CN116455442A - 一种天基管控系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种天基管控系统，该系统包括：空间子系统包括管控卫星星座；其中，管控卫星星座由多颗管控卫星组成，用于与地面子系统以及用户子系统进行通信；地面子系统包括多个地面站，多个地面站包括主地面站和备份地面站，每个地面站用于卫星管控、遥测数据接收与处理，数据分发；用户子系统包括用户卫星以及用户终端，其中，用户终端向至少一个地面站发送卫星管控指令，地面站基于卫星管控指令生成遥测指令并将遥测指令发送给管控卫星星座中至少一颗管控卫星，至少一颗管控卫星基于遥测指令向用户卫星发送管控指令，以实现对于用户卫星测控。本申请解决了现有技术中对民商卫星测控资源紧张和在轨数据传输瓶颈的技术问题。

Description

一种天基管控系统

技术领域

本申请涉及卫星测控系统技术领域，尤其涉及一种天基管控系统。

背景技术

随着民商航天的快速发展，在轨的民商卫星数量有加速增长的趋势。目前民商卫星数据传输主要依赖地基手段，测控主要依赖国家测控网及新兴商业航天公司投资建设的商业测控站，覆盖范围有限。受覆盖范围约束，民商卫星特别是民商遥感卫星，普遍存在卫星响应能力不强(测控间隙可长达10小时)，成像效率不高，境外数据获取难等问题。

随着卫星技术的发展，天基卫星管控系统应用而生，天基卫星管控系统为天链系统，目前已发展到第二代。第一代为天链一号系统，共发射5颗卫星，目前在轨4颗，除在美洲上空外，基本覆盖全球。第二代天链二号系统已发射2颗卫星，后续拟计划再发射1颗，组网替代天链一号系统。天链系统目前可提供300Mbps、150Mbps、75Mbps的数传能力和1k～10Mbps测控能力。目前，天链系统主要服务载人航天和军事任务。民商卫星依旧面临着测控资源紧张和在轨数据传输瓶颈等问题。

发明内容

本申请解决的技术问题是：针对现有技术中民商卫星测控资源紧张和在轨数据传输瓶颈问题，本申请提供了一种天基管控系统，本申请实施例所提供的方案中，构建了包含空间子系统、地面子系统以及用户子系统三部分的天基系统架构以及天基系统方案，用户子系统、地面子系统以及空间子系统三者之间相互配合来实现对于用户卫星测控，星间通信系统的设计较易且轨位资源充足，便于对民用和商业卫星实行统一管控。

第一方面，本申请实施例提供一种天基管控系统，该系统包括：空间子系统、地面子系统以及用户子系统；其中，所述空间子系统包括管控卫星星座；其中，所述管控卫星星座由多颗管控卫星组成，用于与地面子系统以及所述用户子系统进行通信；所述地面子系统包括多个地面站，所述多个地面站包括主地面站和备份地面站，每个地面站用于卫星管控、遥测数据接收与处理，数据分发；所述用户子系统包括用户卫星以及用户终端，其中，所述用户终端向至少一个地面站发送卫星管控指令，所述地面站基于所述卫星管控指令生成遥测指令并将所述遥测指令发送给所述管控卫星星座中至少一颗管控卫星，所述至少一颗管控卫星基于所述遥测指令向用户卫星发送管控指令，以实现对于用户卫星测控。

可选地，所述管控卫星星座运行在赤道平面上指定轨道高度以对南北纬指定区域的覆盖；所述管控卫星星座还配置多波束用户测控链路、激光星间链路以及星地馈电链路。

可选地，所述管控卫星包括卫星平台和载荷；其中，所述卫星平台采用梯形构型，用于承载和安装载荷；所述载荷包括主要载荷、激光通信载荷以及太阳翼；其中，所述主要载荷安装于所述卫星平台的+Z面，激光通信载荷安装于述卫星平台的+Y面，光路指向所述卫星平台的±X方向，太阳翼安装于所述卫星平台的±Y面。

可选地，所述地面子系统包括第一主地面站、第二主地面站以及备份地面站；所述地面子系统通过第一主地面站与所述第二主地面站与所述空间子系统之间建立两条星地链路。

可选地，所述地面子系统还包括：站网通信子系统以及管控中心；其中，所述站网通信子系统包括测控链路地面天线、馈电链路地面天线、天线控制器、射频前端、基带调制解调器、缓存以及网络通信链路；用于实现轨道测定与预报、遥控转发与遥测分包、数据缓存管理与网络通信功能；

所述管控中心包括任务规划管理服务器、数据库与数据处理服务器、数据分发服务器、地面网络通信链路；用于实现对管控卫星的任务规划以及将任务规划通过地面站注入管控卫星执行。

可选地，对用户卫星测控的模式包括常规测控模式和/或应急测控模式；其中，所述常规测控模式包括使用固定波束，覆盖赤道上空以及满足卫星日常管控需求；应急测控模式包括使用可控波束，覆盖南北纬50°上空，为用户卫星提供连续测控时间大于29.5min，间隔小于20.9min的应急测控能力。

可选地，用户卫星测控的资源由管控中心统一申请以及集约使用；以及所述用户卫星测控的测控资源复用采用空分复用、时分复用以及频分复用的方式；

可选地，所述用户卫星采用轮询或者随机接入的方式接入到所述天基管控系统中。

与现有技术相比，本申请实施例所提供的方案至少具有如下有益效果：

本申请实施例所提供的方案中，构建了包含空间子系统、地面子系统以及用户子系统三部分的天基系统架构以及天基系统方案，用户子系统、地面子系统以及空间子系统三者之间相互配合来实现对于用户卫星测控，星间通信系统的设计较易且轨位资源充足，便于对民用和商业卫星实行统一管控。

附图说明

图1A为本申请实施例所提供的一种天基管控系统的结构示意图；

图1B为本申请实施例所提供的又一种天基管控系统的结构示意图；

图2为本申请实施例所提供的一种管控卫星载荷的示意图；

图3为本申请实施例所提供的数据星间链路和馈电链路多跳传输示意图；

图4为本申请实施例所提供的站网通信子系统的结构示意图；

图5为本申请实施例所提供的管控中心的结构示意图；

图6为本申请实施例所提供的随遇接入流程示意图；

图7为本申请实施例所提供的测控资源空分复用示意图；

图8为本申请实施例所提供的控资源时分复用示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供的方案中，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

作为举例，如图1A和图1B所示，该系统包括空间子系统、地面子系统以及用户子系统，即天基管控系统由空间段、地面段、用户段三部分组成。其中，所述空间子系统包括管控卫星星座；其中，所述管控卫星星座由多颗管控卫星组成，用于与地面子系统以及所述用户子系统进行通信；例如，管控卫星星座由6颗管控卫星组成，运行在10000km轨道高度的赤道平面上，配置多波束用户测控链路、激光星间链路、高速星地馈电链路等通信载荷，能够形成对南北纬一定区域的覆盖。

所述地面子系统包括多个地面站，所述多个地面站包括主用地面站和备用地面站，每个地面站用于卫星管控、遥测数据接收与处理，数据分发；例如，地面段采用两个主用地面站和1个备用地面站设计，主用地面站依托现有喀什、圣地亚哥地面站进行建设，备用地面站建在中卫，每个地面站都具有卫星管控、遥感数据接收与处理、数据分发等功能。

所述用户子系统包括用户卫星以及用户终端，其中，所述用户终端向至少一个地面站发送卫星管控指令，所述地面站基于所述卫星管控指令生成遥测指令并将所述遥测指令发送给所述管控卫星星座中至少一颗管控卫星，所述至少一颗管控卫星基于所述遥测指令向用户卫星发送管控指令，以实现对于用户卫星测控。

进一步，在本申请实施例所提供的方案中，除了设计了如图1所示的天基管控系统架构，还设计了天基系统管控方案。具体的，天基系统管控方案包括管控卫星方案、地面子系统方案以及用户卫星测控方案。

为了便于理解下面对天基管控方案所涉及的各个方案内容进行简要介绍。

一、管控卫星方案

管控卫星由卫星平台和载荷组成。

1)、卫星平台

卫星平台采用成熟的小卫星平台，根据任务需求进行适应性改造。卫星平台采用梯形构型，适应一箭多星发射，且能提供比较大的对地面。主要载荷安装在卫星平台的+Z面(对地面)；激光通信载荷安装在卫星平台的±Y面，光路指向卫星平台的±X方向；双太阳翼安装在卫星平台的±Y面。

2)、卫星载荷

如图2所示，载荷由用户X频段测控链路、星间链路等组成。载荷采用高功能密度比集成化方案。如下表1展示了载荷的配置信息和主要指标。

表1

作为举例，本申请实施例所提供的方案中，管控卫星的载荷具有如下技术特点：

1)兼容现有中继通信体制，可以快速提供服务能力；

2)中继通信载荷高度模块化和集成化，以利于中继通信功能的灵活增减、提高平台空间利用率和提高整星的快速集成速度；

3)对地采用双天线配置，实现对地无缝切换，保障星地链路实时畅通；

4)采用X频段多址技术和测控技术相结合，提高测控效率；

5)全面采用星上处理转发技术，提高功率及频谱利用率；

二、地面子系统方案

在本申请实施例所提供的方案中，地面子系统方案又包括地面站选址、站网通信子系统设计以及管控中心设计三部分内容。

1)、地面站选址

本申请实施例所提供的方案中，采用二主一备的地面站设计，两个主地面站依托现有喀什、圣地亚哥地面站进行建设，备份地面站站建在中卫。双地面站方案可以建立两条星地链路，能够缩短数据传输延时、降低星间数据量，且具有较高的可靠性。当境外地面站不可使用时，利用境内地面站仍可完成在轨卫星管控任务，测控能力不受影响，中继数传能力略有降低。

2)、站网通信子系统

作为举例，如图4所示，站网通信子系统包括：测控链路地面天线、馈电链路地面天线、天线控制器、射频前端、基带调制解调器、数据缓存、网络通信链路等。主要用于轨道测定与预报、遥控转发与遥测分包、数据缓存管理与网络通信。

3)、管控中心

作为举例，如图5所示，管控中心包括：任务规划管理服务器、数据库与数据处理服务器、数据分发服务器、网络通信链路等。管控中心最主要的功能是实现可管控卫星的任务规划。可管控卫星的任务规划是多星、多任务的复杂任务规划，既考虑用户数据获取的时效性，也考虑全系统整体的数据获取能力。任务规划过程中，除了考虑星上能源约束、数据存储约束等自身约束外，还将考虑成像地点的天气因素，避免因外部原因导致信息获取质量不佳。任务规划完成后，可通过地面网络通信链路，将数据传送至合适的地面站，通过管控中心注入至卫星执行。

三、用户卫星测控方案

本申请实施例所提供的方案中，用户卫星测控方案包括用户卫星测控模式、用户卫星接入方式以及用户卫星测控资源管控等几方面的内容。

1)、用户卫星测控模式

用户卫星测控模式采用常规测控模式和/或应急测控模式；其中，常规测控模式使用固定波束，覆盖赤道上空，满足卫星日常管控需求，一般为4次/天，每次约5min，与现有地基测控能力相当；应急测控模式使用可控波束，覆盖南北纬50°上空，可为用户卫星提供最大连续测控时间＞29.5min，最大间隔＜20.9min的应急测控能力。对用户卫星日常工程测控任务，提供常规测控模式；若有减灾救灾等应急需求，调整可控波束，提供应急测控模式。

2)、用户卫星接入方式

a)轮询接入

按照约定的优先级，依次访问用户卫星，当收到用户卫星的资源申请短报文，则将当前指向用户卫星的跟踪波束分配给短报文使用。

b)随遇接入

地面站上注用户卫星的注册信息，包括用户卫星轨道信息。如图6所示，当用户卫星在进入到管控卫星服务区(星下±24°)范围内，可以向管控卫星发送资源申请短报文，短报文包括申请使用中轨中继星波束和信道的时间信息。在未得到回复短报文的情况下，用户卫星需要连续不断的发送资源申请短报文。

管控卫星根据用户卫星的注册信息，生成当前服务区(星下±24°)范围内的用户卫星列表。如果当前有空闲的XMA返向波束，则调整波束分时依次指向列表中的用户卫星，检查是否收到用户卫星发送的资源申请短报文。XMA返向波束指向每颗用户卫星的时间片足够接收完整的2个短报文帧。

当管控卫星收到资源申请短报文后，进行自身资源检查。如果用户数量<6，则将当前指向用户卫星的XMA返向波束和信道分配给用户卫星；否则，拒绝用户卫星的资源申请。

管控卫星调整前向XMA波束，指向用户卫星，向用户卫星发送资源申请结果短报文。如果资源申请被通过，则短报文中包含有分配给用户卫星使用资源的时间段信息；如果资源申请未通过，则短报文中包含有用户卫星何时可以再提交资源申请的信息。

如果管控卫星将资源分配给用户卫星，则在资源分配的时间段结束后，自动释放资源。

3)、用户卫星测控资源管控

用户卫星测控资源统一申请、集约使用，采用复用机制，提高测控资源的利用率，用户卫星不需要单独申请测控资源。

在现有USB/扩频测控体制基础上，采用空分、时分、频分(或码分)的方法进行测控资源复用，增大测控容量，降低测控成本。对所有用户卫星的测控任务进行规划，为用户卫星分配测控资源、控制用户卫星测控终端的开关机，避免测控信号相互干扰。在本申请实施例所提供的方案中，用户卫星测控资源采用频分(或码分)复用、空分复用以及时分复用等方式。

a)、频分(或码分)复用

所有用户卫星复用12个测控频点/伪码。测控频点/伪码分为主、备两组。每组6个测控频点/伪码，4个用于常规测控，另2个用于应急测控模式/常规测控模式。

b)、空分复用

如图7所示，6个测控频点/伪码分别对应6个测控波束，4个为固定波束，2个为可控波束。如图8所示，固定波束(N-1～N-4)在赤道上空形成条带状覆盖，用于常规测控；可控波束(N-01、N-02)平时固定指向用于常规测控模式，紧急情况下在南北纬50°范围内调整，用于应急测控模式。

c)、时分复用

根据用户卫星轨道分布制定各用户卫星测控终端发射通道开关机计划，确保同一时刻管控卫星每个测控波束内只有一颗用户卫星的遥测信号，避免接入冲突，必要时也可用应急波束消减冲突。

本申请实施例所提供的方案中，构建了包含空间子系统、地面子系统以及用户子系统三部分的天基系统架构以及天基系统方案，用户子系统、地面子系统以及空间子系统三者之间相互配合来实现对于用户卫星测控，星间通信系统的设计较易且轨位资源充足，便于对民用和商业卫星实行统一管控。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种天基管控系统，其特征在于，包括：空间子系统、地面子系统以及用户子系统；其中，

所述空间子系统包括管控卫星星座；其中，所述管控卫星星座由多颗管控卫星组成，用于与地面子系统以及所述用户子系统进行通信；

所述地面子系统包括多个地面站，所述多个地面站包括主地面站和备份地面站，每个地面站用于卫星管控、遥测数据接收与处理，数据分发；

所述用户子系统包括用户卫星以及用户终端，其中，所述用户终端向至少一个地面站发送卫星管控指令，所述地面站基于所述卫星管控指令生成遥测指令并将所述遥测指令发送给所述管控卫星星座中至少一颗管控卫星，所述至少一颗管控卫星基于所述遥测指令向用户卫星发送管控指令，以实现对于用户卫星测控。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述管控卫星星座运行在赤道平面上指定轨道高度以对南北纬指定区域的覆盖；所述管控卫星星座还配置多波束用户测控链路、激光星间链路以及星地馈电链路。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述管控卫星包括卫星平台和载荷；其中，所述卫星平台采用梯形构型，用于承载和安装载荷；

所述载荷包括主要载荷、激光通信载荷以及太阳翼；其中，所述主要载荷安装于所述卫星平台的+Z面，激光通信载荷安装于述卫星平台的+Y面，光路指向所述卫星平台的±X方向，太阳翼安装于所述卫星平台的±Y面。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述地面子系统包括第一主地面站、第二主地面站以及备份地面站；所述地面子系统通过第一主地面站与所述第二主地面站与所述空间子系统之间建立两条星地链路。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述地面子系统还包括：站网通信子系统以及管控中心；其中，

所述站网通信子系统包括测控链路地面天线、馈电链路地面天线、天线控制器、射频前端、基带调制解调器、缓存以及网络通信链路；用于实现轨道测定与预报、遥控转发与遥测分包、数据缓存管理与网络通信功能；

所述管控中心包括任务规划管理服务器、数据库与数据处理服务器、数据分发服务器、地面网络通信链路；用于实现对管控卫星的任务规划以及将任务规划通过地面站注入管控卫星执行。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，对用户卫星测控的模式包括常规测控模式和/或应急测控模式；其中，

所述常规测控模式包括使用固定波束，覆盖赤道上空以及满足卫星日常管控需求；

应急测控模式包括使用可控波束，覆盖南北纬50°上空，为用户卫星提供连续测控时间大于29.5min，间隔小于20.9min的应急测控能力。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，其中，用户卫星测控的资源由管控中心统一申请以及集约使用；以及所述用户卫星测控的测控资源复用采用空分复用、时分复用以及频分复用的方式。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述用户卫星采用轮询或者随机接入的方式接入到所述天基管控系统中。