CN112311442B - 基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统，包括：失效自主判断单元，被配置为自主循环判断测控载荷是否失效，若是则跳出循环，启动应急测控流程；故障排除单元，被配置为自主排除工作模式自动切换过程中，微波星间链路载荷的故障；工作模式自动切换单元，被配置为应急测控流程启动后，微波星间链路载荷自动切换至正常收发工作模式、地面站指向工作模式或地心指向工作模式。

Description

基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统

技术领域

本发明涉及北斗导航卫星技术领域，特别涉及一种基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统。

背景技术

北斗三号全球导航定位系统是全球三大导航定位系统之一，该系统由30颗卫星组成星座网络为地面提供导航授时服务，是我国极其重要的国家空间基础设施。其建立的基于微波星间链路载荷的星间/星地链路网络是北斗全球系统的一大特色功能。

卫星测控载荷建立星地遥控上行、遥测下行通道，地面卫星运管系统通过下行遥测数据对卫星状态进行检测，通过上行遥控指令对卫星进行控制。随着卫星长期在轨运行，虽然测控载荷设置多冗余备份，但长期恶劣的空间环境、可能存在的原始设计缺陷、制造工艺缺陷等均可能导致测控载荷失效，进而导致卫星进入无法下行遥测，甚至无法接收上行遥控的危险情况。

目前卫星测控载荷失效后地面的处置方法是：当卫星运行至境内可视范围内，地面卫星运管系统采用指令连续盲发的模式，向卫星注入测控载荷重启、开关机、切机等卫星故障恢复指令链，期望卫星可收到相关指令后可完成故障排除，与地面建立上下行通信链路。

对于上述卫星测控载荷失效应急处置办法，存在诸多限制：卫星测控载荷失效后往往遥测无法下行，地面无法监测卫星状态，也无法判断故障情况，不能进行故障的准确定位和制定针对性故障排除方法，只能采用指令盲发的方式，效果极其有限，实际操作过程中处置往往数周甚至数月，大部分最终也无法排除故障；当出现更严重的上行失效情况，无论地面是否可以接收遥测进行故障定位，由于此时卫星无法接收上行指令注入，若卫星不具备自主故障恢复的能力，则变成不受控目标，无法使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统，以解决现有的卫星测控载荷失效应急处置办法可靠性低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统，包括：

失效自主判断单元，被配置为自主循环判断测控载荷是否失效，若是则跳出循环，启动应急测控流程；

故障排除单元，被配置为自主排除工作模式自动切换过程中，微波星间链路载荷的故障；

工作模式自动切换单元，被配置为应急测控流程启动后，微波星间链路载荷自动切换至正常收发工作模式、地面站指向工作模式或地心指向工作模式。

可选的，在所述的基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统中，卫星初始入轨工作时，默认的测控失效标识为“失效”，开始第一测控载荷失效判断循环，跳出第一测控载荷失效判断循环则启动应急测控流程；

第一测控载荷失效判断循环包括：

测控未失效时间计数器初始化；

开始第二测控载荷失效判断循环，跳出第二测控载荷失效判断循环则测控失效标识变更或维持，若测控失效标识为“未失效”则继续第一测控载荷失效判断循环，否则跳出第一测控载荷失效判断循环；

第二测控载荷失效判断循环包括：

测控未失效时间计数器累加计时；

判断测控未失效时间计数器是否超过预设时间；

若是，则跳出第二测控载荷失效判断循环，测控失效标识为“失效”；

否则判断地面测控站是否注入“测控未失效”指令；

若是，则跳出第二测控载荷失效判断循环，测控失效标识为“未失效”；

否则继续第二测控载荷失效判断循环。

可选的，在所述的基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统中，所述地面站指向工作模式包括：

卫星微波星间链路载荷根据卫星当前的北斗时、轨道、姿态、钟差及目标地面测控站坐标，计算星间链路信号指向、到达时刻及多普勒频移作为建链辅助参数，按照时间节拍对地面测控站进行信号收发；

所述地心指向工作模式包括：

卫星微波星间链路载荷根据卫星当前的北斗时，按照时间节拍沿天线法相进行信号收发。

可选的，在所述的基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统中，所述工作模式自动切换单元包括地面站指向模式时间计数器及地心指向模式时间计数器，其中：

应急测控流程启动后，地面站指向模式时间计数器和地心指向模式时间计数器初始化；

微波星间链路载荷自动切换至正常收发模式；

在正常收发工作模式下，若地面站指向模式时间计数器超时，则微波星间链路载荷自动切换至地面站指向工作模式；

在地面站指向工作模式下，若地心指向模式时间计数器超时，则微波星间链路载荷自动切换至地心指向工作模式。

可选的，在所述的基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统中，

应急测控流程启动后，卫星自动检测微波星间链路载荷当前工作状态是否正常；

若是则微波星间链路载荷按照地面预先规划处于正常收发工作模式；

否则故障排除单元自主排除微波星间链路载荷的故障；

进入地面站指向工作模式判断循环，结束后进入地面站指向工作模式或保留在正常收发工作模式；

若进入地面站指向工作模式，则进入地心指向工作模式判断循环，结束后进入地心指向工作模式或保留在地面站指向工作模式。

可选的，在所述的基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统中，地面站指向工作模式判断循环包括：

等待地面测控站注入“模式保持”指令；

若在第一阈值时间内收到，则地面站指向模式时间计数器停止计时，保留在正常收发工作模式，否则进入地面站指向工作模式；

地心指向工作模式判断循环包括：

若在第二阈值时间内收到，则地心指向模式时间计数器停止计时，保留在地面站指向工作模式，否则进入地心指向工作模式。

可选的，在所述的基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统中，故障排除单元自主排除工作模式自动切换过程中，微波星间链路载荷的故障包括：

故障排除单元按照设计自主进行故障排除操作，包括软件重加载、设备重启及设备主备份切换，并继续按照地面预先规划与其他卫星或地面测控站建立通信链路。

可选的，在所述的基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统中，正常收发工作模式包括：

卫星按照地面预先规划不断切换建链目标，与不同卫星或地面测控站建立通信链路；

微波星间链路载荷采用非周期长码进行信号调制与解调；

与地面测控站建链成功后，卫星通过星间链路网络发送遥测数据并下传至地面测控站，地面测控站通过星间链路网络对卫星进行操作，建立应急测控通道，并发送“模式保持”指令使卫星保持在当前状态。

可选的，在所述的基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统中，地面站指向工作模式包括：

卫星根据当前北斗时、轨道、姿态、钟差及目标地面测控站坐标，计算星间链路信号指向、到达时刻、多普勒频移，按照时间节拍对预设的某一地面测控站进行信号收发；

微波星间链路载荷采用周期短码进行信号调制与解调，与地面测控站进行信号盲捕；

与地面测控站建链成功后，卫星通过星间链路发送遥测数据至地面测控站，地面测控站通过星间链路对卫星进行操作，建立应急测控通道，并发送“模式保持”指令使卫星保持在当前状态。

可选的，在所述的基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统中，地心指向工作模式包括：

卫星根据当前北斗时，按照时间节拍沿天线法相进行信号收发；

微波星间链路载荷采用周期短码进行信号调制与解调，与地面测控站进行信号盲捕；

与地面测控站建链成功后，卫星通过星间链路发送遥测数据至地面测控站，地面测控站通过星间链路对卫星进行操作，建立应急测控通道。

在本发明提供的基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统中，通过失效自主判断单元自主循环判断测控载荷是否失效，若是则跳出循环，启动应急测控流程，故障排除单元自主排除工作模式自动切换过程中，微波星间链路载荷的故障，工作模式自动切换单元应急测控流程启动后，微波星间链路载荷自动切换至正常收发工作模式、地面站指向工作模式或地心指向工作模式，提供了一种新的北斗三号卫星应急测控方法，能够确保卫星遇到测控载荷失效故障时，可以自动完成星地应急通信链路建立，使卫星具备应急测控功能。本发明实现了利用北斗三号卫星配备的微波星间链路载荷，在卫星测控载荷失效的情况下，自动完成一系列状态设置与模式转换，并可自主排除模式转换过程中可能存在的故障，建立星间或星地的应急测控上下行通道，实现了卫星应急测控。

附图说明

图1是本发明一实施例中失效自主判断单元自主循环判断测控载荷是否失效的流程示意图；

图2是本发明一实施例中工作模式自动切换单元应急测控流程启动后的自动切换流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。

本发明的核心思想在于提供一种基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统，以解决现有的卫星测控载荷失效应急处置办法可靠性低的问题。

为实现上述思想，本发明提供了一种基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统，包括：失效自主判断单元，被配置为自主循环判断测控载荷是否失效，若是则跳出循环，启动应急测控流程；故障排除单元，被配置为自主排除工作模式自动切换过程中，微波星间链路载荷的故障；工作模式自动切换单元，被配置为应急测控流程启动后，微波星间链路载荷自动切换至正常收发工作模式、地面站指向工作模式或地心指向工作模式。

本发明涉及航天中卫星通信、卫星测控、卫星应急处置领域，尤其涉及一种北斗三号卫星常规测控载荷完全失效，卫星失去遥控上行及遥测下行能力的情况下，卫星自主利用配备的微波星间链路载荷进行卫星应急测控，建立遥测遥控上下行通道的方法。

本发明目的在于利用北斗三号卫星配备的微波星间链路载荷，在卫星测控载荷失效的情况下，自动完成一系列状态设置与模式转换，并可自主排除模式转换过程中可能存在的故障，建立星间或星地的应急测控上下行通道，实现卫星应急测控。

本发明提供了一种卫星测控失效标识保持模式，该模式是指卫星“测控失效标识”初始默认状态为“失效”，仅当地面注入“测控未失效”指令后变更为“未失效”，且卫星在接收到最后一条“测控未失效”指令超过一定时间，“测控失效标识”自动变更为“失效”的模式，卫星根据“测控失效标识”状态自动判定卫星的测控载荷是否已失效。

为实现上述目的，本发明提供了一种卫星利用微波星间链路载荷自动建立应急测控通道的流程，包括，(1)卫星自主判断测控载荷是否失效，是否启动应急测控建立流程；(2)卫星自主排除模式转换过程中微波星间链路载荷可能存在的故障；(3)卫星微波星间链路载荷自动切换为地面站指向工作模式；(4)卫星微波星间链路载荷自动切换为地心指向工作模式。

所述地面站指向工作模式是指卫星微波星间链路载荷根据卫星当前北斗时、轨道、姿态、钟差、目标地面站坐标等参数，计算星间链路信号指向、到达时刻、多普勒频移等建链辅助参数，按照时间节拍对地面站进行信号收发的模式。

所述地心指向工作模式是指卫星微波星间链路载荷根据卫星当前北斗时，按照时间节拍沿天线法相(地心方向)进行信号收发。

本发明的优点在于：通过设计测控失效标识保持模式，当卫星测控失效可自主判断出卫星失效状态，启动应急测控通道建立流程；通过卫星利用微波星间链路载荷自动建立应急测控通道的流程，卫星可在无地面支持的情况下自动尝试建立应急测控通道；通过设计的自主排除模式转换过程中可能存在的故障，以及微波星间链路地面站指向模式/地心指向模式，提供了较大容错概率，提高建立应急测控通道成功概率。提供了一种新的北斗三号卫星测控失效情况下的应急测控方法。

北斗三号全球导航系统建立了基于时分空分复用体制的微波星间链路网络系统，该系统通过每颗北斗三号卫星配置的电扫相控阵微波星间链路终端，实现了与其他卫星或地面站建立微波通信星间链路；通过信号收发时分切换、信号指向空分复用的方式，实现了同一颗卫星与多颗卫星或地面站的分时通信，组成动态卫星网络；通过节点存储转发的路由方式，实现数据的任一节点可达。

卫星正常工作时，每颗卫星的微波星间链路载荷根据地面统一预先规划，按照北斗时节拍切换信号指向与收发状态，与其他卫星或地面站建立通信链路。基于以上事实，考虑北斗三号卫星在测控载荷失效情况下，使用微波星间链路进行应急测控。

如图1所示，本发明所述卫星测控失效标识保持模式，主要设计要点如下：

卫星初始入轨工作时，默认的测控失效标识为“失效”，测控未失效时间计数器Time_b初始化并开始累加计时；

卫星周期性判断Time_b是否超过预设时间Time_B，其中Time_B是指卫星自主判断测控载荷失效时间阈值，该阈值可通过地面指令调节。一般的，该阈值取比卫星周期性入境测控维护时间稍长；

若Time_b<Time_B，则表明卫星测控载荷未失效，测控未失效时间计数器Time_b继续累加计时；

每次卫星周期性过境，地面进行测控操作时，注入“测控未失效”指令，卫星重新初始化测控未失效时间计数器Time_b，并将测控失效标识更新为“未失效”并保持；

当发生测控载荷失效时，则地面无法注入“测控未失效”指令，当计数器Time_b累加至大于Time_B时，表明在超过阈值的时间内均未收到地面测控注入指令，卫星判断测控载荷已失效，自动启动应急测控流程。

如图2所示，本发明所述卫星利用微波星间链路载荷自动建立应急测控通道的流程，该流程设计根据卫星健康状况，按照应急测控通道建立难易程度由易到难，设计了3种不同的工作模式，每种模式下均可能建立应急测控通道并进行状态保持，若该模式下无法建立应急测控通道，则到达预设时间后会自动转入下一种模式进行尝试，主要步骤如下：

步骤S0：卫星启动应急测控流程后，步骤S1：初始化“地面站指向模式”时间计数器Time_s和“地心指向模式”时间计数器Time_x；

步骤S2：卫星自动检测当前微波星间链路载荷工作状态是否正常，一般的，若卫星无其他主载荷故障，微波星间链路载荷按照地面预先规划工作在正常收发模式，该模式有以下特点：①卫星按照地面预先规划不断切换建链目标，与不同卫星或地面站建立通信链路；②微波星间链路载荷采用非周期长码进行信号调制与解调；③卫星相关遥测显示微波星间链路载荷工作状态正常，卫星可通过星间链路网络发送遥测数据并下传至地面站，地面站可通过星间链路网络对卫星进行操作，即地面站发送“模式保持”指令使卫星保持在当前状态，则下一步进入步骤S3后自然得到“Y”的结果，进入步骤S7：建立应急测控通道；

若此时卫星检测到微波星间链路载荷工作状态异常，则进入步骤S2-1：按照设计自主进行故障排除操作，主要包括软件重加载、设备重启、设备主备份切换等，尝试排除故障，继续按照地面预先规划与其他卫星或地面站建立通信链路，若建立成功则在进入步骤S3时收到地面测控站注入的“模式保持”指令，进一步进入步骤S7建立应急测控通道，否则进入S4；

若上述步骤S2、S2-1、S3过程中均未收到“模式保持”指令，则进入S4：周期性判断“地面站指向模式”时间计数器Time_s，未超时则循环返回至S3；当Time_s大于预设阈值Time_S时，表示在Time_S时间内，卫星无法在微波星间链路载荷正常工作模式下与地面建立应急测控链路，步骤S4-1：进入“地面站指向工作模式”，该模式有以下特点：①卫星不按照地面规划收发信号，而是根据当前北斗时、轨道、姿态、钟差、目标地面站坐标等参数，计算星间链路信号指向、到达时刻、多普勒频移等建链辅助参数，按照时间节拍对预设的某一地面站进行信号收发；②微波星间链路载荷采用周期短码进行信号调制与解调，方便地面站进行信号盲捕，提高建链成功概率；③若在此模式下与地面站建链成功，卫星可通过星间链路发送遥测数据至地面站，地面站可通过星间链路对卫星进行操作，即发送“模式保持”指令使卫星保持在当前状态，则下一步进入步骤S5后自然得到“Y”的结果，进入步骤S7：建立应急测控通道；

若上述步骤S4-1、S5过程中依旧未到“模式保持”指令，则进入S6：周期性判断“地面站指向模式”时间计数器Time_x，未超时则循环返回至S5；当Time_x大于预设阈值Time_X时，表示在Time_X时间内，卫星无法在微波星间链路载荷地面站指向模式下与地面建立应急测控链路，步骤S6-1：进入“地心指向工作模式”，该模式有以下特点：①卫星根据当前北斗时，不进行信号补偿参数计算，仅按照时间节拍沿天线法相(地心方向)进行信号收发；②微波星间链路载荷采用周期短码进行信号调制与解调，方便地面站进行信号盲捕，提高建链成功概率；③若在此模式下与地面站建链成功，卫星可通过星间链路发送遥测数据至地面站，地面站可通过星间链路对卫星进行操作，步骤S7：建立应急测控通道。

综上，上述实施例对基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统，其特征在于，包括：

失效自主判断单元，被配置为自主循环判断测控载荷是否失效，若是则跳出循环，启动应急测控流程；

故障排除单元，被配置为自主排除工作模式自动切换过程中，微波星间链路载荷的故障；

工作模式自动切换单元，被配置为应急测控流程启动后，微波星间链路载荷自动切换至正常收发工作模式、地面站指向工作模式或地心指向工作模式；

所述工作模式自动切换单元包括地面站指向模式时间计数器及地心指向模式时间计数器，其中：

应急测控流程启动后，地面站指向模式时间计数器和地心指向模式时间计数器初始化；

微波星间链路载荷自动切换至正常收发模式；

在正常收发工作模式下，若地面站指向模式时间计数器超时，则微波星间链路载荷自动切换至地面站指向工作模式；

在地面站指向工作模式下，若地心指向模式时间计数器超时，则微波星间链路载荷自动切换至地心指向工作模式；

正常收发工作模式包括：

卫星按照地面预先规划不断切换建链目标，与不同卫星或地面测控站建立通信链路；

微波星间链路载荷采用非周期长码进行信号调制与解调；

与地面测控站建链成功后，卫星通过星间链路网络发送遥测数据并下传至地面测控站，地面测控站通过星间链路网络对卫星进行操作，建立应急测控通道，并发送“模式保持”指令使卫星保持在当前状态；

地面站指向工作模式包括：

卫星根据当前北斗时、轨道、姿态、钟差及目标地面测控站坐标，计算星间链路信号指向、到达时刻、多普勒频移，按照时间节拍对预设的某一地面测控站进行信号收发；

微波星间链路载荷采用周期短码进行信号调制与解调，与地面测控站进行信号盲捕；

与地面测控站建链成功后，卫星通过星间链路发送遥测数据至地面测控站，地面测控站通过星间链路对卫星进行操作，建立应急测控通道，并发送“模式保持”指令使卫星保持在当前状态；

地心指向工作模式包括：

卫星根据当前北斗时，按照时间节拍沿天线法相进行信号收发；

微波星间链路载荷采用周期短码进行信号调制与解调，与地面测控站进行信号盲捕；

与地面测控站建链成功后，卫星通过星间链路发送遥测数据至地面测控站，地面测控站通过星间链路对卫星进行操作，建立应急测控通道。

2.如权利要求1所述的基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统，其特征在于，

卫星初始入轨工作时，默认的测控失效标识为“失效”，开始第一测控载荷失效判断循环，跳出第一测控载荷失效判断循环则启动应急测控流程；

第一测控载荷失效判断循环包括：

测控未失效时间计数器初始化；

开始第二测控载荷失效判断循环，跳出第二测控载荷失效判断循环则测控失效标识变更或维持，若测控失效标识为“未失效”则继续第一测控载荷失效判断循环，否则跳出第一测控载荷失效判断循环；

第二测控载荷失效判断循环包括：

测控未失效时间计数器累加计时；

判断测控未失效时间计数器是否超过预设时间；

若是，则跳出第二测控载荷失效判断循环，测控失效标识为“失效”；

否则判断地面测控站是否注入“测控未失效”指令；

若是，则跳出第二测控载荷失效判断循环，测控失效标识为“未失效”；

否则继续第二测控载荷失效判断循环。

3.如权利要求1所述的基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统，其特征在于，所述地面站指向工作模式包括：

卫星微波星间链路载荷根据卫星当前的北斗时、轨道、姿态、钟差及目标地面测控站坐标，计算星间链路信号指向、到达时刻及多普勒频移作为建链辅助参数，按照时间节拍对地面测控站进行信号收发；

所述地心指向工作模式包括：

卫星微波星间链路载荷根据卫星当前的北斗时，按照时间节拍沿天线法相进行信号收发。

4.如权利要求3所述的基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统，其特征在于，

应急测控流程启动后，卫星自动检测微波星间链路载荷当前工作状态是否正常；

若是则微波星间链路载荷按照地面预先规划处于正常收发工作模式；

否则故障排除单元自主排除微波星间链路载荷的故障；

进入地面站指向工作模式判断循环，结束后进入地面站指向工作模式或保留在正常收发工作模式；

若进入地面站指向工作模式，则进入地心指向工作模式判断循环，结束后进入地心指向工作模式或保留在地面站指向工作模式。

5.如权利要求4所述的基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统，其特征在于，地面站指向工作模式判断循环包括：

等待地面测控站注入“模式保持”指令；

若在第一阈值时间内收到，则地面站指向模式时间计数器停止计时，保留在正常收发工作模式，否则进入地面站指向工作模式；

地心指向工作模式判断循环包括：

若在第二阈值时间内收到，则地心指向模式时间计数器停止计时，保留在地面站指向工作模式，否则进入地心指向工作模式。

6.如权利要求4所述的基于微波星间链路载荷的北斗三号卫星应急测控系统，其特征在于，故障排除单元自主排除工作模式自动切换过程中，微波星间链路载荷的故障包括：

故障排除单元按照设计自主进行故障排除操作，包括软件重加载、设备重启及设备主备份切换，并继续按照地面预先规划与其他卫星或地面测控站建立通信链路。

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