商業(yè)衛(wèi)星測運控一體化無人值守地面管理系統(tǒng)

+ 高夢淇1，袁健華1，周英慶1，沈朱泉1，徐書尹1，鄭永艾1 (1. 上海衛(wèi)星工程研究所)

近年來，隨著電子技術(shù)的不斷進步，衛(wèi)星技術(shù)也得到了飛速發(fā)展，成本低、研制周期短、價格低的商業(yè)衛(wèi)星日益受到人們青睞[1]，商業(yè)小衛(wèi)星的興起將開啟衛(wèi)星大數(shù)據(jù)的時代[2]。在發(fā)展商業(yè)航天的大環(huán)境具備之后，成本過高自然就成了制約商業(yè)航天發(fā)展的突出問題[3]。減少商業(yè)衛(wèi)星投入成本不僅包括減少衛(wèi)星的研制成本，還包括減少商業(yè)衛(wèi)星在軌運行管理的成本。針對商業(yè)衛(wèi)星獨特的運營模式，提高商業(yè)衛(wèi)星在軌運行管理效率，減少衛(wèi)星在軌管理成本，本文提出了一種將商業(yè)衛(wèi)星測控、數(shù)傳星地鏈路一體化的地面管理系統(tǒng)，僅運用一套地面設(shè)備就可實現(xiàn)多顆低軌商業(yè)衛(wèi)星的測控和運控管理工作，并實時完成衛(wèi)星測控、數(shù)傳數(shù)據(jù)解析處理。系統(tǒng)擁有多種控制模式，整個過程可實現(xiàn)無人值守自動化管理。

1 系統(tǒng)組成及功能

無人值守測運控一體化地面管理系統(tǒng)可由數(shù)據(jù)收發(fā)分系統(tǒng)、系統(tǒng)運行管理分系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)組成。

“上行信號”經(jīng)運控站進行調(diào)制、上變頻和功放等處理后，經(jīng)天線發(fā)送至衛(wèi)星；并通過天線接收衛(wèi)星發(fā)送的“數(shù)傳、遙測”等下行信號，至運控站進行低噪聲放大、下變頻和解調(diào)等處理，并對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行顯示和處理，同時可通過網(wǎng)絡(luò)對整個運控系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控。

(1) 數(shù)據(jù)收發(fā)分系統(tǒng)主要完成衛(wèi)星測控信號和數(shù)傳信號的收發(fā)、信號處理和信號調(diào)制解調(diào)等功能，主要包括數(shù)據(jù)收發(fā)天線、信道處理子系統(tǒng)和基帶等設(shè)備。

(2) 系統(tǒng)運行管理分系統(tǒng)主要完成全部系統(tǒng)的設(shè)備監(jiān)控、任務(wù)計劃生成、遠程控制和衛(wèi)星的日常管理等工作，由系統(tǒng)監(jiān)控機和遠程監(jiān)控機組成。

(3) 數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)主要進行衛(wèi)星下行遙測數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的處理工作，能夠完成衛(wèi)星數(shù)據(jù)的實時處理和分發(fā)工作。

測、運控一體化無人值守地面管理系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 地面管理系統(tǒng)組成圖

圖2 數(shù)據(jù)收發(fā)分系統(tǒng)組成示意圖

圖3 系統(tǒng)運行分系統(tǒng)示意圖

1.1 數(shù)據(jù)收發(fā)分系統(tǒng)

數(shù)據(jù)收發(fā)分系統(tǒng)主要完成對衛(wèi)星零級數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作，分系統(tǒng)組成如圖2所示。其中數(shù)據(jù)收發(fā)天線完成對衛(wèi)星下行信號的接收和上行信號的發(fā)射，具有單脈沖自動跟蹤[4]功能和程序跟蹤[5]功能；天線伺服主要實現(xiàn)對天線的驅(qū)動控制[6]；信道子系統(tǒng)主要包括低噪放、功放、線路放大器、測控鏈路變頻器、數(shù)傳鏈路變頻器、測控基帶和數(shù)傳基帶等設(shè)備，主要實現(xiàn)對衛(wèi)星信號的處理、變頻和調(diào)制解調(diào)等功能。

1.2 系統(tǒng)運行管理分系統(tǒng)

系統(tǒng)運行管理分系統(tǒng)通過系統(tǒng)監(jiān)控機和遠控計算機實現(xiàn)系統(tǒng)各設(shè)備的控制管理、計劃生成、任務(wù)下發(fā)、監(jiān)視工作狀態(tài)、故障報警、顯示和存儲各類數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)監(jiān)控軟件部署在系統(tǒng)監(jiān)控機上，用以完成系統(tǒng)監(jiān)控端所有的服務(wù)功能和操控功能，執(zhí)行工作計劃時設(shè)備的調(diào)度、流程的安排；遠程監(jiān)控軟件[6]部署在遠程監(jiān)控機上，提供用戶監(jiān)控設(shè)備、執(zhí)行計劃任務(wù)功能，提供用戶遙控指令發(fā)送功能，完成用戶與接收站系統(tǒng)的交互；系統(tǒng)可實現(xiàn)本地分機控制和遠程監(jiān)控兩種方式的控制，并通過數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸遙測數(shù)據(jù)。

用戶一般在遠程監(jiān)控機上操控單收站系統(tǒng)，遠程監(jiān)控機軟件用以完成系統(tǒng)中所有設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視和參數(shù)控制。同時支持用戶制定計劃任務(wù)，在設(shè)定時間自動完成衛(wèi)星跟蹤任務(wù)。

與系統(tǒng)監(jiān)控機不一致的是遠程監(jiān)控機不是直接與設(shè)備交互，而是通過系統(tǒng)監(jiān)控機完成監(jiān)控功能。而且，系統(tǒng)監(jiān)控機上衛(wèi)星任務(wù)操作流程固定后，遠程監(jiān)控機直接使用這些任務(wù)操作流程制定工作計劃。

系統(tǒng)運行管理分系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

1.3 數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)分為衛(wèi)星測控數(shù)據(jù)處理終端和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理終端。

測控數(shù)據(jù)處理終端完成上行遙控指令、注入數(shù)據(jù)及計劃任務(wù)的生成，進行下行遙測數(shù)據(jù)處理監(jiān)測、分類、分析和小衛(wèi)星的日常管理等功能。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理終端根據(jù)不同的業(yè)務(wù)內(nèi)容、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)格式和用戶應(yīng)用需求，對衛(wèi)星數(shù)傳數(shù)據(jù)進行分類、提取、分析、處理和綜合展示。

數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)主要完成以下功能：

（1）測控計劃任務(wù)生成

（2）遙測監(jiān)測、報警

（3）衛(wèi)星安全狀態(tài)綜合3D顯示

（4）衛(wèi)星特殊事件預(yù)報

（5）衛(wèi)星軌道和姿態(tài)管理

（6）衛(wèi)星數(shù)傳數(shù)據(jù)分類、提取

（7）衛(wèi)星業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)處理

（8）衛(wèi)星業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)綜合2D/3D顯示

（9）用戶管理

2 系統(tǒng)工作流程

測、運控一體化無人值守地面管理系統(tǒng)的工作流程共分為四個階段，分別為任務(wù)前準備階段，衛(wèi)星跟蹤與捕獲階段，數(shù)據(jù)解調(diào)輸出與處理階段和任務(wù)結(jié)束恢復(fù)階段。

具體工作流程圖如圖4所示。

2.1 任務(wù)前準備階段

系統(tǒng)定期標校和測試，保證任務(wù)前系統(tǒng)處于完好狀態(tài)，指標滿足任務(wù)要求。

在任務(wù)之前需要獲得衛(wèi)星的軌道根數(shù)等注入數(shù)據(jù)。

任務(wù)前各設(shè)備加電自檢，由系統(tǒng)監(jiān)控機根據(jù)設(shè)置的任務(wù)宏命令將各設(shè)備工作參數(shù)分發(fā)到各分系統(tǒng)單機，并根據(jù)設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)庫選擇適合的信號通道配置，根據(jù)任務(wù)設(shè)置選擇和差通道的極化方式。

伺服系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)判斷衛(wèi)星過頂方向，然后驅(qū)動天線座，使得天線指向等待位置。

2.2 衛(wèi)星跟蹤與捕獲

在衛(wèi)星出現(xiàn)的預(yù)定時間控制天線進入搜索模式[7]。當衛(wèi)星進入天線捕獲范圍內(nèi)，天線接收到的和差通道射頻信號通過極化選擇開關(guān)選擇極化方式[8]，經(jīng)過LNA放大后經(jīng)單通道變換器合成一路信號通過電纜傳輸?shù)皆O(shè)備機房中，信號在機房內(nèi)經(jīng)分路器分成兩路，分別經(jīng)過測控下變頻器和數(shù)傳下變頻器變頻到70MHz中頻。

2.3 數(shù)據(jù)解調(diào)輸出與處理

接收到信號后，基帶終端完成遙測、數(shù)傳信號的捕獲和解調(diào)。系統(tǒng)監(jiān)控機根據(jù)兩套遙測基帶設(shè)備上報的工作狀態(tài)，選擇其中一路數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)輸出源，數(shù)據(jù)輸出到系統(tǒng)的局域網(wǎng)中。若需解密處理，則解密機從局域網(wǎng)中獲取數(shù)據(jù)，解密之后再將數(shù)據(jù)發(fā)送到局域網(wǎng)。系統(tǒng)監(jiān)控機存儲源碼數(shù)據(jù)，并根據(jù)要求通過遠控計算機向遙測顯示終端和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理終端發(fā)送遙測和業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)。

2.4 任務(wù)結(jié)束

任務(wù)結(jié)束時間到、或衛(wèi)星飛出覆蓋區(qū)域、或系統(tǒng)監(jiān)控機發(fā)出結(jié)束指令，則本次任務(wù)結(jié)束，天線復(fù)位，系統(tǒng)監(jiān)控機生成本次任務(wù)的報表。

3 系統(tǒng)控制方式

本系統(tǒng)為三級控制方式，分別是：本控、分控、遠控，其定義分別為：

本控：單機通過自帶面板和界面對本身工作參數(shù)進行設(shè)置，此控制方式優(yōu)先級最高。具有本控功能的單機有：天線控制單元(ACU)、下變頻器、基準源與開關(guān)矩陣（含極化控制與LNA選擇）、遙測基帶終端、數(shù)傳基帶終端、遙測模擬源、校驗上變頻器等設(shè)備。

分控：系統(tǒng)監(jiān)控機通過網(wǎng)絡(luò)和串口監(jiān)視各分機的工作狀態(tài)，對各分機工作參數(shù)和工作狀態(tài)進行設(shè)置，此控制方式優(yōu)先級其次。具有本控功能的單機都可通過系統(tǒng)監(jiān)控機控制，但ACU除外（只監(jiān)視不控制）。

遠控：遠控計算機通過局域網(wǎng)與系統(tǒng)監(jiān)控機交互信息，通過系統(tǒng)監(jiān)控機監(jiān)視各分機的工作狀態(tài)，對各分機工作參數(shù)和工作狀態(tài)進行設(shè)置，此控制方式優(yōu)先級最低。具有本控功能的單機都可進行遠控，但ACU除外（只監(jiān)視不控制）。另外，遠控計算機可在屏幕上觀看系統(tǒng)配置的示波器的測量波形。

系統(tǒng)監(jiān)控機負責切換系統(tǒng)主備狀態(tài)。

根據(jù)基帶的故障指示、下變頻器的故障指示、LNA的電流超限（高限/低限）指示，立即將故障設(shè)備離線。

主備通道信噪比相差較大時，使信噪比低的通道處于備份狀態(tài)，并通過開關(guān)矩陣分配處于主通道的下變頻器同時輸出給2個基帶設(shè)備，若基帶設(shè)備顯示的信噪比仍低，表明備份的基帶設(shè)備及外圍部件（電纜等）有問題；若基帶設(shè)備恢復(fù)正常，表明備份的下變頻器及外圍部件（電纜等）有問題；系統(tǒng)監(jiān)控機給出故障指示。

在天線跟蹤正常且在正常覆蓋區(qū)域內(nèi)，主備通道數(shù)據(jù)都同時丟失時，若系統(tǒng)設(shè)置LNA切換為自動，則系統(tǒng)監(jiān)控機控制LNA切換開關(guān)動作，控制LNA主備切換[9]。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，該動作規(guī)定最小間隔時間為10秒。

4 結(jié)束語

本文簡要介紹了商業(yè)衛(wèi)星測運控一體化地面管理系統(tǒng)的功能組成、工作流程和系統(tǒng)控制方式。實現(xiàn)了商業(yè)衛(wèi)星的測控、數(shù)傳數(shù)據(jù)從零級數(shù)據(jù)接收到后續(xù)數(shù)據(jù)的處理、分發(fā)，且系統(tǒng)前端無需人為干預(yù)，用戶可通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)全部工作狀態(tài)。在大幅度提升了商業(yè)衛(wèi)星在軌測控、運控管理效率的同時，減少了商業(yè)衛(wèi)星在軌運行管理的成本。

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