CN114866131B - 面向指向精度和覆盖需求的多星联合标校方法 - Google Patents

面向指向精度和覆盖需求的多星联合标校方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向指向精度和覆盖需求的多星联合标校方法，具体为：各卫星分别生成一组标校波束并发送至地面标校站；各地面标校站计算标校波束组指向偏差，发送到控制中心；控制中心判断当前指向偏差是否满足精度阈值，对于不满足的情况，则调用卫星指向补偿量生成算法，计算各卫星指向补偿量，并发送至卫星测控站；卫星测控站根据指向补偿量调整卫星姿态；卫星通信系统重复上述步骤，直至指向偏差满足精度阈值。本发明的优点为：能够实现高精度、高覆盖率和低重叠率的多星联合标校；通过星地闭环反馈进行多星联合标校，确保卫星指向满足系统规定的指向精度需求。

Description

面向指向精度和覆盖需求的多星联合标校方法
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种面向指向精度和覆盖需求的多星联合标校方法。
背景技术
卫星在轨运行期间，受由太阳辐射压力、地球磁场不均等因素影响，将造成在轨姿态漂移，影响星地通信质量，因此必须对其进行波束标校以调整卫星姿态。随着卫星通信的发展，卫星通信系统将包含多颗卫星，相比于单星独立标校，多星联合标校不仅要满足单星指向误差要求，还需要考虑多星联合覆盖区的覆盖率和重叠率指标要求，如何实现高精度、高覆盖率和低重叠率的多星联合标校，是亟待解决的重要问题。
中国专利CN112193439中公开了种星地一体化的高精度卫星多波束标校方法，能够有效分析多波束指向标校误差，提高指向标校测量误差的估计精度，但仅适用于单星标校应用场景。
发明内容
针对如何实现高精度、高覆盖率和低重叠率的多星联合标校的问题，本发明公开了一种面向指向精度和覆盖需求的多星联合标校方法，卫星通信系统包含N颗卫星、N个地面标校站、1个控制中心和1个卫星测控站，每颗卫星均搭载一套星上标校波束形成设备，因此共有N个星上标校波束形成设备，每颗卫星对应一个独立的地面标校站；卫星通信系统利用所述的N个星上标校波束形成设备、N个地面标校站、1个控制中心和1个卫星测控站实现多星联合标校，具体包括以下步骤：
S1，各卫星搭载的星上标校波束形成设备分别生成一组标校波束，并使该卫星与其生成的该组标校波束的等功率交叠点的连线指向对应的地面标校站；每组标校波束均包含BN、BS、BE和BW共4个标校波束，BN、BS、BE和BW共4个标校波束分别表示北向、南向、东向和西向的标校波束，第i颗卫星对应的标校波束组记为Bi，
Figure BDA0003626192380000021
其中，i＝1,2,...,N，
Figure BDA0003626192380000022
分别为第i颗卫星对应的北向、南向、东向和西向的标校波束；
S2，各地面标校站分别接收来自对应卫星的标校信号，计算该标校信号的标校波束组指向偏差，对该标校波束组标注时间标记；标校波束组指向偏差包括俯仰角偏差和滚动角偏差，对第i颗卫星的标校波束组的俯仰角偏差Δθi的计算公式为
Figure BDA0003626192380000023
滚动角偏差Δψi的计算公式为
Figure BDA0003626192380000024
其中，
Figure BDA0003626192380000025
分别为第i颗卫星对标校波束
Figure BDA0003626192380000026
的接收功率；
S3，各地面标校站将计算得到的标校波束组指向偏差发送到控制中心；
S4，控制中心汇总各卫星标校波束组指向偏差，判断卫星标校波束组指向偏差是否大于卫星通信系统预先设定的指向精度阈值，若大于所述的指向精度阈值，则执行步骤S5，反之，执行步骤S7；
S5，控制中心采用卫星指向补偿量生成规则，计算各卫星指向补偿量，并将其发送至卫星测控站；
所述的步骤S5，包括：
S51，分别计算N颗卫星的理论覆盖区的中心点与联合覆盖区中心点的距离，并将N颗卫星按照上述距离以从小到大的顺序进行排序，所述的联合覆盖区指N颗卫星的理论覆盖区的并集；
S52，将排序后的第1颗卫星的指向补偿量直接设置为其对应的标校波束组指向偏差，初始化卫星序号标识j＝2；
S53，判断j是否大于N，若大于N，执行步骤S57，否则，执行步骤S54；
S54，构建第j颗卫星的指向补偿量优化模型，其表达式为：
Figure BDA0003626192380000031
其中，
Figure BDA0003626192380000032
和
Figure BDA0003626192380000033
分别为第j颗卫星的俯仰角补偿量和滚动角补偿量，Ak和
Figure BDA0003626192380000034
分别为第k颗卫星的实际覆盖范围和理论覆盖范围；g1、g2、g3分别为最小化指向偏差目标、最小化理论联合覆盖区与实际联合覆盖区比例目标、最小化重叠覆盖区与实际联合覆盖区比例目标，
Figure BDA0003626192380000035
表示理论联合覆盖区，
Figure BDA0003626192380000036
表示实际联合覆盖区，
Figure BDA0003626192380000037
表示重叠覆盖区；
所述的卫星的实际覆盖范围，其计算方法为：
卫星的实际覆盖范围为不规则椭圆形，卫星的实际覆盖范围由该不规则椭圆的长半轴、短半轴和椭圆扭角确定，对于第i颗卫星，以其实际覆盖范围中心点为圆心，在该中心点与地球的切面上，以南北方向为X轴，以东西方向为Y轴，构建坐标系，得到该卫星实际覆盖范围Ai对应的椭圆形的方程，其表达式为：
Figure BDA0003626192380000038
其中，x、y为所述的椭圆形上的点的坐标，ai、bi和γi分别为所述的椭圆的长半轴、短半轴和椭圆扭角，其计算公式分别为：
Figure BDA0003626192380000041
Figure BDA0003626192380000042
Figure BDA0003626192380000043
其中，
Figure BDA0003626192380000044
和
Figure BDA0003626192380000045
分别为第i颗卫星到该卫星星下点之间距离和到该卫星实际覆盖范围中心点之间的距离，
Figure BDA0003626192380000046
为第i颗卫星发射天线的半功率角，φi为第i颗卫星与其实际覆盖范围中心点连线和第i颗卫星与其星下点连线之间的夹角，
Figure BDA0003626192380000047
Li la和Li lo分别为第i颗卫星实际覆盖范围中心点与该卫星星下点沿纬度线和沿经度线方向的距离，Li为第i颗卫星实际覆盖范围中心点与该卫星星下点之间的距离，根据所述的椭圆的长半轴、短半轴和椭圆扭角，确定所述的椭圆的占用范围，即为该卫星实际覆盖范围；
S55，使用深度强化学习方法对第j颗卫星的指向补偿量优化问题进行求解，得到第j颗卫星的俯仰角补偿量和滚动角补偿量；
S56，令j＝j+1，转至步骤S53；
S57，控制中心得到N颗卫星的指向补偿量，并将其发送至卫星测控站；
S6，卫星测控站根据收到的各卫星指向补偿量，通过卫星姿态控制系统进行各卫星的姿态调整，转至步骤S1；
S7，确认各卫星指向精度符合要求，多星联合标校过程结束。
本发明具有如下优点：
1.本发明所提方法，能够实现高精度、高覆盖率和低重叠率的多星联合标校，在保证每颗卫星指向精度的条件下，满足多星联合标校对多星联合覆盖区范围的需求；
2.通过星地闭环反馈进行多星联合标校，经过多次“测量-计算-调整”的迭代，有效避免地面测量及计算误差较大、难以达到系统规定的指向精度的问题，确保卫星指向满足系统需求。
附图说明
图1为本发明中面向指向精度和覆盖需求的多星联合标校方法流程图；
图2为本发明中卫星覆盖范围示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行详细描述。
本发明公开了一种如图1所示的面向指向精度和覆盖需求的多星联合标校方法，卫星通信系统包含N颗卫星、N个地面标校站、1个控制中心和1个卫星测控站，每颗卫星均搭载一套星上标校波束形成设备，因此共有N个星上标校波束形成设备，每颗卫星对应一个独立的地面标校站；卫星通信系统利用所述的N个星上标校波束形成设备、N个地面标校站、1个控制中心和1个卫星测控站实现多星联合标校，具体包括以下步骤：
S1，各卫星搭载的星上标校波束形成设备分别生成一组标校波束，并使该卫星与其生成的该组标校波束的等功率交叠点的连线指向对应的地面标校站；每组标校波束均包含BN、BS、BE和BW共4个标校波束，BN、BS、BE和BW共4个标校波束分别表示北向、南向、东向和西向的标校波束，第i颗卫星对应的标校波束组记为Bi，
Figure BDA0003626192380000051
其中，i＝1,2,...,N，
Figure BDA0003626192380000052
分别为第i颗卫星对应的北向、南向、东向和西向的标校波束；
S2，各地面标校站分别接收来自对应卫星的标校信号，计算该标校信号的标校波束组指向偏差，对该标校波束组标注时间标记；标校波束组指向偏差包括俯仰角偏差和滚动角偏差，对第i颗卫星的标校波束组的俯仰角偏差Δθi的计算公式为
Figure BDA0003626192380000061
滚动角偏差Δψi的计算公式为
Figure BDA0003626192380000062
其中，
Figure BDA0003626192380000063
分别为第i颗卫星对标校波束
Figure BDA0003626192380000064
的接收功率；
S3，各地面标校站将计算得到的标校波束组指向偏差发送到控制中心；
S4，控制中心汇总各卫星标校波束组指向偏差，判断卫星标校波束组指向偏差是否大于卫星通信系统预先设定的指向精度阈值，若大于所述的指向精度阈值，则执行步骤S5，反之，执行步骤S7；
S5，控制中心采用卫星指向补偿量生成规则，计算各卫星指向补偿量，并将其发送至卫星测控站；
所述的步骤S5，包括：
S51，分别计算N颗卫星的理论覆盖区的中心点与联合覆盖区中心点的距离，并将N颗卫星按照上述距离以从小到大的顺序进行排序，所述的联合覆盖区指N颗卫星的理论覆盖区的并集；
S52，将排序后的第1颗卫星的指向补偿量直接设置为其对应的标校波束组指向偏差，初始化卫星序号标识j＝2；
S53，判断j是否大于N，若大于N，执行步骤S57，否则，执行步骤S54；
S54，构建第j颗卫星的指向补偿量优化模型，其表达式为：
Figure BDA0003626192380000065
其中，
Figure BDA0003626192380000066
和
Figure BDA0003626192380000067
分别为第j颗卫星的俯仰角补偿量和滚动角补偿量，Ak和
Figure BDA0003626192380000068
分别为第k颗卫星的实际覆盖范围和理论覆盖范围；g1、g2、g3分别为最小化指向偏差目标、最小化理论联合覆盖区与实际联合覆盖区比例目标、最小化重叠覆盖区与实际联合覆盖区比例目标，
Figure BDA0003626192380000071
表示理论联合覆盖区，
Figure BDA0003626192380000072
表示实际联合覆盖区，
Figure BDA0003626192380000073
表示重叠覆盖区；
所述的卫星的实际覆盖范围，其计算方法为：
如图2所示，卫星的实际覆盖范围为不规则椭圆形，卫星的实际覆盖范围由该不规则椭圆的长半轴、短半轴和椭圆扭角确定，对于第i颗卫星，以其实际覆盖范围中心点为圆心，在该中心点与地球的切面上，以南北方向为X轴，以东西方向为Y轴，构建坐标系，得到该卫星实际覆盖范围Ai对应的椭圆形的方程，其表达式为：
Figure BDA0003626192380000074
其中，x、y为所述的椭圆形上的点的坐标，ai、bi和γi分别为所述的椭圆的长半轴、短半轴和椭圆扭角，其计算公式分别为：
Figure BDA0003626192380000075
Figure BDA0003626192380000076
Figure BDA0003626192380000077
其中，
Figure BDA0003626192380000078
和
Figure BDA0003626192380000079
分别为第i颗卫星到该卫星星下点之间距离和到该卫星实际覆盖范围中心点之间的距离，
Figure BDA00036261923800000710
为第i颗卫星发射天线的半功率角，φi为第i颗卫星与其实际覆盖范围中心点连线和第i颗卫星与其星下点连线之间的夹角，
Figure BDA00036261923800000711
Li la和Li lo分别为第i颗卫星实际覆盖范围中心点与该卫星星下点沿纬度线和沿经度线方向的距离，Li为第i颗卫星实际覆盖范围中心点与该卫星星下点之间的距离，根据所述的椭圆的长半轴、短半轴和椭圆扭角，确定所述的椭圆的占用范围，即为该卫星实际覆盖范围；
S55，使用深度强化学习方法对第j颗卫星的指向补偿量优化问题进行求解，得到第j颗卫星的俯仰角补偿量和滚动角补偿量；
S56，令j＝j+1，转至步骤S53；
S57，控制中心得到N颗卫星的指向补偿量，并将其发送至卫星测控站；
S6，卫星测控站根据收到的各卫星指向补偿量，通过卫星姿态控制系统进行各卫星的姿态调整，转至步骤S1；
S7，确认各卫星指向精度符合要求，多星联合标校过程结束。
以上结合附图详细说明了本发明，但是本领域的普通技术人员应当明白，说明书是用于解释权利要求的，本发明的保护范围以权利要求为准，在本发明的基础上，任何所做的修改、等同替换和改进等都应当在所要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种面向指向精度和覆盖需求的多星联合标校方法，其特征在于，卫星通信系统包含N颗卫星、N个地面标校站、1个控制中心和1个卫星测控站，每颗卫星均搭载一套星上标校波束形成设备，因此共有N个星上标校波束形成设备，每颗卫星对应一个独立的地面标校站；卫星通信系统利用所述的N个星上标校波束形成设备、N个地面标校站、1个控制中心和1个卫星测控站实现多星联合标校，具体步骤包括：
S1，各卫星搭载的星上标校波束形成设备分别生成一组标校波束，并使该卫星与其生成的该组标校波束的等功率交叠点的连线指向对应的地面标校站；每组标校波束均包含BN、BS、BE和BW共4个标校波束，BN、BS、BE和BW共4个标校波束分别表示北向、南向、东向和西向的标校波束，第i颗卫星对应的标校波束组记为Bi，
Figure FDA0003832917440000011
其中，i＝1,2,...,N，
Figure FDA0003832917440000012
分别为第i颗卫星对应的北向、南向、东向和西向的标校波束；
S2，各地面标校站分别接收来自对应卫星的标校信号，计算该标校信号的标校波束组指向偏差，对该标校波束组标注时间标记；标校波束组指向偏差包括俯仰角偏差和滚动角偏差，对第i颗卫星的标校波束组的俯仰角偏差Δθi的计算公式为
Figure FDA0003832917440000013
滚动角偏差Δψi的计算公式为
Figure FDA0003832917440000014
其中，
Figure FDA0003832917440000015
分别为第i颗卫星对标校波束
Figure FDA0003832917440000016
的接收功率；
S3，各地面标校站将计算得到的标校波束组指向偏差发送到控制中心；
S4，控制中心汇总各卫星标校波束组指向偏差，判断卫星标校波束组指向偏差是否大于卫星通信系统预先设定的指向精度阈值，若大于所述的指向精度阈值，则执行步骤S5，反之，执行步骤S7；
S5，控制中心采用卫星指向补偿量生成规则，计算各卫星指向补偿量，并将其发送至卫星测控站；
S6，卫星测控站根据收到的各卫星指向补偿量，通过卫星姿态控制系统进行各卫星的姿态调整，转至步骤S1；
S7，确认各卫星指向精度符合要求，多星联合标校过程结束；
所述的步骤S5，包括：
S51，分别计算N颗卫星的理论覆盖区的中心点与联合覆盖区中心点的距离，并将N颗卫星按照上述距离以从小到大的顺序进行排序，所述的联合覆盖区指N颗卫星的理论覆盖区的并集；
S52，将排序后的第1颗卫星的指向补偿量直接设置为其对应的标校波束组指向偏差，初始化卫星序号标识j＝2；
S53，判断j是否大于N，若大于N，执行步骤S57，否则，执行步骤S54；
S54，构建第j颗卫星的指向补偿量优化模型，其表达式为：
Figure FDA0003832917440000021
其中，
Figure FDA0003832917440000031
和
Figure FDA0003832917440000032
分别为第j颗卫星的俯仰角补偿量和滚动角补偿量，Ak和
Figure FDA0003832917440000033
分别为第k颗卫星的实际覆盖范围和理论覆盖范围；g1、g2、g3分别为最小化指向偏差目标、最小化理论联合覆盖区与实际联合覆盖区比例目标、最小化重叠覆盖区与实际联合覆盖区比例目标，
Figure FDA0003832917440000034
表示理论联合覆盖区，
Figure FDA0003832917440000035
表示实际联合覆盖区，
Figure FDA0003832917440000036
表示重叠覆盖区；
S55，使用深度强化学习方法对第j颗卫星的指向补偿量优化问题进行求解，得到第j颗卫星的俯仰角补偿量和滚动角补偿量；
S56，令j＝j+1，转至步骤S53；
S57，控制中心得到N颗卫星的指向补偿量，并将其发送至卫星测控站。
2.如权利要求1所述的面向指向精度和覆盖需求的多星联合标校方法，其特征在于，所述的卫星的实际覆盖范围，其计算方法为：
卫星的实际覆盖范围为不规则椭圆形，卫星的实际覆盖范围由该不规则椭圆的长半轴、短半轴和椭圆扭角确定，对于第i颗卫星，以其实际覆盖范围中心点为圆心，在该中心点与地球的切面上，以南北方向为X轴，以东西方向为Y轴，构建坐标系，得到该卫星实际覆盖范围Ai对应的椭圆形的方程，其表达式为：
Figure FDA0003832917440000037
其中，x、y为所述的椭圆形上的点的坐标，ai、bi和γi分别为所述的椭圆的长半轴、短半轴和椭圆扭角，其计算公式分别为：
Figure FDA0003832917440000041
Figure FDA0003832917440000042
Figure FDA0003832917440000043
其中，
Figure FDA0003832917440000044
和
Figure FDA0003832917440000045
分别为第i颗卫星到该卫星星下点之间距离和到该卫星实际覆盖范围中心点之间的距离，
Figure FDA0003832917440000046
为第i颗卫星发射天线的半功率角，φi为第i颗卫星与其实际覆盖范围中心点连线和第i颗卫星与其星下点连线之间的夹角，
Figure FDA0003832917440000047
Figure FDA0003832917440000048
和
Figure FDA0003832917440000049
分别为第i颗卫星实际覆盖范围中心点与该卫星星下点沿纬度线和沿经度线方向的距离，Li为第i颗卫星实际覆盖范围中心点与该卫星星下点之间的距离，根据所述的椭圆的长半轴、短半轴和椭圆扭角，确定所述的椭圆的占用范围，即为该卫星实际覆盖范围。
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