CN109543292B - 基于轨道预测的星间链路信号捕获过程的仿真方法 - Google Patents

Abstract

基于轨道预测的星间链路信号捕获过程的仿真方法，它用于卫星通信技术领域。本发明解决了传统仿真方法不能对中、低轨道卫星之间星间链路的信号捕获过程进行准确描述的问题。本发明会考虑用户卫星的运动轨迹的影响，所以基于本发明得到的仿真结果会更加精准，而且本发明的意义还在于，在准确的得到对中、低轨目标的捕获时间和捕获概率之后，可以调整卫星捕获过程中使用的捕获策略，仿真结果具有较强的实际参考价值。本发明可以应用于卫星通信技术领域用。

Description

基于轨道预测的星间链路信号捕获过程的仿真方法

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种星间链路信号捕获过程的仿真方法。

背景技术

在航天通信系统中，跟踪与数据中继卫星系统是为中、低轨道的航天器与航天器之间、航天器与地面站之间提供数据中继、连续跟踪与轨道精确测控服务的系统。跟踪与数据中继卫星系统作为增强空间信息传输能力、提高获取信息的时效性、快速反应能力的重要手段，在世界各航天大国都得到了大力发展。跟踪与数据中继卫星系统建立星间链路的关键技术是“星间目标捕获与跟踪指向控制技术”，中继卫星星间目标捕获跟踪数学仿真是中继卫星系统研究中的重要组成部分，通过数学仿真的手段验证星间链路建立的主要工作过程和技术指标。

跟踪与数据中继卫星携带有天线可以探测中、低轨卫星发射的信号，建立星间链路的过程实质是中继卫星装载的天线与中、低轨的用户卫星装载天线之间对准的过程，当两星之间的天线对准形成星间链路进而可以进行通信。

当中继卫星选择与用户卫星建立链路之前，需要确定两星之间的运动轨迹。当卫星进入预定的轨道之后，卫星在任意时刻相对于地球的位置确定，可以借助地球作为中间分析卫星与卫星之间的运动轨迹。由于一般情况下卫星的运动还需要考虑宇宙环境等因素，所以人为的去分析卫星之间的运动规律变得相对复杂，为了简化这一分析过程，实际分析过程中采用STK软件进行卫星运行轨迹的仿真，仅需要在该软件中导入卫星的运行轨迹的参数便可以得到两星之间每一个时刻的相对位置关系。两星之间的卫星关系一般采用极坐标表示，即每一个实时位置采用方位角、俯仰角和距离表示。

中继卫星选择与用户卫星建立星间链路时需要调整自身的天线指向用户卫星，由于地面站会对每颗卫星进行遥测，所以中继卫星可以对用户卫星的预报得到用户卫星出现的位置，因此中继卫星对用户卫星的搜索由全向空间变成了一定范围内的不确定区域，由于中继卫星天线发射的电磁波束的束散角角度比较小，无法覆盖整个不确定区域，并且用户卫星在这个不确定空间内部随机出现，所以中继卫星需要控制自身天线在该不确定区域内部搜索。不确定区域的影响因素很多，主要为对用户卫星的测定轨道精度引起的指向误差标准差、中继卫星姿态误差引起的指向误差标准差、两星之间天线安装引起的指向误差标准差、天线机构的变形误差等因素引起的指向误差标准差。结合实际的卫星系统可以得到上述误差标准差的具体数据，一般情况下中继卫星的总指向误差为上述误差项的均方和。

天线的搜索策略有多种方式玫瑰曲线扫描、矩形扫描和螺旋扫描方式等，结合扫描方式的实现难度和对卫星平台的扰动，一般选等距等线速螺旋扫描方式。结合具体的扫描方式分析时，一般忽略用户卫星的距离信息，仅仅考虑空间中扫描波束能够覆盖的角度。传统的星间链路捕获过程建模时认为卫星波束在捕获不确定区域内部不发生相对移动，但是在对于中、低轨卫星的捕获过程中，由于中、低轨卫星的实际运动速度较快，导致利用传统仿真方法不能对中、低轨道卫星之间星间链路的信号捕获过程进行准确描述。

发明内容

本发明的目的是为解决利用传统仿真方法不能对中、低轨道卫星之间星间链路的信号捕获过程进行准确描述的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

基于轨道预测的星间链路信号捕获过程的仿真方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、获取用户卫星相对于中继卫星的预测运行轨迹；

步骤二、选择中继卫星采用的扫描方式，并设置扫描的步长因子；

步骤三、利用中继卫星的总指向误差标准差获取中继卫星扫描的不确定区域；

步骤四、根据步骤三确定的中继卫星扫描的不确定区域，再利用步骤二确定的扫描方式和步骤一获取的用户卫星相对于中继卫星的预测运行轨迹，进行蒙特卡洛仿真得到中继卫星对用户卫星的捕获概率和捕获时间。

本发明的有益效果是：本发明的基于轨道预测的星间链路信号捕获过程的仿真方法，相对于传统的星间链路信号捕获过程的仿真过程，本发明会考虑用户卫星的运动轨迹的影响，所以基于本发明得到的仿真结果会更加精准，而且本发明的意义还在于，在准确的得到对中、低轨目标的捕获时间和捕获概率之后，可以调整卫星捕获过程中使用的捕获策略，仿真结果具有较强的实际参考价值。

附图说明

图1是本发明基于轨道预测的星间链路信号捕获过程的仿真方法的流程图；

图2是本发明的等距等线速螺旋扫描策略的示意图；

其中：mrad代表毫弧度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式。本实施方式所述的基于轨道预测的星间链路信号捕获过程的仿真方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、获取用户卫星相对于中继卫星的预测运行轨迹；

步骤二、选择中继卫星采用的扫描方式，并设置扫描的步长因子；

步骤三、利用中继卫星的总指向误差标准差获取中继卫星扫描的不确定区域；

步骤四、根据步骤三确定的中继卫星扫描的不确定区域，再利用步骤二确定的扫描方式和步骤一获取的用户卫星相对于中继卫星的预测运行轨迹，进行蒙特卡洛仿真得到中继卫星对用户卫星的捕获概率和捕获时间。

之前的星间链路捕获过程建模时认为卫星波束在捕获不确定区域内部不发生相对移动，该模型能够对同步轨道和同步轨道卫星之间星间链路建立模型准确描述。但是对于中、低轨卫星的捕获过程中，由于中、低轨卫星运动速度较快，所以之前的模型无法准确的描述这一过程。而本发明的仿真方法有效地弥补了这方面的不足。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一所述的基于轨道预测的星间链路信号捕获过程的仿真方法进行进一步的限定，所述步骤一的具体过程为：

在STK中导入中继卫星和用户卫星的轨道运行参数，并建立中继卫星和用户卫星之间的连接关系，通过STK的建模和计算功能得到用户卫星相对于中继卫星的预测运行轨迹。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一所述的基于轨道预测的星间链路信号捕获过程的仿真方法进行进一步的限定，所述步骤二的具体过程为：选择中继卫星的扫描方式为等距等线速螺旋扫描方式，这里扫描参数只有步长因子一个参数。步长因子的选择与中继卫星发射波束的束散角和平台的抖动有关，

设置扫描的步长因子为I_θ：

I_θ＝θ_b·k_f·(1-k)

其中，I_θ是扫描的步长因子，θ_b是中继卫星扫描波束的束散角度；k_f是伸缩因子，k是叠加覆盖因子。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式三所述的基于轨道预测的星间链路信号捕获过程的仿真方法进行进一步的限定，所述伸缩因子k_f的取值为0.707。

具体实施方式五：本实施方式对实施方式三所述的基于轨道预测的星间链路信号捕获过程的仿真方法进行进一步的限定，所述叠加覆盖因子k的取值为0.341。叠加覆盖因子k用来抵抗平台扰动。

具体实施方式六：本实施方式对实施方式一所述的基于轨道预测的星间链路信号捕获过程的仿真方法进行进一步的限定，所述步骤三的具体过程为：

将用户卫星的测定轨道精度引起的指向误差标准差A₁、中继卫星姿态误差引起的指向误差标准差A₂、中继卫星与用户卫星之间天线安装引起的指向误差标准差A₃和中继卫星与用户卫星之间天线机构的变形误差引起的指向误差标准差A₄做加和运算，得到中继卫星的总指向误差标准差A，其中：A＝A₁+A₂+A₃+A₄；

设置中继卫星扫描的方位角和俯仰角均为[-3A,3A]，根据设置的方位角和俯仰角确定中继卫星扫描的不确定区域。

如图2所示，为根据设置的方位角和俯仰角，利用等距等线速螺旋扫描方式进行扫描的示意图。

具体实施方式七：本实施方式对实施方式一所述的基于轨道预测的星间链路信号捕获过程的仿真方法进行进一步的限定，所述步骤四的具体过程为：

中继卫星的扫描波束的束散角度在中继卫星扫描的不确定区域内覆盖的圆形区域O1的半径为R1，用户卫星在不确定区域内覆盖的圆形区域O2的半径为R2，在扫描的初始时刻，用户卫星覆盖的圆形区域O2的圆心坐标在不确定区域内的分布符合标准的二维正态分布；其出现在不确定区域内部的概率为0.9973；

将步骤一获取的用户卫星相对于中继卫星的预测运行轨迹叠加到用户卫星初始时刻出现的坐标上，则下一时刻用户卫星将继续按照用户卫星相对于中继卫星的预测运行轨迹运行，中继卫星按照步骤二选择的扫描方式和设置的步长因子进行扫描；

设定最大捕获时间为M、捕获次数为N；

在第一次捕获过程中：

若在捕获时间达到最大捕获时间M之前，在时刻M₁第一次出现圆形区域O1的圆心和圆形区域O2的圆心之间的距离小于R1+R2，则判断捕获成功，将捕获成功计数值C加1，同时记录第一次捕获过程的捕获时间为M₁；

若在捕获时间达到最大捕获时间M之前，仍未出现过圆形区域O1的圆心和圆形区域O2的圆心之间的距离小于R1+R2的情况；则继续判断在最大捕获时间M时刻，是否存在圆形区域O1的圆心和圆形区域O2的圆心之间的距离小于R1+R2的情况；

若存在，则判断捕获成功，将捕获成功计数值C加1，同时记录第一次捕获过程的捕获时间为M；若不存在，则判断捕获失败，同时记录第一次捕获过程的捕获时间为M；

同理，按照第一次捕获过程进行第二次捕获，直至捕获次数达到N，得到捕获成功计数值C的值；

将记录的每一次捕获过程的捕获时间做和，得到N次捕获的捕获时间总和m；

则计算捕获概率P为：

计算捕获时间T为：

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于轨道预测的星间链路信号捕获过程的仿真方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、获取用户卫星相对于中继卫星的预测运行轨迹；

步骤二、选择中继卫星采用的扫描方式，并设置扫描的步长因子；

步骤三、利用中继卫星的总指向误差标准差获取中继卫星扫描的不确定区域；

步骤四、根据步骤三确定的中继卫星扫描的不确定区域，再利用步骤二确定的扫描方式和步骤一获取的用户卫星相对于中继卫星的预测运行轨迹，进行蒙特卡洛仿真得到中继卫星对用户卫星的捕获概率和捕获时间。

2.根据权利要求1所述的基于轨道预测的星间链路信号捕获过程的仿真方法，其特征在于，所述步骤一的具体过程为：

在STK中导入中继卫星和用户卫星的轨道运行参数，并建立中继卫星和用户卫星之间的连接关系，通过STK的建模和计算功能得到用户卫星相对于中继卫星的预测运行轨迹。

3.根据权利要求1所述的基于轨道预测的星间链路信号捕获过程的仿真方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：

选择中继卫星的扫描方式为等距等线速螺旋扫描方式，

设置扫描的步长因子为I_θ：

I_θ＝θ_b·k_f·(1-k)

其中，I_θ是扫描的步长因子，θ_b是中继卫星扫描波束的束散角度；k_f是伸缩因子，k是叠加覆盖因子。

4.根据权利要求3所述的基于轨道预测的星间链路信号捕获过程的仿真方法，其特征在于，伸缩因子k_f的取值为0.707。

5.根据权利要求3所述的基于轨道预测的星间链路信号捕获过程的仿真方法，其特征在于，叠加覆盖因子k的取值为0.341。

6.根据权利要求1所述的基于轨道预测的星间链路信号捕获过程的仿真方法，其特征在于，所述步骤三的具体过程为：

将用户卫星的测定轨道精度引起的指向误差标准差A₁、中继卫星姿态误差引起的指向误差标准差A₂、中继卫星与用户卫星之间天线安装引起的指向误差标准差A₃和中继卫星与用户卫星之间天线机构的变形误差引起的指向误差标准差A₄做加和运算，得到中继卫星的总指向误差标准差A，其中：A＝A₁+A₂+A₃+A₄；

设置中继卫星扫描的方位角和俯仰角均为[-3A,3A]，根据设置的方位角和俯仰角确定中继卫星扫描的不确定区域。

7.根据权利要求1所述的基于轨道预测的星间链路信号捕获过程的仿真方法，其特征在于，所述步骤四的具体过程为：

中继卫星的扫描波束的束散角度在中继卫星扫描的不确定区域内覆盖的圆形区域O1的半径为R1，用户卫星在不确定区域内覆盖的圆形区域O2的半径为R2，在扫描的初始时刻，用户卫星覆盖的圆形区域O2的圆心坐标在不确定区域内的分布符合标准的二维正态分布；

将步骤一获取的用户卫星相对于中继卫星的预测运行轨迹叠加到用户卫星初始时刻出现的坐标上，则下一时刻用户卫星将继续按照用户卫星相对于中继卫星的预测运行轨迹运行，中继卫星按照步骤二选择的扫描方式和设置的步长因子进行扫描；

设定最大捕获时间为M、捕获次数为N；

在第一次捕获过程中：

若在捕获时间达到最大捕获时间M之前，在时刻M₁第一次出现圆形区域O1的圆心和圆形区域O2的圆心之间的距离小于R1+R2，则判断捕获成功，将捕获成功计数值C加1，同时记录第一次捕获过程的捕获时间为M₁；

若在捕获时间达到最大捕获时间M之前，仍未出现过圆形区域O1的圆心和圆形区域O2的圆心之间的距离小于R1+R2的情况；则继续判断在最大捕获时间M时刻，是否存在圆形区域O1的圆心和圆形区域O2的圆心之间的距离小于R1+R2的情况；

若存在，则判断捕获成功，将捕获成功计数值C加1，同时记录第一次捕获过程的捕获时间为M；若不存在，则判断捕获失败，同时记录第一次捕获过程的捕获时间为M；

同理，按照第一次捕获过程进行第二次捕获，直至捕获次数达到N，得到捕获成功计数值C的值；

将记录的每一次捕获过程的捕获时间做和，得到N次捕获的捕获时间总和m；

则计算捕获概率P为：

计算捕获时间T为：

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