CN116405095A - 一种卫星超低轨数据对地传输方法 - Google Patents

一种卫星超低轨数据对地传输方法 Download PDF

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CN116405095A CN202310407081.6A CN202310407081A CN116405095A CN 116405095 A CN116405095 A CN 116405095A CN 202310407081 A CN202310407081 A CN 202310407081A CN 116405095 A CN116405095 A CN 116405095A
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常亮
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常建平
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Abstract

本发明涉及一种卫星超低轨数据对地传输方法，包括以下步骤：S1、卫星将数传数据存储到载荷管理器内；S2、卫星根据数传星历表中的出入境时刻，在入境时刻执行入境逻辑启动数传数据对地传输；S3、卫星数传编码调制单元读取载荷管理器内的数传数据；S4、卫星相控阵天线根据卫星轨道和姿态调整相控阵天线轴向指向地面数传站，并根据设置的高速数传速率下传数传数据；S5、地面数传站根据测控S频段的引导跟踪卫星运动，获得高速数传数据。有益效果是相控阵能在轨实时自主轴向调节、数传数据传输速率高、数传与测控入境紧密相关、任务与数传统一规划。

Description

一种卫星超低轨数据对地传输方法
【技术领域】
本发明涉及卫星控制技术领域，具体涉及一种卫星超低轨数据对地传输方法。
【背景技术】
遥测的基本作用是将航天器的工程参数传输到地面。数传的作用则是将有效载荷采集的科学数据传输到地面。
现有卫星超低轨高速、高可靠数据对地传输技术方案存在以下缺陷：
缺陷一：任务与数传割离
卫星执行任务会产生相应的图像以及工程数据，在有限的时间内如何高效的完成数据传输需要在系统层次合理规划，规划合理性涉及任务本身安排以及卫星各个分系统的服务状态。
缺陷二：数传与测控入境的割离
传统数传与测控入境并非在同一圈次，导致数传链路的建立无法通过测控的宽波束导引，无法做到初始的精准跟踪。
缺陷三：数据传输速率低
考虑能源以及任务数据时效性，一般卫星数据传输的速率并不高。
缺陷四：数传天线不能在轨实时自主轴向调节
传统数传天线的方向图固定，并不能在轨实时自主调节天线轴向的最大增益方向。
本发明针对卫星超低轨运行存在的任务与数传割离、数传与测控入境的割离、数据传输速率低、数传天线无轴向跟踪设计的技术问题，对卫星超低轨数据对地传输方法进行了技术改进。
【发明内容】
本发明的目的是，提出一种相控阵能在轨实时自主轴向调节、数传数据传输速率高、数传与测控入境紧密相关、任务与数传统一规划的卫星超低轨数据对地传输方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种卫星超低轨数据对地传输方法，包括以下步骤：
S1、卫星将数传数据存储到载荷管理器内；
S2、卫星根据数传星历表中的出入境时刻，在入境时刻执行入境逻辑启动数传数据对地传输；
S3、卫星数传编码调制单元读取载荷管理器内的数传数据；
S4、卫星相控阵天线根据卫星轨道和姿态调整相控阵天线轴向指向地面数传站，并根据设置的高速数传速率下传数传数据；
S5、地面数传站根据测控S频段的引导跟踪卫星运动，获得高速数传数据。
优选地，步骤S4：相控阵天线具有有电扫描功能，能够自主根据卫星轨道以及姿态计算相控阵天线的离轴角和方位角，并根据具体的角度导引相控阵天线的最大增益方向的星地矢量。
优选地，步骤S4具体包括以下子步骤：
S41、输入数据，包括卫星在WGS-84系下的当前轨道位置Rsat84，卫星姿态角即卫星本体系相对于J2000系的欧拉角，地面数传站代号，地心经度Lon，地心纬度Latdx，地面站向量的模Lfac，地面定期上注用于轨道递推的常数转换矩阵A，其中，
Figure BDA0004181810810000031
Alt为地面数传站高程，a＝6378137米为WGS-84椭球体长半轴，b＝6356752米为WGS-84椭球体长半轴短半轴；
S42、计算WGS-84坐标系下的卫星到地面数传站的向量，包括计算地心到地面数传站的向量
Figure BDA0004181810810000032
计算地面数传站到卫星的向量Rsf84＝Rfac84-Rsat84；
S43、计算J2000坐标系下的卫星到地面数传站的向量
Figure BDA0004181810810000033
其中，
Figure BDA0004181810810000034
Figure BDA0004181810810000035
floor()表示对()内向下取整，t1为自卫星上时间起点起算的积秒；
S44、计算相控阵天线坐标系下的卫星到地面数传站的向量Rsfbody＝Abi·RsfJ2000，其中，Abi为卫星本体系相对于J2000系的姿态矩阵，即从J2000系转换到卫星本体系的坐标系转换矩阵
Figure BDA0004181810810000036
其中，/>
Figure BDA0004181810810000037
为滚动角，θ为俯仰角，ψ为偏航角；
S45、计算地面数传站在相控阵天线坐标系下的指向角，包括离轴角与方位角
Figure BDA0004181810810000041
优选地，步骤S4：采用X频段QPSK数传体制，EIRP为15dBW，地面12m天线接收，G/T值为33dB/K实现高速数传速率下传数传数据。
优选地，步骤S5：地面数传站同时具备测控功能，地面数传站X波段数传通过S波段测控引导，确保数传信号不丢失，被地面数传站捕获。
优选地，步骤S2：卫星任务与数传统一规划，在卫星入境次数少或者境外时段执行卫星任务，并在卫星入境次数多时段对地传输境外以及境内任务数据。
优选地，所述的一种卫星超低轨数据对地传输方法，还包括以下步骤：
S6、地面数传站将收到的数传数据发送给运控中心；
S7、运控中心将收到的数传数据发送给任务中心。
本发明一种卫星超低轨数据对地传输方法有如下有益效果：
优点一、任务与数传统一规划
卫星执行任务会产生相应的图像以及工程数据，在有限的时间内高效的完成数据传输需要在系统层次合理规划，规划合理性涉及任务本身安排以及卫星各个分系统的服务状态；
优点二、数传与测控入境紧密相关
地面数传站同时具备测控功能，地面站数传设备可以通过测控设备的S波段信号引导，而不至于信号丢失或捕获不到；
优点三、数传数据传输速率高
采用X频段QPSK数传体制，EIRP为15dBW，地面12m天线接收，G/T值为33dB/K实现高速数据下传，同时链路余量适用于280km以下；
优点四、相控阵能在轨实时自主轴向调节
相控阵数传天线轴向跟踪设计，相控阵数传天线有电扫描功能，能够星上自主根据轨道以及姿态计算天线的离轴角和方位角，根据具体的角度导引相控阵天线的最大增益方向的星地矢量。
【附图说明】
图1是一种卫星超低轨数据对地传输系统星上数传软件模块架构图。
图2是一种卫星超低轨数据对地传输系统地面信号链示意图。
图3是一种卫星超低轨数据对地传输方法流程图。
图4是280km轨道高度卫星相对中国境内数传站每天出入境规律柱形图。
图5是具有测控功能的地面数传站通过测控设备S波段信号引导确保卫星数传信号不丢失或捕获到原理示意图。
【具体实施方式】
下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。
实施例1
本实施例实现一种卫星超低轨数据对地传输系统。
本实施例系统包含地面任务规划部分、星上数传单机部分、载荷管理器部分、星上数传软件逻辑部分以及地面数传站接收部分。
一、地面任务规划部分
地面任务规划部分由地面运控中心的计算机设备实现。本实施例地面任务规划部分的输入是卫星轨道、地面数传站站址坐标、相关工程约束、任务执行需求，输出部分为任务执行需要上注的指令以及数传星历表(数传出入境时刻表，也就是星上下发数据开始和结束的时刻表)，具体通过相关工具软件实现。地面数传站设计上相关工程约束包括仰角5°约束、最短可见时长约束。
地面任务规划部分通过计算机软件实现。通过地面任务规划部分的计算机软件可以计算出来卫星的数传窗口，所述数传窗口开始时间为数传入境时间、结束时间为数传出境时间。
二、星上数传单机部分
星上数传单机部分包括编码调制单元单机和相控阵。所述编码调制单元单机用于数传数据的编码调制，所述相控阵用于数传数据信号的对地传输。
三、载荷管理器部分
所述载荷管理器用于存储数传数据。
四、星上数传软件逻辑部分
图1是一种卫星超低轨数据对地传输系统星上数传软件模块架构图。如附图1所示，星上数传软件包括数传星历表存储模块、数传出入境逻辑模块、相控阵天线指向算法模块以及姿态确定模块、轨道确定模块。数传出入境逻辑模块调取数传星历表存储模块上的数传星历、获得数传出入境规律，输入相控阵天线指向算法模块；相控阵天线指向算法模块结合姿态确定模块输入的卫星姿态参数和轨道确定模块输入的卫星轨道参数，控制相控阵天线指向进行数传数据对地传输。
五、地面数传站接收部分
图2是一种卫星超低轨数据对地传输系统地面信号链示意图。如附图2所示，卫星地面测控系统包括任务中心、运控中心和若干数传站，运控中心接收任务中心分配的任务，并和数传站之间进行双向信号传输。
实施例2
本实施例实现一种卫星超低轨数据对地传输系统方法。本实施例方法基于实施例1系统实现。
图3是一种卫星超低轨数据对地传输方法流程图。如附图3所示，本实施例方法包括以下步骤：
S1、数传数据存储到载荷管理器内；
S2、星务数传软件逻辑部分根据数传星历表中的出入境时刻，在入境时刻执行入境逻辑；
S3、数传编码调制单元读取载管内的数传数据；
S4、相控阵天线根据轨道和姿态调整天线轴向指向地面数传站，并根据设置的高速数传速率下传数传数据；
S5、地面数传站根据测控S频段的引导跟踪卫星运动，获得高速数传数据；
S6、数传站将收到的数据发给运控中心；
S7、运控中心将收到的数据发给任务中心。
本实施例方法根据背景技术提及的现有卫星超低轨高速、高可靠数据对地传输技术方案存在的缺陷进行了以下改进。
一、任务与数传统一规划
卫星执行任务会产生相应的图像以及工程数据，在有限的时间内如何高效的完成数据传输需要在系统层次合理规划，规划合理性涉及任务本身安排以及卫星各个分系统的服务状态。图4是280km轨道高度卫星相对中国境内数传站每天出入境规律柱形图。如附图4所示，以中国境内分布的数传站为例，对于280km的卫星，每天的出入境规律基本为2～4轨入+4～5轨出+2～4轨入+4～5轨出，为解决数据及时高效下传问题，在入境次数少或者境外执行任务，并在连续4轨的入境时间内下传完境外数据以及境内执行任务的数传数据。
二、数传站X波段数传通过S波段测控引导
传统数传与测控入境并非在同一圈次，导致数传链路的建立无法通过测控的宽波束导引，无法做到初始的精准跟踪。图5是具有测控功能的地面数传站通过测控设备S波段信号引导确保卫星数传信号不丢失或捕获到原理示意图。如附图5所示，本实施例方法地面的数传站同时具备测控功能，地面站数传设备可以通过站内测控设备的S波段信号引导，而不至于数传信号丢失或捕获不到。
三、数传数据传输速率高
本实施例方法，采用X频段QPSK(正交相移键控Quadrature Phase Shift Keying)数传体制，EIRP(等效全向辐射功率equivalent isotropically radiated power)为15dBW，地面12m天线接收，G/T(G/T是天线的一项重要的技术指标，G代表天线增益，T代表天线噪声温度)值为33dB/K实现高速数据下传，同时链路余量适用于280km以下，具体的计算结果参见表1。
表1高速数传链路预算表
Figure BDA0004181810810000081
Figure BDA0004181810810000091
经计算，下行数传链路余量为4.1dB(一般3dB即能可靠通信)。
四、相控阵数传天线轴向跟踪设计
传统数传天线的方向固定，并不能在轨实时自主调节天线轴向的最大增益方向。本实施例方法的相控阵数传天线有电扫描功能，能够星上自主根据轨道以及姿态计算天线的离轴角和方位角，根据具体的角度导引相控阵天线的最大增益方向的星地矢量，具体的计算方法及步骤如下：
1、输入数据
(1)卫星在WGS-84系(WGS-84坐标系World Geodetic System-1984
Coordinate System，是一种国际上采用的地心坐标系)下的当前轨道位置Rsat84(单位：米)；
(2)卫星姿态角：卫星本体系相对于J2000系(历元平赤道地心坐标系)的欧拉角(312转序，单位：弧度)；
地面站代号、地心经度(Lon，单位：度)、地心纬度(Latdx，单位：度)、地面站向量的模Lfac(单位：米)；
其中，
Figure BDA0004181810810000092
Alt为地面站高程(单位：米)，WGS-84椭球体：长半轴a＝6378137米，短半轴b＝6356752米；
(3)常数转换矩阵A(即轨道递推软件中的常数转换矩阵A，为地面定期上注数据)。
2、计算WGS-84坐标系下的卫星到地面站的向量
1)计算地心到地面站的向量Rfac(单位：米)
Figure BDA0004181810810000101
2)计算地面站到卫星的向量Rsf84(单位：米)
Rsf84＝Rfac84-Rsat84
3、计算J2000坐标系下的卫星到地面站的向量
Figure BDA0004181810810000102
Figure BDA0004181810810000103
公式中
Figure BDA0004181810810000104
floor()表示对()内向下取整，t1为自星上时间起点(2019年1月1日12时(UTC))起算的积秒。
4、计算相控阵天线坐标系下的卫星到地面站的向量
Rsfbody＝Abi·RsfJ2000
式中，Abi为卫星本体系相对于J2000系的姿态矩阵(即从J2000系转换到卫星本体系的坐标系转换矩阵)，计算公式如下：
Figure BDA0004181810810000105
其中，
Figure BDA0004181810810000106
为滚动角，θ为俯仰角，ψ为偏航角(卫星本体系相对于J2000系的姿态角，312顺序)，单位为弧度；
5、计算地面站在相控阵天线坐标系下的离轴角与方位角
卫星到地面站向量在相控阵天线坐标系下的指向角，包含离轴角和方位角两个角度量，计算公式如下：
Figure BDA0004181810810000111
本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Acess Memory，RAM)等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种卫星超低轨数据对地传输方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、卫星将数传数据存储到载荷管理器内；
S2、卫星根据数传星历表中的出入境时刻，在入境时刻执行入境逻辑启动数传数据对地传输；
S3、卫星数传编码调制单元读取载荷管理器内的数传数据；
S4、卫星相控阵天线根据卫星轨道和姿态调整相控阵天线轴向指向地面数传站，并根据设置的高速数传速率下传数传数据；
S5、地面数传站根据测控S频段的引导跟踪卫星运动，获得高速数传数据。
2.根据权利要求1所述的一种卫星超低轨数据对地传输方法，其特征在于步骤S4：相控阵天线具有有电扫描功能，能够自主根据卫星轨道以及姿态计算相控阵天线的离轴角和方位角，并根据具体的角度导引相控阵天线的最大增益方向的星地矢量。
3.根据权利要求2所述的一种卫星超低轨数据对地传输方法，其特征在于步骤S4具体包括以下子步骤：
S41、输入数据，包括卫星在WGS-84系下的当前轨道位置Rsat84，卫星姿态角即卫星本体系相对于J2000系的欧拉角，地面数传站代号，地心经度Lon，地心纬度Latdx，地面站向量的模Lfac，地面定期上注用于轨道递推的常数转换矩阵A，其中，
Figure FDA0004181810800000011
Alt为地面数传站高程，a＝6378137米为WGS-84椭球体长半轴，b＝6356752米为WGS-84椭球体长半轴短半轴；
S42、计算WGS-84坐标系下的卫星到地面数传站的向量，包括计算地心到地面数传站的向量
Figure FDA0004181810800000021
计算地面数传站到卫星的向量Rsf84＝Rfac84-Rsat84；
S43、计算J2000坐标系下的卫星到地面数传站的向量
Figure FDA0004181810800000022
其中，
Figure FDA0004181810800000023
，
Figure FDA0004181810800000024
floor()表示对()内向下取整，t1为自卫星上时间起点起算的积秒；
S44、计算相控阵天线坐标系下的卫星到地面数传站的向量Rsfbody＝Abi·RsfJ2000，其中，Abi为卫星本体系相对于J2000系的姿态矩阵，即从J2000系转换到卫星本体系的坐标系转换矩阵
Figure FDA0004181810800000025
其中，/>
Figure FDA0004181810800000026
为滚动角，θ为俯仰角，ψ为偏航角；
S45、计算地面数传站在相控阵天线坐标系下的指向角，包括离轴角与方位角
Figure FDA0004181810800000027
4.根据权利要求2所述的一种卫星超低轨数据对地传输方法，其特征在于步骤S4：采用X频段QPSK数传体制，EIRP为15dBW，地面12m天线接收，G/T值为33dB/K实现高速数传速率下传数传数据。
5.根据权利要求4所述的一种卫星超低轨数据对地传输方法，其特征在于步骤S5：地面数传站同时具备测控功能，地面数传站X波段数传通过S波段测控引导，确保数传信号不丢失，被地面数传站捕获。
6.根据权利要求1所述的一种卫星超低轨数据对地传输方法，其特征在于步骤S2：卫星任务与数传统一规划，在卫星入境次数少或者境外时段执行卫星任务，并在卫星入境次数多时段对地传输境外以及境内任务数据。
7.根据权利要求1所述的一种卫星超低轨数据对地传输方法，其特征在于还包括以下步骤：
S6、地面数传站将收到的数传数据发送给运控中心；
S7、运控中心将收到的数传数据发送给任务中心。
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