满足网络测控的小卫星星座组网与路由方法研究

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1、法VIO,,I足翮络测控的_也皇星座组翮与潞曲雳法研究木易峰1苟先太1龙刚-吴潜2金炜东1(1．西南交通大学电气I程学院．成都．610031；2．电子科技集团第十研究所．成都．610036)文摘：给出一种不依赖于中高轨道卫星作中继而只依赖星座自身星际链路实现卫星组网的方法，以满足通过星座自身完成网络测控；使用STK进行了星座设计，使用OPNET进行了星座与地面测控站的仿真建模；给出满足网络测控路由算法；并通过仿真实验验证了组网方法和路由算法，能够满足小卫星星座网络测控功能。关键词：卫星组网；网络测控；地面测控站；路由算法；小卫星星座。0引言星座是多

2、颗卫星协同工作．卫星之间的相对位置应保持不变。其运行状态是全球性的【¨。因此星座测控的特点是：测量多目标；测量弧段长；测控频繁，要求数据处理及时；信息量大、数传率高。低轨道卫星具有传输延迟低、用户终端实现简单和可通过星间链路组网实现全球通信等优点．成为下一代移动通信系统的重要组成部分【·一。卫星的地面应用系统对卫星的主要任务是遥控和遥测。即业务测控。星座是现代小卫星的最大应用特点。已有越来越多的小卫星进入太空。卫星是一种架构在太空的信息平台或作战平台．而地面测控系统是保障卫星正常运行的重要组成部分。为了实现可靠高效的测控管理．地面站必须满足一系列的

3、技术要求。首先。由于单个测控站视野有限，卫星测控网必须全球分布．亦即建立天基测控网；其次，飞经上空的卫星承担不同的任务。因此，同一地面站必须具有多星测控和数据采集的能力．使多星同时过站时．地面站能实现多星同时测控。星座测控的全过程可分为三个阶段：·星座的形成阶段．从卫星人轨到多颗卫星分布在相应的轨道位置为止：·星座的运行阶段．主要保持相位控制与观测：·星座中个别卫星故障处理与补充【31。上述三个阶段对测控技术都有不同的要求．技术实现手段也不尽一样。自主和非自主相结合的方法可能是最佳解决途径。目前星座测控方法(非自主)有三种：GPS；多波束天线(全球

4、性星座，要多设测控站)；中继卫星。文献【4】中给出了一种对我国区域具有较好二重覆盖的Walker星座轨道模型。并在此基础上给出了满足网络测控的路由算法。本文给出一种不依赖于中高轨道卫星作中继而只依赖星座自身星际链路实现卫星组网的方法．以满足通过星座自身完成网络测控。·本文源自国防预研基金(x】疆x一]I：JLv,X—xx珏一7DZ20(04))课题支持项目。一36一《航天标准化}2010年第2期1国内外相关研究蕴定厦笪厘窿鳢巫堡星星座蕴厦复盛应应蕴理左：复整差1．1国外相关状况全球定位系统(GPs)地面监控系统是卫星星座测控与管理地面站的最好实例。

5、它由4个监控站、1个上行注入站和1个主控站组成。监控站设在夏威夷、埃尔门多夫空军基地、美岛、凡登堡空军基地。每个监控站设有GPS接收机、原子钟、气象传感器和数据处理计算机。监控站获取卫星观测数据。并接收数据送往主控站。主控站在凡登堡空军基地．对各地面站实行全面控制．并收集各站对GPs卫星的全部观测数据．修正计算各卫星轨道和卫星时钟改正值．外推星历及钟差，转化为导航电文。送上行注入站。上行注入站位于凡登堡空军基地．当GPS星过境时对其进行指令注入和导航数据注入【卯．NASA已规划了可用侦察兵火箭发射的廉价探险者小卫星．用一个小型可移动地面站即可对其进

6、行控制。该站设在卫星用户所在地，除发射阶段和运行应急阶段外，可自主独立运行。该站工作于L和S频段．仅用口径3m的小天线．以1kb／s速率发送遥控指令．以2Mb／s速率接收来自卫星的重放数据．单向多普勒定轨．并利用理论多普勒数据进行角度预报．驱动天线对卫星进行程序跟踪。该地面站尽量采用商品化设备。价格低于75万美元【51。作为小卫星星座测控管理地面站的典型．美国摩托罗拉公司的铱系统地面控制设施是一个先进的卫星控制站．由于使用了自动化程度高、可靠性高、简单的灵巧卫星平台。该站改变了传统的卫星维护和操作方式．使得系统运行后的操作控制经费大大降低【6l。采

7、用中高轨卫星作为中继节点的方式【7t引。典型的如美国的跟踪与数据中继系统TDRSS为小卫星星座提供网络测控。该系统的缺点是TDRSS静止轨道卫星到小卫星的距离达4万公里．小卫星需要发射很大的有效全向辐射功率(EIRP)。如果小卫星连续通过TDRSS返向传递2Mbit／s～3Mbit／s的数据．则绝大多数小卫星都承受不了这么大的发射功率、功耗、天线的高要求。《航天标准化》2010年第2期国外小卫星星座的测控管理多用专用测控设备．能保障卫星生产、测试、发射和在轨操作，并要与通用测控网兼容。通用性强，这种专用设备也要低成本、多用途1．2国内相关状况我国最

8、初的航天测控系统是在上世纪60年代中期卫星观测网的基础上发展起来的。当时的卫星观测网包括测控中心等7个测量站．是我国航天测