方向图见图2，根据火箭弹道数据，对峨蔓站接收链路与火箭箭尾方向之间的夹角进行仿真计算，仿真结果如图3和图4所示。 [0071] 由图3、图4可以发现，在电离层和热层两发火箭飞行过程中，峨蔓站接收链路与箭尾方向夹角均不小于5°，地面站不处于零陷区内，不会影响接收性能。 [0072] 火箭姿态控制影响分析 [0073] 地面遥测系统跟踪接收性能还受到探空火箭姿态控制因素的影响。在子午工程二期探空火箭再入段，火箭距离地面高60km处下降至50km处无姿态控制，箭体姿态预计为在水平面内翻转，这就存在天线零陷区对准接收天线的可能性，可能造成跟踪目标丢失。此时，为保证地面站不处于箭上发射天线零陷区内，同时考虑无控段火箭可能出现抖动，地面站距离火箭投影点的距离须在火箭与垂直地面方向70°倾角投影范围内。经计算，在火箭无控段，地面站与火箭投影点的距离如表5所示，计算结果表明，在火箭无姿态控制阶段，峨蔓站不处于零陷区。 [0074] 表5电离层探空火箭无姿控段峨蔓站地面站与火箭投影点距离 [0075] [0076] 由以上分析可知，根据地面遥测系统设计方案和指标，结合箭上发射系统特性、天线方向图、火箭弹道数据，对探空火箭飞行阶段地面站接收链路余量、天线零陷区、火箭姿态控制影响开展计算和仿真分析，结果表明，地面遥测系统可全程跟踪目标信号并实现可靠接收。 [0077] 需要说明，本发明的方法不限于子午工程二期电离层、热层探空火箭，各种探空火箭地面遥测系统均可采用上述方法。 [0078] 总结： [0079] 本实施例中以子午工程二期电离层、热层探空火箭为例，针对探空火箭数据链路跟踪和通信需求开展计算及分析，采用本发明的方法提出一种地面遥测系统设计方案。仿真分析结果表明，基于该方法提出的探空火箭地面遥测系统方案设计满足子午二期探空火箭数据任务数传跟踪及接收要求，可以为其他任务探空火箭方案设计提供方法参考。 |
||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈