CN110299938A - 一种适用于低轨卫星的地面测控资源调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种适用于低轨卫星的地面测控资源调度方法，包括：确定主用卫星控制中心SCC和主用测控站TT&C，及备用卫星控制中心SCC和备用测控站TT&C站；利用主用卫星控制中心SCC制定各测控站TT&C的测控计划，并定时发送给各测控站TT&C中的站监控系统MCS；所述各站监控系统MCS在对应卫星控制中心SCC上广播系统的工作状态信息；当卫星进站时，各站监控系统MCS将系统工作模式从Idle切换为TM；在卫星仰角高于设定角度后，各站监控系统MCS通知卫星控制中心SCC和IC进行遥控和测距测速。本发明确保各SCC和TT&C站协同、高效工作，实现对卫星的遥测、遥控和测距测速，完成卫星测控任务。

Description

一种适用于低轨卫星的地面测控资源调度方法

技术领域

本发明属于航天测控的技术领域，涉及一种适用于低轨卫星的地面 测控资源调度方法。

背景技术

一般地，近地卫星地面控制系统GCS包括卫星控制中心SCC和跟踪测量 与控制站TT&C。SCC承担以下任务：

制定卫星的测控计划；处理卫星的遥测数据，监视卫星的工作状态；

根据需要向卫星发送遥控指令，注入遥控数据；利用星上下传的GPS 数据和地面站获取的测距测速及测角数据，确定卫星轨道；对卫星实施必 要的轨道机动操作。

测控站TT&C承担以下任务：

根据测控计划在可见弧段对卫星进行跟踪；接收卫星遥测信号，获取遥 测数据并发送给SCC；接收SCC的遥控指令，调制后发送给卫星；对卫星 测距测速，向SCC提供外测数据。

卫星控制中心SCC与测控站TT&C可以布署在同一站点，也可以分设在 不同地方，如国内的卫星测控系统SCC设在西安，TT&C站在喀什、厦门等。 一个卫星测控系统至少需要一个SCC和一个TT&C站，为了增加系统的可 靠性，并提供容灾备份能力，可以建设多个SCC和多个TT&C站，如巴基 斯坦一号遥感卫星(PRSS-1)在拉合尔(Lahore)和卡拉奇(Karachi)均有 一个SCC和一个TT&C站，且两个地方的SCC和TT&C站布署在同一地面站 内。

SCC系统包括遥测处理及显示软件、遥控操作软件、轨道确定及控制 软件，TT&C站包括天线及跟踪系统、链路系统、基带分系统和站监控分系 统MCS。信息转换接口计算机IC负责处理SCC软件、MCS软件和基带设备 之间的接口信息，根据系统工作模式控制基带完成遥控和测距、测速过程， IC软件可以视作SCC软件的组成部分。基带设备是卫星测控的关键设备， 目前国际上使用的主流测控基带设备是法国ZDS公司研制的Cortex CRT基 带，该设备支持遥测接收多连接，允许多个客户端同时接收遥测数据，遥 控、测距和控制使用不同端口，每个端口仅支持单连接，只有前一个客户 端连接释放后，新的客户端连接才能建立。其它一些型号的测控基带功能 类似。

为了保证卫星安全，同时只允许1个SCC作为主用发送遥控指令， 其它SCC为备用，只处理遥测，监视卫星状态。当主用SCC退出，其它 SCC可以切为主用。对大多数近地卫星，星上测控系统只有一对上下行 频点，因此在同一个时刻，只允许一个站发送上行遥控和测距信号，否 则会造成相互干扰，影响测控。若两个站对卫星的可见弧段有重叠，则 在重叠弧段，一个站可以发送上行信号，该站称为主站，其余站只能接 收遥测，称为备站。因此，当系统有多个SCC和TT&C站情况下，需要 统筹调度各类测控资源，确保系统有序工作而不产生冲突。

发明内容

发明所要解决的课题是，系统有多个SCC和TT&C站情况下，地面站 上行遥控和测距测速信号相互干扰，地面站操作复杂，本发明旨在解决近 地卫星地面测控系统中多卫星控制中心SCC和多测控站的协同工作问题。

用于解决课题的技术手段是，本发明提出一种适用于低轨卫星的地面 测控资源调度方法，通过对SCC和TT&C站资源进行调度，确保各SCC和 TT&C站协同、高效工作，实现对卫星的遥测、遥控和测距测速，完成卫 星测控任务。

一种适用于低轨卫星的地面测控资源调度方法，包括以下步骤： 确定主用卫星控制中心SCC和主用测控站TT&C，及备用卫星控制中心 SCC和备用测控站TT&C站；

利用主用卫星控制中心SCC制定各测控站TT&C的测控计划，并定时发 送给各测控站TT&C中的站监控系统MCS；所述各站监控系统MCS依据 测控计划设置工作参数，并在对应卫星控制中心SCC上广播系统的工作 状态信息；

当卫星进站时，各站监控系统MCS控制天线跟踪卫星及基带完成载波 锁定、位同步和帧同步后，各站监控系统MCS将系统工作模式从Idle 切换为TM；在卫星仰角低于设定角度前，各站监控系统MCS只跟踪卫 星接收遥测，在卫星仰角高于设定角度后，各站监控系统MCS控制对 基带发送扫频单载波信号进行双捕，双捕完成标志从0变为1，且工作 模式变为TM+TC+Ranging，各站监控系统MCS通知对应的卫星控制中心 SCC和信息转换接口计算机IC进行遥控和测距测速；

所述信息转换接口计算机IC根据对应卫星控制中心SCC接收的系统的 工作状态信息选择主用基带，及将本站信息转换接口计算机IC和本站 卫星控制中心SCC绑定后，本站卫星控制中心SCC发送遥控指令给本站 信息转换接口计算机IC；本站信息转换接口计算机IC收到来自本站卫 星控制中心SCC的第一条遥控指令后，寻找工作模式为TM+TC或 TM+TC+Ranging的测控站TT&C，找到后与该站的主用基带在TC端口建 立遥控连接，发送遥控指令；并且，由本站信息转换接口计算机IC把 基带对遥控指令的响应返回给本站卫星控制中心SCC；成功后，本站卫 星控制中心SCC进行遥控作业，一旦站的工作模式变为Idle或TM，本站信息转换接口计算机IC立即释放遥控端口；

所述本站信息转换接口计算机IC判断本站系统工作模式，一旦变为 TM+TC+Ranging或TM+Ranging时，本站信息转换接口计算机IC与本站 的主用基带建立测距连接，控制主用基带发送测距信号；所述主用基带 接收卫星变频转发后的下行测距信号，测量出星地时延，本站信息转换 接口计算机IC同时接收主用基带输出的时延和多普勒频率数据，计算 出星地距离和距离变化率并发送给本站卫星控制中心SCC进行计算卫 星轨道，一旦站的工作模式变为IdIe或TM，本站信息转换接口计算机 IC立即释放测距端口；

在卫星飞出各站监控系统MCS的跟踪范围时控制天线停止跟踪，各站 监控系统MCS将把系统的工作模式设为Idle，等待下一圈次任务。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法还包括利用站监 控系统MCS控制主用和备用测控站TT&C之间的切换。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中本站信息转 换接口计算机IC计算出星地距离和距离变化率同时发送给其他站的信息 转换接口计算机IC，由其他站的信息转换接口计算机IC转发至其站内的 卫星控制中心SCC。

发明效果为：

本发明的地面测控资源调度方法，根据TT&C站系统工作模式和发送 遥控指令指向的信宿，各站的IC自动确定在每圈次测控任务中与基带的遥 控测距端口连接方式，控制主用基带完成遥控和测距测速任务。主用基带 在IC控制下，可以有效避免地面站上行遥控和测距测速信号相互干扰，简 化地面站操作的复杂性，确保对卫星测控安全性和可靠性。

本发明可以有效解决近地卫星地面测控系统中多卫星控制中心SCC和 多测控站的协同工作问题，保证各中心、各测控站协同有序运行，同时实 现主备中心、主备测控站的灵活切换。具有系统设计简单、可靠的优点。 并且，本发明提出的资源调度机制也完全适用于单中心和单测控站的卫星 测控系统。

附图说明

图1为本发明地面测控资源调度方法中遥控信息的流程示意图。

图2为本发明地面测控资源调度方法中测距信息的流程示意图。

具体实施方式

以下，基于附图针对本发明进行详细地说明。

对于有多个卫星控制中心和多个测控站的卫星测控系统，需要协调各中 心和各站的工作模式，以避免相互冲突，影响卫星的测控；本发明设计 了一种适用于低轨卫星的地面测控资源调度方法，对每一圈次卫星测控 任务，规定了各SCC和TT&C站承担的任务，依据任务划分，不同站的 SCC、IC和MCS运行在不同的工作模式，其原理如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1、首先确定主用卫星控制中心SCC和主用测控站TT&C，及备用 卫星控制中心SCC和备用测控站TT&C站；所述主用卫星控制中心SCC 负责发送遥控指令，遥控和测距上行信号通过主用测控站TT&C发送给 卫星。备用SCC和TT&C站只负责接收处理遥测。

步骤2、利用主用卫星控制中心SCC制定后续时间内的各测控站TT&C 的测控计划，并定时发送给各测控站TT&C中的站监控系统MCS；所述 各站监控系统MCS依据测控计划设置测控设备的工作参数，并在对应 卫星控制中心SCC上以1帧/秒的速率广播系统的工作状态信息。

步骤3、当卫星进站时，各站监控系统MCS控制天线跟踪卫星及基带完 成载波锁定、位同步和帧同步后，各站监控系统MCS将系统工作模式 从Idle切换为TM；在卫星仰角低于设定角度5°以前，各站监控系统 MCS只跟踪卫星接收遥测，在卫星仰角高于设定角度5°后，各站监控系 统MCS控制对基带发送扫频单载波信号进行双捕，双捕完成标志从0 变为1，且工作模式变为TM+TC+Ranging，各站监控系统MCS通知对应 的卫星控制中心SCC和信息转换接口计算机IC进行遥控和测距测速；

步骤4、遥控过程的原理如图1所示，所述信息转换接口计算机IC根据 对应卫星控制中心SCC接收的系统的工作状态信息选择主用基带，及将 本站信息转换接口计算机IC和本站卫星控制中心SCC绑定后，本站卫 星控制中心SCC发送遥控指令给本站信息转换接口计算机IC；本站信息 转换接口计算机IC收到来自本站卫星控制中心SCC的第一条遥控指令后，寻找工作模式为TM+TC或TM+TC+Ranging的测控站TT&C，找到后 与该站的主用基带在TC端口建立遥控连接，发送遥控指令；并且，由 本站信息转换接口计算机IC把基带对遥控指令的响应返回给本站卫星 控制中心SCC；成功后，本站卫星控制中心SCC进行遥控作业，一旦站 的工作模式变为Idle或TM，本站信息转换接口计算机IC立即释放遥控 端口；

步骤5、测距过程的原理如图2所示，所述本站信息转换接口计算机IC 判断本站系统工作模式，一旦变为TM+TC+Ranging或TM+Ranging时， 本站信息转换接口计算机IC与本站的主用基带建立测距连接，控制主 用基带发送测距信号；所述主用基带接收卫星变频转发后的下行测距信 号，测量出星地时延，本站信息转换接口计算机IC同时接收主用基带输出的时延和多普勒频率数据，计算出星地距离和距离变化率并发送给 本站卫星控制中心SCC进行计算卫星轨道，一旦站的工作模式变为Idle 或TM，本站信息转换接口计算机IC立即释放测距端口；

优选地，所述本站信息转换接口计算机IC计算出星地距离和距离变化 率同时发送给其他站的信息转换接口计算机IC，由其他站的信息转换接 口计算机IC转发至其站内的卫星控制中心SCC。这样所有卫星控制中心 SCC都会同时获得某个站的测距测速数据。

步骤6、在卫星飞出各站监控系统MCS的跟踪范围时控制天线停止跟踪， 各站监控系统MCS将把系统的工作模式设为Idle，等待下一圈次任务。

并且，所述方法中，还可以利用站监控系统MCS控制主用和备用 测控站TT&C之间的切换。即卫星跟踪过程中，允许切换TT&C主站，

切换由MCS控制。主站切换后，IC软件可以根据各站系统工作模式完 成对卫星的遥控和测距测速任务。

为了验证本发明方法能够将各中心、各测控站协同有序运行，同时实 现主备中心、主备测控站的灵活切换，现列举一个验证例进行说明。

验证例1、

本验证例以巴基斯坦一号遥感卫星(PRSS-1)测控系统为例，说明本发 明的具体实施方案。PRSS-1地面测控系统由伊斯兰堡站(Islamabad)和 卡拉奇站(Karachi)两个地面站组成，两站各有1个卫星控制中心SCC和 1个测控站TT&C，两个SCC分别称为SCC-I和SCC-K，两个测控站TT&C分 别称为TTC-I和TTC-K。两个地面站SCC网络之间通过光纤相连。由于两个 站距离较近，对PRSS-1卫星的大部分飞行圈次，两个站的可见弧段均有较 多重叠，因此必须统筹两个中心和两个站的使用。本验证例的调度方法具 体如下：

1.设置主用卫星控制中心SCC。在SCC应用软件操作界面上，可以 设置使用SCC-I或SCC-K为主用，两者是互斥的，若一个设为主用， 另一个会自动切为备用。设置生效后，会一直有效，直到再次切换。

2.假设以卫星控制中心SCC-I为主用，SCC-I每天定时根据卫星轨 道计算两个站的可见弧段，制定测控计划，并把测控计划发给伊斯兰堡 站的MCS(简称MCS-I)和卡拉奇站的MCS(简称MCS-K)。测控计 划将指定每个圈次主用的测控站TT&C，给出每个站在每一圈次任务开 始时间和结束时间。假设某一圈次使用卡拉奇站TTC-K为主用测控站 TT&C，则伊斯兰堡站TTC-I只能为备站；

3.每个站设置有四种工作模式：空闲(idle)；单收遥测(TM)；遥测+ 遥控(TM+TC)；遥测+测距(TM+Ranging)；遥测+遥控+测距(TM+TC+Ranging)。

卫星进站前，测站处于Idle模式。卫星进站前3分钟，该站的站监控 系统MCS根据引导数据文件控制天线转到指定位置并配置基带等设备的工 作参数，当卫星可见后，天线开始跟踪卫星，地面系统接收卫星的下行遥 测信号。基带完成载波锁定、位同步和帧同步后，系统转入TM模式，信 息转换接口计算机IC开始接收从基带接收解调后的遥测数据帧，发送给卫 星控制中心SCC。备用测控站TT&C将一直处于TM模式。在主用测控站TT&C 卫星相对天线的仰角大于设定的角度5°后，站监控系统MCS开始控制该站 的主用基带，发送上行扫频单载波信号进行双捕。双捕完成后，站监控系 统MCS将根据测控计划切换主站的系统工作模式，一般为TM+TC+Ranging， 也可以为TM+TC或TM+Ranging。

所设定的示例中，卡拉奇站TTC-K工作在TM+TC+Ranging模式，伊斯 兰堡站TTC-I工作在TM模式。

4.若本圈次需要对卫星发送遥控指令或注入遥控数据块，主用的卫星 控制中心SCC-I启动遥控作业，发送遥控指令给伊斯兰堡站的信息转换接口 计算机IC，简称IC-I，IC-I收到SCC-I的第一条指令后，判断TTC-I和TTC-K 中哪个站工作在TM+TC+Ranging或TM+TC模式，本示例TTC-K为主用站， 工作在TM+TC+Ranging模式。IC-I与TTC-K站的主用基带在TC端口建立遥 控TCP/IP连接，把收到的遥控指令发送到TTC-K站的主用基带，经基带调 制后发送给卫星。IC-I接收TTC-K站主用基带返回的遥控响应信息，并转给 SCC-I。遥控信息的流程见图1。

5.IC-I和IC-K(卡拉奇站IC简称)分别判断各站的工作模式和双捕状 态，当某站的工作模式变为TM+TC+Ranging或TM+Ranging模式，则IC将 控制该站主用基带进行测距测速。本示例中TTC-K为主用测控站，则IC-K 在TTC-K站的工作模式切为TM+TC+Ranging或TM+Ranging且双捕完成后， 立即与TTC-K站的主用基带在测距端口建立测距连接，控制TTC-K站的主 用基带发送上行测距信号进行测距。TTC-K站的主用基带接收卫星的下行测 距信号，测出星地时延和卫星的多普勒频率，IC-K从基带读取这些数据， 计算出TTC-K站的星地距离R和距离变化率把R和送给SCC-K，SCC-K 把R和数据存入数据库供定轨使用。IC-K同时把TTC-K站的R和数据送 给伊斯兰堡站的IC(IC-I)，IC-I再送给伊斯兰堡站的SCC即SCC-I，SCC-I将 把TTC-K站的R和数据存入其数据库用于定轨。测距信息流程见图2。

6.假设在卫星跟踪过程中，操作员想把主用测控站TT&C从TTC-K切 换为TTC-I，可以在伊斯兰堡站的MCS即MCS-I上修改TTC-I站的工作模式 为TM+TC+Ranging。确认后，MCS-I将自动通知MCS-K，MCS-K将控制TTC-K 站的基带和功放，停发上行信号，之后将TTC-K站的工作模式切为TM。在 TTC-K站的工作模式变为TM之后，MCS-I控制TTC-I站基带开始发送上行 单载波扫频信号进行双捕，双捕完成后MCS-I将TTC-I站的工作模式从TM 切为TM+TC+Ranging，IC-I将与TTC-I站的主用基带建立遥控和测距连接， 进行遥控和测距。

7.在卫星飞出测站的跟踪范围后，天线停止跟踪，站监控系统MCS 将把系统的工作模式设为Idle，等待下一圈次任务。

综上，本发明提出的SCC与测控站TT&C的资源调度方法，解决了SCC、 MCS、IC和BBE之间信息传输与遥控、测距工作方式，适用于多中心多测 站的近地卫星测控系统，也适用于单中心单测站的卫星测控系统，可以有 效提高系统工作的可靠性和灵活性

需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对 于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若 干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种适用于低轨卫星的地面测控资源调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定主用卫星控制中心SCC和主用测控站TT&C，及备用卫星控制中心SCC和备用测控站TT&C；

利用主用卫星控制中心SCC制定各测控站TT&C的测控计划，并定时发送给各测控站TT&C中的站监控系统MCS；所述各站监控系统MCS依据测控计划设置工作参数，并在对应卫星控制中心SCC上广播系统的工作状态信息；

当卫星进站时，各站监控系统MCS控制天线跟踪卫星及基带完成载波锁定、位同步和帧同步后，各站监控系统MCS将系统工作模式从Idle切换为TM；在卫星仰角低于设定角度前，各站监控系统MCS只跟踪卫星接收遥测，在卫星仰角高于设定角度后，各站监控系统MCS控制对基带发送扫频单载波信号进行双捕，双捕完成标志从0变为1，且工作模式变为TM+TC+Ranging，各站监控系统MCS通知对应的卫星控制中心SCC和信息转换接口计算机IC进行遥控和测距测速；

所述信息转换接口计算机IC根据对应卫星控制中心SCC接收的系统的工作状态信息选择主用基带，及将本站信息转换接口计算机IC和本站卫星控制中心SCC绑定后，本站卫星控制中心SCC发送遥控指令给本站信息转换接口计算机IC；本站信息转换接口计算机IC收到来自本站卫星控制中心SCC的第一条遥控指令后，寻找工作模式为TM+TC或TM+TC+Ranging的测控站TT&C，找到后与该站的主用基带在TC端口建立遥控连接，发送遥控指令；并且，由本站信息转换接口计算机IC把基带对遥控指令的响应返回给本站卫星控制中心SCC；成功后，本站卫星控制中心SCC进行遥控作业，一旦站的工作模式变为Idle或TM，本站信息转换接口计算机IC立即释放遥控端口；

所述本站信息转换接口计算机IC判断本站系统工作模式，一旦变为TM+TC+Ranging或TM+Ranging时，本站信息转换接口计算机IC与本站的主用基带建立测距连接，控制主用基带发送测距信号；所述主用基带接收卫星变频转发后的下行测距信号，测量出星地时延，本站信息转换接口计算机IC同时接收主用基带输出的时延和多普勒频率数据，计算出星地距离和距离变化率并发送给本站卫星控制中心SCC进行计算卫星轨道，一旦站的工作模式变为Idle或TM，本站信息转换接口计算机IC立即释放测距端口；

在卫星飞出各站监控系统MCS的跟踪范围时控制天线停止跟踪，各站监控系统MCS将把系统的工作模式设为Idle，等待下一圈次任务。

2.根据权利要求1所述适用于低轨卫星的地面测控资源调度方法，其特征在于：所述方法还包括利用站监控系统MCS控制主用和备用测控站TT&C之间的切换。

3.根据权利要求1所述适用于低轨卫星的地面测控资源调度方法，其特征在于：所述方法中本站信息转换接口计算机IC计算出星地距离和距离变化率同时发送给其他站的信息转换接口计算机IC，由其他站的信息转换接口计算机IC转发至其站内的卫星控制中心SCC。