CN110838864A - 无人值守的卫星地面站跟踪控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人值守的卫星地面站跟踪控制系统。该系统适用于卫星星座星地通信的任务执行，具体包括轨道预报模块、星地方位角计算模块、伺服控制模块、天线自动归零模块以及故障检测模块。本发明可自动对目标星座中的卫星的轨道数据进行更新并实时预报，并自动控制天线指向实现星地通信增益最佳，任务结束后可自动实现天线指向归零，任务进行期间可进行实时天线指向监控。本发明改变了传统人工值守操纵地面站的工作方式，通信效果最佳，可靠性强。

Description

无人值守的卫星地面站跟踪控制系统
技术领域
本发明属于卫星地面站系统技术，特别是无人值守的卫星地面站跟踪控制系统。
背景技术
在微纳卫星快速发展的今天，尤其微纳卫星星座的快速发展，地面站对目标的卫星自动预报过境时间及天线指向跟踪成为未来星地通信任务的一项基础需求。
无人值守的卫星地面站跟踪控制系统是可以实现对卫星自动过境预报、天线自动跟踪等多功能无人值守的地面跟踪系统。天线自动跟踪控制技术主要涉及卫星过境预报、天线指向角度计算、天线指向控制、控制状态归零、自动监测与报警等步骤。这些技术均属于该系统的关键技术。
目前该类技术发明较为局限在的卫星轨道预报、卫星过境时间的计算以及天线指向装置的设计等方面，多为一星一站的应用范畴，国内业余无线电卫星地面站常用的轨道预报和伺服控制系统有很多，常用的软件有HamRadioDeluxe、Novafor Windows、SatPC32、Orbitron等等，这些软件均是国外的公司开发，使用上会有较多的限制。目前国内外暂时没有天线自动归零功能、故障检测功能的方案出现，而卫星地面站开始星地通联任务时仍需要人员进行一系列前期准备工作以及后期归零操作，不够自动化，更加无法满足现在微小卫星以及微小卫星星座的快速发展的需求。
目前卫星地面站系统技术方面有地面站测量跟踪、地面站天线指向装置等单模块方面的技术，地面站测量跟踪在卫星过境过程中可以较为准确控制天线指向目标卫星，但在卫星入境初始阶段仍需要轨道预测对卫星进行定位，且系统较为复杂庞大。目前国内外地面站多侧重于一站一星测控模式，对于无人值守一站多星系统化技术较为缺乏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无人值守的卫星地面站跟踪控制系统，从而实现无人监控地面站实现对卫星星座多星星地通联任务。
实现本发明目的的技术方案为：一种无人值守的卫星地面站跟踪控制系统，包括：
轨道预报模块，用于定期下载目标卫星的两行根数，对目标卫星的空间位置进行预测，并对卫星入境时间及过境时长进行预报；
星地方位角计算模块，用于卫星过境期间，将目标卫星与地面站的空间位置的指向关系转化为地面站天线对目标卫星的指向参数——俯仰角/水平方向角；
伺服控制模块，用于根据地面站天线对目标卫星的指向参数——俯仰角/水平方向角控制天线进行角度调整实现目标卫星跟踪；
天线自动归零模块，用于目标卫星过境结束，控制天线指向回归初始状态，结束伺服控制模块的工作状态；
故障检测模块，用于实时测量卫星过境时天线的指向状态，并对其指向进行误差判断，当误差大于设定的阈值发出警报。
优选地，所述伺服控制模块包括控制器和旋转器，所述控制器用于发送控制指令给旋转器，旋转器根据控制指令通过调整天线角度保证天线跟踪目标卫星，捕捉卫星信号。
优选地，所述天线自动归零模块在卫星过境结束后，对控制器的控制过程以及控制器的状态进行计算，对比逆向过程归零与直接归零对控制器状态与天线指向归零的能耗最低，并采取能耗最低方法进行控制控制器状态归零。
优选地，所述故障检测模块在跟踪过程中，通过指北针测量天线的指向，当天线的指向与期望指向的角度差值在过境总时长1/10的时间内一直大于5°，即可判定跟踪失败，发出控制异常警报。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明跟踪效果强、通信增益佳、系统可靠性强；(2)本发明能够实现自动定期在线更新用于卫星轨道预测的卫星两行根数，保证卫星轨道预报准确，无需人工更新；(3)本发明能够实现卫星过境后，自动控制天线指向回归初始零状态，实现伺服控制模块工作状态的自动结束，无需人工操作；(4)本发明能够自动实现工作状态时实时对伺服控制模块控制的天线指向进行监测，对天线的实际角度指向与期望角度指向进行判断，如若指向误差超过通过通信增益计算得到的要求误差，即向值守人员发出指向警报。
附图说明
图1是本发明的各主模块工作流程图。
图2是轨道预报模块工作原理图。
图3是轨道预报程序框架示意图。
图4是星地方位角计算模块工作原理图。
图5是星地俯仰角预测结示意图果。
图6是伺服控制模块工作原理图。
图7是天线自动归零模块工作原理图。
图8是故障检测模块工作原理图。
具体实施方式
一种无人值守的卫星地面站跟踪控制系统，包括：
轨道预报模块，用于定期下载目标卫星的两行根数，对目标卫星的空间位置进行预测，并对卫星入境时间及过境时长进行预报；某些实施例中，本模块定期自动通过相关网站下载目标卫星的两行根数，通过精确SGP4轨道预测软件对目标卫星的空间位置进行为期5天的预测，并对卫星入境时间及过境时长进行5天预报。
星地方位角计算模块，用于卫星过境期间，将目标卫星与地面站的空间位置的指向关系转化为地面站天线对目标卫星的指向参数——俯仰角/水平方向角；
伺服控制模块，用于根据地面站天线对目标卫星的指向参数——俯仰角/水平方向角控制天线进行角度调整实现目标卫星跟踪；
天线自动归零模块，用于目标卫星过境结束，控制天线指向回归初始状态，结束伺服控制模块的工作状态；
故障检测模块，用于实时测量卫星过境时天线的指向状态，并对其指向进行误差判断，当误差大于设定的阈值发出警报。
优选地，所述伺服控制模块包括控制器和旋转器，所述控制器用于发送控制指令给旋转器，旋转器根据控制指令通过调整天线角度保证天线跟踪目标卫星，捕捉卫星信号。
优选地，所述天线自动归零模块在卫星过境结束后，对控制器的控制过程以及控制器的状态进行计算，对比逆向过程归零与直接归零对控制器状态与天线指向归零的能耗最低，并采取能耗最低方法进行控制控制器状态归零。
优选地，所述故障检测模块在跟踪过程中，通过指北针测量天线的指向，当天线的指向与期望指向的角度差值在过境总时长1/10的时间内一直大于5°，即可判定跟踪失败，发出控制异常警报。
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种无人值守的卫星地面站跟踪控制系统，：
(1)轨道预报模块，如图2所示，根据通信任务需求，选定目标卫星作为轨道预报模块的输入内容，目标卫星可以是单颗卫星、也可以是多颗卫星。本模块每隔5天自动通过相关网站下载目标卫星的两行根数，或人工点击是否更新目标卫星的两行根数。模块通过精确SGP4轨道预测软件对目标卫星的空间位置进行为期5天的预测，并对卫星入境时间及过境时长进行5天预报。如图3所示，本模块将未来5天的过境时间的卫星位置数据输出给星地方位角计算模块。
(2)星地方位角计算模块，如图4所示，卫星过境前，通过轨道预报模块获取目标卫星的时间与实时空间位置，首先根据获取的目标卫星的两行根数，在SGP4的模型下可求得卫星在惯性坐标系的位置矢量，然后将卫星的位置矢量转换到地固坐标系下，再用地固坐标系下卫星的位置矢量减去地固坐标系下地面站的位置矢量，得到地面站到卫星的矢量在地固坐标系下的表达，然后将这个矢量转换到以地面站为原点的北东地坐标系中，这样转换后的矢量与北东地坐标系的-Z轴的夹角即为地面站天线指向卫星的仰角，矢量在北东地坐标系XOY平面的投影与X轴的夹角即为地面站天线指向卫星的水平角。一天的卫星俯仰角预测结果如图5所示，天线指向参数作为伺服控制模块的输入条件。对于多星跟踪出现过境时间部分重合的问题，本模块根据重合过境的目标卫星过境时长、过境指向角度、历史过境情况、任务需求等加权函数判定优先跟踪目标以及中段跟踪目标情况，同时计算跟踪目标转换过程时中间控制情况，输出时间/天线指向参数用于伺服控制模块以及故障检测模块。
(3)伺服控制模块，如图6所示，主要包括供电设备、控制器、驱动器、伺服机构。本模块接收星地方位角计算模块的时间/天线指向参数后，通过控制器给旋转器发出控制指令，由旋转器带负载(天线)，通过角度调整来保证地面站的天线能够稳定、可靠地跟踪目标卫星。
(4)天线自动归零模块，如图7所示，本模块在完成控制天线跟踪卫星过境任务后，会对控制器的控制过程以及控制器的状态进行计算，对比逆向过程归零与直接归零对控制器状态归零(天线指向归零)的能耗最优，并采取最优方法进行控制控制器状态归零，使天线指向回归初始角度，结束伺服控制模块的工作状态，并便于下次卫星过境使用。
(5)故障检测模块，如图8所示，该模块以星地方位角计算模块的数据作为输入条件，在卫星跟踪以及天线自动归零过程中，该模块实时测量天线的指向参数，并对其指向进行误差判断，如若误差大于要求范围即可向值班人员发出警报。本模块可实现跟踪过程中实时监测天线指向与期望指向的角度偏差，天线的指向通过指北针进行精确测量，当天线的指向与期望指向的角度差值在过境总时长1/10的时间内一直大于5°，即可判定跟踪失败，发出控制异常警报。

Claims (4)

1.一种无人值守的卫星地面站跟踪控制系统，其特征在于，包括：
轨道预报模块，用于定期下载目标卫星的两行根数，对目标卫星的空间位置进行预测，并对卫星入境时间及过境时长进行预报；
星地方位角计算模块，用于卫星过境期间，将目标卫星与地面站的空间位置的指向关系转化为地面站天线对目标卫星的指向参数——俯仰角/水平方向角；
伺服控制模块，用于根据地面站天线对目标卫星的指向参数——俯仰角/水平方向角控制天线进行角度调整实现目标卫星跟踪；
天线自动归零模块，用于目标卫星过境结束，控制天线指向回归初始状态，结束伺服控制模块的工作状态；
故障检测模块，用于实时测量卫星过境时天线的指向状态，并对其指向进行误差判断，当误差大于设定的阈值发出警报。
2.根据权利要求1所述的无人值守的卫星地面站跟踪控制系统，其特征在于，所述伺服控制模块包括控制器和旋转器，所述控制器用于发送控制指令给旋转器，旋转器根据控制指令通过调整天线角度保证天线跟踪目标卫星，捕捉卫星信号。
3.根据权利要求1所述的无人值守的卫星地面站跟踪控制系统，其特征在于，所述天线自动归零模块在卫星过境结束后，对控制器的控制过程以及控制器的状态进行计算，对比逆向过程归零与直接归零对控制器状态与天线指向归零的能耗最低，并采取能耗最低方法进行控制控制器状态归零。
4.根据权利要求1所述的无人值守的卫星地面站跟踪控制系统，其特征在于，所述故障检测模块在跟踪过程中，通过指北针测量天线的指向，当天线的指向与期望指向的角度差值在过境总时长1/10的时间内一直大于5°，即可判定跟踪失败，发出控制异常警报。
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