CN112193439B - 一种星地一体化的高精度卫星多波束标校方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星地一体化的高精度卫星多波束标校方法，利用星上标校波束形成设备实现多波束标校信号的产生与波束形成；地面标校站位于多波束标校波束的理论指向中心，通过对标校信号的捕获接收和功率测量获取实时的波束指向误差信息；测量数据通过地面链路或卫星链路传输到控制中心；在控制中心生成波束指向偏差补偿参数并送到卫星测控站；卫星测控站将波束指向偏差补偿参数转换成上注指令并注入到卫星平台。本方法采用地面标校的方式，能够降低对星上运算能力的需求，简化在轨运算处理流程，降低了卫星功率波动造成的测量误差，提高了计算结果精度，具有系统结构清晰、标校过程分工定位明确、偏差计算方法运算复杂度低的优点。

Description

一种星地一体化的高精度卫星多波束标校方法

技术领域

本发明属于卫星测控技术领域，涉及一种星地一体化的高精度卫星多波束标校方法。

背景技术

高轨道卫星(GEO)在轨运行过程中，受到地球引力场不均、太阳辐射压力变化等因素影响，将产生滚动姿态、俯仰姿态和偏航姿态的偏差，进而导致卫星波束指向的漂移，影响星地通信链路质量。为了降低由波束漂移引起的指向偏差，减小通信链路的指向失配损耗，必须利用波束标校系统对卫星姿态进行调整，从而提高波束指向精度。波束标校系统涉及到卫星、地面标校站、控制中心、卫星测控站等多个节点元素，如何高效的进行星地一体化协调统筹，高精度的实现波束指向误差的测量计算，成为了保证卫星通信质量亟待解决的迫切问题。

当前，卫星标校主要通过星上标校的方式实现，卫星通过接收地面标校信号，在轨对姿态情况进行运算并完成姿态调整。中国专利CN110323571中，提出了一种适用于高通量卫星的多波束指向在轨标校方法，该方法通过接收地面信标站的标校信号，对天线波束指向进行闭环自动校正，实现了多口径多波束天线指向的在轨校准。中国专利CN104535976中，提出了一种相控阵传感器的卫星标校方法，该方法针对星上传感器的结构特点和工作模式，分别采用对应的系统误差标校模式和误差模型，提高了标校效率及传感器测量精度。

星上标校方式的运算过程全部在星上完成，对卫星载荷的处理能力要求较高，为了降低星上运算能力需求，简化在轨运算处理流程，本发明提出了一种星地一体化的高精度卫星多波束标校方法，采用地面标校的方式，在地面标校站处理卫星标校信号，实现指向误差的测量，从而达到降低星上设备和运算能力需求目的。

发明内容

本发明针对卫星波束指向漂移问题，提出一种星地一体化的高精度卫星多波束标校方法，实现了卫星波束指向的高精度标校。

本发明公开了一种星地一体化的高精度卫星多波束标校方法，利用星上标校波束形成设备、地面标校站、控制中心和卫星测控站来实现，其中星上标校波束形成设备用于在轨产生含有卫星姿态的多波束标校信号，并发送至地面标校站，多波束标校信号等功率交叠点与地面标校站的位置误差用于计算卫星姿态的偏差，从而达到星地一体化标校的目的；地面标校站用于接收星上产生的标校信号，并测量波束指向偏差，控制中心用于分析指向偏差，从而确定是否进行姿态调整，卫星测控站用于形成姿态调整指令并注入卫星进行在轨姿态调整。星上标校波束形成设备包括星上波束标校信号源、波束标校处理器、标校波束幅相加权网络及标校波束发射通道。

本发明公开了一种星地一体化的高精度卫星多波束标校方法，具体包括以下步骤：

S1，星上波束标校信号源产生标校信号，标校信号依次通过波束标校处理器和标校波束幅相加权网络，完成标校信号的幅度相位加权，然后标校信号经过天线面形成标校波束，每组标校信号形成S、N、W、E共4个标校波束，并使标校波束的等功率交叠点指向地面标校站。

S2，地面标校站接收星上标校波束形成设备发射的标校信号，测量其天线波束指向的俯仰角和方位角与处于理想姿态卫星的波束指向俯仰角和方位角之间的测量误差，并标注时间标记；

地面标校站接收天线位于点O，当S、N、W、E四个标校波束的等功率交叠点O′与点O重合，在点O处接收到四个波束的功率电平相等；当四个波束的等功率点O′与点O不重合，则在点O处接收到四个波束的功率电平有差异，根据4个功率电平的差值大小，计算出标校波束等功率点O′与点O的角度测量误差；

对于标校波束等功率点O′与点O的角度测量误差计算，采用归一化差分指向误差测量方法，设东向波束测量功率值为E²，西向波束测量功率值为W²，南向波束测量功率值为S²，北向波束功率测量值为N²，则俯仰角的测量误差为：

方位角的测量误差为：

其中，k_p,az和k_p,el分别为方位角和俯仰角测量校正因子。

S3，地面标校站将俯仰角和方位角的角度测量误差通过地面通信链路或卫星通信链路传输到控制中心。

S4，控制中心对地面标校站得到的角度测量误差进行分析，判断当前卫星指向与理论值的偏差量是否超出卫星指向容差阈值，如果没有超出则不再进行卫星姿态调整，否则继续执行S5步骤；

步骤S4具体包括：

S41,控制中心获取卫星轨道参数及姿态参数数据；

S42,计算卫星波束俯仰角和方位角的理论误差；卫星波束俯仰角和方位角的理论误差的计算公式为：

其中，ΔT_el、ΔT_az分别为俯仰角和方位角理论误差，k_t,el、k_t,az分别为方位角和俯仰角理论校正因子，D_el、D_az分别为俯仰角和方位角实际值与理想值之间的角度差；

S43,将地面标校站测得的角度测量误差与计算获得的理论误差进行比较，获得当前卫星指向与理论值的偏差量；

S44,判断偏差量是否超出卫星指向容差阈值，若未超出则当前卫星姿态满足要求，不再进行卫星姿态调整，否则继续执行S5步骤。

S5，控制中心根据地面标校站测量结果，计算波束指向偏差补偿参数并送到卫星测控站；

控制中心根据步骤S4中计算获得的卫星实际指向与理论值的偏差量，即波束俯仰角和方位角的理论误差，得到波束指向偏差补偿参数，并将波束指向偏差补偿参数发送至卫星测控站；波束指向偏差补偿参数通过比较测量误差和理论误差获得，即：

其中，C_el、C_az分别为波束俯仰角和方位角的指向偏差补偿参数。

S6，卫星测控站根据波束指向偏差补偿参数形成上注指令，在注轨之前将注轨生效时间告知卫星姿态控制系统。

S7，卫星测控站将波束指向偏差补偿参数上注到卫星姿态控制系统，卫星姿态控制系统根据其收到的波束指向偏差补偿参数，进行卫星姿态调整，随后返回步骤S1。

本发明具有如下优点：

1、采用地面标校方式，通过接收卫星发出的标校信号在地面标校站计算得出卫星的指向误差，能够降低对于星上运算能力的需求，简化在轨运算处理流程。采用归一化差分指向误差测量方法，降低了卫星功率波动造成的测量误差。

2、通过测试标校站周围四个波束的信号强度，获得天线指向偏差，计算结果精度高，能够有效抑制卫星姿态漂移，减小波束俯仰角和方位指向角的偏差，保证星地通信质量。标校系统结构清晰，标校过程分工定位明确，偏差计算方法运算复杂度低。

附图说明

图1为本发明中多波束标校系统功能体系结构图；

图2为本发明中多波束标校方法流程图；

图3为本发明中多波束标校原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细描述。

本发明公开了一种星地一体化的高精度卫星多波束标校方法，利用星上标校波束形成设备、地面标校站、控制中心和卫星测控站来实现，其中星上标校波束形成设备用于在轨产生含有卫星姿态的多波束标校信号，并发送至地面标校站，多波束标校信号等功率交叠点与地面标校站的位置误差用于计算卫星姿态的偏差，从而达到星地一体化标校的目的；地面标校站用于接收星上产生的标校信号，并测量波束指向偏差，控制中心用于分析指向偏差，从而确定是否进行姿态调整，卫星测控站用于形成姿态调整指令并注入卫星进行在轨姿态调整。星上标校波束形成设备包括星上波束标校信号源、波束标校处理器、标校波束幅相加权网络及标校波束发射通道。

图1所示为多波束标校系统功能体系结构，系统包括星上标校波束形成设备(101)、地面标校站(102)、控制中心(103)和卫星测控站(104)。该方法采用定向能量检测原理，通过测试标校站周围四个波束的信号强度，获得天线指向偏差，多波束标校方法流程图如图2所示。

本发明公开了一种星地一体化的高精度卫星多波束标校方法，具体包括以下步骤：

S1，星上波束标校信号源产生标校信号，标校信号依次通过波束标校处理器和标校波束幅相加权网络，完成标校信号的幅度相位加权，然后标校信号经过天线面形成标校波束，每组标校信号形成S、N、W、E共4个标校波束，并使标校波束的等功率交叠点指向地面标校站。

S2，地面标校站接收星上标校波束形成设备发射的标校信号，测量其天线波束指向的俯仰角和方位角与处于理想姿态卫星的波束指向俯仰角和方位角之间的测量误差，并标注时间标记；

如图3所示，地面标校站接收天线位于点O，当S、N、W、E四个标校波束的等功率交叠点O′与点O重合，在点O处接收到四个波束的功率电平相等；当四个波束的等功率点O′与点O不重合，则在点O处接收到四个波束的功率电平有差异，根据4个功率电平的差值大小，计算出标校波束等功率点O′与点O的角度测量误差；

为了降低卫星功率波动造成的测量误差，对于标校波束等功率点O′与点O的角度测量误差计算，采用归一化差分指向误差测量方法，设东向波束测量功率值为E²，西向波束测量功率值为W²，南向波束测量功率值为S²，北向波束功率测量值为N²，则俯仰角的测量误差为：

方位角的测量误差为：

其中，k_p,az和k_p,el分别为方位角和俯仰角测量校正因子。

S3，地面标校站将俯仰角和方位角的角度测量误差通过地面通信链路或卫星通信链路传输到控制中心。

S4，控制中心对地面标校站得到的角度测量误差进行分析，判断当前卫星指向与理论值的偏差量是否超出卫星指向容差阈值，如果没有超出则不再进行卫星姿态调整，否则继续执行S5步骤；

步骤S4具体包括：

S41,控制中心获取卫星轨道参数及姿态参数数据；

S42,计算卫星波束俯仰角和方位角的理论误差；卫星波束俯仰角和方位角的理论误差的计算公式为：

其中，ΔT_el、ΔT_az分别为俯仰角和方位角理论误差，k_t,el、k_t,az分别为方位角和俯仰角理论校正因子，D_el、D_az分别为俯仰角和方位角实际值与理想值之间的角度差；

S43,将地面标校站测得的角度测量误差与计算获得的理论误差进行比较，获得当前卫星指向与理论值的偏差量；

S44,判断偏差量是否超出卫星指向容差阈值，若未超出则当前卫星姿态满足要求，不再进行卫星姿态调整，否则继续执行S5步骤。

S5，控制中心根据地面标校站测量结果，计算波束指向偏差补偿参数并送到卫星测控站；

控制中心根据步骤S4中计算获得的卫星实际指向与理论值的偏差量，即波束俯仰角和方位角的理论误差，得到波束指向偏差补偿参数，并将波束指向偏差补偿参数发送至卫星测控站；波束指向偏差补偿参数通过比较测量误差和理论误差获得，即：

其中，C_el、C_az分别为波束俯仰角和方位角的指向偏差补偿参数。

S6，卫星测控站根据波束指向偏差补偿参数形成上注指令，在注轨之前将注轨生效时间告知卫星姿态控制系统。

S7，卫星测控站将波束指向偏差补偿参数上注到卫星姿态控制系统，卫星姿态控制系统根据其收到的波束指向偏差补偿参数，进行卫星姿态调整，随后返回步骤S1。

Claims (3)

1.一种星地一体化的高精度卫星多波束标校方法，其特征在于，利用星上标校波束形成设备、地面标校站、控制中心和卫星测控站来实现，其中星上标校波束形成设备用于在轨产生含有卫星姿态的多波束标校信号，并发送至地面标校站，多波束标校信号等功率交叠点与地面标校站的位置误差用于计算卫星姿态的偏差，从而达到星地一体化标校的目的；地面标校站用于接收星上产生的标校信号，并测量波束指向偏差，控制中心用于分析指向偏差，从而确定是否进行姿态调整，卫星测控站用于形成姿态调整指令并注入卫星进行在轨姿态调整；星上标校波束形成设备包括星上波束标校信号源、波束标校处理器、标校波束幅相加权网络及标校波束发射通道；具体包括以下步骤：

S1，星上波束标校信号源产生标校信号，标校信号依次通过波束标校处理器和标校波束幅相加权网络，完成标校信号的幅度相位加权，然后标校信号经过天线面形成标校波束，每组标校信号形成S、N、W、E共4个标校波束，并使标校波束的等功率交叠点指向地面标校站；

S2，地面标校站接收星上标校波束形成设备发射的标校信号，测量其天线波束指向的俯仰角和方位角与处于理想姿态卫星的波束指向俯仰角和方位角之间的测量误差，并标注时间标记；

S3，地面标校站将俯仰角和方位角的角度测量误差通过地面通信链路或卫星通信链路传输到控制中心；

S4，控制中心对地面标校站得到的角度测量误差进行分析，判断当前卫星指向与理论值的偏差量是否超出卫星指向容差阈值，如果没有超出则不再进行卫星姿态调整，否则继续执行S5步骤；

S5，控制中心根据地面标校站测量结果，计算波束指向偏差补偿参数并送到卫星测控站；

控制中心根据步骤S4中计算获得的卫星实际指向与理论值的偏差量，即波束俯仰角和方位角的理论误差，得到波束指向偏差补偿参数，并将波束指向偏差补偿参数发送至卫星测控站；波束指向偏差补偿参数通过比较测量误差和理论误差获得，即：

其中，C_el、C_az分别为波束俯仰角和方位角的指向偏差补偿参数，ΔP_el和ΔP_az分别为俯仰角和方位角的测量误差，k_t,el、k_t,az分别为方位角和俯仰角理论校正因子；

S6，卫星测控站根据波束指向偏差补偿参数形成上注指令，在注轨之前将注轨生效时间告知卫星姿态控制系统；

S7，卫星测控站将波束指向偏差补偿参数上注到卫星姿态控制系统，卫星姿态控制系统根据其收到的波束指向偏差补偿参数，进行卫星姿态调整，随后返回步骤S1。

2.如权利要求1所述的星地一体化的高精度卫星多波束标校方法，其特征在于，所述的步骤S2，地面标校站接收天线位于点O，当S、N、W、E四个标校波束的等功率交叠点O'与点O重合，在点O处接收到四个波束的功率电平相等；当四个波束的等功率点O'与点O不重合，则在点O处接收到四个波束的功率电平有差异，根据4个功率电平的差值大小，计算出标校波束等功率点O'与点O的角度测量误差；

对于标校波束等功率点O'与点O的角度测量误差计算，采用归一化差分指向误差测量方法，设东向波束测量功率值为E²，西向波束测量功率值为W²，南向波束测量功率值为S²，北向波束功率测量值为N²，则俯仰角的测量误差为：

方位角的测量误差为：

其中，ΔP_el和ΔP_az分别为俯仰角和方位角的测量误差，k_p,az和k_p,el分别为方位角和俯仰角测量校正因子。

3.如权利要求1所述的星地一体化的高精度卫星多波束标校方法，其特征在于，所述的步骤S4具体包括：

S41,控制中心获取卫星轨道参数及姿态参数数据；

S42,计算卫星波束俯仰角和方位角的理论误差；卫星波束俯仰角和方位角的理论误差的计算公式为：

其中，ΔT_el、ΔT_az分别为俯仰角和方位角理论误差，k_t,el、k_t,az分别为方位角和俯仰角理论校正因子，D_el、D_az分别为俯仰角和方位角实际值与理想值之间的角度差；

S43,将地面标校站测得的角度测量误差与计算获得的理论误差进行比较，获得当前卫星指向与理论值的偏差量；

S44,判断偏差量是否超出卫星指向容差阈值，若未超出则当前卫星姿态满足要求，不再进行卫星姿态调整，否则继续执行S5步骤。

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