多用戶多任務的中繼衛(wèi)星捕獲跟蹤技術研究

苗常青 楊顯強 劉江 經姚翔 侯芬

(1中國空間技術研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部,北京 100094)(2北京控制工程研究所,北京 100190)

多用戶多任務的中繼衛(wèi)星捕獲跟蹤技術研究

苗常青1楊顯強1劉江2經姚翔1侯芬1

(1中國空間技術研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部,北京 100094)(2北京控制工程研究所,北京 100190)

針對中繼衛(wèi)星用戶數量及跟蹤任務不斷增多,跟蹤模式復雜,任務響應速度要求快的特點,文章給出了對單個用戶星捕獲跟蹤的典型過程,進而提出多用戶多任務捕獲跟蹤策略,其可根據用戶星類型、用戶星優(yōu)先級、任務中繼服務時刻、可服務時間窗口等條件,經過合理的任務規(guī)劃,可以同時實現為多個用戶服務、優(yōu)化星地資源配置、簡化操控技術。文中應用兩副天線跟蹤6個目標,驗證了中繼衛(wèi)星完成多用戶多任務捕獲跟蹤任務的可行性。

中繼衛(wèi)星;任務規(guī)劃;捕獲跟蹤;多用戶;多任務

1 引言

跟蹤與數據中繼衛(wèi)星(簡稱中繼衛(wèi)星)系統是為中、低軌道的航天器與航天器(簡稱用戶星)之間,或者為航天器與地面站之間提供數據中繼的系統。中繼衛(wèi)星還可對中、低軌用戶星提供連續(xù)跟蹤與軌道精確測控服務。中繼衛(wèi)星極大地提高了對中、低軌用戶星測控和數傳的軌道覆蓋率[1-2];可實時獲得中、低軌用戶星觀察地球產生的數據和圖像等。隨著我國空間事業(yè)的發(fā)展,中繼衛(wèi)星可為多種類的用戶提供服務:比如為載人航天器、月球甚至行星際空間的探測器提供數據和測控服務;為南極科考站到我國本土提供高速數傳通道;為遠洋艦船、運載火箭等提供中繼數傳服務等。為此,要求中繼衛(wèi)星可同時為多用戶提供全天候服務。

目前,國內外關于中繼衛(wèi)星系統的應用研究大多注重于中繼衛(wèi)星系統的鏈路研究[3]以及模型和算法研究[4-8],Bianchessi等人[9]設計了禁忌算法解決多星多圈次聯合調度問題,Lee等人[10]設計了一套支持多任務的地面站衛(wèi)星控制系統,并對調度問題進行分析。我國中繼衛(wèi)星對用戶航天器的應用服務主要采用一對一服務,即一顆中繼衛(wèi)星對一個目標航天器進行跟蹤和測控服務,同時需要地面站相關人員參與控制。本文針對未來中繼衛(wèi)星的應用需求,從工程應用角度提出適應未來多用戶多任務捕獲跟蹤技術,解決了多用戶多任務條件下的中繼衛(wèi)星資源統籌,優(yōu)化了星地資源配置,簡化了操控技術,充分發(fā)揮了中繼衛(wèi)星系統能力。

2 多用戶多任務捕獲跟蹤技術

為了實現多用戶多任務捕獲跟蹤技術,除了中繼衛(wèi)星具有單任務捕獲跟蹤任務外,還需要中繼衛(wèi)星具有實時軌道計算能力、自主進行跟蹤指向計算能力,以及多任務規(guī)劃能力等。

2.1 捕獲跟蹤系統組成及工作方式

捕獲跟蹤系統由射頻敏感器、控制器和天線驅動機構組成。系統組成框圖如圖1所示。

射頻敏感器進行星間天線與跟蹤目標間角誤差信號提取、分離,并轉換成控制器接收的方位角和俯仰角信號;控制器接收指令,按照不同方式工作,輸出控制天線驅動機構運動的信號;天線驅動機構驅動星間天線二維轉動,實現對用戶星的指向和跟蹤。

中繼衛(wèi)星對單一用戶捕獲跟蹤工作方式有:回掃等待、程序跟蹤、掃描搜索和自動跟蹤。

(1)回掃等待:根據中繼衛(wèi)星和用戶星的空間位置和姿態(tài)等信息,中繼衛(wèi)星星載計算機一般在捕獲跟蹤用戶星之前將星間天線由當前位置快速運動到起始跟蹤位置。

(2)程序跟蹤:根據中繼衛(wèi)星和用戶星的空間位置和姿態(tài)等信息,中繼衛(wèi)星星載計算機計算出星間天線沿用戶星運行軌跡的指向角度,控制星間天線按照該軌跡運動,跟蹤和指向用戶星。這是不依賴用戶星無線電信號的開環(huán)指向控制。

(3)掃描搜索:用戶根據中繼衛(wèi)星的相關信息,將自己的天線指向中繼衛(wèi)星,這是中繼衛(wèi)星進行掃描搜索的前提。在回掃等待到預定捕獲的時刻,如果用戶星沒有出現在中繼衛(wèi)星天線的射頻敏感范圍內,中繼衛(wèi)星控制星間天線將自動以螺旋線掃描、并疊加上跟隨用戶星的程序跟蹤運動。當接收到的用戶星的強度信號達到捕獲門限電平時,停止掃描,轉入以射頻敏感器輸出的方位角、俯仰角指向偏差電壓作為反饋信號的自動跟蹤模式。

(4)自動跟蹤:射頻敏感器輸出中繼衛(wèi)星天線指向與用戶星方向之間方位角、俯仰角的偏差電平,用這兩個方向的偏差電平作為負反饋量,使星載計算機自動控制中繼衛(wèi)星星間天線運動,直至用戶星從中繼衛(wèi)星視場消失或由指令終止跟蹤。

程序跟蹤方式相對簡單,它適合于星間天線波束寬,用戶星位置誤差小,對跟蹤精度要求不高的星間鏈路。掃描捕獲和自動跟蹤方式相對復雜,它適合于星間天線波束窄,對跟蹤精度要求高的星間鏈路。

2.2 典型捕獲跟蹤過程

以中繼衛(wèi)星執(zhí)行單一任務為例,說明中繼衛(wèi)星捕獲跟蹤用戶星具體實施過程。捕獲跟蹤用戶星任務程序的方案框圖見圖2。

值得補充說明的是,在日凌和確知干擾發(fā)生前可以指令中斷自動跟蹤過程,驅動星間天線避開直接指向太陽或強干擾后再重新捕獲用戶星。

中繼衛(wèi)星在自動跟蹤用戶星的過程中,始終繼續(xù)監(jiān)視信號強度電平,當確認其小于某一門限時,自動進入程序跟蹤。當到達本次跟蹤任務結束時間,或地面站指令跟蹤結束,則本次捕獲跟蹤任務結束。

根據上述對單一用戶星捕獲跟蹤任務可知,中繼衛(wèi)星對用戶星的捕獲跟蹤過程復雜,而當對多目標進行捕獲跟蹤并數據中繼時則要求中繼衛(wèi)星星載計算機具有多個(大于2個)用戶星軌道外推能力、按時自主啟動捕獲跟蹤能力,并由星載計算機自主進行任務規(guī)劃等。

式中:a為軌道半長軸;e為偏心率,e為偏心率矢量;i為軌道傾角,i為軌道傾角矢量;λ為平赤經;ω為近地點輻角;Ω為升交點赤經。

2)低軌道衛(wèi)星

對于一般的低軌道衛(wèi)星多為大傾角、小偏心率軌道,采用小偏心率無奇點根數:

2.3 軌道模型

為了適應未來中繼衛(wèi)星多用戶多任務應用需求,中繼衛(wèi)星星載計算機必須具備對自身和對多個用戶星軌道的遞推能力,以便自主計算中繼衛(wèi)星和用戶星之間的相關位置和時間信息,本文采用的軌道模型如下所述。

1)靜止軌道衛(wèi)星

靜止軌道采用無奇點根數:

2.4 跟蹤指向控制算法

為了使中繼衛(wèi)星星間天線指向用戶星,首先要確定中繼衛(wèi)星到用戶星的相對指向矢量。根據中繼衛(wèi)星和用戶星的軌道根數,通過軌道模型外推計算出跟蹤弧段內任意時刻t的軌道數據,從而得到該時刻慣性系下的位置速度矢量,再通過一系列坐標變換,得到星間天線系下的相對位置矢量,即可確定星間天線指向的方位角和俯仰角。

慣性系到星間天線系的坐標轉換矩陣是通過慣性系到軌道系、軌道系到星本體系、星本體系到天線系依次轉換得到的,如圖3所示。慣性系到軌道系的轉換矩陣由中繼衛(wèi)星的位置和速度(r,v)確定;軌道系到星本體系的轉換矩陣由中繼衛(wèi)星的滾動、俯仰和偏航角(φ,θ,ψ)確定;星本體系到天線系的轉換矩陣由天線在中繼衛(wèi)星的安裝角(α,β,γ)確定。

星間天線坐標系(天線系)下,用戶星相對中繼衛(wèi)星的位置矢量即為星間天線的理論指向矢量,星間天線指向矢量與天線指向方位角、仰角的關系如圖4所示。

圖4 為天線坐標系,M為中繼衛(wèi)星,m為用戶星,A為星間天線方位角,E為星間天線俯仰角。

3 捕獲跟蹤任務規(guī)劃及結果分析

3.1 任務規(guī)劃策略

當同時存在多個用戶或多個任務,要求中繼衛(wèi)星為之進行中繼服務時,需要進行合理可行的任務規(guī)劃。由地面站制定一系列跟蹤任務序列,在任務開始前指令中繼衛(wèi)星進行任務分配,從而由星上自主完成多個捕獲跟蹤任務。其前提條件是這些捕獲跟蹤任務中被跟蹤的用戶星類型、軌道、捕獲跟蹤工作方式、啟動時間、捕獲跟蹤參數都是已知的。

(1)任務規(guī)劃的輸入要素主要有:①用戶星的類型;②用戶星的優(yōu)先級;③用戶星軌道;④任務中繼服務時刻;⑤任務中繼服務請求時間長度;⑥給定的可服務時間窗口。

(2)任務規(guī)劃的輸出要素主要有:①任務編號;②用戶星優(yōu)先級執(zhí)行情況;③占用的時間窗口;④任務開始時間;⑤任務結束時間;⑥任務跟蹤方式。

(3)任務規(guī)劃的主要約束條件:①同一星間天線同一時間只能跟蹤一個用戶星;②任務中繼服務必須在可跟蹤時間窗口內;③任務規(guī)劃啟動,依據中繼星星載計算機的絕對星時進行確定。

按照上述任務規(guī)劃的輸入輸出及約束條件,捕獲跟蹤任務軟件中需針對不同的任務各配置一套數據結構參數,每一任務規(guī)劃相關數據結構包括:用戶星軌道數據包、中繼星軌道數據包、跟蹤任務數據包三類。此三類數據包包含了完成任務規(guī)劃功能所需的所有輸入參數,并且通過指令塊注入中繼衛(wèi)星星載計算機。

用戶星軌道數據包主要包括:用戶星的位置、速度、氣動、光壓面質比、軌道歷元、軌道計算時長等。中繼星軌道數據包主要包括:中繼星的軌道參數、位置與時間參數等。跟蹤任務數據包主要包括:跟蹤天線選擇、用戶星選擇、任務切換時刻、跟蹤任務中可能用到的各天線控制模式的啟動時間、相關捕獲參數等。

將各項任務和相關事件的發(fā)生時間折算成中繼衛(wèi)星星載計算機使用的絕對星時,將任務中各事件的啟動時刻與當前絕對星時進行比較,從而啟動相應事件。任務數據包指令注入后,當任務切換時刻到來時,將任務數據包中變量賦給相應跟蹤任務相應變量,然后由絕對星時驅動模塊調度各事件(回掃等待、程序跟蹤、自動跟蹤等),任務規(guī)劃功能如圖5所示。圖中,因為每一個捕跟任務時間都很長,所以將每一個任務的捕獲跟蹤過程分成若干子序列段,插入到星載計算機的其它運行程序的流程中,比如這些子序列可以依次為設置標志、賦值、從天線的當前指向位置根據計算轉動指向下一個位置,……,判斷當前任務結束后的收尾工作等。

說明:“有捕獲跟蹤任務規(guī)劃”由衛(wèi)星遙控指令或星載計算機指令設置和清除,也可在執(zhí)行完所有捕獲跟蹤任務后由任務序列程序清除。

3.2 結果及分析

某中繼衛(wèi)星兩副星間天線對6個目標的跟蹤結果如圖6所示。任務開始執(zhí)行前,按照任務規(guī)劃輸入要素,一次全部將需要的任務注入星載計算機。其中:任務1跟蹤用戶星1,使用中繼衛(wèi)星天線1,跟蹤工作方式為回掃等待、程序跟蹤、掃描搜索和自動跟蹤;任務2跟蹤用戶星4,使用中繼衛(wèi)星天線1,跟蹤工作方式為回掃等待和程序跟蹤;任務3跟蹤用戶星5,使用中繼衛(wèi)星天線1,跟蹤工作方式為回掃等待、程序跟蹤和自動跟蹤;任務4跟蹤用戶星2,使用中繼衛(wèi)星天線2,跟蹤工作方式為回掃等待、程序跟蹤、掃描搜索和自動跟蹤;任務5跟蹤用戶星3,使用中繼衛(wèi)星天線2,跟蹤工作方式為回掃等待、程序跟蹤、掃描搜索和自動跟蹤;任務6跟蹤用戶星6,使用中繼衛(wèi)星天線2,跟蹤工作方式為回掃等待和自動跟蹤。

圖6 中,紅色表示回掃等待,藍色表示程序跟蹤,綠色表示掃描搜索,品紅色表示自動跟蹤,黑色表示天線不控。

通過應用結果表明,設計的多任務捕獲跟蹤策略不僅實現同時進行兩個任務的跟蹤,還通過中繼衛(wèi)星軌道模型算法、跟蹤指向控制算法,準確計算了中繼衛(wèi)星到用戶星的指向矢量,實現了多任務多目標的捕獲跟蹤,任務執(zhí)行過程中省去了地面參與,簡化了跟蹤任務流程,提高了可靠性和工作效率。

4 結論

本文根據在軌成熟應用的單目標捕獲跟蹤策略,提出了一種多用戶多任務的中繼衛(wèi)星捕獲跟蹤任務規(guī)劃策略,并在某中繼衛(wèi)星上進行了應用。該策略可以滿足中繼衛(wèi)星同時對多個目標航天器進行捕獲跟蹤服務,同時簡化了地面相關人員對任務執(zhí)行的操作程序。應用結果表明:該策略以星上自主進行多任務多目標捕獲跟蹤為主,優(yōu)化了星地資源配置,簡化了地面操控技術,充分發(fā)揮了中繼衛(wèi)星系統能力,提高了執(zhí)行跟蹤任務的效率,解決了多用戶多任務快速響應的用戶對中繼衛(wèi)星捕獲跟蹤任務的需求。

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Research on Acquisition and Tracking of Data Relay Satellite Based on Multi-user&Multi-mission

MIAO Changqing1YANG Xianqiang1LIU Jiang2JING Yaoxiang1HOU Fen1
(1 Institute of Telecommunication Satellite,China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China)(2 Beijing Institute of Control Engineering,Beijing 100190,China)

A typical acquisition and tracking process for a single user satellite is given.Based on it,acquisition and tracking strategy for multi-user and multi-mission is presented in order to fulfill the requirement of increased users and missions,to be adapted for complicated tracking modes and fast response speed.This strategy can be applied to serve multiple users,to optimize resources and to simplify operation technique according to user type,user priority,mission time and duration and so on by reasonable mission planning.An example mission of two antennaes tracking six users applying above strategy is given to validate the feasibility of multi-user and multi-mission capability of data relay satellite.

data relay satellite;mission scheduling;acquisition and tracking;multi-user;multi-mission

V557

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.003

2017-05-26;

2017-09-28

苗常青,男,高級工程師,從事衛(wèi)星總體設計、捕獲跟蹤、姿態(tài)軌道控制等研究工作。Email:cqm1323@sina.com。

(編輯:張小琳)