一种获取卫星在轨进行实传时的数传天线遮挡概率的方法

摘要

本发明一种获取卫星在轨进行实传时的数传天线遮挡概率的方法，首先，计算得到卫星的对地张角和数传天线不会受到遮挡最大侧摆角；然后，建立STK仿真场景，画出数传天线可能受到遮挡的区域；其次，利用面积比和角度比，计算遮挡概率；最后，根据计算结果，给出数传天线遮挡概率指标的提法。本发明提出了一种分析数传天线遮挡概率的全新思路，创造了面积比和角度比的概念，并给出了利用面积比和角度比来计算数传天线遮挡概率的方法，结合STK强大的二维三维显示功能，利用非常小的计算量来实现对数传天线遮挡概率的分析，有助于卫星用户和卫星研制方对卫星在轨工作效能进行评估和考核，对于卫星用户和卫星研制方制定相关指标提供了重要依据。

说明书

技术领域

本发明属于航天器任务规划领域，具体涉及一种获取卫星在轨进行实传时的数传天线遮挡概率的方法。

背景技术

遥感卫星、特别是高分辨率对地观测光学遥感卫星，其工作期间将产生大量的图像数据。但是，受制于卫星体积、质量、功耗等方面的制约，星上用来保存数据的固态存储器(简称固存)的容量大小受到严格限制。因此，采用相机一边成像、对地数传天线(以下简称数传天线)同时对地面站回传的实传成像模式受到重视。为了保证足够的回传速率和传输增益，要求数传天线在实传过程中，通过自身伺服机构的驱动实现转动，让天线波束始终指向地面站。由于高分辨率对地观测遥感卫星成像基本都是在姿态侧摆偏置飞行模式下进行，因此实传工作模式一般也都是侧摆实传。

为了保证足够的能源，卫星需要安装大面积太阳能帆板，且帆板在卫星运行过程中将根据太阳光的入射角度进行转动，以提高充电效率。为了防止影响对地天线、对地光学相机等设备的对地工作视场，帆板往往安装于卫星的左右两侧，其安装轴平行于轨道系Y轴，与水平面平行，与卫星运行方向垂直，与卫星轨道面垂直。但是，当卫星在大角度侧摆偏置飞行时，帆板将随着星体一起进行大角度偏转。由于帆板安装轴平行于轨道系Y轴，则侧摆时一侧帆板会向上翘起远离地面方向，而另一侧帆板会向下低头靠近地面方向。靠近地面的这一侧帆板，有可能会对数传天线的波束形成遮挡，使其无法在实传过程中“看到”地面站，从而无法完成实传任务。

由于卫星帆板面积巨大，而侧摆实传又是高分辨率对地观测光学遥感卫星不可或缺的在轨工作方式，因此遮挡现象很难完全避免。而从以往型号设计经验来看，通过卫星本身构型设计的优化是无法彻底解决这个问题的。

卫星用户可以接受遮挡现象的存在，但希望遮挡概率尽可能低。因此需要通过仿真分析等手段，计算出卫星在轨进行侧摆实传时的数传天线遮挡概率，并将其作为卫星系统指标，在卫星发射后在轨运行期间通过长期统计的方法进行考核。

以往对数传天线遮挡概率的仿真分析方法较为死板，即完全机械化地根据卫星构型设计结果，给出一个天线不会受到遮挡的最大包络条件，而不考虑任何其它因素。这样的结果，导致分析出来的遮挡概率往往非常高，与真正的在轨实际情况明显不符。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种获取卫星在轨进行实传时的数传天线遮挡概率的方法，能够根据卫星的构型设计状态，迅速计算出遮挡概率。

本发明的技术方案是：一种获取卫星在轨进行实传时的数传天线遮挡概率的方法，步骤如下：

1)获取卫星最大侧摆角，以及数传天线不受遮挡情况下的最大侧摆角θ；

2)计算获得卫星的对地张角和数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角，判断最大侧摆角是否大于数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角θ，如果步骤1)中获取的卫星最大侧摆角大于步骤2)中算得的数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角，则进入步骤3)；否则，表明数传天线肯定不会受到遮挡，遮挡概率为0％，此时得到卫星侧摆实传时的数传天线遮挡概率指标，即侧摆实传时数传天线不会受到遮挡；

3)在STK中画出卫星与地面站的可视区域；

4)在STK中设置所需三维特征

41)在STK中画出数传天线零位矢量与卫星-地面站矢量的夹角；

42)在STK中设置卫星本体系YZ平面；

5)数传天线可能受到遮挡的区域分为两块，分别位于卫星星下线的东侧和西侧，分别定义为数传天线可能受到遮挡的区域的东段和西侧；在STK中设置卫星的侧摆角为数传天线不会受到遮挡的最大正侧摆角，画出数传天线可能受到遮挡的区域的东段；

6)在STK中设置卫星姿态为数传天线不会受到遮挡的最大负侧摆角，画出数传天线可能受到遮挡的区域的西段；

7)计算卫星侧摆实传时的数传天线遮挡概率

71)计算获得面积比

确定步骤6)得到的数传天线可能被遮挡区域的东段和西段面积，计算东段和西段区域的面积占整个地面站可视区域的比例，求出面积比的计算公式如下所示：

面积比≤(东段面积+西段面积)/地面总面积

72)计算获得角度比

利用步骤1)中的卫星最大侧摆角和步骤2)中的数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角，计算获得角度比≤(卫星最大侧摆角-数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角)/卫星最大侧摆角＝1-数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角/卫星最大侧摆角；

73)获得遮挡概率p＝面积比*角度比≤(东段面积+西段面积)/地面总面积*(1-数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角/卫星最大侧摆角)；

74)此时得到卫星侧摆实传时的数传天线遮挡概率指标，即当卫星侧摆角绝对值不超过θ度时，侧摆实传时数传天线不会受到遮挡，当卫星侧摆角绝对值超过θ度时，侧摆实传时数传天线受到遮挡的概率不超过p。

步骤2)中卫星的对地张角和数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角具体计算方法为：

对地张角＝asin(地球半径/(卫星轨道高度+地球半径))+余量角度；数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角＝数传天线不受遮挡情况下的最大转角-卫星的对地张角。

步骤3)中在STK中画出卫星与地面站的可视区域的具体方法如下：

31)建立仿真场景；

32)建立卫星轨道；

33)建立地面站；

34)建立地面站天线；

35)显示卫星与地面站的可视区域。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明最大的优点，是在传统的数传天线遮挡概率分析方法仅考虑了卫星构型设计的基础上，进一步综合考虑了卫星和地面站相对位置关系，系统分析了遮挡发生时必须具备的条件因素，使得分析结果大幅接近卫星在轨真实工作状态；

(2)本发明最大的亮点在于创造了面积比和角度比的概念。通过面积比，可以较为准确地给定发生天线遮挡的第一个前提条件——遮挡区域——的概率；通过角度比，可以较为准确地给定发生天线遮挡的另一个前提条件——侧摆角度——的概率。面积比与角度比的综合，也就可以给出数传天线发生遮挡的概率；

(3)本发明操作简单，完全利用STK强大的计算功能作为工具，计算量非常小，不需要编程，仅需提供进行仿真计算的输入参数即可。在分析过程中，通过在STK中不断手动微调场景参数并观察二维三维显示框中的卫星状态变化情况，获得分析结果；

(4)本发明给出了一种新的天线遮挡概率指标的提法，该提法相对于以往的指标提法而言，描述更为准确；

(5)本发明具有较好的普遍适用性。本发明可以适用于各种具有侧摆实传功能的卫星进行相关仿真分析，并已在已发射卫星型号的研制过程中得到了验证。

附图说明

图1为本发明数传天线转动规划方法的流程框图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明方法的流程框图，具体步骤详述如下：

1)获取卫星最大侧摆角，以及数传天线不受遮挡情况下的最大转角

卫星最大侧摆角作为卫星最重要的系统指标之一，由卫星用户提出，是卫星设计的重要输入参数。

数传天线不受遮挡情况下的最大转角，是指当数传天线转动不超过该角度时，其无论如何转动，都不会被遮挡。该角度越大，数传天线被遮挡的概率越低。该角度只与卫星构型本身相关，由卫星构型设计工程师在完成卫星构型设计后提供。

因此，本步骤所要获取的两个角度，都是作为本专利发明方法所要用到的输入参数。

2)计算卫星的对地张角和数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角

21)计算卫星的对地张角

卫星的对地张角，是指卫星-地心矢量和卫星-地表切点矢量之间的夹角，是一个锐角。该角度只与卫星轨道高度有关，轨道高度越高，对地张角越小。

计算公式如下：

对地张角

＝asin(地球半径/(卫星轨道高度+地球半径))

但是，考虑地球表面特性，结合以往的工程经验，一般要求在上述计算结果的基础上增加一定的余量角度，通常取2～3度。则上述公式变为：

对地张角

＝asin(地球半径/(卫星轨道高度+地球半径))+余量角度

22)计算数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角

数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角，是指在卫星侧摆不超过该角度时，数传天线无论如何转动，其波束都不会被遮挡。该角度小于等于卫星最大侧摆角，且当其越接近卫星最大侧摆角时，数传天线被遮挡的概率将越低。

计算公式如下：

数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角

＝数传天线不受遮挡情况下的最大转角-卫星的对地张角

23)判断最大侧摆角是否大于数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角

如果步骤1)中获取的“卫星最大侧摆角”大于步骤22)中算得的“数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角”，则进入步骤3)；否则，则意味着数传天线肯定不会受到遮挡，遮挡概率为0％，直接进入步骤8)。

在遮挡概率为0％时，可以给出卫星侧摆实传时的数传天线遮挡概率指标，作为卫星设计的系统指标。其指标提法如下：

●侧摆实传时数传天线不会受到遮挡；

3)在STK中画出卫星与地面站的可视区域

根据卫星轨道参数与地面站的地理位置信息，通过STK软件(SatelliteToolKit)画出卫星与地面站的可视区域。STK为一款航天仿真分析商业软件，具有二维三维可视界面，功能强大，操作方便，在国际上及我国航天领域均有广泛使用。

本发明专利中所使用是STK版本为8.1。不同版本的STK在操作上会略有区别。由于这并非本发明专利的主要内容，在此不再赘述。用STK获取卫星与地面站可视区域的过程如下：

31)建立仿真场景

打开STK软件后，点击工具栏上的File-New，生成一个仿真场景。

32)建立卫星轨道

本步骤中要建立卫星轨道，其具体过程如下：

a.点击工具栏上的Insert-New，在打开的窗口中选择Satellite，生成一个新卫星。在打开的窗口中选择Cancel；

b.在左侧的ObjectBrowser栏中双击刚生成的卫星，打开卫星属性设置窗口；

c.在属性设置窗口中点击Basic-Orbit，打开轨道设置界面。在SemimajorAxis中填入卫星轨道半长轴的设计值，其它采用默认值；

d.在属性设置窗口中点击2DGraphics-Pass，打开二维窗口设置界面。在VisibleSides中选择Descending，即只显示降轨段。点击OK关闭窗口；

e.此时在2DGraphics界面中即可看到刚刚建立的卫星轨道；

f.在3DGraphics界面中，点击左侧眼睛形状的ViewFrom/To按钮，打开ViewFrom/ToforScenario1窗口，在ViewFrom窗口中选择刚刚建立的卫星。选择下方的UnconstrainedRotation选项，不选择Show”TrackBall”选项。点击OK关闭窗口；

g.此时在3DGraphics中即可看到刚刚建立的卫星模型。利用鼠标左右键即可放大缩小视场或调整视场方位；

33)建立地面站

本步骤中要建立地面站，其具体过程如下：

a.点击工具栏上的Insert-New，在打开的窗口中选择Facility，生成一个新地面站；

b.在左侧的ObjectBrowser栏中双击刚生成的地面站，打开地面站属性设置窗口；

c.在属性设置窗口中点击Basic-Position，打开地面站位置设置界面。在Latitude、Longitude和Altitude中填入地面站的纬度、经度和高度，其它采用默认值。点击OK。

d.此时在2DGraphics中即可看到刚刚建立的地面站；

34)建立地面站天线

本步骤中要建立地面站天线，其具体过程如下：

a.单击刚生成的地面站

b.点击工具栏上的Insert-New，在打开的窗口中选择Sensor，生成一个新天线；

c.在左侧的ObjectBrowser栏中双击刚生成的天线，打开天线属性设置窗口；

d.在属性设置窗口中点击Basic-Definition，打开天线基本设置窗口。在SensorType中选择SimpleConic，在ConeAngle中设置地面站天线视场的设计值。点击OK；

35)显示卫星与地面站的可视区域

本步骤中要显示卫星与地面站(事实上是地面站天线，下文均以地面站简化代指)的可视区域。其具体过程如下：

a.在左侧的ObjectBrowser栏中双击刚生成的天线，打开天线属性设置窗口；

b.在属性设置窗口中点击2DGraphics-Position，打开天线投影设置窗口。在Projectto栏中选择ObjectAltitude，在ProjectionAltitudeObject中选择刚才建立的卫星。点击OK；

c.此时在2DGraphics界面中可以显示卫星与地面站的可视区域，该区域是一个圆形。

按照以上步骤，即可画出卫星与地面站的可视区域。一般，按照地面站设计要求，当卫星处于该可视区域内时，地面站天线肯定可以看到卫星；同时，按照卫星设计要求，当卫星处于该可视区域内时，若不考虑帆板遮挡，则卫星上的数传天线也肯定可以看到地面站。

4)在STK中设置所需的矢量、夹角和平面等三维特征

STK软件具有强大的三维显示功能。本步骤将通过在STK三维场景中添加辅助设计所需的矢量、夹角和平面等三维特征，来为本发明方法后面的步骤做好准备。具体过程如下：

41)在STK中画出数传天线零位矢量与卫星-地面站矢量的夹角

本步骤中要画出的数传天线零位矢量与卫星-地面站矢量的夹角，其具体过程如下：

a.在STK中，在左侧ObjectBrowser栏中单击所要分析的卫星，然后在上方工具栏上选择Satellite-VectorGeometry，打开“VectorGeometryToolfor卫星名字”窗口；

b.在打开的窗口中，点击右侧CreateNewVector按钮。在打开的窗口中，在Name栏给定一个矢量名字；在Type栏选择FixedinAxes；在ReferenceAxes中选择卫星的Body(也就是本体坐标系)；在Type中选择Cartesian；在X、Y、Z中填上数传天线零位矢量在整星本体坐标系下的分量，该分量为卫星设计值，一般都会设计成(0,0,1)，即数传天线处于零位时沿卫星+Z轴指向星下点。点击OK，建立矢量完成。这里建立的是数传天线零位矢量；

c.仍然在打开的窗口中，点击右侧CreateNewVector按钮。在Name栏给定一个矢量名字；在Type栏选择Displacement；在OriginPoint选择卫星的Center；在DestinationPoint选择地面站的Center。点击OK，建立矢量完成。这里建立的是卫星-地面站矢量；

d.仍然在打开的窗口中，点击右侧CreateNewAngle按钮。在打开的窗口中，在Name栏给定一个角度名字；在Type栏选择BetweenVectors；在FromVector中选择步骤b建立的数传天线零位矢量；在ToVector中选择步骤c建立的卫星-地面站矢量。点击OK，建立角度完成。这里建立的是上述两矢量的夹角；

e.点击Close，关闭“VectorGeometryToolfor卫星名字”窗口；

f.在STK中，在左侧ObjectBrowser栏中双击所要分析的卫星，打开卫星属性设置窗口；

g.在属性设置窗口中点击3DGraphics-Vector，在该界面中点击Add，在新打开的窗口中分别双击步骤c建立的卫星-地面站矢量和步骤d建立的两矢量夹角，点击OK关闭窗口。这里是将步骤c建立的卫星-地面站矢量和步骤d建立的两矢量夹角添加到3DGraphics中；

h.在3DGraphics-Vector窗口左上角的Name栏中找到步骤g添加的卫星-地面站矢量，单击其在右侧show栏中对应的方框，方框中会出现一个小对勾。这里是将步骤g添加的卫星-地面站矢量在3DGraphics中显示出来；

i.在3DGraphics-Vector窗口左上角的Name栏中找到步骤g添加的夹角，单击其在右侧show栏中对应的方框，方框中会出现一个小对勾。这里是将步骤g添加的夹角在3D场景中显示出来；

j.在右侧单击ShowAngleValue栏左侧的方框，方框中会出现一个小对勾。这里是将步骤i显示的夹角的角度值在3D场景中显示出来；

k.点击OK。此时在3DGraphics中可以显示卫星-地面站矢量，以及数传天线零位矢量与卫星-地面站矢量的夹角及其角度值。

42)在STK中设置卫星本体系YZ平面

本步骤中要画出的卫星本体系YZ平面，其具体过程如下：

a.在STK中，在左侧ObjectBrowser栏中单击所要分析的卫星，然后在上方工具栏上选择Satellite-VectorGeometry，打开“VectorGeometryToolfor卫星名字”窗口；

b.在打开的窗口中，点击右侧CreateNewPlane按钮。在打开的窗口中，在Name栏给定一个平面名字；在Type栏选择Quadrant；在Quadrant栏中选择YZ；在ReferenceSystem中选择卫星的Body(也就是本体坐标系)。点击OK，建立平面完成。这里建立的是卫星本体系YZ平面；

c.点击Close，关闭“VectorGeometryToolfor卫星名字”窗口；

d.在STK中，在左侧ObjectBrowser栏中双击所要分析的卫星，打开卫星属性设置窗口；

e.在属性设置窗口中点击3DGraphics-Vector，在该界面中点击Add，在新打开的窗口中双击步骤b建立的卫星本体系YZ平面，点击OK关闭窗口。这里是将步骤b建立的卫星本体系YZ平面添加到3DGraphics中；

f.在3DGraphics-Vector窗口左上角的Name栏中找到步骤e添加的卫星本体系YZ平面，单击其在右侧show栏中对应的方框，方框中会出现一个小对勾。这里是将步骤e添加的平面在3DGraphics中显示出来；

g.在右侧单击TranslucentPlane栏左侧的方框，方框中会出现一个小对勾。这里是将步骤f显示的平面在3D场景中显示为透明。透明度可以通过右侧的Translucency进行设置；

h.点击OK。此时在3DGraphics中可以显示卫星本体系YZ平面。

5)在STK中画出数传天线可能受到遮挡的区域的东段

利用步骤1)的输入参数、步骤2)的计算结果、步骤3)的可视区域和步骤4)的三维特征，可以在STK上画出数传天线可能受到遮挡的区域。此处的区域，特指“卫星与地面站可视区域中，数传天线可能受到遮挡的区域”。

本步骤中的操作内容与卫星轨道是降轨段实传还是升轨段实传有关。由于目前国内绝大部分的光学遥感卫星的轨道都是按照降轨段实传进行设计的，因此本说明也以降轨段为例进行说明。升轨段的方法与降轨段基本一致，仅需调整侧摆角的正负号，由于使用很少，本说明中不再赘述。

由于数传天线可能受遮挡的区域分为东段和西段，因此分别进行叙述。首先是东段。其具体过程如下：

51)在STK中设置卫星姿态为数传天线不会受到遮挡的最大正侧摆角

本步骤中要设置卫星姿态为数传天线不会受到遮挡的最大正侧摆角，其具体过程如下：

a.在STK中，在左侧ObjectBrowser栏中双击所要分析的卫星，打开卫星属性设置窗口；

b.在属性设置窗口中点击Basic-Attitude，在该界面中，在第一个Type栏选择FixedinAxes，在ReferenceAxes栏选择“卫星名字VVLH”，在第二个Type栏选择YPRAngles，在Roll栏填入步骤2)中算得的“数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角”的正值；

c.点击OK，此时在3DGraphics中可以看到卫星姿态的偏转情况。

52)显示数传天线可能被遮挡区域的东段

具体过程如下：

a.在STK中，点击工具栏上的Start按钮，使卫星在轨道上运行。在2DGraphics中观察，直到卫星飞到地面站可视区域内。点击工具栏上的DecreaseTimeStep按钮使其运行速度减慢。在3DGraphics中观察，直到步骤41)-h中的“卫星-地面站矢量”位于步骤42)中的卫星本体系YZ平面内；

b.在左侧ObjectBrowser栏中双击所要分析的卫星，打开卫星属性设置窗口。在属性设置窗口中点击Basic-Orbit。不断调整RAAN参数，每次修改完后点击界面中的Apply按钮，使修改生效；修改的同时在3DGraphics中观察步骤41)-j中的“数传天线零位矢量与卫星-地面站矢量的夹角角度值”，直到其等于步骤1)中获取的“数传天线不受遮挡情况下的最大转角”。需要注意的是，修改RAAN后的卫星轨道必须保证卫星处于地面站的东边；

c.不断重复上面步骤52)-a和步骤52)-b，对卫星在轨道上的位置和RAAN参数进行微调，同时观察3DGrahpics，直至上述的两个条件都得到满足，即：步骤41)-h中的“卫星-地面站矢量”位于步骤42)中的卫星本体系YZ平面内；步骤41)-j中的“数传天线零位矢量与卫星-地面站矢量的夹角角度值”等于步骤1)中获取的“数传天线不受遮挡情况下的最大转角”；

d.在2DGraphics中，可以看到卫星的星下线轨迹将圆形的地面站可视区域分成了两块。东侧较小的那一块就是“数传天线可能被遮挡区域的东段”。

6)在STK中画出数传天线可能受到遮挡的区域的西段

与步骤5)方法类似，利用步骤1)的输入参数、步骤2)的计算结果、步骤3)的可视区域和步骤4)的三维特征，可以在STK上画出数传天线可能受到遮挡的区域的西段。其具体过程如下：

61)在STK中设置卫星姿态为数传天线不会受到遮挡的最大负侧摆角

本步骤中要设置卫星姿态为数传天线不会受到遮挡的最大负侧摆角，其具体过程如下：

a.在STK中，在左侧ObjectBrowser栏中单击所要分析的卫星，复制，粘贴，在ObjectBrowser栏中将出现一个复制的卫星；

b.双击所要分析的复制卫星，打开卫星属性设置窗口；

c.在属性设置窗口中点击Basic-Attitude，在该界面中，在第一个Type栏选择FixedinAxes，在ReferenceAxes栏选择“卫星名字VVLH”，在第二个Type栏选择YPRAngles，在Roll栏填入步骤2)中算得的“数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角”的负值；

d.点击OK，此时在3DGraphics中可以看到复制卫星姿态的偏转情况。

62)显示数传天线可能被遮挡区域的西段

具体过程如下：

a.在STK中，点击工具栏上的Start按钮，使卫星在轨道上运行，在2DGraphics中观察，直到其飞到地面站可视区域内。点击工具栏上的DecreaseTimeStep使其运行速度减慢。在3DGraphics中观察，直到步骤41)-h中的“卫星-地面站矢量”位于步骤42)中的卫星本体系YZ平面内；

b.在左侧ObjectBrowser栏中双击所要分析的卫星，打开卫星属性设置窗口。在属性设置窗口中点击Basic-Orbit。不断调整RAAN参数，每次修改完后点击界面中的Apply按钮，使修改生效；修改的同时在3DGraphics中观察步骤41)-j中的“数传天线零位矢量与卫星-地面站矢量的夹角角度值”，直到其等于步骤1)中获取的“数传天线不受遮挡情况下的最大转角”。需要注意的是，修改RAAN后的轨道必须保证卫星处于地面站的西边；

c.不断重复上面步骤62)-a和步骤62)-b，对卫星在轨道上的位置和RAAN参数进行微调，直至上述的两个条件都得到满足，即：步骤41)-h中的“卫星-地面站矢量”位于步骤42)中的卫星本体系YZ平面内；步骤41)-j中的“数传天线零位矢量与卫星-地面站矢量的夹角角度值”等于步骤1)中获取的“数传天线不受遮挡情况下的最大转角”；

d.进入2DGraphics，可以看到卫星的星下线轨迹将圆形的地面站可视区域分成了三块。东侧较小的那一块就是步骤52)-d中获得的“数传天线可能被遮挡区域的东段”。西侧较小的那一块就是“数传天线可能被遮挡区域的西段”。两块面积之和，即为“数传天线可能被遮挡区域”。

7)计算卫星侧摆实传时的数传天线遮挡概率

在步骤5)与步骤6)结束后，已经获得了“数传天线可能被遮挡区域”，分为东段和西段。下面利用该结果及步骤1)中的“卫星最大侧摆角”和步骤2)中的“数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角”，计算卫星侧摆实传时的数传天线遮挡概率。其具体步骤如下：

71)计算面积比

在2DGraphics中，观察步骤62)-d得到的“数传天线可能被遮挡区域”的东段和西段。目视估算东段和西段区域的面积占整个地面站可视区域的比例，求出面积比。

卫星只有在处于步骤62)-d得到的“数传天线可能被遮挡区域”内时，在侧摆实传时才有可能发生数传天线被遮挡的情况；同时，卫星只有在步骤3)中算出的“卫星与地面站可视区域”内才能进行侧摆实传。因此将面积比定义为上述两个区域面积之比。

计算公式如下：

面积比

≤(东段面积+西段面积)/总面积

72)计算角度比

利用步骤1)中的卫星最大侧摆角和步骤2)中的“数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角”，求出角度比。

卫星只有在侧摆角超过步骤2)中的“数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角”时，在侧摆实传时才有可能发生数传天线被遮挡的情况；同时，卫星侧摆实传时的侧摆角不会超过步骤1)中的“卫星最大侧摆角”。因此将角度比定义为两者之差与“卫星最大侧摆角”之比。

计算公式如下：

角度比

≤(最大侧摆角-不会受到遮挡的最大侧摆角)/最大侧摆角

＝1-不会受到遮挡的最大侧摆角/最大侧摆角

73)求出遮挡概率

利用面积比和角度比，可以求出卫星侧摆实传时的数传天线遮挡概率。

计算公式如下：

遮挡概率

＝面积比*角度比

≤(东段面积+西段面积)/总面积

*(1-不会受到遮挡的最大侧摆角/最大侧摆角)

上述公式算出的，就是卫星侧摆实传时的数传天线遮挡概率，其计算结果并非一个确定的精确值，而是小于一个值。也就是说，计算得到的结果是给出遮挡概率的一个最大值。

74)给出卫星侧摆实传时的数传天线遮挡概率指标

此时，可以给出卫星侧摆实传时的数传天线遮挡概率指标，作为卫星设计的系统指标。其指标提法如下：

●卫星侧摆角绝对值不超过“XX”度时，侧摆实传时数传天线不会受到遮挡；

●卫星侧摆角绝对值超过“XX”度时，侧摆实传时数传天线受到遮挡的概率不超过“YY”。

此处的XX和YY分别由本专利发明方法中步骤2)和步骤7)-3计算得到。

8)输出最终结果

根据之前的分析，步骤8)的最终结果可由步骤2)直接到达，也可由步骤2)～步骤7)逐渐获得，取决于步骤2)的判断条件是否满足。

实施案例

假设仿真条件如下：

●卫星运行在600km轨道高度

按照本发明方法，计算过程如下：

1)获取卫星最大侧摆角，以及数传天线不受遮挡情况下的最大转角

在本实施案例中，将卫星最大侧摆角和数传天线不受遮挡情况下的最大转角分别设为：

卫星最大侧摆角：35°

数传天线不受遮挡情况下的最大转角：90°

上述参数是按照以往型号的工程设计经验给出的假设值。实际设计中，两参数均应取经过严格论证和设计的实际数据。

2)计算卫星的对地张角和数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角

21)计算卫星的对地张角

地球半径取6378km，轨道高度为600km。则可根据公式计算对地张角。余量角度取为3°。结果为：

对地张角

＝asin(地球半径/(卫星轨道高度+地球半径))-余量角度

＝asin(6378km/(6378km+600km))-3°

≈66°-3°

＝63°

22)计算数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角

由步骤1)得到“数传天线不受遮挡情况下的最大转角”为90°，则可根据公式计算数传天线不受遮挡情况下的最大侧摆角为：

数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角

＝数传天线不受遮挡情况下的最大转角-卫星的对地张角

＝90°-63°

＝27°

23)判断最大侧摆角是否大于数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角

由步骤1)可知，卫星最大侧摆角为35°。

由步骤22)可知，数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角为27°。

因此，最大侧摆角是否大于数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角，则不能直接进入步骤8)，应进入步骤3)。

3)在STK中画出卫星与地面站的可视区域

用STK获取卫星与地面站可视区域的过程如下：

31)建立仿真场景

打开STK软件后，点击工具栏上的File-New，生成一个仿真场景。默认的场景名为Scenario1；

32)建立卫星轨道

按照上述步骤，建立卫星轨道，其中SemimajorAxis填入半长轴的设计值：6378km+600km＝6978km。卫星名字为软件默认赋予的Satellite1。

33)建立地面站

按照上述步骤，建立地面站，其中Latitude、Longitude和Altitude依次填入(0deg，0deg，0km)。地面站名字为软件默认赋予的Facility1。生成一个位于东经0度、北纬0度、海拔高度0km的地面站。

34)建立地面站天线

按照上述步骤，建立地面站天线，其中ConeAngle填入85deg。地面站天线名字为软件默认赋予的Sensor1。生成一个视场范围为半锥角85度的地面站天线，也就是说该地面站对卫星的地面最低仰角为5度。

35)显示卫星与地面站的可视区域

按照上述步骤，画出卫星Satellite1与地面站天线Sensor1的可视区域。

4)在STK中设置所需的矢量、夹角和平面等三维特征

41)在STK中画出数传天线零位矢量与卫星-地面站矢量的夹角

本步骤中要画出的数传天线零位矢量与卫星-地面站矢量的夹角，其具体过程如下：

a.在STK中，在左侧ObjectBrowser栏中单击Satellite1，然后在上方工具栏上选择Satellite-VectorGeometry，打开“VectorGeometryToolforSatellite1”窗口；

b.在打开的窗口中，点击右侧CreateNewVector按钮。在打开的窗口中，在Name栏中给矢量取名LingWeiShiLiang；在Type栏选择FixedinAxes；在ReferenceAxes中选择卫星Satellite1的Body(也就是本体坐标系)；在Type中选择Cartesian；在X、Y、Z中填上(0,0,1)，即沿卫星+Z轴指向星下点。点击OK，建立矢量完成。这里建立的是数传天线零位矢量LingWeiShiLiang；

c.仍然在打开的窗口中，点击右侧CreateNewVector按钮。在Name栏给矢量取名DiMianZhanShiLiang；在Type栏选择Displacement；在OriginPoint选择卫星Satellite1的Center；在DestinationPoint选择地面站Facility1的Center。点击OK，建立矢量完成。这里建立的是卫星-地面站矢量DiMianZhanShiLiang；

d.仍然在打开的窗口中，点击右侧CreateNewAngle按钮。在打开的窗口中，在Name栏给夹角取名JiaJiao；在Type栏选择BetweenVectors；在FromVector中选择刚才建立的数传天线零位矢量LingWeiShiLiang；在ToVector中选择刚才建立的卫星-地面站矢量DiMianZhanShiLiang。点击OK，建立角度完成。这里建立的是上述两矢量的夹角JiaJiao；

e.点击Close，关闭“VectorGeometryToolforSatellite1”窗口；

f.在STK中，在左侧ObjectBrowser栏中双击Satellite1，打开卫星属性设置窗口；

g.在属性设置窗口中点击3DGraphics-Vector，在该界面中点击Add，在新打开的窗口中双击刚才建立的卫星-地面站矢量DiMianZhanShiLiang和两矢量夹角JiaJiao，点击OK关闭窗口。这里是将步骤c建立的卫星-地面站矢量DiMianZhanShiLiang和步骤d建立的两矢量夹角JiaJiao添加到3DGraphics中；

h.在3DGraphics-Vector窗口左上角的Name栏中找到刚才添加的卫星-地面站矢量DiMianZhanShiLiang，单击其在右侧show栏中对应的方框，方框中会出现一个小对勾。这里是将步骤g添加的卫星-地面站矢量DiMianZhanShiLiang在3DGraphics中显示出来；

i.在3DGraphics-Vector窗口左上角的Name栏中找到刚才添加的夹角JiaJiao，单击其在右侧show栏中对应的方框，方框中会出现一个小对勾。这里是将步骤g添加的夹角JiaJiao在3D场景中显示出来；

j.在右侧单击ShowAngleValue栏左侧的方框，方框中会出现一个小对勾。这里是将步骤i显示的夹角JiaJiao的角度值在3D场景中显示出来；

k.点击OK，此时在3DGraphics中可以显示卫星-地面站矢量DiMianZhanShiLiang，以及数传天线零位矢量LingWeiShiLiang与卫星-地面站矢量DiMianZhanShiLiang的夹角JiaJiao及其角度值。

42)在STK中设置卫星本体系YZ平面

本步骤中要画出的卫星本体系YZ平面，其具体过程如下：

a.在STK中，在左侧ObjectBrowser栏中单击所要分析的卫星，然后在上方工具栏上选择Satellite-VectorGeometry，打开“VectorGeometryToolforSatellite1”窗口；

b.在打开的窗口中，点击右侧CreateNewPlane按钮。在打开的窗口中，在Name栏给平面取名YZ-PingMian；在Type栏选择Quadrant；在Quadrant栏中选择YZ；在ReferenceSystem中选择卫星Satellite1的Body(也就是本体坐标系)。点击OK，建立平面完成。这里建立的是卫星本体系YZ平面YZ-PingMian；

c.点击Close，关闭“VectorGeometryToolforSatellite1”窗口；

d.在STK中，在左侧ObjectBrowser栏中双击所要分析的卫星，打开卫星属性设置窗口；

e.在属性设置窗口中点击3DGraphics-Vector，在该界面中点击Add，在新打开的窗口中双击刚才建立的卫星本体系YZ平面YZ-PingMian，点击OK关闭窗口。这里是将步骤b建立的卫星本体系YZ平面YZ-PingMian添加到3DGraphics中；

f.在3DGraphics-Vector窗口左上角的Name栏中找到刚才添加的卫星本体系YZ平面YZ-PingMian，单击其在右侧show栏中对应的方框，方框中会出现一个小对勾。这里是将步骤e添加的平面在3DGraphics中显示出来；

g.在右侧单击TranslucentPlane栏左侧的方框，方框中会出现一个小对勾。这里是将步骤f显示的平面在3D场景中显示为透明。透明度通过右侧的Translucency设置为80％；

h.点击OK。此时在3DGraphics中可以显示卫星本体系YZ平面YZ-PingMian。

5)在STK中画出数传天线可能受到遮挡的区域的东段

利用步骤1)的输入参数、步骤2)的计算结果、步骤3)的可视区域和步骤4)的三维特征，可以在STK上画出数传天线可能受到遮挡的区域。此处的区域，特指“卫星与地面站可视区域中，数传天线可能受到遮挡的区域”。

首先是东段。其具体过程如下：

51)在STK中设置卫星姿态为数传天线不会受到遮挡的最大正侧摆角

本步骤中要设置卫星姿态为数传天线不会受到遮挡的最大正侧摆角，其具体过程如下：

a.在STK中，在左侧ObjectBrowser栏中双击Satellite1，打开卫星属性设置窗口；

b.在属性设置窗口中点击Basic-Attitude，在该界面中，在第一个Type栏选择FixedinAxes，在ReferenceAxes栏选择“卫星名字VVLH”，在第二个Type栏选择YPRAngles，在Roll栏填入步骤2)中算得的数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角的正值27deg；

c.点击OK，此时在3DGraphics中可以看到卫星姿态的偏转情况。

52)显示数传天线可能被遮挡区域的东段

具体过程如下：

a.在STK中，点击工具栏上的Start按钮，使卫星Satellite1在轨道上运行。在2DGraphics中观察，直到卫星Satellite1飞到地面站Facility1可视区域内。点击工具栏上的DecreaseTimeStep使其运行速度减慢。在3DGraphics中观察，直到卫星-地面站矢量DiMianZhanShiLiang位于卫星本体系YZ平面YZ-PingMian内。

b.在左侧ObjectBrowser栏中双击Satellite1，打开卫星属性设置窗口。在属性设置窗口中点击Basic-Orbit。不断调整RAAN参数，每次修改完后点击界面中的Apply按钮，使修改生效；修改的同时在3DGraphics中观察数传天线零位矢量LingWeiShiLiang与卫星-地面站矢量DimianZhanShiLiang的夹角JiaJiao的角度值，直到其等于步骤1)中获取的“数传天线不受遮挡情况下的最大转角”——90°。需要注意的是，修改RAAN后的卫星轨道必须保证卫星Satellite1处于地面站Facility1的东边；

c.重复上面步骤52)-a和步骤52)-b，对卫星在轨道上的位置和RAAN参数进行微调，同时观察3DGrahpics，直至上述的两个条件都得到满足，即：卫星-地面站矢量DiMianZhanShiLiang位于卫星本体系YZ平面YZ-PingMian内；数传天线零位矢量LingWeiShiLiang与卫星-地面站矢量DimianZhanShiLiang的夹角JiaJiao角度值等于步骤1)中获取的“数传天线不受遮挡情况下的最大转角”——90°。

d.在2DGraphics中，可以看到卫星的星下线轨迹将圆形的地面站可视区域分成了两块。东侧较小的那一块就是“数传天线可能被遮挡区域的东段”。

6)在STK中画出数传天线可能受到遮挡的区域的西段

与步骤5)方法类似，利用步骤1)的输入参数、步骤2)的计算结果、步骤3)的可视区域和步骤4)的三维特征，可以在STK上画出数传天线可能受到遮挡的区域的西段。其具体过程如下：

61)在STK中设置卫星姿态为数传天线不会受到遮挡的最大负侧摆角

本步骤中要设置卫星姿态为数传天线不会受到遮挡的最大负侧摆角，其具体过程如下：

a.在STK中，在左侧ObjectBrowser栏中单击Satellite1，复制，粘贴，在ObjectBrowser栏中将出现一个复制的卫星Satellite2；

b.双击Satellite2，打开卫星属性设置窗口；

c.在属性设置窗口中点击Basic-Attitude，在该界面中，在第一个Type栏选择FixedinAxes，在ReferenceAxes栏选择“Satellite2VVLH”，在第二个Type栏选择YPRAngles，在Roll栏填入步骤2)中算得的“数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角”的负值-27deg；

d.点击OK，此时在3DGraphics中可以看到Satellite2姿态的偏转情况。

62)显示数传天线可能被遮挡区域的西段

具体过程如下：

a.在STK中，点击工具栏上的Start按钮，使卫星Satellite2在轨道上运行。在2DGraphics中观察，直到卫星Satellite2飞到地面站Facility1可视区域内。点击工具栏上的DecreaseTimeStep使其运行速度减慢。在3DGraphics中观察，直到卫星-地面站矢量DiMianZhanShiLiang位于卫星本体系YZ平面YZ-PingMian内。

b.在左侧ObjectBrowser栏中双击Satellite2，打开卫星属性设置窗口。在属性设置窗口中点击Basic-Orbit。不断调整RAAN参数，每次修改完后点击界面中的Apply按钮，使修改生效；修改的同时在3DGraphics中观察数传天线零位矢量LingWeiShiLiang与卫星-地面站矢量DiMianZhanShiLiang的夹角JiaJiao角度值，直到其等于步骤1)中获取的“数传天线不受遮挡情况下的最大转角”——90°。需要注意的是，修改RAAN后的轨道必须保证卫星处于地面站的西边；

c.重复上面步骤62)-a和步骤62)-b，对卫星在轨道上的位置和RAAN参数进行微调，直至上述的两个条件都得到满足，即：卫星-地面站矢量DiMianZhanShiLiang位于卫星本体系YZ平面YZ-PingMian内；数传天线零位矢量LingWeiShiLiang与卫星-地面站矢量DiMianZhanShiLiang的夹角JiaJiao角度值等于步骤1)中获取的“数传天线不受遮挡情况下的最大转角”——90°。

d.进入2DGraphics，可以看到卫星的星下线轨迹将圆形的地面站可视区域分成了三块。东侧较小的那一块就是步骤52)-d中获得的“数传天线可能被遮挡区域的东段”。西侧较小的那一块就是“数传天线可能被遮挡区域的西段”。两块面积之和，即为“数传天线可能被遮挡区域”。

7)计算卫星侧摆实传时的数传天线遮挡概率

在步骤5)与步骤6)结束后，已经获得了“数传天线可能被遮挡区域”，分为东段和西段。下面利用该结果及步骤1)中的“卫星最大侧摆角”和步骤2)中的“数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角”，计算卫星侧摆实传时的数传天线遮挡概率。其具体步骤如下：

71)计算面积比

在2DGraphics中，观察步骤62)-d得到的“数传天线可能被遮挡区域”的东段和西段。目视估算东段和西段区域的面积占整个地面站可视区域的比例，求出面积比。经估算，阴影面积约占整个地面站可视区域面积的10％

计算公式如下：

面积比

≤(东段面积+西段面积)/总面积

≈10％(目视估算)

72)计算角度比

利用步骤1)中的卫星最大侧摆角和步骤2)中的“数传天线不会受到遮挡的最大侧摆角”，求出角度比。

计算公式如下：

角度比

≤(最大侧摆角-不会受到遮挡的最大侧摆角)/最大侧摆角

＝1-不会受到遮挡的最大侧摆角/最大侧摆角

＝1-27°/35°

≈22.86％

73)求出遮挡概率

利用面积比和角度比，可以求出卫星侧摆实传时的数传天线遮挡概率。

计算公式如下：

遮挡概率

＝面积比*角度比

≤10％*22.86％

≈3％

上述公式算出的，就是卫星侧摆实传时的数传天线遮挡概率，其计算结果并非一个确定的精确值，而是小于一个值。也就是说，计算得到的结果是给出遮挡概率的一个最大值。

74)给出卫星侧摆实传时的数传天线遮挡概率指标

此时，可以给出卫星侧摆实传时的数传天线遮挡概率指标，作为卫星设计的系统指标。其指标提法如下：

●卫星侧摆角绝对值不超过27°时，侧摆实传时数传天线不会受到遮挡；

●卫星侧摆角绝对值超过27°度时，侧摆实传时数传天线受到遮挡的概率不超过3％。

8)输出最终结果

根据之前的分析，步骤8)的最终结果可由步骤2)直接到达，也可由步骤2)～步骤7)逐渐获得，取决于步骤2)的判断条件是否满足。在本实施案例中，由于步骤8)的条件获得了满足，因此最终结果由步骤2)～步骤7)逐渐获得。

本发明说明书中未作详细描述的内容，尤其是关于STK的操作方法，均属本领域技术人员的公知技术。