CN115173978B - 一种小倾角geo多波束卫星地面移动标校策略模拟装置 - Google Patents

一种小倾角geo多波束卫星地面移动标校策略模拟装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种小倾角GEO多波束卫星地面移动标校策略模拟装置，属于卫星运控技术领域。采用本发明装置，以小倾角GEO多波束卫星地面移动标校策略模拟作为输入，通过卫星标校波束能量模拟模块、地面标校测试模块、数据处理模块、对比验证模块四个模块，可以实现小倾角GEO多波束卫星地面移动标校策略的模拟与性能分析。本发明可以模拟通过移动或固定地面站对小倾角GEO多波束卫星天线指向进行标校的策略，并对其可行性进行验证，对标校性能进行分析，为工程实现提供依据。

Description

一种小倾角GEO多波束卫星地面移动标校策略模拟装置
技术领域
本发明涉及卫星运控技术领域，特别是指一种小倾角GEO多波束卫星地面移动标校策略模拟装置，可用于小倾角GEO多波束卫星天线的指向标校策略的模拟与性能分析。
背景技术
国内外的卫星通信系统中绝大多数应用了多波束天线技术提高系统容量。为节省燃料或延长寿命或增加有效载荷规模，GEO多波束卫星通常工作在小倾角轨道。然而，小倾角轨道方案也带来了服务区覆盖漂移。同时，地球同步卫星在空间运行过程中，受到太阳和月亮的牵引、地球引力场不均匀、太阳辐射压力等因素的影响，也会造成波束指向的偏离。为了保证应用系统的使用性能，在卫星采用三轴姿态动态偏置方法基础上，需要使用星地一体化波束标校进一步提高波束的指向精度，满足应用系统使用要求。
卫星波束标校系统地面标校站接收天线位于四个标校波束覆盖的交叠点O。当S、N、W、E四个标校波束的等功率点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，根据四个功率电平的差值大小，可计算出标校波束等功率点O'与点O的位置差。
上行波束标校则由地面波束标校站发射标校信号，卫星或信关站进行能量估计和场强对比，进而得到天线指向误差。Thuraya系统采用上行标校方案。Aces卫星系统两种标校方案都在使用。
发明内容
本发明针对小倾角GEO多波束卫星地面移动标校策略模拟问题，通过卫星标校波束能量模拟模块、地面标校测试模块、数据处理模块、对比验证模块四个功能模块的设计，实现小倾角GEO多波束卫星地面移动标校策略的模拟。本发明提供的装置可以对小倾角GEO多波束卫星地面移动标校策略进行模拟，且易于工程实现。
本发明所采取的技术方案为：
一种小倾角GEO多波束卫星地面移动标校策略模拟装置，包括如下模块：
卫星标校波束能量模拟模块，根据设定的波束指向偏差数据产生地面标校站接收到的东西南北四个标校波束的功率值；
地面标校测试模拟模块，用于产生地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的理论值；
数据处理模块，用于产生地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的测量值；
对比验证模块，根据地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的理论值和测量值，计算卫星波束指向偏差角的估计值，并通过统计进行性能分析。
进一步地，卫星标校波束能量模拟模块包括以下模块：
卫星数据加载模块，用于从数据库中读取预置的卫星轨道位置、卫星凝视点的经纬度、卫星多波束天线东西南北四个标校波束的方向图数据；
波束指向偏差设置模块，用于通过界面设置波束指向偏差并进行保存；
波束指向中心计算模块，用于在界面设定的波束指向偏差下，加入天线的日周期形变误差，计算卫星多波束天线东西南北四个标校波束的波束指向中心的指向矢量；
标校波束覆盖显示模块，根据卫星多波束天线东西南北四个标校波束的波束指向中心指向矢量的计算结果，在矢量地图上绘制设定的波束指向偏差下卫星标校波束的覆盖情况；
标校波束接收功率查询模块，根据地面移动标校站与卫星多波束天线东西南北四个标校波束等功率交叠点夹角的理论值，以及界面设定的波束指向偏差，并加入高斯白燥声误差，经过查询方向图数据，得到移动标校站接收到的四个标校波束的功率值。
进一步地，地面标校测试模拟模块包括以下模块：
卫星数据加载模块，用于从数据库中读取卫星的轨道位置和凝视点的经纬度；
地面移动标校站移动参数设置模块，用于通过界面输入移动标校站的移动参数，包括初始位置经纬度、速度；
地面移动标校站移动轨迹计算模块，用于根据移动标校站的移动参数计算移动轨迹，打上时间戳并存入数据库；
夹角计算模块，根据地面移动标校站的移动参数，计算地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点的在卫星天线坐标系下夹角的理论值，并存入数据库；
夹角理论值输出模块，用于从数据库中读取地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点的在卫星天线坐标系下夹角的理论值，并在界面上显示。
进一步地，数据处理模块包括以下模块：
指向偏差测量值计算模块，用于从数据库种读取卫星多波束天线东西南北四个标校波束方向图数据，根据从卫星标校波束能量模拟模块接收的移动标校站接收到的四个标校波束的功率值，计算并输出地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的测量值；
夹角测量值管理模块，用于将地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的测量值输出到数据库，或者将真实的测量数据存入数据库。
进一步地，对比验证模块包括以下模块：
指向偏差估计模块，用于将地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的理论值与测量值进行对比计算，得到指向偏差的估计值；
指向偏差统计模块，用于对指向偏差估计值的均值与方差进行统计，并输出到界面。
本发明与背景技术相比具有如下优点：
1、本发明中地面波束标校接收站的设计更为灵活，地面波束标校接收站可以为固定站，也可以为移动站。
2、本发明可以模拟位于不同轨位的卫星和不同地点的标校站，并对设计方案进行可行性与性能分析，为工程实践提供依据。
3、本发明中夹角的测量值可以通过软件计算得到，也可以使用工程实践中真实的测量数据。
附图说明
图1是本发明实施例装置的结构示意图。
图2是本发明实施例中标校波束方向图覆盖示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步地说明。
如图1所示，一种小倾角GEO多波束卫星地面移动标校策略模拟装置，包括如下模块：
卫星标校波束能量模拟模块，根据设定的波束指向偏差数据产生地面标校站接收到的东西南北四个标校波束的功率值；
地面标校测试模拟模块，用于产生地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的理论值；
数据处理模块，用于产生地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的测量值；
对比验证模块，根据地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的理论值和测量值，计算卫星波束指向偏差角的估计值，并通过统计进行性能分析。
进一步地，卫星标校波束能量模拟模块包括以下模块：
卫星数据加载模块，用于从数据库中读取预置的卫星轨道位置、卫星凝视点的经纬度、卫星多波束天线东西南北四个标校波束的方向图数据；
波束指向偏差设置模块，用于通过界面设置波束指向偏差并进行保存；
波束指向中心计算模块，用于在界面设定的波束指向偏差下，加入天线的日周期形变误差，计算卫星多波束天线东西南北四个标校波束的波束指向中心的指向矢量；
标校波束覆盖显示模块，根据卫星多波束天线东西南北四个标校波束的波束指向中心指向矢量的计算结果，在矢量地图上绘制设定的波束指向偏差下卫星标校波束的覆盖情况；
标校波束接收功率查询模块，根据地面移动标校站与卫星多波束天线东西南北四个标校波束等功率交叠点夹角的理论值，以及界面设定的波束指向偏差，并加入高斯白燥声误差，经过查询方向图数据，得到移动标校站接收到的四个标校波束的功率值。
进一步地，地面标校测试模拟模块包括以下模块：
卫星数据加载模块，用于从数据库中读取卫星的轨道位置和凝视点的经纬度；
地面移动标校站移动参数设置模块，用于通过界面输入移动标校站的移动参数，包括初始位置经纬度、速度；
地面移动标校站移动轨迹计算模块，用于根据移动标校站的移动参数计算移动轨迹，打上时间戳并存入数据库；
夹角计算模块，根据地面移动标校站的移动参数，计算地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点的在卫星天线坐标系下方位夹角与俯仰夹角的理论值，并存入数据库；
夹角理论值输出模块，用于从数据库中读取地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点的在卫星天线坐标系下方位夹角与俯仰夹角的理论值，并在界面上显示。
进一步地，数据处理模块包括以下模块：
指向偏差测量值计算模块，用于从数据库种读取卫星多波束天线东西南北四个标校波束方向图数据，根据从卫星标校波束能量模拟模块接收的移动标校站接收到的四个标校波束的功率值，计算并输出地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的测量值；
夹角测量值管理模块，用于将地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的测量值输出到数据库，或者将真实的测量数据存入数据库。
进一步地，对比验证模块包括以下模块：
指向偏差估计模块，用于将地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的理论值与测量值进行对比计算，得到指向偏差的估计值；
指向偏差统计模块，用于对指向偏差估计值的均值与方差进行统计，并输出到界面。
采用上述装置的小倾角GEO多波束卫星地面移动标校策略模拟过程如下：
（1）卫星标校波束能量模拟模块根据设定的波束指向偏差数据产生地面标校站接收到的东西南北四个标校波束的功率值。
具体步骤如下：
（1-1）卫星数据加载。从数据库中读取预置的卫星轨道位置、卫星凝视点的经纬度、卫星多波束天线东西南北四个标校波束的方向图数据，方向图覆盖如图2所示。
（1-2）波束指向偏差设置。通过界面设置波束指向偏差并进行保存。
（1-3）卫星多波束天线东西南北四个标校波束的波束指向中心计算。在界面设定的波束指向偏差下，加入天线的日周期形变误差，计算卫星多波束天线东西南北四个标校波束的波束指向中心的指向矢量。
（1-4）标校波束覆盖显示。根据卫星多波束天线东西南北四个标校波束的波束指向中心指向矢量的计算结果，在矢量地图上绘制设定的波束指向偏差下卫星标校波束的覆盖情况。
（1-5）卫星多波束天线东西南北四个标校波束接收功率查询。根据地面移动标校站与卫星多波束天线东西南北四个标校波束等功率交叠点夹角的理论值，以及界面设定的波束指向偏差，并加入高斯白燥声误差，经过查询方向图数据，得到移动标校站接收到的四个标校波束的功率值
（2）地面标校测试模拟模块产生地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的理论值。
具体步骤如下：
（2-1）卫星数据加载。从数据库中读取卫星的轨道位置和凝视点的经纬度；
（2-2）地面移动标校站移动参数设置。通过界面输入移动标校站的移动参数（初始位置经纬度、速度）。
（2-3）地面移动标校站移动轨迹计算。根据移动标校站的移动参数计算移动轨迹（经纬度），打上时间戳并存入数据库；
（2-4）地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的计算。根据地面移动标校站的移动参数，计算地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点的在卫星天线坐标系下夹角（含方位与俯仰）的理论值并存入数据库；
（2-5）地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的理论值输出。从数据库中读取地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点的在卫星天线坐标系下夹角（含方位与俯仰）的理论值并在界面显示。
（3）数据处理模块用于产生地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的测量值。
具体步骤如下：
（3-1）指向偏差测量值的计算。从数据库读取卫星多波束天线东西南北四个标校波束方向图数据，根据从卫星标校波束能量模拟模块接收的移动标校站接收到的四个标校波束的功率值，计算输出地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的测量值。
（3-2）地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的测量值的输出。将地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的测量值输出到数据库。或者将工程实践中真实的测量数据存入数据库。
（4）对比验证模块根据地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的理论值和测量值，计算卫星波束指向偏差角的估计值，并通过统计进行性能分析。
具体步骤如下：
（4-1）指向偏差的估计。将地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的理论值与测量值进行对比计算，得到指向偏差的估计值；
（4-2）指向偏差的统计计算。对指向偏差估计值的均值与方差进行统计，并输出到界面。
总之，采用本发明装置，以小倾角GEO多波束卫星地面移动标校策略模拟作为输入，通过卫星标校波束能量模拟模块、地面标校测试模块、数据处理模块、对比验证模块四个模块，可以实现小倾角GEO多波束卫星地面移动标校策略的模拟与性能分析。本发明可以模拟通过移动或固定地面站对小倾角GEO多波束卫星天线指向进行标校的策略，并对其可行性进行验证，对标校性能进行分析，为工程实现提供依据。

Claims (2)

1.一种小倾角GEO多波束卫星地面移动标校策略模拟装置，其特征在于，包括如下模块：
卫星标校波束能量模拟模块，根据设定的波束指向偏差数据产生地面标校站接收到的东西南北四个标校波束的功率值；
地面标校测试模拟模块，用于产生地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的理论值；
数据处理模块，用于产生地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的测量值；
对比验证模块，根据地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的理论值和测量值，计算卫星波束指向偏差角的估计值，并通过统计进行性能分析；
卫星标校波束能量模拟模块包括以下模块：
卫星数据加载模块，用于从数据库中读取预置的卫星轨道位置、卫星凝视点的经纬度、卫星多波束天线东西南北四个标校波束的方向图数据；
波束指向偏差设置模块，用于通过界面设置波束指向偏差并进行保存；
波束指向中心计算模块，用于在界面设定的波束指向偏差下，加入天线的日周期形变误差，计算卫星多波束天线东西南北四个标校波束的波束指向中心的指向矢量；
标校波束覆盖显示模块，根据卫星多波束天线东西南北四个标校波束的波束指向中心指向矢量的计算结果，在矢量地图上绘制设定的波束指向偏差下卫星标校波束的覆盖情况；
标校波束接收功率查询模块，根据地面标校站与卫星多波束天线东西南北四个标校波束等功率交叠点夹角的理论值，以及界面设定的波束指向偏差，并加入高斯白噪声误差，经过查询方向图数据，得到地面标校站接收到的四个标校波束的功率值；
地面标校测试模拟模块包括以下模块：
卫星数据加载模块，用于从数据库中读取卫星的轨道位置和凝视点的经纬度；
地面标校站移动参数设置模块，用于通过界面输入地面标校站的移动参数，包括初始位置经纬度、速度；
地面标校站移动轨迹计算模块，用于根据地面标校站的移动参数计算移动轨迹，打上时间戳并存入数据库；
夹角计算模块，根据地面标校站的移动参数，计算地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点的在卫星天线坐标系下夹角的理论值，并存入数据库；
夹角理论值输出模块，用于从数据库中读取地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点的在卫星天线坐标系下夹角的理论值，并在界面上显示；
数据处理模块包括以下模块：
指向偏差测量值计算模块，用于从数据库中读取卫星多波束天线东西南北四个标校波束方向图数据，根据从卫星标校波束能量模拟模块接收的地面标校站接收到的四个标校波束的功率值，计算并输出地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的测量值；
夹角测量值管理模块，用于将地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的测量值输出到数据库，或者将真实的测量数据存入数据库。
2.根据权利要求1所述的一种小倾角GEO多波束卫星地面移动标校策略模拟装置，其特征在于，对比验证模块包括以下模块：
指向偏差估计模块，用于将地面标校站在移动过程中与四个标校波束等功率交叠点夹角的理论值与测量值进行对比计算，得到指向偏差的估计值；
指向偏差统计模块，用于对指向偏差估计值的均值与方差进行统计，并输出到界面。
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