商業(yè)衛(wèi)星測(cè)運(yùn)控一體化無(wú)人值守地面管理系統(tǒng)

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

近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)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(jià)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(kāi)啟衛(wèi)星大數(shù)據(jù)的時(shí)代[2]。在發(fā)展商業(yè)航天的大環(huán)境具備之后，成本過(guò)高自然就成了制約商業(yè)航天發(fā)展的突出問(wèn)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(yùn)行管理的成本。針對(duì)商業(yè)衛(wèi)星獨(dú)特的運(yùn)營(yíng)模式，提高商業(yè)衛(wèi)星在軌運(yùn)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(cè)控、數(shù)傳星地鏈路一體化的地面管理系統(tǒng)，僅運(yùn)用一套地面設(shè)備就可實(shí)現(xiàn)多顆低軌商業(yè)衛(wèi)星的測(cè)控和運(yùn)控管理工作，并實(shí)時(shí)完成衛(wèi)星測(cè)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(gè)過(guò)程可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)化管理。

1 系統(tǒng)組成及功能

無(wú)人值守測(cè)運(yùn)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(yùn)行管理分系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)組成。

“上行信號(hào)”經(jīng)運(yùn)控站進(jìn)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(guò)天線接收衛(wèi)星發(fā)送的“數(shù)傳、遙測(cè)”等下行信號(hào)，至運(yùn)控站進(jìn)行低噪聲放大、下變頻和解調(diào)等處理，并對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和處理，同時(shí)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)整個(gè)運(yùn)控系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

(1) 數(shù)據(jù)收發(fā)分系統(tǒng)主要完成衛(wèi)星測(cè)控信號(hào)和數(shù)傳信號(hào)的收發(fā)、信號(hào)處理和信號(hào)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(yùn)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(jì)劃生成、遠(yuǎn)程控制和衛(wèi)星的日常管理等工作，由系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)和遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)組成。

(3) 數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)主要進(jìn)行衛(wèi)星下行遙測(cè)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(shí)時(shí)處理和分發(fā)工作。

測(cè)、運(yùn)控一體化無(wú)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(yùn)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(duì)衛(wèi)星零級(jí)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(duì)衛(wèi)星下行信號(hào)的接收和上行信號(hào)的發(fā)射，具有單脈沖自動(dòng)跟蹤[4]功能和程序跟蹤[5]功能；天線伺服主要實(shí)現(xiàn)對(duì)天線的驅(qū)動(dòng)控制[6]；信道子系統(tǒng)主要包括低噪放、功放、線路放大器、測(cè)控鏈路變頻器、數(shù)傳鏈路變頻器、測(cè)控基帶和數(shù)傳基帶等設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的處理、變頻和調(diào)制解調(diào)等功能。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行管理分系統(tǒng)

系統(tǒng)運(yùn)行管理分系統(tǒng)通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)和遠(yuǎn)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各設(shè)備的控制管理、計(jì)劃生成、任務(wù)下發(fā)、監(jiān)視工作狀態(tài)、故障報(bào)警、顯示和存儲(chǔ)各類(lèi)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)監(jiān)控軟件部署在系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)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(jì)劃時(shí)設(shè)備的調(diào)度、流程的安排；遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件[6]部署在遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)上，提供用戶(hù)監(jiān)控設(shè)備、執(zhí)行計(jì)劃任務(wù)功能，提供用戶(hù)遙控指令發(fā)送功能，完成用戶(hù)與接收站系統(tǒng)的交互；系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)本地分機(jī)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控兩種方式的控制，并通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸遙測(cè)數(shù)據(jù)。

用戶(hù)一般在遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)上操控單收站系統(tǒng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)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(shí)支持用戶(hù)制定計(jì)劃任務(wù)，在設(shè)定時(shí)間自動(dòng)完成衛(wèi)星跟蹤任務(wù)。

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

系統(tǒng)運(yùn)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(cè)控?cái)?shù)據(jù)處理終端和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理終端。

測(cè)控?cái)?shù)據(jù)處理終端完成上行遙控指令、注入數(shù)據(jù)及計(jì)劃任務(wù)的生成，進(jìn)行下行遙測(cè)數(shù)據(jù)處理監(jiān)測(cè)、分類(lèi)、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(hù)應(yīng)用需求，對(duì)衛(wèi)星數(shù)傳數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)、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(cè)控計(jì)劃任務(wù)生成

（2）遙測(cè)監(jiān)測(cè)、報(bào)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(bào)

（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(lèi)、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(hù)管理

2 系統(tǒng)工作流程

測(cè)、運(yùn)控一體化無(wú)人值守地面管理系統(tǒng)的工作流程共分為四個(gè)階段，分別為任務(wù)前準(zhǔn)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(zhǔn)備階段

系統(tǒng)定期標(biāo)校和測(cè)試，保證任務(wù)前系統(tǒng)處于完好狀態(tài)，指標(biāo)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(jī)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(jī)，并根據(jù)設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)選擇適合的信號(hào)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(guò)頂方向，然后驅(qū)動(dòng)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(shí)間控制天線進(jìn)入搜索模式[7]。當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入天線捕獲范圍內(nèi)，天線接收到的和差通道射頻信號(hào)通過(guò)極化選擇開(kāi)關(guān)選擇極化方式[8]，經(jīng)過(guò)LNA放大后經(jīng)單通道變換器合成一路信號(hào)通過(guò)電纜傳輸?shù)皆O(shè)備機(jī)房中，信號(hào)在機(jī)房?jī)?nèi)經(jīng)分路器分成兩路，分別經(jīng)過(guò)測(cè)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(hào)后，基帶終端完成遙測(cè)、數(shù)傳信號(hào)的捕獲和解調(diào)。系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)根據(jù)兩套遙測(cè)基帶設(shè)備上報(bào)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(jī)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(jī)存儲(chǔ)源碼數(shù)據(jù)，并根據(jù)要求通過(guò)遠(yuǎn)控計(jì)算機(jī)向遙測(cè)顯示終端和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理終端發(fā)送遙測(cè)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(shí)間到、或衛(wèi)星飛出覆蓋區(qū)域、或系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)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(jī)生成本次任務(wù)的報(bào)表。

3 系統(tǒng)控制方式

本系統(tǒng)為三級(jí)控制方式，分別是：本控、分控、遠(yuǎn)控，其定義分別為：

本控：?jiǎn)螜C(jī)通過(guò)自帶面板和界面對(duì)本身工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，此控制方式優(yōu)先級(jí)最高。具有本控功能的單機(jī)有：天線控制單元(ACU)、下變頻器、基準(zhǔn)源與開(kāi)關(guān)矩陣（含極化控制與LNA選擇）、遙測(cè)基帶終端、數(shù)傳基帶終端、遙測(cè)模擬源、校驗(yàn)上變頻器等設(shè)備。

分控：系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和串口監(jiān)視各分機(jī)的工作狀態(tài)，對(duì)各分機(jī)工作參數(shù)和工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，此控制方式優(yōu)先級(jí)其次。具有本控功能的單機(jī)都可通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)控制，但ACU除外（只監(jiān)視不控制）。

遠(yuǎn)控：遠(yuǎn)控計(jì)算機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)與系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)交互信息，通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)監(jiān)視各分機(jī)的工作狀態(tài)，對(duì)各分機(jī)工作參數(shù)和工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，此控制方式優(yōu)先級(jí)最低。具有本控功能的單機(jī)都可進(jìn)行遠(yuǎn)控，但ACU除外（只監(jiān)視不控制）。另外，遠(yuǎn)控計(jì)算機(jī)可在屏幕上觀看系統(tǒng)配置的示波器的測(cè)量波形。

系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)負(fù)責(zé)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(shí)，使信噪比低的通道處于備份狀態(tài)，并通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣分配處于主通道的下變頻器同時(shí)輸出給2個(gè)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(wèn)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(wèn)題；系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)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(shí)丟失時(shí)，若系統(tǒng)設(shè)置LNA切換為自動(dòng)，則系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)控制LNA切換開(kāi)關(guān)動(dòng)作，控制LNA主備切換[9]。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，該動(dòng)作規(guī)定最小間隔時(shí)間為10秒。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了商業(yè)衛(wèi)星測(cè)運(yùn)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(shí)現(xiàn)了商業(yè)衛(wèi)星的測(cè)控、數(shù)傳數(shù)據(jù)從零級(jí)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(wú)需人為干預(yù)，用戶(hù)可通過(guò)遠(yuǎn)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(cè)控、運(yùn)控管理效率的同時(shí)，減少了商業(yè)衛(wèi)星在軌運(yùn)行管理的成本。

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