基于北斗衛(wèi)星的航天器監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)

熊文俊，趙 輝

(1.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454003； 2.河南廣播電視大學(xué)，鄭州 450008)

0 引言

在現(xiàn)代計算機技術(shù)發(fā)展過程中，利用計算機進行航天器監(jiān)控的優(yōu)越性逐漸明顯[1]。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)作為一種導(dǎo)航型系統(tǒng)，具備全天候為使用者提供精確度高、定位可靠性大、導(dǎo)航性能強的服務(wù)能力，其在監(jiān)控領(lǐng)域的作用更加重要[2]。航天器的發(fā)展對于國家的發(fā)展作用較為重要，各國對于航天器監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)也較為重視，并相繼進行了航天器監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)。例如美國的GenSAA系統(tǒng)以及歐洲的PHMA系統(tǒng)，相對以上國家，我國對于航天器監(jiān)控系統(tǒng)的研究依舊處于起步階段。

航天器終端一般采用機器自動追蹤方法進行系統(tǒng)監(jiān)控，在追蹤過程中，利用雙方向線路進行機器性能穩(wěn)定，并依據(jù)航天器所發(fā)出的天線進行監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，但航天器的準確位置以及具體形態(tài)無法在追蹤中獲取，影響監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信進程，缺少對獲取數(shù)據(jù)通信的角度計算，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)中對于此問題的解決效果較差[3]。為此，針對以上問題，本文研究了一種新式基于北斗衛(wèi)星的航天器監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)，對此些問題進行研究改善。

本文首先通過對監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行初始收集，過濾無關(guān)數(shù)據(jù)信息，降低數(shù)據(jù)整體冗余度，進一步加強系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信效率，在收集數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳輸至中心處理器中，利用DAMS性能，運行Windows系統(tǒng)，并添加VC平臺開發(fā)技術(shù)，對數(shù)據(jù)進行整合式傳輸，降低傳輸過程中的數(shù)據(jù)損失率，進一步提高整體系統(tǒng)的工作效率，最后對傳輸數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)通信計算，單獨計算其指向角，并進行計算信息精度分析，矢量計算與分析相結(jié)合，提高了系統(tǒng)技術(shù)性能，進一步增強監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信效率。

該技術(shù)在一定程度上降低了無關(guān)數(shù)據(jù)的影響，降低初始收集數(shù)據(jù)冗余度，減少系統(tǒng)運行時間，進一步提高了監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信效率，強化系統(tǒng)技術(shù)，增強了數(shù)據(jù)通信信號接收清晰度，能夠更好地為使用者所使用。

1 航天器監(jiān)控系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)收集

航天器的監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集需要經(jīng)過專業(yè)的數(shù)據(jù)綜合檢測，本文利用分系統(tǒng)控制檢查以及分系統(tǒng)時間空間匹配對航天器進行數(shù)據(jù)通信信息收集，并輔助模擬飛行激勵系統(tǒng)進行工作激勵，根據(jù)預(yù)定的收集參數(shù)進行數(shù)據(jù)的收集存儲[5]。其航天器狀況圖如圖1所示。

圖1 航天器狀況圖

由此可以得出，航天器數(shù)據(jù)收集主要包括以下幾個步驟：

1)數(shù)據(jù)參數(shù)收集。在當前航天器工作情況下，判斷收入數(shù)據(jù)是否位于預(yù)定的參數(shù)范圍之內(nèi)，并由此檢查航天器輔助裝備正常運行狀況下的參數(shù)數(shù)值是否隨運行狀況的變化而改變，若改變，則進行下一步的工作模式識別，由所判讀的參數(shù)數(shù)值確定該數(shù)據(jù)是否符合所需模式預(yù)期值狀態(tài)，并進行數(shù)據(jù)預(yù)處理收集。

2)數(shù)據(jù)指令查找。在經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理收集過后，進行指令查找，根據(jù)航天器所接受的數(shù)據(jù)指令，查找其相關(guān)指數(shù)，并視具體情況進行指令查找出發(fā)點的判斷。

3)數(shù)據(jù)通信收集。指令查找結(jié)束后，可利用其結(jié)果在航天器運行過程中實現(xiàn)動態(tài)運行監(jiān)測，在檢測過程中收集航天器發(fā)送的數(shù)據(jù)通信信號，并指定飛行時刻的飛行狀態(tài)，設(shè)置運行起始點為事件J，運行動作發(fā)生后的具體參數(shù)為JF。

2 航天器監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信傳輸

監(jiān)控系統(tǒng)在獲取所需數(shù)據(jù)后，需向中心系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的傳輸，利用DAMS的運行技能，將監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與主技能檢測機進行連接，并根據(jù)系統(tǒng)提供的使用者界面信息進行描述參數(shù)處理，以不同的設(shè)定參數(shù)規(guī)定航天器的檢測數(shù)據(jù)需求，在傳輸過程中要特別注重數(shù)據(jù)的及時反應(yīng)性與傳輸完整性的保持，利用IF P THE的數(shù)據(jù)傳輸方式，輔助數(shù)據(jù)監(jiān)控引擎對傳輸數(shù)據(jù)進行解釋處理，并對系統(tǒng)分類，按照分類后的系統(tǒng)設(shè)置屬性編輯區(qū)域，支持不同的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)操作模式，其主要操作如下：

1)采取基于信息語言表述方式，進行航天器運行時間實時數(shù)據(jù)傳輸控制，經(jīng)由引擎手機指令并向下進行下行數(shù)據(jù)的信息指令傳達，利用監(jiān)控驅(qū)動部件，將數(shù)據(jù)進行完好傳輸，航天器在接收傳輸中進行進行相應(yīng)動作，其圖示如圖2所示。

圖2 航天器相應(yīng)動作圖

2)在響應(yīng)動作進行后，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⑦M行記錄與效果分析，并不斷從中提取系統(tǒng)反映時長與反應(yīng)動作等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，由于采集的數(shù)據(jù)在傳輸過程中具備一定的數(shù)據(jù)反映周期，為此，需利用傳輸引擎解決數(shù)據(jù)傳輸指令與下行數(shù)據(jù)傳輸不同步的問題[6]。

3)進行數(shù)據(jù)的傳輸結(jié)構(gòu)化編程，拓展傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)文件形式以及系統(tǒng)的基礎(chǔ)框架組織，實現(xiàn)對收集數(shù)據(jù)的通信傳輸[7]。

3 航天器監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信計算

3.1 數(shù)據(jù)通信矢量計算

在數(shù)據(jù)傳輸后，對所接收的數(shù)據(jù)進行通信計算，將航天器追蹤位置信息設(shè)置為時刻、經(jīng)緯度與高度數(shù)據(jù)幾個數(shù)據(jù)，并計算慣性運動條件系下的航天器具體位置與形態(tài)變化數(shù)據(jù)，其中，n時刻航天器具體位置圖如圖3所示。

圖3 n時刻航天器具體位置圖

設(shè)置其經(jīng)度為φ，緯度為λ，高度為h，地球半徑為r，由圖中可以獲得n時刻航天器的具體位置矢量：

x1=(r+h)cosλcos(φ+λ)

y1=(r+h)cosλsin(φ+λ)

z1=(r+h)sinλ

(1)

依據(jù)北斗衛(wèi)星對航天器運動行為追蹤的位置矢量對航天器運行軌道根數(shù)的積分運算，將航天器位置作差，并獲取結(jié)果運算后的指向矢量，在此基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)結(jié)果進行坐標系變換修整，保證航天器地理位置坐標系，航天器機體體系以及三軸姿態(tài)角度固定，設(shè)置φ為俯視仰角，μ為航天器路線角，γ為機械滾動角，λ與ν為天線安裝角航天器的相對指向矢量依據(jù)地理地圖圖像定點技術(shù)與航天器機體坐標系數(shù)量進行計算，并得出在此計算程序下的指向矢量，按照此時航天器運行的位置以及運動速度進行慣性運動地理坐標系的矩陣轉(zhuǎn)化，在得到航天器三軸姿態(tài)角后，按照歐拉旋轉(zhuǎn)定理獲取地理坐標系與航天器機體體系坐標系的矩陣變化，并由天線指向矢量向坐標系轉(zhuǎn)變[8]。

在航天器天線機體體系與坐標系相重疊的情況下，獲取了航天器天線的地理坐標指向矢量，由此獲得航天器天線坐標控制下的指向矢量數(shù)據(jù)信息。進一步依據(jù)航天器地理位置坐標系轉(zhuǎn)換確定天線坐標系下的對應(yīng)位置指向矢量，此矢量處于航天器天線之間，其中指向矢量與指向角之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 指向矢量與指向角關(guān)系圖

圖4中設(shè)置坐標系為航天系具體位置機體系，W為航天器，衛(wèi)星監(jiān)控為w，追蹤角度為K，Y為追蹤仰視角。由于航天器的指向角坐標系由幾何關(guān)系確定，確立追蹤角度范圍為-90°至90°，追蹤仰視角范圍為-180°至180°，確定航天器體系坐標追蹤角度與追蹤仰視角之間的關(guān)系。由此，得出航天器體系具體指向向量參數(shù)，由此進行下一步的分析。

3.2 數(shù)據(jù)通信精度分析

在進行數(shù)據(jù)指向矢量計算后，對追蹤過程的航天器指向角進行失誤統(tǒng)計分析，并由此進行追蹤航天器的數(shù)據(jù)通信精度分析，統(tǒng)計數(shù)據(jù)信息涵蓋航天器指向失誤變換范圍，變換平均值以及標準差值等，進一步利用追蹤過程的航天器實時監(jiān)控地理位置的返回路線以及航天器此時刻的理論指向角精度，并與航天器實時監(jiān)控系統(tǒng)的返回路線天線控制角進行對比，實時進行航天器指向精度計算，并保證航天器追蹤過程中使用者目標以及衛(wèi)星準確指向的確定性。航天器的實時監(jiān)控系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)大致為1幀/s，為此，監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信精度的遙控測試數(shù)據(jù)指向計算失誤偏差控制為1秒/次[9]。

由于航天器仰視角與方位變化角的指向失誤偏差主要經(jīng)過指向精度與航天器返回行路指向角相差進行。本文航天器時空失誤偏差以理論結(jié)果的指向矢量與實際測試的指向矢量之間的夾角為準，并按照實時監(jiān)控測量的航天器指向角進行反向計算，并得到在此條件下的坐標系實際指向矢量精度分析，最終根據(jù)計算理論結(jié)果下的指向矢量與實際指向矢量夾角，獲得時空狀態(tài)下的指向角失誤偏差，測得的測量數(shù)值大于零，監(jiān)控系統(tǒng)下航天器圖示如圖5所示。

進一步由航天器方位角度與仰視角進行監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信失誤偏差精度分析，航天器天線在監(jiān)控系統(tǒng)自動追蹤情況下能夠精準的完成對航天器的數(shù)據(jù)通信監(jiān)控，其中航天器方位角的失誤偏差范圍控制在-0.3°至0.7之間，仰視角的失誤偏差范圍控制在-0.3至0.2之間，方位角的失誤偏差稍大于仰視角，造成此現(xiàn)象的原因在于航天器在運行過程中受飛行姿態(tài)的影響較大，并摻雜氣體流向、控制狀態(tài)等因素，為此，需要對指向精度失誤偏差的范圍進行隨機性的判斷。依據(jù)航天器指向精度失誤偏差確定航天器在二維空間平面下的范圍轉(zhuǎn)變?yōu)?.6°以下，并獲取最終數(shù)據(jù)通信精度分析角的失誤偏差值為0.376°，航天器方位角與仰視角的失誤偏差變化為-1°與1°之間[10]。

4 實驗研究

4.1 實驗?zāi)康募胺椒?/h3>

為了檢測本文基于北斗衛(wèi)星的航天器監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)的通信效果，與傳統(tǒng)通信技術(shù)進行對比，并分析實驗結(jié)果。建立航天器監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信模型，根據(jù)模型設(shè)定實驗參數(shù)，將本文基于北斗衛(wèi)星的航天器監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)與傳統(tǒng)航天器監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)的參數(shù)調(diào)整為設(shè)定參數(shù)，對比兩種技術(shù)的通信信號接收清晰率、監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信效率。

4.2 航天器監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信模型建立

針對航天器監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信所需的精度管理與需求分析的特殊性，對其進行數(shù)據(jù)通信技術(shù)分析，并構(gòu)建航天器監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信模型，如圖6所示。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)下航天器圖

圖6 航天器監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信模型圖

根據(jù)上述數(shù)據(jù)通信模型，進行實驗參數(shù)的設(shè)定，如表1所示。

表1 實驗參數(shù)表

4.3 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述數(shù)據(jù)通信模型進行實驗對比，將本文基于北斗衛(wèi)星的航天器監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)的通信效果與傳統(tǒng)航天器監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)的通信效果進行比較，得到的通信信號接收清晰率對比圖及監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信效率對比圖如下。

4.3.1 通信信號接收清晰率對比圖

圖7 通信信號接收清晰率對比圖

對比圖7可知，在相同的參數(shù)條件下，本文通信信號接收的清晰程度較高，原因在本文采取多模式監(jiān)視以及數(shù)據(jù)指數(shù)精度分析，對所進行收集的數(shù)據(jù)進行指數(shù)向量計算，更加清晰系統(tǒng)所需分析數(shù)據(jù)的原始圖像，減少了無關(guān)因素對數(shù)據(jù)通信圖像的影響，進一步提高系統(tǒng)運行過程中對數(shù)據(jù)通信信號接收的清晰度。而傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)對數(shù)據(jù)處理的過程較為簡單，不具備以上步驟，導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信信號接收的清晰度較低。

4.3.2 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信效率對比圖

圖8 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信效率對比圖

對比圖8可知，在數(shù)據(jù)通信時間為20 s時，本文數(shù)據(jù)通信效率為45%，而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)通信效率為18%，在通信時間為40 s時，本文數(shù)據(jù)通信效率為55%，而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)通信效率為28%，造成此種差異的原因在于本文選用產(chǎn)生式表示規(guī)則對數(shù)據(jù)進行加工處理，在通信過程中降低數(shù)據(jù)損耗度，不斷更換數(shù)據(jù)舊體，一定程度上減少不必要的系統(tǒng)操作支出，進一步提高了監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信效率。

在此后的實驗中，隨著實驗時間的不斷增加，本文數(shù)據(jù)通信效率不斷提高，且一直處于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)通信效率的上方，此種現(xiàn)象的形成原因在于，本文數(shù)據(jù)通信技術(shù)相較于傳統(tǒng)通信技術(shù)采取了矢量計算與數(shù)據(jù)指向角精度分析，進一步提高系統(tǒng)的技術(shù)性能，加大了數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)研究，能夠在一定時間內(nèi)提高系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)通信效率，降低通信所需時間，并提供良好的數(shù)據(jù)通信環(huán)境，為下一次的數(shù)據(jù)通信進行預(yù)先處理。而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)對此步驟的處理較差，數(shù)據(jù)通信效率提高較緩慢。

經(jīng)過以上對比分析可知，本文基于北斗衛(wèi)星的航天器監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)的通信信號接收清晰率與數(shù)據(jù)通信效率高于傳統(tǒng)航天器監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)，在較大程度上降低了外部干擾因素的影響，加大了系統(tǒng)的技術(shù)投入，并按照收集的數(shù)據(jù)進行了分類分析處理，減低數(shù)據(jù)冗余度，在處理環(huán)節(jié)中注重循環(huán)開發(fā)與利用，推廣的空間更大。

5 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上研究了一種新式基于北斗衛(wèi)星的航天器監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)，該技術(shù)的數(shù)據(jù)通信效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)。

本文首先對所需數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)初采集，利用數(shù)據(jù)監(jiān)視綜合測試技術(shù)，在較大程度上降低了數(shù)據(jù)的冗余度，為下一步數(shù)據(jù)的傳輸做好鋪墊。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，采用DAMS技術(shù)，先對數(shù)據(jù)進行加工轉(zhuǎn)化，再進行相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸，能夠減少數(shù)據(jù)的不必要操作損失，進一步提高數(shù)據(jù)通信的信號接收清晰度，最后對傳輸至系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)通信的計算，從矢量計算與精度分析兩方面出發(fā)，計算出適宜的最佳方案，以此提高整體數(shù)據(jù)通信效率，減少通信時間。

相較于傳統(tǒng)技術(shù)，本文技術(shù)在較大程度上降低了不必要因素的干擾，提高了數(shù)據(jù)的信號接收清晰度，簡化了操作過程，增加了整體技術(shù)參與，提升技術(shù)性能，降低了通信時間，進而提高了數(shù)據(jù)通信的效率，具備更為寬廣的使用市場及更大的消費需求。