CN112241017B - 一种按运行模式和场景进行导航星座星间链路管控的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种按运行模式和场景进行导航星座星间链路管控的方法，包括以下步骤：精细化划分导航星间链路运行模式和场景，根据星间链路整体建设阶段和服务状态划分星间链路整体运行模式，根据星间链路局部运行特点划分星间链路局部运行场景；由地面综合监控模块判定星间链路整体运行模式及星间链路各局部运行场景，并根据运行模式之间的转化关系和运行场景之间的转化关系，进行星间链路整体运行模式和局部运行场景的切换；综合监控模块星间链路运行模式和运行场景的状态输出，触发地面中心计算机系统执行具体管控功能，综合实现各种星间链路管控业务。本发明有效解决了航天测控系统适应规模动态变化、业务动态发展的网络化星间链路管控的问题。

Description

一种按运行模式和场景进行导航星座星间链路管控的方法

技术领域

本发明属于航天器测控技术领域，具体涉及一种按运行模式和场景进行导航星座星间链路管控的方法。

背景技术

为实现全球导航系统精密定轨与时间同步、自主导航、境外卫星监视与控制等核心功能，在北斗全球卫星导航系统卫星之间建立了具有精密测量和通信功能的星间链路。星间链路管控主要对星间链路进行资源管理与调度、状态监视和故障诊断、性能测试与评估等，使星间链路协调、高效、稳定运行。北斗全球卫星导航星座星间链路是我国首个网络化的星间链路，在对导航星座星间链路运行支持的实现中，星间链路管控的概念得以建立并丰富，并成为独立发展的技术方向。

航天器测控是对航天器飞行和工作状态进行跟踪、测量和控制的活动。星间链路管控是在复杂星间链路出现后，对航天器测控业务的延伸和扩展。与传统面向单个航天器的测控有较大区别，星间链路管控的对象是多点联通的星间链路及其动态变化形成的空间通信网络，具体业务特点主要包括：

1、从卫星进入工作轨道后至整个寿命期结束，对多点联通的星间链路进行长期管控，具备网络管理的特点。

2、随着星座发射组网规模的演进，星间链路管控的对象也在动态增加，管控的内涵也在动态发展，逐步由单点在轨测试、多点组网联调以及规模网络组网试运行向全网稳定运行服务转化。

3、星座发射组网阶段，星间链路网络的节点数量及网络规模不断增加，组网完成后星间链路网络的健康状态也在动态变化，星间链路管控状态长期具有变化性的特点。

原本面向航天器单目标的测控方法已经无法适应网络化的星间链路的管控要求。面向数量可扩展的单一卫星服务的原航天测控系统，直接适应复杂星间链路综合管控有较大困难。受北斗全球卫星导航系统的工程牵引，亟需面向复杂星间链路的具体运行特点，解决复杂星间链路高效管控的问题。

本发明提出一种技术实现方法，从导航星座星间链路运行和管控的特点出发，通过对星间链路运行模式及场景的精细化设计，按照运行模式、运行场景及其之间的转化关系和转化条件，对复杂星间链路实现自动化高效管控，作为支持以北斗全球卫星导航系统为代表的复杂星间链路稳定运行的解决方案，可向复杂星间链路管控推广应用。

发明内容

以北斗全球卫星导航系统为代表的复杂星间链路出现后，对数量可扩展的单一卫星的测控方法，已无法满足规模动态变化、业务动态发展、具备网络管理特点的星间链路管控需求。本专利提出一种技术实现方法，按照星间链路运行模式和场景的定义及其转化条件，自动化判定星间链路管控状态，对星间链路运行进行精细化管控，实现传统航天器测控业务功能的扩展，可作为复杂星间链路高效管控的解决手段。

本发明提供一种按运行模式和场景进行导航星座星间链路管控的方法，具体是通过以下技术方案实现的。

一种按运行模式和场景进行导航星座星间链路管控的方法，包括以下步骤：精细化划分导航星间链路运行模式和场景，根据星间链路整体建设阶段和服务状态划分星间链路整体运行模式，根据星间链路局部运行特点划分星间链路局部运行场景；由地面中心计算机系统综合监控模块判定星间链路整体运行模式及星间链路各局部运行场景，并根据运行模式之间的转化关系和运行场景之间的转化关系，进行星间链路整体运行模式和局部运行场景的切换；综合监控模块星间链路运行模式和运行场景的状态输出，触发地面中心计算机系统业务功能模块自动化执行具体管控功能，综合实现各种星间链路管控业务。

本发明中，根据星间链路整体的建设阶段和服务状态，区分系统演化模式、常规服务模式和自主运行模式，地面中心计算机系统综合监控模块判定星间链路整体的运行模式，触发模式相应的管控业务操作运行。

本发明中，根据星间链路局部运行特点，将运行模式细化为十种运行场景，地面中心计算机系统综合监控模块判定星间链路各局部运行场景，触发场景相应的管控业务操作运行；其中，系统演化模式细分为入网测试场景、联调试用场景、故障处置场景和试验验证场景；常规服务模式细分为导航常规服务场景、扩展应用服务场景、用户应急服务场景和故障处置恢复场景；自主运行模式细分为星座半自主运行场景和星座自主运行场景。

根据图1所示的三种星间链路运行模式之间的转化关系及条件，地面中心计算机系统综合监控模块进行星间链路管控整体运行模式的切换；根据图2所示的十种星间链路运行场景之间的转换关系及条件，地面中心计算机系统综合监控模块进行星间链路管控局部运行场景的切换。

受地面中心计算机系统综合监控模块设置的运行模式及场景触发，由用户服务模块、用户需求模块、网络配置管理模块、监控与故障诊断模块、资源调度模块、测试验证模块等业务功能模块自动化执行具体管控功能，综合实现各管控业务。其中，用户服务模块负责服务资源发布、用户需求模块收集转化及服务效果交互，网络配置管理模块实现星间链路网络分层控制管理，监控与故障诊断模块完成星间网络监视和故障诊断，资源调度模块完成地面配套资源的分配和使用，测试验证模块支持星间链路的测试和离线试验。

系统演化模式下，星间链路管控业务主要包括在轨测试、故障处置、组网联调、组网试运行等；常规服务模式下，星间链路管控业务主要包括各运行场景下的配置管理、资源管控、状态监控与故障处置、用户服务等；自主运行模式下，星间链路运管控业务基于卫星为主实现，地面进行自主运行支持、监视和评估等。

本发明的有益技术效果：

本发明提供的导航星座星间链路管控方法，解决了航天测控系统适应规模动态变化、业务动态发展的网络化星间链路管控的问题。具体效果包括：

复杂星间链路管控功能从无到有。以我国首个复杂星座星间链路——北斗全球卫星导航星座星间链路为代表，可支持地面中心计算机系统实现在轨测试、组网联调组网试运行、多场景运行服务、自主运行等星间链路管控业务，实现地面系统对复杂星间链路的管控功能。

可实现导航星座星间链路精细化管控。基于对星间链路整体运行模式及局部运行场景的精细化设计和定义，将传统面向测定轨、遥测、遥控等具体功能的测控业务实现方式，延伸扩展至面向具体运行模式及场景的综合运行服务的管控业务实现方式，适应了复杂对象精细化管控需求。

可实现导航星座星间链路自动化管控。基于星间链路运行模式之间的转化条件和运行场景之间的转化条件的明确设计和定义，地面中心计算机系统可实现星间链路运行模式和场景的自动转换、对应运行模式和场景下的管控业务的自动化执行，满足了复杂对象自动化管控需求。

附图说明

图1星间链路运行模式转化关系图；

图2星间链路运行场景转化关系图。

具体实施方式

下面结合导航星座星间链路管控具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种按运行模式和场景进行导航星座星间链路管控的方法，包括以下步骤：精细化划分导航星间链路运行模式和场景，根据星间链路整体建设阶段和服务状态划分星间链路整体运行模式，根据星间链路局部运行特点划分星间链路局部运行场景；由地面中心计算机系统综合监控模块判定星间链路整体运行模式及星间链路各局部运行场景，并根据运行模式之间的转化关系和运行场景之间的转化关系，进行星间链路整体运行模式和局部运行场景的切换；综合监控模块星间链路运行模式和运行场景的状态输出，触发地面中心计算机系统业务功能模块自动化执行具体管控功能，综合实现各种星间链路管控业务。

根据星间链路整体建设阶段和服务状态划分星间链路运行模式：

1)系统演化模式

该模式下，导航星座星间链路网络拓扑变化发展，尚不具备整体星座导航运行服务的条件。系统演化模式可包含在轨星间链路分别处于不同运行状态的情况，例如，一部分星间链路进行组网试运行，不提供有质量保证的服务，另一部分单独进行在轨测试或故障处置；也包含全部星间链路都处于组网联调或试运行的情况。

2)常规服务模式

该模式下，导航星座星间链路完成组网，地面系统可正常支持导航业务，导航系统具备正常运行服务的条件。常规服务模式允许少部分星间链路处于故障或恢复状态，但不影响整体星座导航运行服务的要求。

3)自主运行模式

该模式下，导航星座基于星间链路进行自主导航，播发自主导航星历；允许部分星间链路未入网，但星座整体满足自主导航服务要求。当导航星座超出一定时间无法获得地面系统导航业务正常支持的情况下，或收到地面发出的自主导航切换指令，转为自主运行模式

星间链路三种运行模式之间的转化关系如图1所示。

1)系统演化模式与常规服务模式间的转化

系统演化模式向常规服务模式转化：星间链路原处于测试联调或故障等状态，无法支持整体星座导航运行服务，经在轨测试或故障处置后，星间链路具备组网条件，且导航系统具备整体星座导航运行服务条件时，星间链路由系统演化模式转为常规服务模式。

常规服务模式向系统演化模式转化：因暂时不可恢复的在轨故障，导致星间网络规模或拓扑结构不具备支持整体星座导航运行服务的条件时，全部星间链路由常规服务模式转为系统演化模式。

2)常规服务模式与自主运行模式间的转化

常规服务模式向自主运行模式转化：如果各卫星收到地面转为自主运行状态的指令，或者各卫星自主判断地面注入的电文龄期与当前时刻时差超差，触发卫星切换至播发自主导航星历。

自主运行模式向常规服务模式转化：如果各卫星收到地面转为常规运行状态的指令，或者各卫星自主判读地面星历数据更新标志符合常规运行条件，星间链路恢复常规服务模式。

导航星座星间链路三种运行模式下，具体按局部运行特点可细分为十种运行场景，如下表所示。导航星座星间链路可处于同一模式的多种场景下，某一星间链路节点仅处于唯一场景中。

导航星座星间链路运行场景划分

系统演化模式下的场景及转化包括：

1)入网测试场景

入网测试场景适用于局部星间链路节点的运行管理，指卫星入轨后星间链路入网测试和某些情况下故障排除后重新入网测试的场景。

处于入网测试场景的卫星星间链路与其它卫星独立运行，暂不对外服务，可通过地面管理设备对其开展入网测试，单独进行拓扑路由规划。

当卫星完成入网测试、功能性能正常后，可通过卫星入网流程进入联调试用场景。

2)联调试用场景

联调试用场景适用于规模逐步演化的星间链路网络。局部星间链路节点完成入网测试后，可加入星间链路的联调试用场景。

在联调试用场景中，星间链路的规模和网络拓扑结构可持续变化和进展，业务服务效果尽能力实现，经过试用形成最优的管理策略和调度方式，为转入常规服务模式奠定基础。

经过联调试用，若星间链路具备整体星座导航运行服务能力，则可转为常规服务模式的相关场景。

3)故障处置场景

故障处置场景适用于星间链路节点故障或星间链路局部网络故障导致星座无法提供或较快恢复整体星座导航运行服务的情况。在该场景下，对故障节点或局部网络进行故障诊断和故障恢复。

待故障恢复后，可依次转为入网测试和联调试用场景。

4)试验验证场景

试验验证场景用于在系统演化阶段开展扩展应用、异构网络间互联互通、业务性能测试等试验验证，为导航星座常规服务奠定基础。

常规服务模式下的场景及转化包括：

1)导航常规服务场景

导航常规服务场景是指在常规服务模式下，通过对导航星座星间链路的运行管理，实现星间链路整体星座导航运行服务要求，是最基本的运行管理场景。

当有部分星间链路故障影响导航星座实现整体星座导航运行服务能力时，故障节点转入系统演化模式的故障处置场景，正常节点转为系统演化模式的联调试用场景。故障恢复后经过在轨测试、联调试用，星间链路重新转入正常服务模式的常规业务场景。

2)扩展应用服务场景

扩展应用服务场景是指在常规服务模式下，在不影响星间链路支持整体星座导航运行服务的基础上，以部分星间链路资源支持扩展应用服务的场景。

扩展应用服务场景分为短期使用和常态运行两种方式。短期使用方式将用户航天器视为星间链路的特殊节点，仅进行突发性的试验或试用，由导航星座星间链路的预留资源进行支持。

常态运行方式将用户航天器视为星间链路一个新增周期服务节点，纳入星间链路网络进行统一规划，综合内外用户服务需求进行支持。

扩展应用服务场景适用于部分或全部星间链路节点。当扩展应用用户通过使用申请通过后，可由导航常规服务场景切换至扩展应用服务场景。

3)用户应急服务场景

用户应急服务场景是指在常规服务模式下，由于某些特殊情况，部分用户可申请提高用户服务等级或调整服务要求，同时兼顾实现星间链路整体星座导航运行服务支持的场景。

以短报文通信业务为例，在特殊搜救等情况下，可经过申请提高搜救数据在星间链路的接入优先级和数据量，为其提供更高质量的服务。

4)故障处置恢复场景

故障处置恢复场景是指在星间链路满足整体星座导航运行服务的前提下，对少量星间链路进行故障及恢复的场景。

少量星间链路的故障处置恢复场景，通常与主体星间链路的各服务场景共存。故障恢复后，故障节点无需经过在轨测试等过程，直接入网转为相应服务场景。

自主运行模式下的场景及转化包括

1)星座半自主运行场景

星座半自主运行场景是指在无地面导航业务支持情况下，导航星座基于星间链路进行自主导航，通过地面锚固支持进行星座整体旋转、EOP等参数修正的场景。

当失去地面锚固支持时，星座半自主运行场景向星座自主运行场景转化。

2)星座自主运行场景

星座自主运行场景是指在无地面导航业务支持情况下，导航星座基于星间链路进行自主导航的场景。

星间链路自动化管控操作流程为：

1、地面中心计算机系统综合监控模块判定星间链路整体运行模式及各个星间链路局部运行场景。

2、地面中心计算机系统综合监控模块根据运行模式之间的转化关系和运行场景之间的转化关系，进行星间链路整体业务运行模式和局部业务运行场景的切换。

3、星间链路运行模式和运行场景的状态输出，触发地面中心计算机系统业务功能模块自动化执行具体管控功能，综合实现各种星间链路管控业务。

星间链路管控在卫星进入工作轨道后开展，具备网络管理的特性。在导航星座不同的运行管理模式下，运行管理的重点有所不同，具体如下：

1)系统演化模式的管控业务

系统演化模式下，星间链路管控涵盖在轨测试、故障处置、组网联调、组网试运行等，主要测试星间链路终端性能、验证星间链路网络运行的协调性，调整和优化运行管理策略和方案。

在轨测试一般采用星地联合的方式，对星间链路终端进行发射信号特性测试、天线工作状态检查、收发通道时延标定、设备功能评估等操作，验证在轨星间链路终端星间接口适配性和信息路由正确性。

故障处置采用地面为主控制的方式，对星间链路的故障状态进行识别和诊断，对故障星间链路进行隔离处置和故障恢复。

组网联调采用地面集中控制的方式，将待入网的星间链路节点接入星间链路网络进行调试，检查新规模网络运行协调性及星间链路业务服务性能。

组网试运行采用地面监控的方式，在星间链路网络提供正式服务前可进行一定周期的服务性能监测，为星间链路转入常规服务模式奠定基础。

2)常规服务模式的管控业务

常规服务模式下，星间链路管控涵盖各运行场景下的配置管理、资源管控、状态监控与故障处置、用户服务等，主要实现导航星座星间链路对导航服务及外部用户的稳定可靠支持。

配置管理可采用集中规划的方式，完成星间链路物理层、数据链路层、网络层等的参数配置，实现星间链路的网络化运行；待技术条件成熟后可发展网络自组织配置管理，采用“集中+分布式”管理方式。

资源管控当前可采用地面集中管理的方式，对星间链路资源和星间接入链路资源进行管理和分配，支持各类用户获取星间链路服务。

状态监控与故障处置采用卫星自主处置与地面控制处置相结合的方式，尽可能快速判断并恢复星间链路故障，降低故障对导航星座稳定运行的影响。

用户服务当前主要采用地面集中管理的方式，进行用户需求汇总、用户请求反馈、服务状态发布、服务效果评估等，为用户提供网络化服务。

3)自主运行模式的管控业务

自主运行模式下，主要通过卫星自主规划调度、自主状态监测与故障诊断恢复、星座自主维持等实现。地面星间链路管控主要在有基本星地数据交互条件时进行最低导航支持、监视和评估。

导航星座星间链路管控实例：

以常规服务模式下节点故障处置恢复事件为例，具体展示星间链路精细化管控过程。

基本工作流程为：在导航常规服务场景下，当星间链路发生卫星节点故障且故障规模不影响星座整体导航服务时，故障节点进入故障处置恢复场景进行故障处置，同时星间链路运行管理系统对导航常规服务场景进行用户服务判断和配置管理，以确保星间链路网络持续支持导航服务及其他用户业务服务。卫星节点故障恢复后，重新加入导航常规服务场景恢复服务。

在故障处置恢复场景下，对故障节点从物理层至应用层逐层向下依次进行信息收集和故障诊断。具体根据遥测分层状态监视信息，进行包括单机器件、网络拓扑、网络路由、网络数据传输及用户服务的故障诊断。故障定位后，按照相应的故障处置预案进行处置恢复。

在导航常规服务场景下，对可服务星间链路从应用层至物理层逐层向下判断是否需要整网配置参数重规划。其中，应用层面向故障状态，核验用户接入计划是否维持原有状态；传输层基于用户服务需求，核验是否重新生成网络传输参数；网络层基于网络拓扑，核验是否重新生成路由规划；链路层基于节点构成和拓扑规则，核验是否重新生成拓扑规划；物理层基于工作状态要求，核验是否重新生成网络物理参数。当原故障对星间链路网络服务影响判决结果为可忽略时，整网配置参数重规划可推迟至下一运行周期进行。

当节点在短期内快速实现故障恢复后，则立刻进入导航常规服务场景，全网使用原网络配置管理参数运行服务。当节点故障恢复前整网已完成了配置参数重规划及使用，则在下一运行周期开始前加入该节点重新规划网络。

整个故障处置恢复过程按照星间链路运行管理模式、场景的定义及转化关系，由星间链路运行管理系统模块自动化执行以上工作流程。工程实践结果表明，基于场景和模式的精细化运行管理，对星间链路稳定运行服务支持的效果良好。

以上所述的仅是本发明的较佳实施例，并不局限发明。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，还可以做出其它等同改进，均可以实现本发明的目的，都应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种按运行模式和场景进行导航星座星间链路管控的方法，其特征在于，包括以下步骤：精细化划分导航星间链路运行模式和场景，根据星间链路整体建设阶段和服务状态划分星间链路整体运行模式，根据星间链路局部运行特点划分星间链路局部运行场景；由地面中心计算机系统综合监控模块判定星间链路整体运行模式及星间链路各局部运行场景，并根据运行模式之间的转化关系和运行场景之间的转化关系，进行星间链路整体运行模式和局部运行场景的切换；综合监控模块星间链路运行模式和运行场景的状态输出，触发地面中心计算机系统业务功能模块自动化执行具体管控功能，综合实现各种星间链路管控业务。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据星间链路整体的建设阶段和服务状态，区分系统演化模式、常规服务模式和自主运行模式，地面中心计算机系统综合监控模块判定星间链路整体的运行模式，触发模式相应的管控业务操作运行。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据星间链路局部运行特点，将运行模式细化为十种运行场景，地面中心计算机系统综合监控模块判定星间链路各局部运行场景，触发场景相应的管控业务操作运行；其中，系统演化模式细分为入网测试场景、联调试用场景、故障处置场景和试验验证场景；常规服务模式细分为导航常规服务场景、扩展应用服务场景、用户应急服务场景和故障处置恢复场景；自主运行模式细分为星座半自主运行场景和星座自主运行场景。