一种基于宽带天线的空间环境感知方法

1.本发明涉及空间环境感知、空间飞行器传感器领域，具体涉及一种基于宽带天线的空间环境感知方法。


背景技术：

2.空间环境感知是对空间探测的重要部分。传统空间环境电子密度感知需要飞行器搭载如朗缪尔探针、能谱仪等一整套额外的传感器设备，这些设备只有科研飞行器才会搭载，其次这些传感器设备会占用卫星的宝贵体积和设备资源，且一旦发射升空无法进行升级和维护，会出现由于空间环境中的辐射等诸多因素而设备老化，感知准确率严重下降问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种基于宽带天线的空间环境感知方法，利用空间飞行器设备自带的宽带发射天线对空间环境特别是空间中电子密度进行感知的方法，可节省一整套额外的设备空间资源和能耗资源，提升了设备的利用率；且该方法后期可远程维护、调整参数来提高设备感知精度，提高了可维护性。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于宽带天线的空间环境感知方法，包括如下步骤：
5.s1：天线工作频率上下限对应的空间中电子的截止频率上下限，根据电子截止频率上下限计算出该天线能感知的电子密度的上下限；
6.s2：利用天线与等离子体耦合模型，计算在理论环境下步骤s1中电子密度范围的空间环境中该宽带天线在其工作带宽内的电子密度-频率-天线工作参数数据集a，即基准数据集；数据集的分辨率越高，最终反演得到的空间电子密度精度越高；将计算得到的数据集结果固化到空间飞行器设备中；
7.s3：空间飞行器在轨正常运行后，使用天线发射带宽内不同频率的电磁波时，利用天线系统工作状态监测设备，测量出天线的输入功率和反射功率，根据这两个数据计算即可得到天线在此时的电子密度下的频率-天线工作参数数据集b，即测量数据集；
8.s4：根据步骤s3得到的频率-天线工作参数数据集b与步骤s2中的数据集a中各行进行比对，比对得到的行对应的电子密度值即为实时的空间环境电子密度。但是由于测量误差的存在，步骤s3中的测量的数据天线的输入功率和反射功率存在误差，最终使得步骤s3中的测量数据集b和步骤s2的基准数据集a可能无法完全匹配，此时使用算法进行最优匹配。本步骤使用算法来进行s3中测量数据集b与s2基准数据集a的最优匹配，匹配后的数据即为最优数据。
9.进一步的，所述数据集a为电子密度-频率-回波损耗数据集，所述数据集b为频率-回波损耗数据集。
10.本发明的有益效果是：
11.(1)本发明将可利用空间飞行器自带的天线作为传感器探测空间环境，在天线工作的同时通过监测天线工作数据即可对空间环境进行感知，代替了传统的空间环境探测传感器，节约了星上设备空间资源和能耗资源。
12.(2)本发明实施过程中只需根据监测到的天线工作数据即在已事先在地面计算好的数据表中快速得到空间环境电子密度数据，对于星载设备的计算资源需求极小。
13.(3)本发明考虑到了设备实际工作过程中产生的测量误差而导致最终感知精度误差大的问题，引入了新的算法，可大大提高感知的精度。
14.(4)本发明可通过远程维护更新数据表，可通过调整参数保证设备老化过程中的探测精度，极大增加了维护性，提高了空间飞行器的使用寿命。
附图说明
15.图1是本发明的流程图；
16.图2是步骤s3中的检测电路原理图；
17.图3是匹配的平均误差随测量误差变化图；
18.图4是匹配的误差的标准差随测量误差变化图。
具体实施方式
19.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明技术方案，并不限于本发明。
20.本发明的实施例中的星载天线是指卫星自带的宽带天线，可以发射30khz-3mhz频率的电磁波。
21.本发明的实施例中，如图1所示，首先利用卫星的工作频率范围上下限30khz和3mhz,根据公式：
[0022][0023]
其中n为电子密度，f为天线频率，m为电子质量，ε0为真空中介电常数，e为电子电量。计算出此天线可以感知的电子密度范围为1.13x107m-3
至1.13x10
11
m-3
。
[0024]
在电子密度范围内中取n个点，使用天线与空间环境耦合模型计算在n个电子密度ni(i＝1,2,...n)下的天线工作频率fi(i＝1,2,...m)与回波损耗r
ij
(i＝1,2,...,m)(j＝1,2,...,n)的对应数据，最终得到的基准数据集a如下：
[0025][0026]
将以上数据固化到飞行器中。
[0027]
飞行器在轨运行于空间等离子体中，天线在工作时，宽带天线在带宽30khz-3mhz
扫频发射m个频点频率为fi(i＝1,2,...m)的电磁波，由于此过程时间极短，过程中周围空间环境并未发生变化。天线系统监测天线工作在每个频点电磁波时天线的输入功率和反射功率，这一监测功能是飞行器天线系统自带的，一般采用电桥法实现，如图2所示。在频点fk时天线的输入功率p
ink
和反射功率p
rek
，可以计算得到天线回波损耗rk为：
[0028][0029]
最终整个频段得到的数据集b为：
[0030][0031]
将数据集b与第一步得到的数据集a进行比对，得出电子密度nk(k＝1,2,...,n)即为此时空间环境的电子密度。但由于测量值存在误差，实际上可能无法比对出任何一行nk(k＝1,2,...,n)对应的数据。此时采用以下算法，匹配最接近的一行电子密度对应的数据，即为此时的空间环境的电子密度。
[0032]
算法具体步骤如下：
[0033]
1.重复y次获取数据集b的过程进行相干积累，并将其求平均
[0034][0035]
2.从基准数据集a第一行开始，对a和b中元素做如下运算
[0036][0037]
3.对a的每一列做上述运算，得到每一列的s值
[0038][0039]
4.在s值数组中找出最小的s值，及其标号x
[0040]sx
＝min[s1,s2,...,sn]
[0041]
5.n
x
即为匹配到的最佳空间环境电子密度。
[0042]
根据以上方法匹配到空间环境的电子密度数据，有效滤除了测量误差对最终结果的影响，且可以根据需要选择积累的次数y。
[0043]
图3和图4为对该感知方法进行的仿真，此仿真中m＝298,n＝40。所示经过仿真可知，此算法结果精度很高，即使在测量误差很大的情况下仍然能在一定程度上保证结果的误差控制在一定水平内，在实际使用过程中mn的值可以远大于此，相应的结果精度也会成倍提高。且积累次数越多，最终得到的电子密度精度越高，在飞行器运行一段时间后，设备不可避免会老化，导致测量误差变大，此时可适当提高积累次数，以保证最终结果的精度。
[0044]
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为详细和具体，但不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进以及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种基于宽带天线的空间环境感知方法，其特征在于：包括如下步骤：s1：天线工作频率上下限对应的空间中电子的截止频率上下限，根据电子截止频率上下限计算出该天线能感知的电子密度的上下限；s2：利用天线与等离子体耦合模型，计算在理论环境下步骤s1中电子密度范围的空间环境中该宽带天线在其工作带宽内的电子密度-频率-天线工作参数数据集a，即基准数据集；数据集的分辨率越高，最终反演得到的空间电子密度精度越高；将计算得到的数据集结果固化到空间飞行器设备中；s3：空间飞行器在轨正常运行后，使用天线发射带宽内不同频率的电磁波时，利用天线系统工作状态监测设备，测量出天线的输入功率和反射功率，根据这两个数据计算即可得到天线在此时的电子密度下的频率-天线工作参数数据集b，即测量数据集；s4：根据步骤s3得到的频率-天线工作参数数据集b与步骤s2中的数据集a中各行进行比对，比对得到的行对应的电子密度值即为实时的空间环境电子密度。2.根据权利要求1所述的一种基于宽带天线的空间环境感知方法，其特征在于：所述数据集a为电子密度-频率-回波损耗数据集，所述数据集b为频率-回波损耗数据集。3.根据权利要求1所述的一种基于宽带天线的空间环境感知方法，其特征在于：所述步骤s4中使用算法来进行步骤s3中测量数据集b与步骤s2中基准数据集a的最优匹配。

技术总结
本发明公开了一种基于宽带天线的空间环境感知方法，S1：根据电子截止频率上下限计算出天线能感知的电子密度的上下限；S2：利用天线与等离子体耦合模型，计算在理论环境下S1中电子密度范围的空间环境中该宽带天线在其工作带宽内的电子密度-频率-天线工作参数数据集A，固化到空间飞行器中；S3：空间飞行器在轨正常运行后，使用天线发射带宽内不同频率的电磁波时，利用天线系统工作状态监测设备，测量出天线的输入功率和反射功率，计算得到天线在此时的电子密度下的频率-天线工作参数数据集B；S4：根据数据集B与数据集A中各行进行比对得到的行对应的电子密度值即为实时的空间环境电子密度。本发明节约了星上设备空间资源和能耗资源。耗资源。耗资源。


技术研发人员：赵滋阳 唐荣欣 袁凯 邓晓华 熊嘉伟
受保护的技术使用者：南昌大学
技术研发日：2021.11.08
技术公布日：2022/3/7