一種低軌衛星星座測控地面站調度策略研究

安元元，李偉超，王偉，楊旭海，韋沛，王霄

一種低軌衛星星座測控地面站調度策略研究

安元元1,2,3，李偉超1,2，王偉1,2，楊旭海1,2，韋沛1,2,3，王霄1,2

（1. 中國科學院 國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學院 精密導航定位與定時技術重點實驗室，西安 710600；3. 中國科學院大學，北京 100049）

隨著不同用途低軌星座快速發展，低軌星座對地面站的需求越來越強烈。根據任務需求和約束，需要對低軌衛星測控地面站資源調度采取最優的策略。本論文主要針對特定的低軌衛星Walker星座，研究遙測、遙控及數據傳遞等測控任務的最優調度，調度的基本條件是優先觀測亟待數據更新的衛星。根據上述測控原則，本文提出了兩種調度策略：1.優先選擇俯仰角高的衛星；2.優先選擇可視弧段長的衛星。現有4個測控地面站，分別為：長春、喀什、昆明、西安，每站均為單天線(同時只能觀測一顆衛星)，通過仿真，驗證兩種策略優勢，結果表明：雖然兩種策略都可實現對地面站的調度，但策略2可避免天線頻繁切換操作，策略2在實際應用上優于策略1，更適合于實際衛星測控任務。

低軌衛星；遙測遙控地面站；資源調度；優化仿真

0 引言

以衛星運行高度劃分，衛星可分為同步軌道衛星（geosynchronous earth orbit，GEO，35 786 km）、中軌衛星（medium earth orbit，MEO，8 000～20 000 km）和低軌衛星（low earth orbit，LEO，500～2 000 km）[1]，低軌衛星距離地面近，具有時延小，路徑損耗小，發射功率小等優勢，廣泛應用于各個領域[2-3]。特別是近年來在衛星導航領域的應用，建立基于低軌衛星星座的通信與導航相融合的、全新的衛星導航系統已成為發展趨勢。低軌衛星星座測控和精密定軌成為下一代GNSS（Global Navigation Satellite System）導航系統的關鍵技術之一受到廣泛關注[4]。我國于20世紀初組建北斗衛星導航系統，2020年6月23日，北斗全球衛星導航系統完成衛星組網。仿真研究表明，加入低軌衛星星座后，下一代北斗導航系統地面測站可見衛星數顯著增加，全球PDOP（position dilution of precision）值有明顯提升，全球區域導航精度均有提升，其中美洲區域提升效果最為顯著[5]。低軌衛星增強地面區域監測站測定北斗衛星導航系統，可以減少地面站監測站的布設數量，提高跟蹤弧段，優化空間幾何構型，提高定位精度，從而顯著提升北斗導航系統的服務性能[6]。衛星測控指的是接收衛星上各種實時狀況和信息、為衛星提供各種系統控制信息[7]。低軌衛星覆蓋區域小，實現全球覆蓋需要較多的衛星，因此低軌衛星星座測控凸顯其復雜性、重要性[8-9]。表1列舉了部分國家的低軌衛星星座及實現覆蓋的衛星數。

表1 全球覆蓋的星座計劃

低軌衛星的測控調度既要確保衛星的遙控、數據傳遞任務圓滿完成，又要使有限的地面站資源合理、最優的使用。不同低軌星座由于其星座構成、任務的不同，其地面站資源最優化調度策略存在很大的不同。隨著低軌星座及衛星數量的不斷增加，傳統的人工調度地面站資源方式無法滿足實際的測控需求，因此必須研究相關的策略、模型和算法，提升衛星地面站的使用效率，實現衛星測控地面站高效、自動化調度。

對低軌衛星測控的調度策略的研究頗多，T. D. Gooley[10-11]對低軌道衛星的調度建立了整數規劃模型，J. C. Pemberton[12]建立了約束（constraint satisfaction problem，CSP）模型，考慮了3類約束：資源約束、任務約束和時間約束。金光等[13-14]建立了Petri網衛星調度模型，還有學者研究建立了Agent模型，S. E. Burrowbridge[15-16]通過貪婪算法實現一個地面站對多顆低軌衛星的調度方案，賀成杰等[17]發現禁忌搜索算法優于列生成算法，W. J. Wolfe[18]發現遺傳算法優于貪婪算法，王軍民等[19]提出了基于衛星調度規則的啟發算法。基于已有的模型和算法，已經產生了大量的、有價值的研究成果。本文結合我國不具備全球布站的不利條件，給出特定衛星星座的衛星測控相適應調度策略、模型和算法的最佳調度方案。

本論文涉及4個單天線地面站，分別為長春、喀什、昆明和西安。基于上述特定星座和現有的地面站，研究最優測控調度策略，使設計的策略既滿足測控需求，又能使地面站資源使用優化。

地面站調度的約束條件如下：

① 由于衛星本身存儲空間有限，每天必須下載其狀態信息，確保每顆衛星每天至少觀測20 min；

② 為保證每顆星被均勻觀測，因此需要優先觀測次數少的衛星；

③ 考慮盡可能少地切換衛星操作。

1 調度方案與策略

1.1 低軌衛星星座的覆蓋特征

圖1 衛星與地面站的幾何關系

根據上面公式，不同高度的衛星覆蓋情況見表2，本文研究的衛星高度為975 km，運行周期約1.8 h，覆蓋弧長是6 657 km，覆蓋面積是3.402×107km2，覆蓋率為6.6%，因此覆蓋全球至少需16顆衛星，對于衛星導航系統，要同時觀測多于4顆衛星，全球覆蓋至少需64顆以上衛星。

表2 不同高度衛星的覆蓋情況

1.2 低軌衛星可觀測弧段

上面從概念上討論了低軌衛星全球覆蓋情況，對于不同的觀測站，由于地理位置不同實際可觀測到的弧段在時域上是不一樣的，多站可實現時域上觀測互補，相應引出了不同站的調度策略。

圖2 衛星從軌道坐標系轉換到站心坐標系

上面坐標系轉換過程的數學表達式為

先研究一顆種子衛星S1（軌道參數是：軌道半長軸7 353.14 km，偏心率0，傾斜角55°，升交點赤經0°，近地點幅角0°，初始時刻真近點角0°）情況，然后根據Walker星座的特點擴到整個星座。

圖3模擬長春、喀什、昆明、西安觀測種子衛星時方位角和仰角的變化情況，仿真起始時刻是2020年7月25日0時，仿真時間是1d。圖4模擬種子衛星對4個地面站的可見弧段，表3給出4個地面站的觀測圈數和可觀測的總時間。

圖3 不同測控站可見種子衛星的極坐標圖

圖4 不同測控站可見種子衛星的觀測弧段

表3 地面站觀測情況

從上面仿真可見：由于測站分布在國內，測站（除喀什之外）互補性不是很大，在半天時間內幾乎無法觀測到衛星（低軌衛星覆蓋小），在這時段內衛星無法進行測控，突顯調度的困難性，因此測控地面站資源調度顯得比較重要。

1.3 低軌衛星星座的可視弧段

上面研究了一顆衛星可觀測弧段情況，下面擴展到整個星座可觀測弧段。首先對待觀測的顆衛星進行編號，圖5表示衛星編號方式：前2位代表軌道的編號（1起算），后2位代表衛星在軌道內的序號（1起算）。

圖5 衛星編號換算圖

2 低軌衛星調度策略

2.1 調度策略1

調度策略1的約束條件：① 優先選擇觀測在某時刻被觀測次數最少的衛星，使每顆衛星盡可能被均勻觀測；② 其次選取俯仰角高的衛星。圖6所示策略1框圖，給出了4個地面站聯合觀測120顆低軌衛星的調度流程，如果多個站可同時觀測到一顆星，則選取當前時刻最大俯仰角所對應的地面站，如果一個站可同時觀測到多顆星，首先選取較長時段未被觀測的衛星進行觀測，其次再選取俯仰角最高的衛星進行觀測。

圖6 策略1調度流程圖

2.2 調度策略2

調度策略2的約束條件：① 優先選擇觀測次數最少的衛星，使每顆衛星盡可能被均勻觀測；② 其次選擇連續觀測時間最長的地面站。如果多個地面站可同一時間段觀測到同一顆衛星，則優先選取觀測時間最長的地面站；如果一個地面站可同一時間段觀測到多顆星，首先選取較長時段未被觀測的衛星進行觀測，其次選取可觀測時間最長的衛星。策略2的調度流程圖見圖7。

圖7 策略2調度流程圖

多星多站調度研究中，多星爭奪地面站資源以及地面站資源的充分利用可在方案中得到解決。

3 結果與分析

3.1 仿真數據說明

本文所選仿真數據的時間是24 h，時間窗口間隔為60 s，1 d共1 440歷元。選取的4個地面站分別為：長春、喀什、昆明、西安，每個地面站的天線均為單天線，天線可觀測的俯仰角范圍為5°～85°。星座設定為：軌道高度975 km，軌道傾斜角55°，每個軌道面是10顆衛星，共12個軌道面。先插入一顆種子衛星，通過Walker星座建立120顆衛星的衛星軌道，星座衛星運行情況見圖8。

圖8 衛星和地面站的分布

3.2 仿真結果分析

策略1和策略2每顆衛星觀測時間比較見圖9，其中，橫軸代表衛星編號，縱軸代表每顆衛星的觀測時間。由圖9（a）可知，方案1衛星1 d最長可觀測的總時間54 min，最短時間為33 min。由圖（b）可知，策略2衛星最長可觀測的總時間是70 min，最短時間為25 min，其余衛星的觀測時間均在50 min附近波動。在兩種策略中，都滿足了約束條件，即每顆衛星每天至少被觀測到20 min，由于地面站分布局限，衛星編號從20到40可觀測的時間較短。在策略2中，衛星的觀測時間變長，觀測數增多。

以長春站為例，策略1和策略2的地面站可觀測衛星情況見圖10，橫軸代表可觀測時間，縱軸代表衛星編號。通過兩種策略的對比發現：在0～500 min，策略1中的某時刻，被觀測的衛星可能不在同一軌道平面或者下一時刻觀測到的不是同一顆衛星，此時地面站需要不斷切換天線以便捕捉到衛星，增加了地面站切換天線的頻率。

4個地面站兩種調度結果見圖11和圖12，通過對比發現，在圖11中，觀測星的原則是在某時刻選擇俯仰角高的衛星，每一時刻因觀測的衛星不同，導致頻繁切換衛星，看似一條“直線”，實則是一些分布比較散落的點。圖12中，觀測星的原則是在某時刻選擇連續觀測時間最長的衛星，會在某一時間段內對某顆衛星進行連續觀測，看似一些散落的“點”，因重疊部分較多，實則是比較連續的點。

圖11 策略1的4個地面站調度衛星結果

圖12 策略2的4個地面站調度衛星結果

4 結論

本文對衛星地面站調度策略作了研究，對特定的任務提出了兩種不同的低軌衛星地面站調度策略。對這兩種策略進行了詳細研究，通過對兩種策略的仿真計算，從每顆衛星的觀測時間、某個地面站（本文以長春站為例）觀測衛星的情況和衛星地面站調度情況進行對比，策略2對每顆衛星的觀測時間長，觀測衛星切換操作少，可保證均勻觀測，可獲取衛星至少20 min遙測遙控數據，策略2在實際應用上優于策略1，更適合實際衛星測控任務。

論文研究針對特定的星座，但是方法本身可借用于其他星座的調度研究。

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Research on schedule strategy of ground stations for LEO satellites

AN Yuan-yuan1,2,3, LI Wei-chao1,2, WANG Wei1,2, YANG Xu-hai1,2,, WEI Pei1,2,3, WANG Xiao1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Precise Positioning and Timing Technology, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Recently, with the rapid development of low-orbit constellations for various purposes, the requirements of ground stations are also increased. According to mission requirements and constraints, it is necessary to find an optimal strategy for the resource scheduling of ground stations used for telemetry, track and command (TT&C). This paper focuses on the schedule strategy of ground stations to track of the specific low-orbit satellites, i.e., Walker constellation, for the purpose of TT&C, data transmission and other measurements. The basic principle of scheduling is to give high priority to the satellites that are in urgent need of data transfer. According to such principle, two schemes are proposed: (1) selecting the satellite with the highest elevation angle. (2) selecting the satellite with the longest continuous observation time. There are currently four ground stations: Changchun, Kashi, Kunming, and Xi’an, all of which are equipped with single antenna. The properties of the two schemes are studied through simulation and the result shows that: although both of the two schemes can achieve the scheduling aim, the antennas switch frequency of scheme 2 is lower than that of scheme 1. Therefore, in general, the scheme 2 is better than the scheme 1.

low-orbit satellite; TT&C station; resource scheduling; optimized simulation

10.13875/j.issn.1674-0637.2021-02-0120-12

安元元, 李偉超, 王偉, 等. 一種低軌衛星星座測控地面站調度策略研究[J]. 時間頻率學報, 2021, 44(2): 120-131.

2020-11-08；

2020-12-18

北斗專項重點資助項目（Y616ZF2S00）；中國科學院青年創新促進會會員資助項目（1188000LWC）