CN109379126A - 一种适用于集群航天器的间接测控方法 - Google Patents

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樊程广
赵勇
白玉铸
宋新
陈小前
陈利虎
绳涛
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Abstract

本发明提供了一种适用于集群航天器的间接测控方法，集群航天器内的所有卫星之间通过空间无线网络实现信息互联；在任一时刻，在集群航天器内的所有卫星中选择其中一个卫星作为接入卫星，接入卫星与地面测控站之间保持一条工作状态的天地链路，接入卫星之外的其他卫星与地面测控站之间的天地链路处于休眠状态；集群航天器内的所有卫星之间的星间链路处于工作状态。本发明其通过空间无线网络实现集群航天器之间的信息互联，通过单一的星地链路和空间无线网络相配合实现集群航天器的遥测和遥控，即间接遥测、间接遥控。本发明为集群航天器多星同时测控提供了一个很好的解决方案。

Description

一种适用于集群航天器的间接测控方法
技术领域
本发明涉及一种航天器测控技术领域，尤其是涉及一种适用于集群航天器的间接测控方法。
背景技术
以集群方式开展空间任务是空间系统发展的趋势。集群航天器是指由分布在临近轨道上的若干颗卫星组成、围绕同一任务、协同开展工作的新概念航天器。相对于传统的单颗卫星，集群航天器在测量基线、灵活性、生存能力等方面具有明显优势，近年来已经成为国内外航天领域研究的热点。
集群航天器的出现为航天测控带来了新的挑战。测控是航天器在轨运行阶段的重要工作，其作用是对航天器的飞行轨道、姿态及其上的设备进行跟踪测量与控制，保证航天器按照设计要求运行，完成规定的航天任务。航天器测控工作主要包括距离测量、速度测量、角度测量、遥测和遥控。
测距、测速和测角主要通过载波测量和脉冲雷达完成，主要用于航天器的轨道确定。航天器遥测是在航天器上对其内部和外部有关对象的参数进行测量，将测量结果通过无线电链路传送至地面接收点，经有关处理后按要求送至用户的一种远距离测量手段。它对于了解掌握航天器工作状态、工作环境和各分系统工作情况，以便更好的组织航天器管理活动，确保其正常运行，起着重要作用。航天器遥控是指将指令处理后通过无线电链路上传至航天器，由航天器接收、处理然后执行的一种远距离控制手段。
现在的航天测控系统基本是针对单星设计的，即对同一个地面站，同一时刻只有一颗卫星过顶。这种传统的测控方式在应对单星测控时是没有问题的，但应用于集群航天器则不行，这是由集群航天器的特点引起的。集群航天器间的距离较近，通常分布在几十公里的范围内。通常地面测控站天线的波束角为2度，在2000km的距离，其覆盖范围将达70km，这意味者天线波束将可能同时覆盖多颗卫星。目前国家测控网均采用USB测控体制，在这种情况下，由于同频干扰，地面站将不能对卫星集群进行正常测控(如图1所示)。
传统的测控方法不能解决多星同时测控问题。一种解决方法是分时测控，令不同卫星的USB应答机在不同时间段开启发射机，由于每一轨的测控时间有限(10分钟左右)，在集群内卫星数量较多时，完成USB应答机开机指令盲发、无线信号捕获、遥测数据接收、遥控指令发送、卫星跟踪切换等工作并不现实。另一种方法是为每颗卫星分配不同频段，地面通过多套测控系统分别对集群内不同的卫星实施跟踪测控，由于一个集群内的卫星数量可能从几颗至数十颗不等，在测控资源日益紧张的情况下，这种方式代价高昂。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种适用于集群航天器的间接测控方法。
本发明采用的技术方案是：
一种适用于集群航天器的间接测控方法，集群航天器内的所有卫星之间通过空间无线网络实现信息互联；
在任一时刻，在集群航天器内的所有卫星中选择其中一个具有星地通信能力的卫星作为接入卫星，接入卫星与地面测控站之间保持一条工作状态的天地链路，接入卫星之外的其他卫星与地面测控站之间的天地链路处于休眠状态；集群航天器内的所有卫星之间的星间链路处于工作状态；
集群航天器内的所有卫星均具有卫星网段的唯一网络地址，接入卫星在空间无线网络内广播自己的地址，接入卫星之外的其他卫星接收并记录接入卫星的地址；地面测控站具有属于地面设备网段的唯一网络地址；
集群航天器内的除接入卫星之外的其他卫星通过星间网络将遥测数据传给接入卫星，接入卫星检查目的地址，如果为地面设备网段内的网络地址，则将遥测数据通过接入卫星与地面测控站之间保持的一条工作状态的天地链路下传；
地面测控站将需要发送的遥控指令通过接入卫星转发给集群航天器内的其它卫星；接入卫星检查上行指令中的目的地址，如果不为接入卫星的本机地址，则将数据包在空间无线网内转发。
本发明中：空间无线网络的具体形式没有要求，可以使用自组织网络，也可以通过地面配置建立。空间无线网络可以使用多跳通信，也可以使用单跳通信。
本发明中：集群航天器内的卫星之间的星间通信采用全向天线，降低卫星姿控和天线指向控制精度的要求。
本发明中：集群航天器采取异构化设计，其中：接入卫星具有比其他卫星大的质量、天线和发射功率，除接入卫星之外的其他卫星只需要具有维持星间通信的能力。
本发明中：接入卫星的轨道数据(位置、速度等信息)由地面测控站之间测量，集群航天器内的其他卫星的轨道数据通过融合卫星星载导航设备(GPS、北斗)数据和接入卫星的轨道数据得到，或者通过星间相对位置测量并计算得到。
本发明中：在集群航天器中如有多颗即有星地通信能力的卫星，接入卫星通过在集群航天器的多颗具有星地通信能力的卫星之间自主选举产生，或者由地面测控站指定。如果集群航天器中只有一颗卫星具备星地通信能力，则由该卫星作为接入卫星。
本发明的有益技术效果：
本发明其通过空间无线网络实现集群航天器之间的信息互联，通过单一的星地链路和空间无线网络相配合实现集群航天器的遥测和遥控，即间接遥测、间接遥控。
本发明为集群航天器多星同时测控提供了一个很好的解决方案，目前还没有见到类似的方案公开。
附图说明
图1为现有技术中同频干扰导致无法正常测控的场景图
图2为本发明通过空间自组织网络实现集群飞行的间距测控的场景图
具体实施方式
如图2所示，本发明提供一种适用于集群航天器的间接测控方法，集群航天器内的所有卫星之间通过空间无线网络实现信息互联；
在任一时刻，在集群航天器内的所有卫星中选择其中一个具有星地通信能力的卫星作为接入卫星，接入卫星与地面测控站之间保持一条工作状态的天地链路，接入卫星之外的其他卫星与地面测控站之间的天地链路处于休眠状态；集群航天器内的所有卫星之间的星间链路处于工作状态；
集群航天器内的所有卫星均具有卫星网段的唯一网络地址，接入卫星在空间无线网络内广播自己的地址，接入卫星之外的其他卫星接收并记录接入卫星的地址；地面测控站具有属于地面设备网段的唯一网络地址；
集群航天器内的除接入卫星之外的其他卫星通过星间网络将遥测数据传给接入卫星，接入卫星检查目的地址，如果为地面设备网段内的网络地址，则将遥测数据通过接入卫星与地面测控站之间保持的一条工作状态的天地链路下传；
地面测控站将需要发送的遥控指令通过接入卫星转发给集群航天器内的其它卫星；接入卫星检查上行指令中的目的地址，如果不为接入卫星的本机地址，则将数据包在空间无线网内转发。
本发明中：空间无线网络的具体形式没有要求，可以使用自组织网络，也可以通过地面配置建立。空间无线网络可以使用多跳通信，也可以使用单跳通信。
本发明中：由于集群航天器内的卫星之间的距离较近(一般为几十公里)因此集群航天器内的卫星之间的星间通信可采用全向天线，降低卫星姿控和天线指向控制精度的要求。
本发明中：集群航天器可以采取异构化设计，其中：接入卫星具有比其他卫星大的质量、天线和发射功率，除接入卫星之外的其他卫星只需要具有维持星间通信的能力，从而降低集群航天器的总成本。在本发明中，接入卫星和与地面测控站之间保持一条工作状态的天地链路。卫星距地球的距离数百公里甚至更远。为了实现星地通信，接入卫星的天线需要有足够的增益、接收机有足够的灵敏度、发射机有足够的发射功率，高增益天线一般是定向的，体积、质量较大。星地高速通信的发射功率可达到上百瓦甚至更高。因此，高速星地通信只能在较大的卫星上使用，因此要求接入卫星具有比其他卫星大的质量、天线和发射功率。
本发明中：接入卫星的轨道数据(位置、速度等信息)由地面测控站之间测量，集群航天器内的其他卫星的轨道数据通过融合卫星星载导航设备(GPS、北斗)数据和接入卫星的轨道数据得到，或者通过星间相对位置测量并计算得到。
本发明中：接入卫星可以通过在集群航天器的多颗具有星地通信能力的卫星之间自主选举产生，也可以由地面测控站指定。接入卫星必须具有星地通信能力，如果集群中只有一颗卫星具备星地通信能力，则只能由该卫星作为接入卫星。
以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于集群航天器的间接测控方法，其特征在于：集群航天器内的所有卫星之间通过空间无线网络实现信息互联；
在任一时刻，在集群航天器内的所有卫星中选择其中一个具有星地通信能力的卫星作为接入卫星，接入卫星与地面测控站之间保持一条工作状态的天地链路，接入卫星之外的其他卫星与地面测控站之间的天地链路处于休眠状态；集群航天器内的所有卫星之间的星间链路处于工作状态；
集群航天器内的所有卫星均具有卫星网段的唯一网络地址，接入卫星在空间无线网络内广播自己的地址，接入卫星之外的其他卫星接收并记录接入卫星的地址；地面测控站具有属于地面设备网段的唯一网络地址；
集群航天器内的除接入卫星之外的其他卫星通过星间网络将遥测数据传给接入卫星，接入卫星检查目的地址，如果为地面设备网段内的网络地址，则将遥测数据通过接入卫星与地面测控站之间保持的一条工作状态的天地链路下传；
地面测控站将需要发送的遥控指令通过接入卫星转发给集群航天器内的其它卫星；接入卫星检查上行指令中的目的地址，如果不为接入卫星的本机地址，则将数据包在空间无线网内转发。
2.根据权利要求1所述的适用于集群航天器的间接测控方法，其特征在于：空间无线网络使用自组织网络，或者通过地面配置建立。
3.根据权利要求1所述的适用于集群航天器的间接测控方法，其特征在于：空间无线网络使用多跳通信或者使用单跳通信。
4.根据权利要求1所述的适用于集群航天器的间接测控方法，其特征在于：集群航天器内的卫星之间的星间通信采用全向天线。
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的适用于集群航天器的间接测控方法，其特征在于：集群航天器采取异构化设计，其中：接入卫星具有比其他卫星大的质量、天线和发射功率，除接入卫星之外的其他卫星只需要具有维持星间通信的能力。
6.根据权利要求1所述的适用于集群航天器的间接测控方法，其特征在于：接入卫星的轨道数据由地面测控站测量；
集群航天器内的其他卫星的轨道数据通过融合卫星星载导航设备数据和接入卫星的轨道数据得到，或者通过星间相对位置测量并计算得到。
7.根据权利要求1所述的适用于集群航天器的间接测控方法，其特征在于：在集群航天器中如有多颗即有星地通信能力的卫星，接入卫星通过在集群航天器的多颗具有星地通信能力的卫星之间自主选举产生，或者由地面测控站指定。
8.根据权利要求1所述的适用于集群航天器的间接测控方法，其特征在于：如果集群航天器中只有一颗卫星具备星地通信能力，则由该卫星作为接入卫星。
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