CN110838865A - 一种基于云服务器的立方星无人值守测控系统及测控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于云服务器的立方星无人值守测控系统及测控方法，测控系统包括天线分系统、基带分系统、运行管理分系统。运行管理系统根据卫星轨道参数预报卫星过境时间，并将卫星过境时刻及方位提前告诉给天线分系统；在卫星过境时，天线分系统控制测控站天线指向卫星，并将接收到的信号传输给基带分系统；信号经过基带分系统处理后，将数据传递给运行管理分系统进行显示分析，最后将本次接收到的数据上传到运行管理系统的服务器上进行存档。本发明解决了传统测控站操作复杂，数据存档回访困难的问题，实现对卫星的自动跟踪、地面站的远程操控及数据的存档与回访。

Description

一种基于云服务器的立方星无人值守测控系统及测控方法

技术领域

本发明涉及立方星测控技术，具体涉及基于云服务器的立方星无人值守测控系统及测控方法。

技术背景

卫星地面站主要要来建立星地链路。随着测控事业的发展,在轨航天飞行器数量的不断增加,卫星地面站呈现了任务密度加大、工作人员劳动强度增加的特点,这对测控设备运行管理的要求也越来越高,采用传统的人工操作方式完成卫星测控,不仅占用大量的人力、物力和测控资源,而且已经不能满足大任务量的需要。卫星地面站设备的运行模式逐渐发生了变化,从原来的人工操作为主的模式逐渐过渡到自动化运行的无人操作模式,卫星地面站自动化运行管理成为一项具有现实意义的选择。测控站无人值守要求的实现在于将提高系统的自动化运行水平和远程操控能力,因此实现测控站的无人值守需要在原以人工操控为主的基础上加强以下几点技术要求:(1)提高测控站设备的可靠性，保证测控站能够稳定运行；(2)测控系统的模块化，方便系统的升级与维护；(3)增加远程监视，达到能实时远程监视和控制测控站的运行的能力；(4)在任务中心的运行管理下，测控站自动完成卫星信号接收任务。目前国内对于VHF/UHF卫星地面站的应用还处于不成熟的起步阶段，关于这方面的经验和研究还太少，对地面站工作还没有一个系统的设计和管理。另外传统的立方星测控站数据一般存放在固定的设备中，这些设备不仅昂贵且需要耗费大量人力和财力去维护，而且当需要升级改造时，用户还需关心底层硬件的实现和迁移等问题，严重影响上层业务的正常运行，而且，当发生一些特殊情况时，数据的转移备份和恢复也是一个很大的问题，为此还需要做好室内的防潮、降温、火灾预防等等复杂的安全措施，其实现成本和代价也挺大。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于云服务器的立方星无人值守测控系统，解决传统立方星测控站操作复杂，数据存档回访困难的问题以及传统监控存储空间不足，易丢失的问题，实现对卫星的自动跟踪、地面站的远程操控及数据的存档与回访。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于云服务器的立方星无人值守测控系统，包括天线分系统、基带分系统、运行管理分系统和远程控制分系统，其中：

所述天线分系统用于接收卫星信号，并在卫星过境时，使天线始终指向卫星同时将基带分系统传输过来的信号进行放大并发送出去；

所述基带分系统用于放大卫星信号，对放大后的卫星信号进行下变频处理，将产生的中频卫星信号经过解调、译码与帧同步后，解析后的卫星数据信号送到运行管理分系统；将来自运行管理分系统控制指令与馈电注入数据，通过调制、编码后输出中频信号进行上变频、功率放大处理，将产生的数据信号发送给天线分系统；

所述运行管理分系统包括数据管理模块、执行管理模块以及监控管理模块，所述监控管理模块用于监控各个分系统，实时监视运行状态，同时将监控数据实时传输到远程控制分系统；所述执行管理模块用于业务功能的实现，包括业务运行时间表的生成、各分系统设备的调度执行管理，所述数据管理模块用于将基带分系统解析出来的卫星数据进行存档，并将其传输给远程控制分系统，同时将控制指令数据传递给基带分系统；

所述远程控制分系统用于远程监控地面站的状况，同时提取接收到的卫星数据中包含的卫星各个分系统的状态信息及载荷数据，并进一步对比分析不同时间段接收的卫星数据；同时，所述远程控制分系统用于发送控制指令，控制运行管理分系统的运转。

本发明还提出一种基于云服务器的立方星无人值守测控方法，具体步骤如下：

步骤1、在卫星过境前几分钟，运行管理分系统配置好各硬件设备参数，启动分系统，并将卫星过境时刻及方位提前发送给天线分系统的步进式跟踪接收机，同时步进式跟踪接收机控制驱动单元，将天线转动到卫星即将过境的方位，准备接收；

步骤2、在卫星过境时，运行管理分系统实时计算出卫星方位，并将其发送给步进式跟踪接收机，步进式跟踪接收机控制驱动单元，使天线始终指向卫星，实现对卫星的自动跟踪；

步骤3、天线分系统接收到卫星信号后，先经过滤波器和低噪放，滤除掉干扰并将卫星信号进行放大，提高其信噪比，然后送入基带分系统；

步骤4、对放大后的射频信号进行下变频处理，将产生的中频信号经过解调、译码与帧同步后，解析后的信号送到运行管理分系统进行数据处理；

步骤5、解析后的数据传输给运行关系分系统的数据管理模块进行数据存档和分析显示，然后将卫星数据发送到远程控制分系统；

步骤6、通过远程控制分系统查看卫星姿态并控制运行管理系统的运转，在卫星过境时，给卫星发送控制指令；

步骤7、控制指令数据传递至运行管理分系统后，运行管理分系统的执行管理模块根据远程控制分系统的权限和发送时间决定要发送的指令，如果指令有效，其数据管理模块将控制指令数据进行打包处理传递给基带分系统；

步骤8、将来自运行管理分系统的控制指令与馈电注入数据，通过调制、编码后输出中频信号进行上变频、功率放大处理，将产生的控制信号发送给天线分系统进行信号放大后通过天线发送出去。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明通过对遥测数据的解析，模拟显示卫星姿态，从而能够更加直观的观察到卫星所处的状态；(2)本发明采用云存储的形式将地面站实时监控录像上传到云端，通过客户端即可远程查看地面站状态，同时又可远程延时显示各站信息；(3)本发明采用云服务器ECS和云存储OSS进行开发，完成服务器的软件开发，可以更具预算合理地使用与计算，降低开发成本；(4)用户在使用本发明时能够随时随地地添加或减少计算资源，并且这种资源的更改基本不会影响上层业务的正常运行，用户只需要根据业务量进行计算资源的更改，不需要关心底层硬件的实现和迁移等问题；(5)通过本发明的远程客户端及网站即可实现对地面站的实时监控和远程操作。

附图说明

图1是基于云服务器的立方星无人值守测控系统整体功能框图。

图2是基于云服务器的立方星无人值守测控系统实物连接示意图。

图3是基于云服务器的立方星无人值守测控系统调度管理示意图。

图4是基于云服务器的立方星无人值守测控系统远程操控示意图。

具体实施方式

一种基于云服务器的立方星无人值守测控系统包括天线分系统、基带分系统、运行管理分系统和远程控制分系统，其中：

所述天线分系统用于接收卫星信号，并在卫星过境时，使天线始终指向卫星同时将基带分系统传输过来的信号进行放大并发送出去；

所述基带分系统用于放大卫星信号，对放大后的卫星信号进行下变频处理，将产生的中频卫星信号经过解调、译码与帧同步后，解析后的卫星数据信号送到运行管理分系统；将来自运行管理分系统控制指令与馈电注入数据，通过调制、编码后输出中频信号进行上变频、功率放大处理，将产生的数据信号发送给天线分系统；

所述运行管理分系统包括数据管理模块、执行管理模块以及监控管理模块，所述监控管理模块用于监控各个分系统，实时监视运行状态，同时将监控数据实时传输到远程控制分系统；所述执行管理模块用于业务功能的实现，包括业务运行时间表的生成、各分系统设备的调度执行管理，所述数据管理模块用于将基带分系统解析出来的卫星数据进行存档，并将其传输给远程控制分系统，同时将控制指令数据传递给基带分系统；

所述远程控制分系统用于远程监控地面站的状况，同时提取接收到的卫星数据中包含的卫星各个分系统的状态信息及载荷数据，并进一步对比分析不同时间段接收的卫星数据；同时，所述远程控制分系统用于发送控制指令，控制运行管理分系统的运转。

本发明采用软件定义无线电技术作基带信号处理，软件无线电可以通过DSP和FPGA数字化处理的结合(包括调制方式、通信速率，频点等)，定制不同的基带信号处理系统。

进一步的实施例中，所述远程控制分系统包括服务器与客户端，所述服务器用于将接收的卫星数据存档并响应各个客户端的请求，所述客户端用于发送控制指令、显示地面站接收数据及模拟显示卫星姿态。

进一步的实施例中，所述天线分系统中天线指向卫星的实现方式为：运行管理分系统实时计算出卫星方位，并将其发送给步进式跟踪接收机，步进式跟踪接收机控制驱动单元，使天线始终指向卫星。

基于云服务器的立方星无人值守测控方法，具体步骤如下：

步骤1、在卫星过境前几分钟，运行管理分系统配置好各硬件设备参数，启动分系统，并将卫星过境时刻及方位提前发送给天线分系统的步进式跟踪接收机，同时步进式跟踪接收机控制驱动单元，将天线转动到卫星即将过境的方位，准备接收；

步骤2、在卫星过境时，运行管理分系统实时计算出卫星方位，并将其发送给步进式跟踪接收机，步进式跟踪接收机控制驱动单元，使天线始终指向卫星，实现对卫星的自动跟踪；

步骤3、天线分系统接收到卫星信号后，先经过滤波器和低噪放，滤除掉干扰并将卫星信号进行放大，提高其信噪比，然后送入基带分系统；

步骤4、对放大后的射频信号进行下变频处理，将产生的中频信号经过解调、译码与帧同步后，解析后的信号送到运行管理分系统进行数据处理；

步骤5、解析后的数据传输给运行关系分系统的数据管理模块进行数据存档和分析显示，然后将卫星数据发送到远程控制分系统；

步骤6、通过远程控制分系统查看并控制运行管理系统的运转，在卫星过境时，给卫星发送控制指令；

步骤7、控制指令数据传递至运行管理分系统后，运行管理分系统的执行管理模块根据远程控制分系统的权限和发送时间决定要发送的指令，如果指令有效，其数据管理模块将控制指令数据进行打包处理传递给基带分系统；

步骤8、将来自运行管理分系统控制指令与馈电注入数据，通过调制、编码后输出中频信号进行上变频、功率放大处理，将产生的控制信号发送给天线分系统进行信号放大后通过天线发送出去。

实施例1

下面结合附图对本发明作进一步详细描述

结合图1、图2，一种基于云服务器的立方星无人值守测控系统，包括天线分系统、基带分系统、运行管理分系统和远程控制分系统。整个地面站系统又可分为数据部分和控制部分。对于数据部分，天线分系统与基带分系统连接，基带分系统与运行管理分系统连接，运行管理分系统与远程控制分系统连接；对于控制部分，天线分系统直接与运行管理分系统连接，运行管理分系统与远程控制分系统连接。

天线分系统包括接收天线和发送天线、U/V频段馈电网络、驱动单元、步进式跟踪接收机、高功率放大器、第一滤波器、第一低噪放、第二滤波器、第二低噪放，其中V频段馈电网络、高功率放大器、第一低噪放、第二滤波器依次连接，U频带馈电网络、第二滤波器、第二低噪放依次连接；同时U/V频段馈电网络安装在驱动单元上，驱动单元又和步进式跟踪接收机连接。发送天线使用2MCP22天线，全长6m,由22对对称偶极子拼接而成，极化方式为圆极化，平均侧瓣和后瓣功率降低了大约10dB，从而提高了信噪比，并将所有功率放在能够发挥最大效果的地方，工作频率为144至148MHz，发送增益可达14.39dBic，波束宽度为38°。接收天线为436CP42UG圆极化天线，臂长与2MCP22相匹配，最大化了前向增益和F/B。工作频率范为430至438MHz，接收增益可达18.9dBic，椭圆度为1.5分贝典型值，波束宽度21°。

驱动单元包括驱动器、直流电机、旋转器以及旋转器控制器，驱动器用来控制天线水平方向和俯仰方向的转动；直流电机为执行机构，采用双涡轮蜗杆传动，可产生大旋转扭矩和制动力矩，转动扭矩为1400磅，制动扭矩为14000磅，能够负载6m天线及馈管的重量，采用电脉冲控制方式，控制精度为0.25°，水平角速度为3°/s，俯仰角速度为2°/s，满足卫星跟踪要求。旋转器控制器型号为ROT2Prog，支持自动模式和手动模式。自动模式下，运行管理分系统在卫星过境前几分钟，运行管理分系统根据从北美防空网下载下来的卫星轨道根数，将卫星过境时刻及方位提前发送给旋转器控制器，同时旋转器控制器ROT2Prog产生电脉冲控制RAS-2，将天线转动到卫星即将过境的方位，准备接收；在卫星过境时，运行管理分系统实时将计算出的卫星方位，使天线始终指向卫星，从而实现对卫星的自动跟踪。

滤波器分别使用的是DCI-146-4H和DCI-435-10C型号的腔体滤波器，分别用在V频段和U频段，用来滤除其他频段信号，降低对有效信号的干扰。低噪放模块使用的是MSP432VDG-160和MSP144VDG-160型号的前置放大器，信号接收时工作于放大状态，补偿空间传输损耗，保证信号能成功被基带分系统接收，信号发射时工作于旁路输出状态，对信号不起作用。高功率放大器模块使用的是型号为MKU PA 2M-60W HY，工作频率为144-146MHz，用来放大上行信号，最大上行功率为60w。

基带分系统用于对卫星信号进行处理，同时将上行数据转化成适合在空间中传输的无线信号，使用的是USRP B200，并使用GNU Radio软件定义无线电平台搭建了地面站的信号收发系统。发送模式为AFSK，码速率为1200bps，接收模式为BPSK，码速率为9600。相比于传统的收发机，其调制方式，传输频点都是可配置的，具有强大的灵活性。另外考虑到卫星相对于地面站是处在高速的相对运动中的，还搭建了信号的多普勒补偿模块，保证信号传输的准确性，接收灵敏度为-120dBm。

运行管理分系统是整个系统的核心，监控管理模块负责站内各个分系统的设置监控，实时监视运行状态，使用的摄像头是CMOS壁挂式互联网摄像机CS-C3T-3B1ER，在有网状态下，用网线连接路由器并添加到客户端，就可以通过在客户端上远程查看地面站的实时监控状态，同时连接显示器也可直接在本地查看；其执行管理模块负责对卫星进行轨道计算与预报，并将轨道计算结果归档，为任务计划的编排提供必要的数据支持和依据。首先设定好地面站的经纬度及海拔信息，然后将从各种可靠来源下载的最新卫星开普勒参数导入其中后，它会利用最新的轨道力学方程，准确地预测卫星通过的时间及方位，并通实时链接，实时显示卫星的足迹，投影路径和给定通行证的预测高程；按照需求生成过境时间表、星下点轨迹、三维空间位置等文件，并进行存档；依据星历计算的结果生成天线指向的方位俯仰角文件，供卫星过境时天线进行指向跟踪时使用，从而实现卫星的自动跟踪。其数据管理模块采用云端服务器，能够有效地能够有效地利用云服务器的优点。采用云服务器ECS和云存储OSS进行开发，完成服务器的软件开发，包括任务管理、接收数据显示以及数据库的搭建。

结合图3和图4，用户通过远程端查看过境信息，并发送指令打开各分系统。在卫星过境前几分钟，运行管理分系统并将卫星过境时刻及方位提前发送给天线分系统的步进式跟踪接收机，将天线转动到卫星即将过境的方位，准备接收；在卫星过境时，地面站天线会对卫星进行自动跟踪，地面站收到卫星数据后会将数据上传到阿里云的私有云服务器上的数据库中进行存档和处理，之后用户可以在网页客户端和手机app向服务器请求数据，并将这些数据进行进一步的处理，包括显示卫星的状态(电压、电流、卫星运动信息等)，模拟显示卫星姿态，同时用户可以调出以前接收的数据，进行对比分析，如近几天接收卫星数据的变化趋势、不同位置地面站卫星接收数据的对比等；另外在卫星过境时，用户可以通过远程控制分系统，根据需要通过远程控制分系统发送指令，控制运行管理分系统接收到这些指令后，会根据用户的权限选择是否执行相关操作，如果执行则将指令数据通过上行天线发送出去。卫星过境后，运行管理分系统会控制天线指北归零，并关闭相关设备，以准备卫星下次过境。

Claims (4)

1.一种基于云服务器的立方星无人值守测控系统，其特征在于：包括天线分系统、基带分系统、运行管理分系统和远程控制分系统，其中：

所述天线分系统用于接收卫星信号，并在卫星过境时，使天线始终指向卫星同时将基带分系统传输过来的信号进行放大并发送出去；

所述基带分系统用于放大卫星信号，对放大后的卫星信号进行下变频处理，将产生的中频卫星信号经过解调、译码与帧同步后，解析后的卫星数据信号送到运行管理分系统；将来自运行管理分系统控制指令与馈电注入数据，通过调制、编码后输出中频信号进行上变频、功率放大处理，将产生的数据信号发送给天线分系统；

所述运行管理分系统包括数据管理模块、执行管理模块以及监控管理模块，所述监控管理模块用于监控各个分系统，实时监视运行状态，同时将监控数据实时传输到远程控制分系统；所述执行管理模块用于业务功能的实现，包括业务运行时间表的生成、各分系统设备的调度执行管理，所述数据管理模块用于将基带分系统解析出来的卫星数据进行存档，并将其传输给远程控制分系统，同时将控制指令数据传递给基带分系统；

所述远程控制分系统用于远程监控地面站的状况，同时提取接收到的卫星数据中包含的卫星各个分系统的状态信息及载荷数据，并进一步对比分析不同时间段接收的卫星数据；同时，所述远程控制分系统用于发送控制指令，控制运行管理分系统的运转。

2.根据权利要求1所述的基于云服务器的立方星无人值守测控系统，其特征在于，所述远程控制分系统包括服务器与客户端，所述服务器用于将接收的卫星数据存档并响应各个客户端的请求，所述客户端用于发送控制指令、显示地面站接收数据及模拟显示卫星姿态。

3.根据权利要求1所述的基于云服务器的立方星无人值守测控系统，其特征在于，所述天线分系统中天线指向卫星的实现方式为：运行管理分系统实时计算出卫星方位，并将其发送给步进式跟踪接收机，步进式跟踪接收机控制驱动单元，使天线始终指向卫星。

4.基于权利要求1所述的基于云服务器的立方星无人值守测控系统的测控方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1、在卫星过境前几分钟，运行管理分系统配置好各硬件设备参数，启动分系统，并将卫星过境时刻及方位提前发送给天线分系统的步进式跟踪接收机，同时步进式跟踪接收机控制驱动单元，将天线转动到卫星即将过境的方位，准备接收；

步骤2、在卫星过境时，运行管理分系统实时计算出卫星方位，并将其发送给步进式跟踪接收机，步进式跟踪接收机控制驱动单元，使天线始终指向卫星，实现对卫星的自动跟踪；

步骤3、天线分系统接收到卫星信号后，先经过滤波器和低噪放，滤除掉干扰并将卫星信号进行放大，提高其信噪比，然后送入基带分系统；

步骤4、对放大后的射频信号进行下变频处理，将产生的中频信号经过解调、译码与帧同步后，解析后的信号送到运行管理分系统进行数据处理；

步骤5、解析后的数据传输给运行关系分系统的数据管理模块进行数据存档和分析显示，然后将卫星数据发送到远程控制分系统；

步骤6、通过远程控制分系统查看并控制运行管理系统的运转，在卫星过境时，给卫星发送控制指令；

步骤7、控制指令数据传递至运行管理分系统后，运行管理分系统的执行管理模块根据远程控制分系统的权限和发送时间决定要发送的指令，如果指令有效，其数据管理模块将控制指令数据进行打包处理传递给基带分系统；

步骤8、将来自运行管理分系统控制指令与馈电注入数据，通过调制、编码后输出中频信号进行上变频、功率放大处理，将产生的控制信号发送给天线分系统进行信号放大后通过天线发送出去。

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