低成本衛(wèi)星測控系統(tǒng)性能改進(jìn)方法研究

徐秀成，陽軍軍

低成本衛(wèi)星測控系統(tǒng)性能改進(jìn)方法研究

徐秀成，陽軍軍

（長沙天儀空間科技研究院有限公司 長沙 410205）

首先針對TLE更新不及時、軌道遞推準(zhǔn)確性低的問題，提出低成本衛(wèi)星測控系統(tǒng)（LCTTC）采用衛(wèi)星GPS實(shí)測數(shù)據(jù)修正站心坐標(biāo)系下目標(biāo)軌道方法，提高跟蹤精度；其次利用接收機(jī)的RSSI功能，給出了遠(yuǎn)程獲取無人值守LCTTC靈敏度、評估其性能的方法，以及獲取信噪比、發(fā)射功率等狀態(tài)信息的方法，對衛(wèi)星實(shí)時任務(wù)過程進(jìn)行監(jiān)測和異常診斷，減少了故障排查時間。

衛(wèi)星測控系統(tǒng)；TT&C；J2000坐標(biāo)系；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；信噪比

引 言

低成本或者簡單衛(wèi)星測控系統(tǒng)LCTTC（Low Cost TT&C），一般不具備標(biāo)準(zhǔn)TT&C系統(tǒng)所具有的測量目標(biāo)角誤差和自跟蹤功能，而是采用兩行式軌道數(shù)據(jù)TLE(Two-Line Element)計(jì)算軌道預(yù)報(bào)。受限于外網(wǎng)更新的滯后性，按24小時算，TLE軌道外推的精度為7.5 km，文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]對其精度進(jìn)行分析，且文獻(xiàn)[2]提出了精度改進(jìn)方法。如果衛(wèi)星變軌，TLE的延遲和誤差更大；而GPS有效時定軌位置精度在10 m以內(nèi)。本文提出地面LCTTC系統(tǒng)采用衛(wèi)星實(shí)時GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行衛(wèi)星軌道遞推，和TLE遞推值進(jìn)行比較，當(dāng)二者角度差大于門限值時以GPS遞推值為準(zhǔn)，并給出了GPS位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換站心極坐標(biāo)的方法。

為了解決低軌衛(wèi)星每次過單站時間較短的問題，任務(wù)前，利用硬件具有的接收信號強(qiáng)度指示RSSI（Received Signal Strength Indicator）功能，遠(yuǎn)程對LCTTC地面站性能進(jìn)行評估，再結(jié)合當(dāng)前軌道弧段最高仰角等情況，選擇最優(yōu)的地面站進(jìn)行測控；其次，由于其造價低，可建設(shè)更多的站點(diǎn)，調(diào)度多站聯(lián)合測控，滿足低軌小衛(wèi)星的測控需求。

LCTTC缺少對信噪比、AGC或發(fā)射功率的狀態(tài)監(jiān)測，并且其信道一般為半雙工。在衛(wèi)星測控任務(wù)中，先測試星–地鏈路，直到暢通，再進(jìn)行測控工作，這種串行的方式效率低。本文給出通過RSSI間接得到信噪比、上行信號環(huán)回功率等信息，及時掌握指令發(fā)送時機(jī)和執(zhí)行結(jié)果，同時，提高系統(tǒng)故障診斷、檢測干擾等能力。

1 采用衛(wèi)星GPS遙測數(shù)據(jù)修正站TLE理論軌道

衛(wèi)星上GPS可提供J2000平赤道地心坐標(biāo)系下的位置（,,）、速度（,,）信息，地面站天線控制使用站心地平坐標(biāo)系下的方位角–俯仰角。為了利用GPS數(shù)據(jù)修正地面理論軌道，需要將GPS數(shù)據(jù)從J2000坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到站心地平極坐標(biāo)系，查閱了相關(guān)文獻(xiàn)未找到二者轉(zhuǎn)換公式。本文采用如下三步實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)換過程，然后與TLE計(jì)算的理論值進(jìn)行比較，超過閾值引入GPS遞推。

1.1 J2000坐標(biāo)系到GWS84地心坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

首先將J2000的坐標(biāo)下的衛(wèi)星軌道位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到GWS84地心坐標(biāo)系，J2000坐標(biāo)與WGS84坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下[3]：

1.2 GWS84地心坐標(biāo)系到站心地平直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

需將GWS84坐標(biāo)系的衛(wèi)星軌道位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到站心坐標(biāo)系，地心坐標(biāo)系與站心地平坐標(biāo)系的關(guān)系如圖1所示。測站站心0為原點(diǎn)的站心地平坐標(biāo)系，其中軸為站心點(diǎn)的法線方向，地平面上的子午線方向?yàn)檩S，軸為、軸正交且指向東為正的方向；測站的大地坐標(biāo)為（0,0,0），對應(yīng)的地心直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)為（0,0,0），則地心坐標(biāo)系到站心地平直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系可表示為[4,5]：

式（4）中，（,,）表示向量在站心地平直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)，（,,）表示向量在地心坐標(biāo)系的坐標(biāo)，展開得GWS84地心坐標(biāo)系到站心地平直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系表示如式（5）：

1.3 站心地平直角坐標(biāo)系與站心地平極坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

在站極坐標(biāo)系下，用測站0至衛(wèi)星S的距離、天線方位角、俯仰角確定的衛(wèi)星位置為：

通過上述變換，最終獲得衛(wèi)星S在站心地平極坐標(biāo)系下的方位角和俯仰角。

1.4 評估和修正理論軌道流程

采用GPS數(shù)據(jù)評估和修正理論軌道的流程如圖2所示。首先，在衛(wèi)星進(jìn)站前查看所用TLE的更新時間，如果較新，比如在8小時內(nèi)，則不作改變，否則將采用上一軌衛(wèi)星遙測中GPS信息遞推軌道。其次，在跟蹤過程中，如果信噪比低，但收到了最新GPS數(shù)據(jù)，則對其處理，得到本圈軌道遞推，與當(dāng)圈TLE遞推角度進(jìn)行比較，當(dāng)角誤差值超過地面天線主波束半功率（3 dB）寬度的一半時，采用GPS遞推值控制天線。

圖2 采用GPS數(shù)據(jù)評估和修正理論軌道的流程圖

圖3是某星變軌后TLE遞推的地面站天線角度和衛(wèi)星GPS實(shí)測值轉(zhuǎn)換的天線角度差曲線，由圖可見，衛(wèi)星仰角越高，二者偏差越大。某地面站天線3 dB波束寬度是2°，當(dāng)指向誤差超過1°時，信噪比會有較大損失，此時應(yīng)采用GPS遞推軌道控制天線減小指向誤差。

圖3 采用TLE計(jì)算仰角和GPS推導(dǎo)對比

2 任務(wù)前的LCTTC性能遠(yuǎn)程評估和選擇判決

接收機(jī)靈敏度是評估TT&C系統(tǒng)性能的一個重要指標(biāo)，其值等于噪聲基底（以下簡稱底噪）與最小解調(diào)門限之和。對于遠(yuǎn)程控制的無人值守LCTTC站，一般未配備遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)，難以獲取當(dāng)前接收機(jī)的靈敏度。通常接收機(jī)所使用的射頻芯片，如AX100（GS100）、AX5043，信號在接收鏈路上多個位置的RSSI值可被讀取出來[6]，經(jīng)過換算間接獲得系統(tǒng)靈敏度。

將天線垂直指向天空或者將接收鏈路輸入端接50 Ω匹配負(fù)載時其輸入口熱噪聲為–174 dBm/Hz，那么接收機(jī)RSSI檢測處的底噪理論值為：

根據(jù)文獻(xiàn)[7]帶寬設(shè)置為1.5倍數(shù)據(jù)比特率，例如取比特率19 200 B/s，BW=230.4 kHz，當(dāng)NF=1.5 dB時，則理論值，實(shí)測的RSSI還包括環(huán)境噪聲。為了降低環(huán)境噪聲的干擾而接近理論值RSSINoise，進(jìn)而比較NF。首先，分析環(huán)境噪聲與仰角的關(guān)系。遠(yuǎn)程控制天線仰角從0°轉(zhuǎn)到90°，得到的RSSI曲線如圖4所示。由圖可知，仰角越高，環(huán)境噪聲越低，在仰角高于約45°時底噪保持一個較低的水平，下面選擇仰角為45°時進(jìn)行底噪測試。其次，在低環(huán)境噪聲下比較兩站的底噪。讓A、B兩站天線以相同的45°仰角、在方位向上轉(zhuǎn)一周，測得RSSI曲線如圖5所示，取各站RSSI的平均值作為底噪，進(jìn)一步顯示了A站底噪低于B站，這與兩站的實(shí)際工作表現(xiàn)相符。底噪和解調(diào)門限疊加即得到接收機(jī)靈敏度，該遠(yuǎn)程測量靈敏度的方法為評估地面站性能提供了依據(jù)。

圖5 A、B兩站底噪的比較

3 任務(wù)中狀態(tài)判別優(yōu)化和提高異常診斷能力

在測控衛(wèi)星過程中，下行信號質(zhì)量取決于地面站接收端接收到的信號功率電平和接收系統(tǒng)的噪聲功率電平，一般用信噪比表示。在任務(wù)中獲取信號的RSSI值，再減去第2節(jié)中得到的底噪，即可得到信噪比的粗略值，然后判斷鏈路余量是否超過5 dB的工程要求[8]。

根據(jù)天線收發(fā)的互易性，在向衛(wèi)星發(fā)指令時，雖然有收發(fā)隔離，但上行射頻信號的一部分會從天線反饋回來，通過各接收通道RSSI顯示（為了保護(hù)低噪聲放大器LNA和基帶不被燒毀，有限幅措施），能夠檢測上行信號功率是否發(fā)出。

3.1 RSSI獲取實(shí)時信噪比

圖6為某地面站測控某星時的RSSI曲線，可以看到，曲線上第一個脈沖即為發(fā)送“下發(fā)遙測指令（幀間隔5 s）”后的上行信號反饋，衛(wèi)星收到該指令后，開始連續(xù)下發(fā)遙測數(shù)據(jù)，本次共下發(fā)200幀遙測數(shù)據(jù)；位于衛(wèi)星過站中段的仰角較高時的約18個幅度高于解調(diào)門限的遙測信號被解調(diào)出遙測數(shù)據(jù)。

圖6 接收信號RSSI曲線

（8）

則式（7）變?yōu)椋?/p>

式（9）即為外接LNA時的RSSI檢測值表達(dá)式。當(dāng)LNA故障，增益，等于噪聲基底減去，RSSI比正常值低。同理，在無衛(wèi)星過站或者沒有開始下發(fā)遙測指令和明文時，如果RSSI值比正常值高一定值，說明有干擾。

3.2 檢測上行功率是否發(fā)出和極化隔離效果

圖6中第一個脈沖明顯高于其后的遙測信號，是上行指令信號的反饋。主、備兩天線的極化是呈相互正交的方向安裝的，備天線收到的信號比主天線收到的弱，從圖7中可見，相差大約55 dB，這就是極化隔離的結(jié)果。

3.3 任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)判決改進(jìn)

LCTTC原來在任務(wù)中，先測試星–地鏈路（如發(fā)Ping指令），直到暢通，再進(jìn)行測控工作，這種串行的方式效率低，其過程如圖8所示。

圖8 原任務(wù)執(zhí)行流程

如前所述，在具備了獲取GPS軌道數(shù)據(jù)、底噪和信噪比SNR等能力以后，不再需要反復(fù)測試信道，只需要在“未收到遙測”、“指令未執(zhí)行”狀態(tài)時，人工查看或者程序判讀（任務(wù)自動運(yùn)行）相應(yīng)的狀態(tài)指示，任務(wù)流程可以改進(jìn)為如圖8所示的監(jiān)視和任務(wù)執(zhí)行并行的流程。

圖9 測控任務(wù)執(zhí)行和故障排除流程圖

4 結(jié)束語

本文給出了將衛(wèi)星上J2000坐標(biāo)系的GPS位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地面站心極坐標(biāo)系下的方位角/俯仰角的方法，并用于修正天線跟蹤角度，提高了地面站跟蹤精度。圍繞測控任務(wù)需要，該方法通過RSSI功能獲取接收機(jī)靈敏度、信噪比、上行信號耦合信號指示，為任務(wù)前選擇最優(yōu)地面站提供依據(jù)；方法為任務(wù)執(zhí)行提供信號質(zhì)量和鏈路狀況判斷，為任務(wù)流程自動運(yùn)行提供判決條件，提高了地面站任務(wù)執(zhí)行效率。在遇到鏈路中斷、電磁干擾時，該方法有助于快速得到反饋，縮短平均故障修復(fù)時間（MTTR)，同時在實(shí)際任務(wù)中得到了較好的驗(yàn)證。

[1] 孫靖, 胡松杰, 平勁松. 低軌道空間目標(biāo)TLE及SGP4軌道計(jì)算精度分析[C]//2008年測繪科學(xué)前沿技術(shù)論壇論文集, 2008: 1–5.

[2] 劉衛(wèi), 王榮蘭, 劉四清, 等. TLE預(yù)報(bào)精度改進(jìn)及碰撞預(yù)警中的應(yīng)用[J]. 空間科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 34(4): 449–459.

LIU Wei, WANG Ronglan, LIU Siqing, et al. TLE prediction accuracy improvement and its application in collision warning[J]. Chinese Journal of Space Science, 2014, 34(4): 449–459.

[3] 張捍衛(wèi), 鄭勇, 馬高峰. GCRS與ITRS之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換研究[J]. 大地測量與地球動力學(xué), 2011, 31(1): 63–67.

[4] 凌震瑩. 大地坐標(biāo)系與站心地平直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[J]. 聲學(xué)與電子工程, 2009, 4: 31–34.

[5] 伍吉昌, 鄧康偉, 陳永奇. 地心坐標(biāo)系與站心坐標(biāo)系中的速度轉(zhuǎn)換及誤差傳播[J]. 大地測量與地球動力學(xué), 2005, 25(3): 13–18.

[6] AXSEM.AX5043-advanced high performance ASK and FSK narrow-band transceiver for 27-1050 MHz range [EB/OL]. https://wenku.baidu.com/view/569e38f8360cba1aa911da18.html.

[7] NanoCom AX100. AX100 manual manual software documentation release v3.7[EB/OL].www.gomspace.com.2016: 32.

[8] 微小衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐[M]. 北京: 科學(xué)出版社. 2016: 139–146.

[9] Peter F，Graham S, John S, 等主編. 航天器系統(tǒng)工程[M]. 李靖, 范文杰, 劉佳, 等譯. 北京: 科學(xué)出版社, 2014: 392–394.

Research on performance improvement method of low cost TT & C system

XU Xiucheng, YANG Junjun

（Changsha Tianyi Space Technology Research Institute Co., Ltd., Changsha 410205, China）

Firstly, aiming at the problem that the TLE update is not timely and the accuracy of track recursion is low, A low cost satellite measurement and control system (LCTTC) is proposed, which uses the measured data of satellite GPS to correct the target orbit in the station center coordinate system, so as to improve the tracking accuracy; secondly, using the RSSI function of the receiver, a method to remotely obtain the sensitivity of unattended LCTTC and evaluate its performance is given; and the method of obtaining state information such as signal-to-noise ratio and transmission power, which can monitor and diagnose the real-time task process of the satellite, and reduce the troubleshooting time.

Satellite TT&C system; TT&C; J2000 coordinate system; Coordinate conversion; SNR

TN872

A

CN11-1780(2022)01-0119-06

10.12347/j.ycyk.20210408001

徐秀成, 陽軍軍.低成本衛(wèi)星測控系統(tǒng)性能改進(jìn)方法研究[J]. 遙測遙控, 2022, 43(1): 119–124.

DOI：10.12347/j.ycyk.20210408001

: XU Xiucheng, YANG Junjun. Research on performance improvement method of low cost TT&C system[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(1): 119–124.

徐秀成 1976年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星測控技術(shù)。

陽軍軍 1990年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星姿態(tài)控制。

2021-04-08

2021-08-04

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

(本文編輯：楊秀麗)