CN112381344A - 一种基于云服务的卫星测控站天线自动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于云服务的卫星测控站天线自动控制方法，通过云服务器根据用户指定的测控任务，利用SGP4算法对相关卫星生成轨道预报与时间窗口集，然后服务器基于生成的时间窗口集利用遗传算法对各测控站天线资源进行任务规划，生成满足要求的最优调度方案。服务器按照该方案将任务分配到各地测控站，各地测控站读取任务后自动控制本站天线追踪、捕获、释放相关卫星，并将任务执行情况反馈回服务器。本发明的优点在于实现了测控天线自动化控制的同时，通过算法规划与优化提高了测控资源利用率，也提高了系统整体的测控效率。

Description

一种基于云服务的卫星测控站天线自动控制方法

技术领域

本发明属于卫星测控技术，具体涉及一种基于云服务的卫星测控站天线自动控制方法。

背景技术

进入21世纪后，随着各国航天事业的发展，各种类型的卫星及相关载荷系统在各国的政治、经济、文化、军事等领域发挥了越来越重要的作用。测控系统是卫星系统中不可或缺的部分，它可以对卫星飞行轨道、姿态、星上载荷及各分系统工作状态进行跟踪、监视和控制，保障卫星按照预先设计好的程序飞行和工作，完成规定的航天任务，并能够帮助决策人员随时掌握航天器状态及其执行任务的情况，准确地做出判断和决策。而测控天线是测控系统中星地数据交互的核心部分，各地测控站天线的高效合理管控是完成卫星测控任务的重要前提。

当前卫星测控通常采用人工控制天线的方式，即卫星过境时依靠相关人员来判断调整卫星天线指向，卫星离境后再手动发送指令将天线归位。这种模式不仅效率低下，且人力成本较高。通常一颗低轨卫星的测控周期是1-2年，需要测控人员轮班值守，每天等待卫星过境监控天线状态。同时，人为操作经常带来诸多操作失误，导致错过卫星测控时间窗口。因此迫切需要提出一种具有无人值守、远程操控能力的高自动化测控方法，来实现测控天线的自动控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于云服务的低轨卫星测控天线自动控制方法，适用于微纳卫星互联测控系统，方便各测控站自动控制天线、自主完成测控任务，解决了卫星测控系统中轨道位置信息不精确、自动化程度低、操作过程繁琐和卫星地面站天线状态难以实时掌握等问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于云服务的卫星测控站天线自动控制方法，步骤如下：

步骤1：用户提交测控任务，云服务器针对任务进行卫星轨道预报，获得轨道预报信息，轨道预报信息包括任务卫星集{C_i}_i＝1,2....M、任务测控站集{S_j}_j＝1,2....N和时间窗口集{T_ijk}，转入步骤2；

步骤2：根据轨道预报信息，建立测控天线资源分配调度模型，进行测控天线资源分配调度：

根据任务卫星集{C_i}_i＝1,2....M、任务测控站集{S_j}_j＝1,....N与时间窗口集{T_ijk}建立测控天线资源分配调度模型，基于测控天线资源分配调度模型，利用遗传算法优化调度方案，求解得到满足测控要求的天线资源调度方案{RealTask_ijk}，根据方案为各测控站天线分配卫星测控任务，转入步骤3；

步骤3：基于天线资源调度方案{RealTask_ijk}，云服务器对各地测控站进行任务分发，进而控制被分配任务的测控站的测控天线，所述{RealTask_ijk}＝{StaTask₁}+{StaTask₂}+……+{StaTask_j}，其中{StaTask_j}代表编号为j的测控站按照天线资源调度方案被分配到的任务集，转入步骤4；

步骤4：测控站j基于被分配到的任务集{StaTask_j}进行作业，实现该测控站的测控天线的自动控制，测控站j针对{StaTask_j}中的每一个具体任务，需要对测控天线进行的控制按照时间逻辑顺序分为：天线准备控制、天线追踪控制与天线释放控制，转入步骤5；

步骤5：各地测控站完成天线释放控制后，判断当地时间是否已达到测控总任务结束时间，若已达到，直接进入步骤6；若未达到，判断本测控站任务集{StaTask_j}中是否还有未执行的任务，如果没有则直接进入步骤6，如果还有任务未执行，测控站读取{StaTask_j}中的下一个任务，返回步骤4，直至到达结束时间或任务全部完成；

步骤6：各地测控站完成被分配的所有任务后，测控站自检本地天线系统状态，并向服务器反馈信息，服务器分析反馈回来的信息，生成本次测控任务总结，并在用户终端显示本次测控任务数据与任务完成情况，至此，一次测控总任务完成。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)基于云服务器，自主完成测控任务的规划与各地天线控制，提高了微纳卫星互联测控系统的自动化程度，降低了人工成本。

(2)利用SGP4模型算法预报卫星轨道，并利用遗传算法优化测控天线调度方案，大大提高了测控资源的利用率，增加了测控时长。

附图说明

图1本发明基于云服务的卫星测控站天线自动控制方法的实现框架图。

图2为本发明基于云服务的卫星测控站天线自动控制方法流程图。

图3为本发明卫星到地面站方位角计算示意图。

图4为本发明卫星到地面站高度角(俯仰角)计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明基于SuperSocket技术搭建云服务器，采用SGP4算法计算卫星轨道信息，利用遗传算法优化天线调度方案。

结合图1和图2，本发明所述的基于云服务的卫星测控站天线自动控制方法，步骤如下：

步骤1：用户提交测控任务，云服务器针对任务进行卫星轨道预报，获得轨道预报信息，轨道预报信息包括任务卫星集{C_i}_i＝1,....M、任务测控站集{S_j}_j＝1,....N和时间窗口集{T_ijk}，其中i为卫星编号，M为卫星总数，j为测控站编号，N为参与卫星测控工作的地面测控站总数，k为时间窗口编号。

测控时间区间ΔT＝T_E-T_S。其中T_E表示测控总任务开始时间，T_S表示测控总任务结束时间。

服务器基于SGP4轨道模型计算在ΔT内各个任务卫星相对测控站的轨道方位角与高度角。其中计算卫星相对地面站的方位角、高度角的方法为：

如图3所示，假设测控站的纬度为Φ_D，经度为λ_D，卫星星下点的纬度为Φ_S，经度为λ_S，卫星高度为h，计算地面站到卫星的方位角A(从正北算起)，从图中的球面三角形PDS可得：

由上式可得：

其中，中间变量L′＝arccos(sinΦ_DsinΦ_s+cosΦ_DcosΦ_scosΔλ)，卫星到地面站的经纬差Δλ＝λ_D-λ_s。

根据图4所示，地面站到卫星的高度角E计算公式为：

由上式可得：

其中，β＝L′，r_s＝r_E+h，r_s为卫星到地心的距离，r_E为地面站点到地心的距离。

根据以上方法可以找出每个卫星Sat_i相对每个测控站Sta_j高度角大于天线可捕获卫星最低高度角(一般设定为15度)的所有时间区间。服务器统计总任务时间段内所有卫星的可测控时间区间，形成时间窗口集{T_ijk}，下标k代表Sat_i相对测控站Sta_j共有k个可测控时间区间。

步骤2：根据轨道预报信息，建立测控天线资源分配调度模型，进行测控天线资源分配调度。

由于测控时间窗口之间会存在冲突，所以云服务器按照步骤1计算得到时间窗口集{T_ijk}中的测控时间区间并不能都被安排成为测控任务。所以本发明采用遗传算法针对初始任务集{T_ijk}进行调度规划，以得到满足要求的天线资源任务分配方案，以尽可能达到有限资源下最长的测控时间。

建立测控天线资源分配调度模型的过程为：

利用遗传算法规划天线资源的建模过程中，综合考虑到涉及的资源、任务、约束等问题，采用基于约束满足的非线性混合模型描述问题。因此卫星测控天线资源调度规划问题可以用一个三元组表示，即

STAS＝(Tar,Tasks,Cons)

其中：STAS为卫星测控天线调度问题的符号表示；Tar为调度目标，比如调度目标为测控总时长达到某一数值；Tasks为所有可能测控时间窗口集，Tasks＝{T_ijk}；Cons为约束集合，假设共有X个约束，则Cons＝{C_i|1≤i≤X}。

时间窗口集{T_ijk}经过基于STAS的遗传算法规划后，形成满足测控要求的一组可行解{RealTask_ijk}，即本次测控任务最终的天线资源调度方案{RealTask_ijk}。

步骤3：服务器将计算生成的天线资源调度方案{RealTask_ijk}按照规划分发到各地测控站，以便测控站按照所分配的任务开展工作，即自动控制卫星测控天线配合其他设备完成测控任务，所述{RealTask_ijk}＝{StaTask₁}+{StaTask₂}+……+{StaTask_j}，其中{StaTask_j}代表编号为j的测控站按照天线资源调度方案被分配到的任务集。

例如编号为j的地面测控站接收到的服务器分发下来的任务集为{StaTask_j}，{StaTask_j}中包含若干子任务。其中每个子任务都包含了对应卫星编号，子任务起止时间信息，以便测控站j在该时间段内对天线实现控制，完成对该卫星的测控工作。

步骤4：各地测控站基于被分配到的任务进行作业，每段任务分为三个阶段：天线准备控制阶段、天线追踪控制阶段与天线释放控制阶段。

例如测控站Sta_j在某个时间段分任务中需要测控的卫星是Sat_i，在该时间段内，Sta_j持续计算Sat_i相对本站的天线仰角α，用于判断该卫星相对本测控站的过境状态。

天线仰角即卫星相对地面站的高度角，根据天线仰角，可判断出卫星相对测控站天线所处的过境状态。当天线仰角α<0时，说明卫星在水平面以下，此时天线处于等待阶段；当α>0时，卫星来到地平线以上，根据工程经验，α>5时卫星处于地面天线可捕获阶段，但暂时还不适宜进行稳定星地通信，此时测控站Sta_j控制天线进入准备阶段；当α>15时，测控站天线与卫星通信机建立起稳定通信链路，Sta_j控制天线进入捕获追踪阶段；卫星相对测控站达到最大仰角后α值开始逐渐减小，当减小到α<5时，Sta_j控制天线进入释放阶段，逐渐与卫星断开连接。

步骤4-1：Sta_j控制天线进入准备阶段时，此时卫星即将与测控站建立通信链路，Sta_j控制天线转动到卫星高度角与水平角附近，以便建立通信链路后天线能够迅速转入追踪阶段。

步骤4-2：Sta_j控制天线进入追踪阶段时，此时测控站正在与卫星进行数据交互，需要保证天线实时对准卫星方位。此阶段Sta_j持续计算卫星高度角与水平角，并且持续控制天线递进转动到卫星实时方位，以满足测控站与卫星通信的必要要求。同时测控站向服务器实时反馈本站天线追踪卫星角度信息，通信协议如表1所示。

表1测控站天线控制系统与服务器通信协议

步骤4-3：Sta_j控制天线进入释放阶段时，此时Sta_j已经与卫星断开连接，Sta_j控制天线按照步骤4-1、步骤4-2中转动方向的反方向转动回归到零位，即水平角与高度角归零。按照步骤4-1、步骤4-2中转动方向的反方向转动的原因是防止天线电线缠绕。

Sta_j控制天线转动的方法为：Sta_j通过串口通信的方式向天线伺服控制旋转器发送控制字，天线伺服控制旋转器在水平方向与竖直方向各递进一定角度，使天线指向角度达到控制字中的角度数值。

步骤5：各测控站按照步骤4进行一次作业后，即为完成了本站一个时间段子任务，测控站判断当地时间是否到达了测控总任务结束时间T_S，若已达到则直接进入步骤6；若未达到，测控站判断完成的子任务是否为本站任务集中的最后一个任务，若是则直接进入步骤6，否则测控站读取本站任务集中下一个子任务，重复步骤4至步骤5直至到达结束时间或任务全部完成，直到时间到达T_S或任务全部完成。

步骤6：各地测控站全部完成任务进入步骤6后，各地测控站天线自检、云服务器进行任务总结。

各地测控站控制天线系统设备自检，并将本测控站天线系统状态反馈到服务器。若某个测控站天线存在状态异常，服务器管理方可以派遣技术人员到达相应测控站进行维修。若无异常，测控站天线进入休眠状态，等待下次测控任务。

所有测控站完成天线自检与信息反馈后，服务器分析反馈到的信息，生成本次测控任务总结，并在用户终端展示本次测控任务数据与任务完成情况，本次测控任务完成。

本发明的主要特点为通过系统化设计实现对多地卫星测控站天线资源的自动遥控管理，使各地测控站只需专注于数据接收、指令上行等测控任务，而无需每次等待时间节点手动调整检查天线系统，大大降低了卫星测控工作量与人力成本。同时本发明采用轨道预报测控资源预规划与遗传算法优化调度方案的方式，使得测控资源达到最大化利用率，在实现测控天线自动化控制的同时，基于云服务器的测控站天线控制系统也提高了整体测控效率。

Claims (4)

1.一种基于云服务的卫星测控站天线自动控制方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1：用户提交测控任务，云服务器针对任务进行卫星轨道预报，获得轨道预报信息，轨道预报信息包括任务卫星集{C_i}_i＝1,2....M、任务测控站集{S_j}_j＝1,2....N和时间窗口集{T_ijk}，转入步骤2；

步骤2：根据轨道预报信息，建立测控天线资源分配调度模型，进行测控天线资源分配调度：

根据任务卫星集{C_i}_i＝1,2....M、任务测控站集{S_j}_j＝1,....N与时间窗口集{T_ijk}建立测控天线资源分配调度模型，基于测控天线资源分配调度模型，利用遗传算法优化调度方案，求解得到满足测控要求的天线资源调度方案{RealTask_ijk}，根据方案为各测控站天线分配卫星测控任务，转入步骤3；

步骤3：基于天线资源调度方案{RealTask_ijk}，云服务器对各地测控站进行任务分发，进而控制被分配任务的测控站的测控天线，所述{RealTask_ijk}＝{StaTask₁}+{StaTask₂}+……+{StaTask_j}，其中{StaTask_j}代表编号为j的测控站按照天线资源调度方案被分配到的任务集，转入步骤4；

步骤4：测控站j基于被分配到的任务集{StaTask_j}进行作业，实现该测控站的测控天线的自动控制，测控站j针对{StaTask_j}中的每一个具体任务，需要对测控天线进行的控制按照时间逻辑顺序分为：天线准备控制、天线追踪控制与天线释放控制，转入步骤5；

步骤5：各地测控站完成天线释放控制后，判断当地时间是否已达到测控总任务结束时间，若已达到，直接进入步骤6；若未达到，判断本测控站任务集{StaTask_j}中是否还有未执行的任务，如果没有则直接进入步骤6，如果还有任务未执行，测控站读取{StaTask_j}中的下一个任务，返回步骤4，直至到达结束时间或任务全部完成；

步骤6：各地测控站完成被分配的所有任务后，测控站自检本地天线系统状态，并向服务器反馈信息，服务器分析反馈回来的信息，生成本次测控任务总结，并在用户终端显示本次测控任务数据与任务完成情况，至此，一次测控总任务完成。

2.根据权利要求1所述的基于云服务的卫星测控站天线自动控制方法，其特征在于：步骤1中，用户提交测控任务，服务器基于SGP4模型计算出各个卫星在测控任务规定时间内的轨道预报信息，所述轨道预报信息包括任务卫星集{C_i}_i＝1,2....M、任务测控站集{S_j}_j＝1,....N和时间窗口集{T_ijk}；

所述时间窗口集{T_ijk}由各卫星过境各测控站的所有窗口时间段组成，其中i代表卫星编号，j代表地面测控站编号，k代表时间窗口编号；

所述任务卫星集{C_i}_i＝1,....M由任务中所有被指定的卫星组成，其中i代表卫星编号，M为卫星总数，1≤i≤M；

任务测控站集{S_j}_j＝1,....N由任务中被指定参与卫星测控工作的地面测控站组成，其中j代表地面测控站编号，N为参与卫星测控工作的地面测控站总数，1≤j≤N。

3.根据权利要求1所述的基于云服务的卫星测控站天线自动控制方法，其特征在于：步骤2中的遗传算法为模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。

4.根据权利要求1所述的基于云服务的卫星测控站天线自动控制方法，其特征在于：步骤4中，天线准备控制指本测控站当前任务中对应的卫星Sat_i即将进入本站天线可测控范围内时，测控站需控制测控天线将角度调整到该卫星过境角度附近，为接下来天线捕获卫星信号做好准备；

天线追踪控制指卫星过境本站期间，测控站天线与卫星建立起数据链路后，测控站须控制天线实时对准卫星所在方位，以保证测控站与卫星之间正常的通讯交流；

天线释放控制指任务卫星离开测控站天线可测控范围后，测控天线与卫星断开数据链路，测控站控制天线转动指向正北方向，实现天线角度归零。

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