航天器天线设计技术-任务要求和技术难点

根据有效载荷完成飞行任务的需要，HXMT卫星工作分为巡天工作模式、定点工作模式、小天区观测模式、轨控工作模式和观测目标切换模式。

由于观测任务的不同，HXMT卫星相对于三轴对地稳定姿态的对地遥感观测卫星有较大的不同，特别是卫星工作模式带来的对地姿态的不确定性提高了天线系统的设计难度。复杂的对地姿态对天线的全空间覆盖特性提出了更高的要求。天线系统设计具有以下特点：

（1）卫星姿态的差异

对地遥感卫星即便有侧摆工作模式，也都是三轴对地稳定姿态。而HXMT卫星在巡天工作模式下为-z轴对日定向且卫星围绕+z轴慢旋，通过x向的有效载荷完成巡天观测工作；HXMT卫星在定点观测工作模式下，x向指向定点观测区域。HXMT卫星在主要工作模式下，具有任意的对地姿态。

（2）卫星任务需求

一般对地遥感卫星由于三轴对地稳定，数传都是采用地球匹配赋形波束天线。而HXMT卫星对天观测，呈现星体任意姿态对地，只能采用两个覆盖180°方向的天线，通过波导开关切换选择具体使用的天线来实现对地覆盖，以满足卫星各工作模式下数传的要求。一般低轨卫星GPS天线都采用朝天方向布局，而HXMT卫星由于任意姿态对地，需要GPS天线同旋组阵实现卫星各种工作模式下的GPS定位功能。

因此，根据整星的工作模式，卫星除轨控工作模式外，整星对地为任意姿态，在此情况下实现测控、GPS定位以及对地传输科学观测数据等功能，需要天线系统实现测控天线、GPS天线及数传天线的全空间覆盖。

根据以上特点，天线系统布局如下：

（1）USB测控天线

USB测控天线子系统采用四副天线两两组阵相互补充的方式实现良好的近全空间覆盖，每副天线单元实现半球覆盖波束。以往卫星测控天线多分布在卫星的对天对地面，HXMT卫星载荷安装面（即+x面）设备众多，给天线布局带来较大困难。而HXMT卫星的±z面则具备良好的安装条件。为充分利用±z面资源，进一步提高测控天线的覆盖率，在±z向和±z向倾斜25°各安装一组天线，如图11-20所示。

图11-20　USB测控天线视场分析

（a）±z向测控天线；（b）±z向倾斜25°测控天线(www.xing528.com)

载荷舱+x/+z边和服务舱-x/-z边安装的USB测控天线视场无遮挡。对于±z面USB测控天线，星表凸出的设备会对其半球视场有局部遮挡，太阳翼转动过程中也会短时进入其视场范围，经分析，满足测控分系统使用要求。

（2）GPS天线

GPS天线的设计重点是布局设计。HXMT卫星存在任意的对地姿态，将GPS天线仅布局在卫星的某一个面上已不能完全满足卫星定位需求。为此，考虑在卫星其他面增加天线单元，并以两天线以0°与180°布局组阵的方式提高GPS天线的空间覆盖率，满足捕获到4颗及以上GPS卫星信号后完成实时、精确定位的要求。

卫星共四个GPS天线，布置在服务舱±z面各两个，视场为半球视场。

与±z面USB测控天线一样，星表凸出的设备会对其半球视场有局部遮挡，太阳翼转动过程中会短时进入其视场范围（图11-21）。经分析，其满足测控分系统使用要求。

（3）数传天线

根据总体对数据传输任务的分析，为减小星体及星上载荷对数传天线的影响，选择在±z倾斜20°向安装两个覆盖范围较大的宽角度半球波束天线，通过波导开关单元切换对地数传，保证实现对地全空间覆盖、无须中断观测以完成科学数据下传的任务。

数传天线视场如图11-22所示，数传天线能满足90°半锥角视场无遮挡，达到100°半锥角后，+y及-y侧均受到太阳翼局部遮挡；对于安装在服务舱-x/-z边的数传天线，视场-y方向会受到星体-y侧小遮阳板局部遮挡，而安装在载荷舱+x/+z边的数传天线，会受到X射线光子探头打开的门盖的微小遮挡，+x方向主要受载荷低能探测器局部遮挡。RM星试验结果表明数传天线布局满足使用要求。

图11-21　GPS天线视场分析

图11-22　数传天线视场分析

综合以上分析，HXMT卫星天线系统设计尽可能选用成熟的天线产品，通过合理的工作模式设计以及布局设计，力争以最简化的系统配置，满足卫星对天线分系统的覆盖要求。