CN111030745B - 一种星载波束天线自主校准方法 - Google Patents

一种星载波束天线自主校准方法 Download PDF

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Abstract

一种星载波束天线自主校准方法，首先判断校准参数中时间是否已到且未超时；根据校准参数中选择的校准天线，发出波导开关矩阵切换指令至和、差信号；根据校准参数中选择的捕跟接收机，发送和、差信号接入捕跟接收机指令；根据校准参数中选择的捕跟接收机，进行捕跟接收机加电，天线控制器当班份加电，当班天线驱动电路连接电机绕组导通；跟踪前初始状态判断；发出注入当班天线及当班捕跟接收机的相位因子、零位角度的指令，并发送开启软件限位、电机加电保持指令序列，然后进行状态设置遥测确认，确认正常后发指令开启自跟踪；发指令关闭自跟踪；执行当班绕组断电指令，结束本次校准任务。本发明解决在轨运行时靠地面人工操作工作量大，易出错的问题。

Description

一种星载波束天线自主校准方法
技术领域
本发明涉及一种星载波束天线自主校准方法，适用于卫星软件对天线进行定时自主校准。
背景技术
卫星多波束天线校准依赖地面校准站发送的信标信号。校准子系统分时对用户波束天线跟踪轴偏离目标的角位置误差进行测量，并将角位置误差转换成能控制用户波束天线运动的电信号，控制用户波束天线向误差信号减小的方向运动，最终使用户波束天线校准波束对准地面站，实现用户波束天线的指向校准。
通信卫星多波束天线在轨运行期间，需要不断调整东西天线指向，以满足系统波束定点以及其覆盖区增益的要求。天线校准过程复杂，在轨运行时靠地面人工操作工作量大，易出错。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种星载波束天线自主校准方法及系统，用于进行星载波束天线自主校准。该方法具备按照预设的多组参数每天定时执行多副天线校准的能力，能够自主识别校准参数生成校准过程指令；具备校准过程故障自主诊断和报警的能力；具备遥控修改校准参数和遥控随机启动校准功能的能力。
本发明的技术解决方案是：
一种星载波束天线自主校准方法，步骤如下：
(1)首先判断校准参数中时间是否已到且未超时，且卫星状态是否满足要求，是则开始执行校准任务，否则退出本次校准；
(2)根据校准参数中选择的校准天线，发出波导开关矩阵切换指令至和、差信号，并验证指令执行的正确性，指令异常退出本次校准；
(3)根据校准参数中选择的捕跟接收机，发送和、差信号接入捕跟接收机指令，即同轴开关接入指令，并验证指令执行的正确性，指令异常退出本次校准；
(4)根据校准参数中选择的捕跟接收机，进行捕跟接收机加电，天线控制器当班份加电，当班天线驱动电路连接电机绕组导通，非当班天线驱动电路断电状态判断，验证发出指令执行的正确性，指令异常退出本次校准；
(5)跟踪前初始状态判断，包括当班跟踪接收机遥测信号锁定指示为锁定且跟踪接收机遥测信号数字AGC在规定范围内以及当班天线指向初始误差误差满足条件，不满足条件退出本次校准；
(6)发出注入当班天线及当班捕跟接收机的相位因子、零位角度的指令，并发送开启软件限位、电机加电保持指令序列，然后进行状态设置遥测确认，确认正常后发指令开启自跟踪，自跟踪等待1分钟，期间如果判断异常则退出本次校准；
(7)发指令关闭自跟踪，之后发当班天线当班电机清零指令和软限位禁止指令，并判断状态清零遥测的正确性；
(8)执行当班绕组断电指令，结束本次校准任务。
进一步的，捕跟接收机，用于天线角位置误差测量，将误差电信号提供给天线控制器；天线控制器，收到角误差信号，控制天线电机旋转，同时采集天线电机状态遥测。
进一步的，每天根据校准参数进行天线自主校准，校准参数按时间标志存储，每天按照存储的各组校准参数中启动时间，逐个启动自主天线校准校准。
进一步的，校准参数包括：
校准启动时间，将待校准的本地时间转换成卫星时间上注，时间精度精确到分钟；
校准天线选择，东西天线包括4副天线，按照天线A、B、C、D排序；
第一捕跟接收机、第二捕跟接收机选择；
天线控制器主、备份选择；
天线电机绕阻：主、备份选择。
进一步的，每天定时执行天线校准，校准时间计算方法具体为：
(1)实时计算当前卫星时间的天内秒：当前卫星时间的天内秒＝当前卫星时间(s)/86400；
(2)对于第1组有效校准参数一直等待执行，当前卫星时间的天内秒等于第1组有效参数天线校准时间时，开始执行第1组天线校准；
(3)对于第2至第n组有效校准参数，实时比较当前卫星时间的天内秒是否超时；若已到校准时间且未超时，开始执行该组天线校准；若超时条件成立，则该组超时报警，继续判断下一组是否超时，以此类推。
进一步的，超时条件：当前卫星时间的天内秒>校准时间的天内秒+10s。
进一步的，对于指令执行效果的诊断：每次执行完一条指令，需要判断一次执行的效果，若成功则不再执行，否则需要再发送一次指令并判断其执行效果，若成功则执行下一步，否则生成报警标志，且退出天线校准，并自主禁止天线校准功能。
进一步的，在启动跟踪前，将所有天线校准所需状态再次复核一遍，若仍正确才启动自跟踪，否则退出天线校准，并自主禁止天线校准功能。
进一步的，还设置有遥控指令码，遥控指令码中含有校准参数，收到该遥控指令码后，自主禁止天线自主校准任务，并按照遥控指令指定的校准参数立即执行校准任务。
进一步的，还设置有无效校准参数设置指令，遥控将已注入且不再使用的校准参数中的时间信息改为0xFFFF，收到该指令后自主认为该组参数无效，从而不会执行该组参数校准。
进一步的，天线校准功能默认为禁止状态，在进入工作轨道后，由地面遥控使能。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明不需要人为干预，可由星载软件每天自主执行多组多个天线波束校准的流程。
(2)本发明能够自主识别校准参数生成校准过程指令；具备校准过程自主故障诊断和报警的能力；
(3)本发明具备遥控更改天线校准参数和遥控随机启动任意组参数的星地接口。
(4)本发明采用定时自主校准的方法可以解决现有技术中存在的过程复杂，在轨运行时靠地面人工操作工作量大，易出错的问题。通过预设校准时刻和校准参数，自动按步骤启动天线校准和停止校准，同时监控校准过程中的异常，遥测下传校准过程和可能发生的报警信息。
附图说明
图1为本发明系统架构图。
图2为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
本发明采用定时自主校准的方法可以解决现有技术中存在的过程复杂，在轨运行时靠地面人工操作工作量大，易出错的问题。通过预设校准时刻和校准参数，自动按步骤启动天线校准和停止校准，同时监控校准过程中的异常，遥测下传校准过程和可能发生的报警信息。
系统总体架构设计：
系统总体架构包括被校准天线、校准子系统和星内信息管理设备。
被校准的天线，例如4副天线中的3副天线，每幅天线包括驱动天线转动的电机。
如图1所示，校准子系统包括捕跟接收机，功能是天线角位置误差测量，将误差电信号提供给天线控制器；天线控制器，收到角误差信号，控制天线电机旋转，同时采集天线电机状态遥测。
星内信息管理设备包括中心管理单元、完成天线自主校准的全流程管理；总线和卫星载荷通道设备，用于中转中心管理单元和校准子系统之间的指令和遥测。
本发明中所述天线校准需要天线自主校准参数。
自主校准功能使能情况下，每天根据校准参数进行天线自主校准。校准参数按时间标志存储，通常有30组校准参数的能力。每天按照存储的各组校准参数中启动时间，逐个启动自主天线校准。
校准参数包括：
(1)校准启动时间，将待校准的本地时间转换成卫星时间(通常为UTC 时)上注，时间精度可精确到分钟；
(2)校准天线选择，东西天线通常包括4副天线，按照天线A、B、C、 D排序，待校准的天线可以是全部4副，也可以是其中部分天线；
(3)捕跟接收机1、捕跟接收机2选择；
(4)天线控制器主、备份选择；
(5)天线电机绕阻：主、备份选择。
如图2所示，本发明提出的一种星载波束天线自主校准方法，其特征在于步骤如下：
(1)首先判断校准参数中时间是否已到且未超时，且卫星状态是否满足要求，是则开始执行校准任务，否则退出本次校准；
(2)根据校准参数中选择的校准天线，发出波导开关矩阵切换指令至和、差信号，并验证指令执行的正确性，指令异常退出本次校准；
(3)根据校准参数中选择的捕跟接收机，发送和、差信号接入捕跟接收机指令，即同轴开关接入指令，并验证指令执行的正确性，指令异常退出本次校准；
(4)根据校准参数中选择的捕跟接收机，进行捕跟接收机加电，天线控制器当班份加电，当班天线驱动电路连接电机绕组导通，非当班天线驱动电路断电状态判断，验证发出指令执行的正确性，指令异常退出本次校准；
(5)跟踪前初始状态判断，包括当班跟踪接收机遥测信号锁定指示为锁定且跟踪接收机遥测信号数字AGC在规定范围内以及当班天线指向初始误差误差满足条件，不满足条件退出本次校准；
(6)发出注入当班天线及当班捕跟接收机的相位因子、零位角度的指令，并发送开启软件限位、电机加电保持指令序列，然后进行状态设置遥测确认，确认正常后发指令开启自跟踪，自跟踪等待1分钟，期间如果判断异常则退出本次校准；
(7)发指令关闭自跟踪，之后发当班天线当班电机清零指令和软限位禁止指令，并判断状态清零遥测的正确性；
(8)执行当班绕组断电指令，结束本次校准任务。
每天定时执行时间计算方法如下：
(1)软件实时计算当前卫星时间的天内秒：当前卫星时间的天内秒＝当前卫星时间(s)/86400；
(2)对于第1组有效校准参数(可以不是序号意义上的第1组)软件一直等待执行，当前卫星时间的天内秒等于第1组有效参数天线校准时间时，软件开始执行第1组天线校准。
(3)对于第2-第n组有效校准参数，软件要实时比较当前卫星时间的天内秒是否超时。
超时条件：当前卫星时间的天内秒>校准时间的天内秒+10s。
若校准时间到且未超时，软件开始执行该组天线校准；若超时条件成立，则报该组超时报警，软件继续判断下一组是否超时，以此类推。
校准过程中故障诊断规则如下：
(1)对于指令执行效果的诊断：要求每次执行完一条指令，需要判断一次执行的效果，若成功则不再执行，否则需要再发送一次指令并判断其执行效果，若成功则执行下一步，否则生成报警标志，且退出天线校准，并自主禁止天线校准功能。
(2)在启动跟踪前(step14前)，软件将第1步到step14所有天线校准所需状态再次复核一遍，若仍正确才启动自跟踪，否则退出天线校准，并自主禁止天线校准功能。
(3)校准系统具备一定的保护措施，如软/硬限位、开环/闭环跟踪选择等，保证了天线校准风险可控。自主校准自主启动软限位下的闭环跟踪，结合硬件限位，可有效控制校准过程的风险。
星地接口设计方法具体如下：
星地接口设计，主要考虑用户使用自主校准可能存在的不确定性：
(1)不按照顺序注入校准参数。
为此设计在上注指令中包含执行组别，软件根据执行组别依次执行校准任务。
(2)不按照自主校准参数的时间顺序，希望立即执行一组指定参数的校准任务。
为此设计了遥控启动校准功能，遥控指令码中含有校准参数，软件收到该指令后，自主禁止天线自主校准任务，并按照遥控指令指定的校准参数立即执行校准任务。
(3)已经注入的参数，不想再使用。
为此设计了无效校准参数设置指令，遥控将已注入又不再想使用的校准参数中的时间信息改为0xFFFF，软件收到该指令后会自主认为该组参数无效，从而也不会执行改组参数校准。
具体实施例：
天线校准功能默认应为禁止状态，在进入工作轨道后，由地面遥控使能。注入每天校准所需的几组参数。根据卫星时间，每天定时自主执行各组天线参数校准。校准计划有调整，可按星地接口设计方法执行。
按各组校准参数进行一次天线校准处理流程详见图2所示，所需自主生成的指令如下表所示：
天线校准参数与指令生成映射表
Figure BDA0002268460910000081
校准步骤说明如下：
(1)首先判断校准参数中时间是否已到(且未超时，例如超时时间10 秒)且卫星状态是否满足要求，是则开始执行校准任务，否则退出本次校准。 (Step0)
(2)接下来根据校准参数中选择的校准天线，发出波导开关矩阵切换指令至和、差信号，并验证指令执行的正确性。指令异常退出本次校准。 (Step1)
(3)接下来根据校准参数中选择的捕跟接收机，发送和/差信号接入捕跟接收机指令(即同轴开关接入指令)。并验证指令执行的正确性。指令异常退出本次校准。(Step2)
(4)根据校准参数中选择的捕跟接收机，进行捕跟接收机加电，天线控制器当班份加电，当班天线驱动电路连接电机绕组导通，非当班天线驱动电机断电状态判断和处理，验证发出指令执行的正确性。指令异常退出本次校准。(Step3-Step6)
(5)接下来跟踪前初始状态判断，包括当班跟踪接收机遥测信号锁定指示为锁定且跟踪接收机遥测信号数字AGC在规定范围内以及当班天线指向初始误差误差满足条件。不满足条件退出本次校准。(Step7-Step8)
(6)接下来发出注入当班天线及当班捕跟接收机的相位因子、零位角度的指令，并发送开启软件限位、电机加电保持指令序列，然后进行状态设置遥测确认，确认正常后发指令开启自跟踪，自跟踪等待1分钟。 (Step9-Step15)期间判断异常退出本次校准，执行Step21。
(7)接下来发指令关闭自跟踪，之后发当班天线当班电机清零指令和软限位禁止指令，并判断状态清零遥测的正确性。(Step16-Step19)
(8)最后执行当班绕组断电指令，结束本次校准任务。(Step20)
本发明采用定时自主校准的方法可以解决现有技术中存在的过程复杂，在轨运行时靠地面人工操作工作量大，易出错的问题。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域的公知技术。

Claims (7)

1.一种星载波束天线自主校准方法，其特征在于步骤如下：
(1)首先判断校准参数中时间是否已到且未超时，且卫星状态是否满足要求，是则开始执行校准任务，否则退出本次校准；
(2)根据校准参数中选择的校准天线，发出波导开关矩阵切换指令至和、差信号，并验证指令执行的正确性，指令异常退出本次校准；
(3)根据校准参数中选择的捕跟接收机，发送和、差信号接入捕跟接收机指令，即同轴开关接入指令，并验证指令执行的正确性，指令异常退出本次校准；
(4)根据校准参数中选择的捕跟接收机，进行捕跟接收机加电，天线控制器当班份加电，当班天线驱动电路连接电机绕组导通，非当班天线驱动电路断电状态判断，验证发出指令执行的正确性，指令异常退出本次校准；
(5)跟踪前初始状态判断，包括当班跟踪接收机遥测信号锁定指示为锁定且跟踪接收机遥测信号数字AGC在规定范围内以及当班天线指向初始误差满足条件，不满足条件退出本次校准；
(6)发出注入当班天线及当班捕跟接收机的相位因子、零位角度的指令，并发送开启软件限位、电机加电保持指令序列，然后进行状态设置遥测确认，确认正常后发指令开启自跟踪，自跟踪等待1分钟，期间如果判断异常则退出本次校准；
(7)发指令关闭自跟踪，之后发当班天线当班电机清零指令和软限位禁止指令，并判断状态清零遥测的正确性；
(8)执行当班绕组断电指令，结束本次校准任务；
所述星载波束天线自主校准方法用于星载软件实现完整自主的天线自主校准；
每天根据校准参数进行天线自主校准，校准参数按时间标志存储，每天按照存储的各组校准参数中启动时间，逐个启动自主天线校准；
校准参数包括：
校准启动时间，将待校准的本地时间转换成卫星时间上注，时间精度精确到分钟；
校准天线选择，东西天线包括4副天线，按照天线A、B、C、D排序；
第一捕跟接收机、第二捕跟接收机选择；
天线控制器主、备份选择；
天线电机绕组：主、备份选择；
每天定时执行天线校准，校准时间计算方法具体为：
(1)实时计算当前卫星时间的天内秒：当前卫星时间的天内秒＝当前卫星时间(s)/86400；
(2)对于第1组有效校准参数一直等待执行，当前卫星时间的天内秒等于第1组有效参数天线校准时间时，开始执行第1组天线校准；
(3)对于第2至第n组有效校准参数，实时比较当前卫星时间的天内秒是否超时；若已到校准时间且未超时，开始执行该组天线校准；若超时条件成立，则该组超时报警，继续判断下一组是否超时，以此类推。
2.根据权利要求1所述的一种星载波束天线自主校准方法，其特征在于：捕跟接收机，用于天线角位置误差测量，将误差电信号提供给天线控制器；天线控制器，收到角误差信号，控制天线电机旋转，同时采集天线电机状态遥测。
3.根据权利要求1所述的一种星载波束天线自主校准方法，其特征在于：超时条件：当前卫星时间的天内秒>校准时间的天内秒+10s。
4.根据权利要求1所述的一种星载波束天线自主校准方法，其特征在于：对于指令执行效果的诊断：每次执行完一条指令，需要判断一次执行的效果，若成功则不再执行，否则需要再发送一次指令并判断其执行效果，若成功则执行下一步，否则生成报警标志，且退出天线校准，并自主禁止天线校准功能。
5.根据权利要求1所述的一种星载波束天线自主校准方法，其特征在于：在启动跟踪前，将所有天线校准所需状态再次复核一遍，若仍正确才启动自跟踪，否则退出天线校准，并自主禁止天线校准功能。
6.根据权利要求1所述的一种星载波束天线自主校准方法，其特征在于：还设置有遥控指令码，遥控指令码中含有校准参数，收到该遥控指令码后，自主禁止天线自主校准任务，并按照遥控指令指定的校准参数立即执行校准任务；
还设置有无效校准参数设置指令，遥控将已注入且不再使用的校准参数中的时间信息改为0xFFFF，收到该指令后自主认为该组参数无效，从而不会执行该组参数校准。
7.根据权利要求1所述的一种星载波束天线自主校准方法，其特征在于：天线校准功能默认为禁止状态，在进入工作轨道后，由地面遥控使能。
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