CN105721038A - 卫星通信星群系统矩阵测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种卫星通信星群系统矩阵测距方法，其包括：基于预定参数信息，确定卫星通信星群系统中的卫星种类和配置；基于所确定的卫星种类，生成矩阵测距的矩阵表的矩阵行和矩阵列；将卫星通信星群系统中的卫星之间的测距信息存储在矩阵表中的行列交叉位置；从矩阵表中选出部分矩阵行和矩阵列以组成子矩阵，并将子矩阵中存储的测距信息转发传输至对应的地面站以进行后期数据处理。因此，通过本发明，有效实现了测距数据信息的高效存储、传输与处理，方法简便易行，显著节省存储空间，实时性好，可操作性强，并且避免了需要协调多个地面测控站资源的繁琐工作和编排注入测距信息数据格式复杂等潜在的技术与管理风险。

Description

卫星通信星群系统矩阵测距方法

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，涉及在卫星通信星群(多星座)系统中对测距信息进行矩阵式设计的格式化设计方案，更具体地，涉及一种在卫星通信星群系统中对测距信息进行矩阵式格式化设计的卫星通信星群系统矩阵测距方法。

背景技术

卫星通信星群系统是一种由多种通信卫星星座组成的复合卫星通信网络系统，在该系统中，通常包含了地球同步轨道通信卫星星座系统，即同步轨道(Geostationaryorbit，也有写作GeosynchronousOrbit，以下简称为GEO)星座系统，以及非地球同步轨道通信卫星星座系统，即各种中低轨道通信卫星星座系统。在201310078200.4号专利中，描述了一种复合通信卫星星群系统，它包含由三颗地球同步轨道通信卫星所组成的GEO星座系统，以及66颗低地球轨道通信卫星所组成的低轨道(LowEarthOrbit，以下简称为LEO)星座系统。对这样的复合通信卫星星群系统实施测控的运行维护成本通常很高，国外采用通过遍布全球的11个地面信关站对其进行测控的方式，但是这种方式存在一些问题，大面积全球布站往往是以共享地面移动通信信息资源的方式来实现的，因此缺乏专用的测控链路传输信道，使得测控链路的长期可用度下降；此外，不同国家和地区的多个测控地面站难以维持长期实时的链路联系，再加之地球上各种自然灾害频发且分布范围广，受此影响仅靠地面站台网进行测控则存在较大的链路中断的风险。

在201310078200.4号专利中，还给出了一种新颖的卫星星座系统的测控模式，建立并设计了一种专用的可靠性高的测控链路，此链路利用了空间中更高轨道的卫星进行转发传输，即将几颗同步轨道卫星组成天基测控网，在同步轨道卫星与低轨星座卫星之间建立星间链路进行测控，可以有效解决低轨星座卫星测控弧段短的问题，使系统具有更好的测控覆盖率。仅用少数的同步轨道卫星与地面测控站即可完成对数十颗低轨星座卫星以及同步轨道卫星自身的测控，有效解决了复合卫星通信星群网络系统的测控问题。

在对复合卫星通信星群系统进行测控的过程中，获得每颗待测卫星的空间距离信息(即测距信息)非常重要，这些测距信息将用于卫星的高精度的星地距离测量和定位定轨。对于单颗卫星的测距，测距信息可以方便地通过窄带数传信到或测控信道转发传回地面站处理；而对于有着不同通信星座卫星的复合通信卫星星群系统而言，每颗卫星都含有测距信息，例如GEO卫星到地面站的测距信息，LEO卫星到地面站的测距信息，GEO卫星到LEO卫星的测距信息(相对距离)等，如何对这些测距信息进行更加高效地存储、传输和处理是一个关键技术问题，传统的方法是利用遍布全球的多个地面信关站进行测控的方式，不仅需要占用大量地面通信资源，而且缺乏应急等特殊条件下的集中管理，此外，由于中低轨卫星时刻处于高速运动中，像LEO星座卫星以8km/s高速运行，每个地面站只能在极其有限的时间内观测到少数的卫星，随着卫星在不同测控站覆盖区之间相互切换，测距信息的传输方式非常复杂，不利于实时管理。

因此，针对复合卫星通信星群系统需要设计一种全新的测距信息模式，这包括一种新颖的测距信息格式，用来实现测距信息的存储、传输和处理。

然而，在现在技术中，目前的国外卫星综合电子系统的设计理念是采用矩阵式的指令和遥测来完成星上所有测控信息数据流的存储管理，设计了“矩阵测距”的概念，将卫星通信星群系统中的所有测距信息以矩阵的格式进行排布，从而不仅节省了大量的星上测距信息的存储空间开销，而且有利于将这些测距信息进行分包传输与转发，大大提升卫星通信星群系统信息综合管理的能力。然而，现有的各种设计方案中，测距信息数据格式编排复杂，不方便存储传输与处理，因此，急需一种新颖的格式化设计方法来克服现有技术中存在的问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种在卫星通信星群系统中对测距信息进行矩阵式设计的格式化设计方案，解决了传统方法导致的测距信息数据格式编排复杂，不方便存储传输与处理等技术问题，实现了利用高效优化的矩阵化的格式来完成复合卫星通信星群系统中数十颗卫星的测距信息的存储传输与处理。

本发明提供了一种卫星通信星群系统矩阵测距方法，用于在卫星通信星群系统中，对测距信息进行矩阵式格式化设计，其包括以下步骤：步骤一，基于预定参数信息，确定卫星通信星群系统中的卫星种类和配置；步骤二，基于所确定的卫星种类，生成矩阵测距的矩阵表的矩阵行和矩阵列；步骤三，将卫星通信星群系统中的卫星之间的测距信息存储在矩阵表中的行列交叉位置；以及步骤四，从矩阵表中选出部分矩阵行和矩阵列以组成子矩阵，并将子矩阵中存储的测距信息转发传输至对应的地面站以进行后期数据处理。

具体地，在步骤一中，预定参数信息为地球同步轨道通信卫星星座系统与非地球同步轨道通信卫星星座系统。

在步骤二中执行：按照地球同步轨道通信卫星星座系统和非地球同步轨道通信卫星星座系统进行划分；将地球同步轨道通信卫星星座系统中的卫星数量统计并归为一类，作为矩阵表的矩阵行；以及将非地球同步轨道通信卫星星座系统中的卫星数量统计并归为一类，作为矩阵表的矩阵列。

在步骤三中，测距信息为地球同步轨道通信卫星星座系统中的卫星到非地球同步轨道通信卫星星座系统中的卫星之间的测距信息的数据值。

在步骤四中执行：从矩阵表中选出部分矩阵行和矩阵列，以组成子矩阵；将子矩阵的子矩阵列中所存储的数据信息进行单独读取；以及通过处在子矩阵的对应子矩阵行上的地球同步轨道通信卫星星座系统中的一个活多个卫星转发传输给对应的地面站，以进行后期数据处理。

额外地，根据本发明的卫星通信星群系统矩阵测距方法还包括：在非地球同步轨道通信卫星星座系统中，当卫星的轨位发生变动时，对所选的子矩阵进行刷新操作。当卫星的轨位发生变动时，同时还实时对矩阵表中的数据进行刷新操作。

刷新操作由两个基本操作函数进程构成，其中，两个基本操作函数进程为注册函数进程和注销函数进程。注销函数进程为将满足注销条件的卫星所对应的测距信息从当前的子矩阵中删除，以及注册函数进程为将满足注册条件的卫星所对应的测距信息存入当前的子矩阵中。注销函数进程与注册函数进程一一对应，以确保不丢失每一颗卫星的测距信息，以及子矩阵的选择并不影响地球同步轨道通信卫星星座系统中的卫星具备转发传输矩阵表的能力。

因此，与现有技术相比，本发明具有以下优势：

(1)本通过天基测控与天地一体化的网络测控通信模式对复合卫星通信星群系统的各种通信卫星实施测距作业，采用矩阵式的测距信息格式化方法，有效实现了测距数据信息的高效存储、传输与处理，方法简便易行，显著节省存储空间，实时性好，可操作性强；以及

(2)仅用少量星上或地面测控站资源，即，每个子矩阵仅用一个地面测控站即可实现测距数据信息的双向传输，避免了传统技术中利用多个地面测控站台网联合操作实施测距过程中需要协调多个地面测控站资源的繁琐工作和编排注入测距信息数据格式复杂等潜在的技术与管理风险。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的卫星通信星群系统矩阵测距方法的流程图；

图2为本发明具体实施方式的复合卫星通信星群网络系统的结构示意图；以及

图3为本发明具体实施方式的刷新操作函数进程关系的示意图。

具体实施方式

本发明设计了一种在卫星通信星群系统中，对测距信息进行矩阵式设计的格式化设计方案，能够对复合卫星通信星群系统中的所有卫星的测距数据信息进行实时而高效的存储、传输与处理。

应了解，本发明的卫星通信星群系统矩阵测距信息格式设计方法包括步骤如下：

(1)确定卫星通信星群系统的卫星种类及配置；

(2)按照地球同步轨道通信卫星星座系统与非地球同步轨道通信卫星星座系统来划分，生成矩阵测距的矩阵行和矩阵列；

(3)将星群系统中卫星到卫星的测距信息存储在矩阵表中对应的行列交叉位置处；

(4)将矩阵表中对应的某些行、列组成一个子矩阵，将该子矩阵所存储的信息转发传输给相应的地面站进行后期数据处理；

(5)在非地球同步轨道通信卫星星座中，卫星轨位发生变动时，将对(4)中的子矩阵进行刷新操作，刷新操作由两种基本操作函数(进程)构成——注册函数和注销函数。

其中，卫星通信星群系统的卫星种类及配置，应按照地球同步轨道通信卫星星座系统与非地球同步轨道通信卫星星座系统来划分。将地球同步轨道通信卫星星座系统中的卫星数量统计并归为一类，作为生成矩阵测距表的矩阵行向量；将非地球同步轨道通信卫星星座系统中的卫星数量统计并归为另一类，作为生成矩阵测距表的矩阵列向量。

矩阵表中对应的行列交叉位置点处将用来存储星群系统中卫星到卫星的测距信息，即地球同步轨道通信卫星星座系统中的某一颗卫星到非地球同步轨道通信卫星星座系统中的某一颗卫星的测距信息数据值。

将矩阵表中对应的某些行、列组成一个子矩阵，是指将这些子列所存储的数据信息进行单独读取出来，并通过处在子矩阵对应行上的地球同步轨道通信卫星星座系统中的某一颗(或几颗)卫星转发传输给相应的地面站进行后期数据处理。

在非地球同步轨道通信卫星星座中，卫星轨位时刻都在发生变动，这时需要实时对矩阵表中的数据和子矩阵表中的数据进行刷新操作，刷新操作由两种基本操作函数(进程)构成——注册函数和注销函数。刷新操作的具体步骤如下：

注销函数进程——将满足注销条件的卫星所对应的测距信息从当前子矩阵中删除；以及

注册函数进程——将满足注册条件的卫星所对应的测距信息存入当前子矩阵中。

下面结合附图1-3及具体实施方式对本发明进行详细说明。具体地，图1为卫星通信星群系统矩阵测距方法的流程图，图2为复合卫星通信星群网络系统的结构示意图，图3为刷新操作函数进程关系的示意图。

如图1所示，卫星通信星群系统矩阵测距信息格式设计方法步骤如下。

确定卫星通信星群系统的卫星种类及配置——将卫星通信星群系统的卫星分成两种类型，即，地球同步轨道通信卫星星座系统卫星与非地球同步轨道通信卫星星座系统卫星。

按照地球同步轨道通信卫星星座系统与非地球同步轨道通信卫星星座系统来划分，生成矩阵测距的矩阵行和矩阵列——如图2所示，将地球同步轨道通信卫星星座系统中的卫星数量统计并归为一类，作为生成矩阵测距表的矩阵行向量，记作R_XX，其中，XX表示矩阵表的行地址，范围从0起始，将非地球同步轨道通信卫星星座系统中的卫星数量统计并归为另一类，作为生成矩阵测距表的矩阵列向量，记作C_YY，其中，YY表示矩阵表的列地址，范围从0起始。

该矩阵表普遍具有形如以下公式1的格式：

公式1

在公式(1)中，设XX的范围为[0，M-1]，表示统计一共M颗地球同步轨道通信卫星星座系统卫星，设YY的范围为[0，N-1]，表示统计每一颗地球同步轨道通信卫星星座系统卫星覆盖区内一共N颗地球非同步轨道通信卫星星座系统卫星，因此统计星群中一共M×N颗地球非同步轨道通信卫星星座系统卫星。

矩阵表中对应的行列交叉位置点处将用来存储星群系统中卫星到卫星的测距信息——即，地球同步轨道通信卫星星座系统中的某一颗卫星到非地球同步轨道通信卫星星座系统中的某一颗卫星的测距信息数据值，在矩阵表中以元素符号p_XY表示，p_XY数据值可以是单纯的距离绝对值(实数)，也可以是含有角度(俯仰角、偏航角)信息的距离矢量(复数)，具体应用可视实际地面测控业务需求而定。

将矩阵表中对应的某些行、列组成一个子矩阵——将这些子列所存储的数据信息进行单独读取出来，并通过处在子矩阵对应行上的地球同步轨道通信卫星星座系统中的某一颗(或几颗)卫星转发传输给相应的地面站进行后期数据处理。将公式(1)中的矩阵表作行列式分解，可以得到若干子矩阵表，一种典型的子矩阵表具有形如以下公式2、公式3、和公式4的格式：

$\left[\begin{array}{cccccc}& C_0& C_1& C_2& ...& C_{N-1}\\ R_0& p_{\mathrm{0,0}}& p_{\mathrm{0,1}}& p_{\mathrm{0,2}}& ...& p_{0,N-1}\end{array}\right]\⇔E_1$ 公式2

$\left[\begin{array}{cccccc}& C_0& C_1& C_2& ...& C_{N-1}\\ R_1& p_{\mathrm{1,0}}& p_{\mathrm{1,1}}& p_{\mathrm{1,2}}& ...& p_{1,N-1}\\ R_2& p_{\mathrm{2,0}}& p_{\mathrm{2,1}}& p_{\mathrm{2,2}}& ...& p_{2,N-1}\end{array}\right]\⇔E_2$ 公式3

$\left[\begin{array}{cccccc}& C_0& C_1& C_2& ...& C_{N-1}\\ R_{M-1}& p_{M-\mathrm{1,0}}& p_{M-\mathrm{1,1}}& p_{M-\mathrm{1,2}}& ...& p_{M-1,N-1}\end{array}\right]\⇔E_3$ 公式4

在以上公式中，E₁表示第一块子矩阵对应行上的地球同步轨道通信卫星星座系统中的一颗GEO卫星转发传输给编号为E₁的地面站进行后期数据处理。E₂表示第二块子矩阵对应行上的地球同步轨道通信卫星星座系统中的两颗GEO卫星转发传输给编号为E₂的地面站进行后期数据处理，E3表示方式与E1类似。

应注意，在以上的计算过程中，有几点约束条件如下：

1)基于公式1定义的划分子矩阵的操作仅限于按行划分块而不支持按列划分块；

2)划分子矩阵的操作并不影响地球同步轨道通信卫星星座系统中的某一颗(或所有卫星)具备转发传输整张矩阵表的能力。

在非地球同步轨道通信卫星星座中，需要实时对子矩阵进行刷新操作——如图3所示，刷新操作由两种基本操作函数(进程)构成——注册函数和注销函数。

具体地，刷新操作的具体步骤如下：

注销函数进程——从地球同步轨道通信卫星星座系统中的某一颗中读取星历信息表，从中找出对应子矩阵中某一列(或某几列)所对应的非地球同步轨道通信卫星星座系统中的某一颗(或某几颗)卫星是否已脱离当前地球同步轨道通信卫星星座系统(天基测控网络)的覆盖区，如果是，将这些卫星所对应的测距信息从当前子矩阵中删除；

注册函数进程——从地球同步轨道通信卫星星座系统中的某一颗中读取星历信息表，从中找出对应子矩阵中某一列(或某几列)所对应的非地球同步轨道通信卫星星座系统中的某一颗(或某几颗)卫星是否已进入当前地球同步轨道通信卫星星座系统(天基测控网络)的覆盖区，如果是，将这些卫星所对应的测距信息存入当前子矩阵中。

在刷新操作过程中，为不丢失每一颗卫星的测距信息，每一组注销与注册进程操作都是一一对应的，即在某一个子矩阵表中被注销的卫星测距信息必须同时被注册在另一个子矩阵表中，反之亦然。

可知，基于公式1-公式4中的实例，典型的子矩阵表刷新操作具有形如以下公式5、公式6、和公式7的格式：

$\left[\begin{array}{cccccc}& C_0& C_1& C_2& ...& C_{N-1}\\ R_0& p_{\mathrm{0,0}}& p_{\mathrm{0,1}}& p_{\mathrm{0,2}}& ...& p_{0,N-1}\end{array}\right]\→\left[\begin{array}{cccccc}& C_0& C_1& C_2& ...& C_{N-1}\\ R_0& p_{\mathrm{0,0}}& p_{\mathrm{1,1}}& p_{\mathrm{0,2}}& ...& p_{0,N-1}\end{array}\right]$ 公式5

$\left[\begin{array}{cccccc}& C_0& C_1& C_2& ...& C_{N-1}\\ R_1& p_{\mathrm{1,0}}& p_{\mathrm{1,1}}& p_{\mathrm{1,2}}& ...& p_{1,N-1}\\ R_2& p_{\mathrm{2,0}}& p_{\mathrm{2,1}}& p_{\mathrm{2,2}}& ...& p_{2,N-1}\end{array}\right]\→\left[\begin{array}{cccccc}& C_0& C_1& C_2& ...& C_{N-1}\\ R_1& p_{\mathrm{1,0}}& p_{\mathrm{0,1}}& p_{\mathrm{1,2}}& ...& p_{1,N-1}\\ R_2& p_{\mathrm{2,0}}& p_{\mathrm{2,1}}& p_{\mathrm{2,2}}& ...& p_{2,N-1}\end{array}\right]$ 公式6

$\left[\begin{array}{cccccc}& C_0& C_1& C_2& ...& C_{N-1}\\ R_{M-1}& p_{M-\mathrm{1,0}}& p_{M-\mathrm{1,1}}& p_{M-\mathrm{1,2}}& ...& p_{M-1,N-1}\end{array}\right]\→\left[\begin{array}{cccccc}& C_0& C_1& C_2& ...& C_{N-1}\\ R_{M-1}& p_{M-\mathrm{1,0}}& p_{M-\mathrm{1,1}}& p_{M-\mathrm{1,2}}& ...& p_{M-1,N-1}\end{array}\right]$ 公式7

在以上公式中，元素p_0，1和元素p_1，1的地址发生了交换，即元素p_0，1对应的卫星的测距信息从第一块子矩阵“切换到”第二块子矩阵中存储，元素p_1，1从第二块子矩阵“切换到”第一块子矩阵中存储，第三块子矩阵中没有发生刷新操作。表明这种刷新操作反映在矩阵表中实质可抽象为元素的位置交换。

注意，本发明中所涉及的方法以201310078200.4号专利中所描述的卫星通信星群系统为基础模型，并进行了改进，从而验证了矩阵测距信息格式化设计所带来的系统性能优势。在该模型中，取M＝3，N＝22，由此生成一个3×22阶矩阵测距信息数据表，占用的系统存储资源空间大约为66单位；传统方法要求每个地面站都存储所有卫星的(每轨道面还需额外增加1颗备份星的数据)测距数据信息，因此需要216单位(3×72)。可见，本发明方法节省了近70％的系统存储空间，显著节省了星上/地面存储资源。

综上所述，通过本发明，采用矩阵式的测距信息格式化方法，有效实现了测距数据信息的高效存储、传输与处理，方法简便易行，显著节省存储空间，实时性好，可操作性强，并且避免了传统技术中利用多个地面测控站台网联合操作实施测距过程中需要协调多个地面测控站资源的繁琐工作和编排注入测距信息数据格式复杂等潜在的技术与管理风险。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种卫星通信星群系统矩阵测距方法，用于在卫星通信星群系统中，对测距信息进行矩阵式格式化设计，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，基于预定参数信息，确定所述卫星通信星群系统中的卫星种类和配置；

步骤二，基于所确定的卫星种类，生成矩阵测距的矩阵表的矩阵行和矩阵列；

步骤三，将所述卫星通信星群系统中的卫星之间的测距信息存储在所述矩阵表中的行列交叉位置；以及

步骤四，从所述矩阵表中选出部分矩阵行和矩阵列以组成子矩阵，并将所述子矩阵中存储的测距信息转发传输至对应的地面站以进行后期数据处理。

2.根据权利要求1所述的卫星通信星群系统矩阵测距方法，其特征在于，在所述步骤一中，

所述预定参数信息为地球同步轨道通信卫星星座系统与非地球同步轨道通信卫星星座系统。

3.根据权利要求2所述的卫星通信星群系统矩阵测距方法，其特征在于，在所述步骤二中执行：

按照所述地球同步轨道通信卫星星座系统和所述非地球同步轨道通信卫星星座系统进行划分；

将所述地球同步轨道通信卫星星座系统中的卫星数量统计并归为一类，作为所述矩阵表的所述矩阵行；以及

将所述非地球同步轨道通信卫星星座系统中的卫星数量统计并归为一类，作为所述矩阵表的矩阵列。

4.根据权利要求2所述的卫星通信星群系统矩阵测距方法，其特征在于，在所述步骤三中，

所述测距信息为所述地球同步轨道通信卫星星座系统中的卫星到所述非地球同步轨道通信卫星星座系统中的卫星之间的测距信息的数据值。

5.根据权利要求2所述的卫星通信星群系统矩阵测距方法，其特征在于，在所述步骤四中执行：

从所述矩阵表中选出所述部分矩阵行和矩阵列，以组成所述子矩阵；

将所述子矩阵的子矩阵列中所存储的数据信息进行单独读取；以及

通过处在所述子矩阵的对应子矩阵行上的所述地球同步轨道通信卫星星座系统中的一个活多个卫星转发传输给对应的地面站，以进行后期数据处理。

6.根据权利要求2所述的卫星通信星群系统矩阵测距方法，其特征在于，还包括：

在所述非地球同步轨道通信卫星星座系统中，当卫星的轨位发生变动时，对所选的子矩阵进行刷新操作。

7.根据权利要求6所述的卫星通信星群系统矩阵测距方法，其特征在于，还包括：

当所述卫星的轨位发生变动时，同时还实时对所述矩阵表中的数据进行刷新操作。

8.根据权利要求6或7所述的卫星通信星群系统矩阵测距方法，其特征在于，所述刷新操作由两个基本操作函数进程构成，

其中，所述两个基本操作函数进程为注册函数进程和注销函数进程。

9.根据权利要求8所述的卫星通信星群系统矩阵测距方法，其特征在于，

所述注销函数进程为将满足注销条件的卫星所对应的测距信息从当前的子矩阵中删除，以及

所述注册函数进程为将满足注册条件的卫星所对应的测距信息存入当前的子矩阵中。

10.根据权利要求9所述的卫星通信星群系统矩阵测距方法，其特征在于，

所述注销函数进程与所述注册函数进程一一对应，以确保不丢失每一颗卫星的测距信息，以及

所述子矩阵的选择并不影响所述地球同步轨道通信卫星星座系统中的卫星具备转发传输所述矩阵表的能力。