基于任务时空分布特性的点波束天线控制方法与流程

本发明涉及一种基于任务时空分布特性的点波束天线控制方法，适用于配置两副对地二维机械扫描点波束天线的高分辨率遥感卫星。

背景技术：

高分辨率遥感卫星采用成像记录模式，将境外对地观测数据记录至星上固态存储器，卫星入境后，再择机将境外数据回放至地面站。在相同幅宽、相同量化位数的条件下，遥感卫星图像数据量与成像分辨率的平方成反比关系。随着遥感卫星图像空间分辨率的大幅提高，对地数传能力成为制约卫星在轨使用效能的核心因素。为保证遥感卫星海量图像数据下传，国内外高分辨率遥感卫星普遍采用高增益二维机械扫描点波束天线实现对地数传通道的高速传输。

除了数传通道的数据率外，数传弧段的数量和使用效率也是提升卫星使用效能的核心要素。美国国家航空航天局(nationalaeronautics&spaceadministration，简称为nasa)在全球设地面站，欧洲航天局(europeanspaceagency，简称为esa)、俄罗斯等在北极地区建立地面站，卫星每天可用数传弧段多，实现高分辨率遥感卫星的海量图像数据下传。目前，我国遥感卫星地面站国际化运行水平不高，主要依赖国内地面站接收遥感图像数据。我国国内地面站的分布特点导致卫星每天可用的数传弧段少，提升数传弧段的使用效率可以极大地提升卫星的在轨使用效能。

然而，星地建立数据传输链路前需要卫星完成点波束天线预置，采用大力矩电机将增加卫星重量，加大研制成本，而采用小规模电机则必然导致卫星的预置时间长，从而浪费宝贵的数传弧段。因此，二维点波束天线使用策略设计对我国高分辨率卫星在轨高效率应用具有重要意义。

然而，在目前的现有技术中，还没有针对点波束天线使用策略研究的文献资料。文献“‘资源三号’卫星遥感技术”(《航天返回与遥感》，2012年6月刊)给出了卫星数传天线的配置方案，通过采用高极化隔离度、高跟踪精度的二维机械扫描点波束天线，卫星实现了双通道共900mbit/s的对地传输速率。但该文献中并未给出二维机械扫描点波束天线的使用策略。

文献“面向动作序列的敏捷卫星任务规划问题”(《国防科技大学学报》，2012年12月刊)针对新一代敏捷卫星对地观测任务规划问题，考虑了直拍直传、立体成像、多条带拼接等复杂任务需求和观测、数据下传、对日定向等9种卫星动作，在任务规划的同时进行卫星动作规划，通过设计的前瞻启发式构造算法，满足卫星存储、能量等复杂约束，在前瞻过程中每次决定当前任务是否安排，并采用基于专家知识的多种启发式规则决定任务安排，但该文献并未考虑到二维机械扫描点波束天线转动角速度限制引起的预置时间约束问题。

此外，由于部分重要成像目标和地面站同时位于国内，目前我国卫星还普遍支持边成像记录边数据传输的工作模式。一方面，如果天线预置时间过长，则将占用宝贵的成像任务时间段，影响卫星的在轨成像效率。另一方面，卫星大型点波束天线转动惯量大，提高电机的转动力矩缩短天线预置时间，但扰振对高分辨率相机成像质量的影响也不可忽视。文献“光学遥感卫星微振动抑制方法及关键技术”(《宇航学报》，2015年2月刊)针对星上设备扰振对高分辨率图像质量的影响，提出了针对控制力矩陀螺等微振动源设备优化的设计方法，如降低高速转子的静、动不平衡量等，有效降低扰动源输出的扰动力。但是在该文献中，并未考虑到大型二维点波束天线快速预置扰振对卫星图像质量的影响。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种基于任务时空分布特性的点波束天线控制方案，针对卫星配置两副二维机械扫描点波束天线的技术特点，结合高分辨率遥感卫星的任务时空分布特性，按照连续两次传输任务的天线总预置时间最小的原则，选择首次传输天线和接力传输天线，并基于卫星任务的时空分布特性，利用任务空闲时间段，在非成像时间段提前完成首次传输天线的预置动作，最后利用数据传输弧段时长远大于天线预置时间的特点，采用尽量小的预置角速度，完成另一副天线的预置动作。

通过提前预置、交叉使用的天线控制策略设计，避免了天线预置时间过长占用宝贵的成像弧段、数传弧段使用效率低的问题，同时尽量减小了转动电机的输出力矩，降低了转动电机的成本，并降低了天线扰动对高分辨率相机成像质量的影响。

本发明提供了一种基于任务时空分布特性的点波束天线控制方法，适用于配置有两副对地二维机械扫描点波束天线的高分辨率遥感卫星，该方法包括：步骤一，根据天线转动电机的驱动能力和对地跟踪的要求，将对地二维机械点波束天线的最大预置角速度设置为对地二维机械点波束天线在轨的最大跟踪角速度；步骤二，根据两副对地二维机械点波束天线的角度信息，计算两副对地二维机械点波束天线的两种传输组合模式下的总预置时间，选择总预置时间小的组合模式作为两副对地二维机械点波束天线的使用次序；步骤三，根据首次传输任务所选的首次天线的预置角度和最大预置角速度确定首次天线的预置时间，当任务空闲时长大于所述首次传输任务所选的所述首次天线完成预置所需的时长时，采用最大预置角速度完成所述首次天线的预置动作；步骤四，根据接力传输任务所选的接力天线的预置角度和首次传输任务时长确定接力天线的最小预置角速度，并以最小预置角速度完成所述接力天线的预置动作；以及步骤五，基于接力传输任务的执行时间，完成高分辨率遥感卫星上的载荷数据的接力传输。

在本发明中，两副对地二维机械点波束天线的角度信息至少包括：两副对地二维机械点波束天线的双轴当前角度信息、首次数据传输时刻所需的天线指向角度信息和接力数据传输时刻所需的天线指向角度信息。

具体地，在步骤二中执行：初始设置初选首次天线和初选接力天线；根据角度信息，分别计算初选首次天线和初选接力天线对两个地面站的预置时间；计算初选首次天线和初选接力天线在两种传输组合模式下的总预置时间；在将初选首次天线作为首次天线而将初选接力天线作为接力天线的第一传输组合模式下，计算连续两次数据传输任务的第一天线总预置时间；在将初选首次天线作为接力天线而将初选接力天线作为首次天线的第二传输组合模式下，计算连续两次数据传输任务的第二天线总预置时间；以及对第一天线总预置时间和第二天线总预置时间进行比较并选择其中时间少的传输模式，作为两副对地二维机械点波束天线的使用次序。

在步骤三中执行：判断高分辨率遥感卫星当前是否正在执行成像任务；当高分辨率遥感卫星当前正在执行成像任务时，等待成像任务结束；在成像任务结束后，采用所述首次天线的首次数据传输时刻所需的天线指向角度信息与所述首次天线的初始角度之差作为所述首次天线的预置角度，并采用所述最大预置角速度作为所述首次天线的预置角速度，计算预置首次天线所需要的时间；以及在成像任务空闲的时间段大于预置首次天线所需要的时间的前提下，完成首次天线的预置动作。

在步骤四中执行：在首次传输任务开始后，首次天线立即跟踪地面站，并启动与首次天线相对应的射频通道；采用接力天线的接力数据传输时刻所需的天线指向角度信息与接力天线的初始角度之差作为接力天线的预置角度，采用首次传输任务时长作为接力天线的预置时长，计算接力天线的最小预置角速度；以最小预置角速度，完成接力天线的预置动作。

在步骤五中执行：判断执行接力传输任务的时间是否达到；当接力传输任务的时间达到时，立即启动接力天线跟踪地面站，并开启与接力天线对应的射频通道；以及停止首次天线的跟踪动作，并关闭与首次天线相对应的射频通道。

因此，相对于现有技术，采用本发明可以实现以下的有益效果：

1)通过两副天线交替使用，有效解决了单付二维点波束天线转动角速度有限导致的无法快速实现对地传输的问题，其中，利用任务空闲时间段提前完成天线预置，避免卫星入境前天线预置占用宝贵的成像任务弧段，同时利用上一次数据传输时间段完成下一次天线的预置动作，避免载荷数据接力传输过程中，天线预置时间浪费宝贵的数传弧段资源；

2)通过严格限制天线的转动速度，避免天线快速预置过程中产生的扰振影响高分辨率相机的成像质量；

3)采用小规模转动电机即可满足接力传输的应用需求，降低了设备重量和系统成本。

附图说明

图1为本发明所涉及的二维点波束天线数据传输任务的时空分布特性图；

图2为根据本发明实施例的二维点波束天线控制方法的实施流程图；以及

图3为根据本发明实施例的二维点波束天线控制方法的控制信息传递图。

具体实施方式

应了解，本发明的基于任务时空分布特性的点波束天线控制方法适用于配置两副对地二维机械扫描点波束天线的高分辨率遥感卫星。本发明的点波束天线控制方法的大体思路如下：

卫星入境前，根据两副对地天线双轴当前角度信息、首次数据传输时刻所需要的目标角度信息、接力数据传输时刻所需要的目标角度信息等，计算连续两次数据传输任务的天线总预置时间，按照总预置时间最小的原则，分别选择首次数据传输天线和接力传输天线；

在星上不执行成像任务的时间段，且该空闲时间段大于天线预置时间时，完成首次数据传输任务的天线预置动作；

执行首次数据传输任务时，采用首次数据传输任务的天线跟踪地面站并启动该天线对应的射频通道；

同时，根据接力天线的接力数据传输时刻所需的天线指向角度、接力天线的初始角度、首次天线的首次数据传输时长等参数，计算接力传输任务所需要的最小预置角速度，并采用该角速度完成接力传输天线的预置动作；

首次数据传输任务结束后，立即启动接力天线跟踪地面站，并开启接力天线对应的射频通道；

之后，停止首次传输天线的跟踪动作，并关闭首次传输天线对应的射频通道。

可见，本发明利用高分辨率敏捷卫星的成像任务时空分布特性，通过提前预置、交叉使用的天线使用策略，采用小规模电机即可满足点波束天线数据传输的要求，具有系统集成成本低、对地数传弧段利用率高、天线预置扰振对高分辨率相机成像质量影响小的优点。

因此，本发明的天线控制方法的概括流程如下：

首先，设置天线预置角速度——根据天线转动电机的驱动能力和对地跟踪的要求，将天线的最大预置角速度设置为天线在轨的最大跟踪角速度。

接下来，确定天线使用次序——根据两副对地天线(分别记为天线a、天线b)双轴当前角度信息、首次数据传输时刻所需要的目标角度信息、接力数据传输时刻所需要的目标角度信息等，计算连续两次传输任务的天线总预置时间，首次任务选择天线a、接力任务选择天线b的总预置时间大于首次任务选择天线b、接力任务选择天线a的总预置时间，则首次传输任务选择天线b，接力传输任务选择天线a；否则，首次传输任务选择天线a，接力传输任务选择天线b。

然后，完成首次传输任务的天线预置动作——判断当前是否正在执行成像任务，如果正在执行成像任务，等待成像任务结束；成像任务结束后，计算首次天线预置所需要的时间，在任务空闲时间段大于天线预置所需时长的前提下，完成首次传输天线的预置动作。

再次，完成接力任务的天线预置动作——首次传输任务开始后，首次传输天线立即跟踪地面站，并启动首次传输天线对应的射频通道；同时，根据接力天线的接力数据传输时刻所需的天线指向角度、接力天线的初始角度、首次天线的首次数据传输时长等参数计算接力天线所需要的最小预置角速度，并采用该角速度完成接力天线的预置动作。

最后，完成载荷数据的接力传输——判断执行接力传输任务的时间是否到，如是，立即启动接力天线跟踪地面站，并开启接力天线对应的射频通道；之后，停止首次传输天线的跟踪动作，并关闭首次传输天线对应的射频通道。

下面结合附图1-3及具体实施方式对本发明进行详细说明。

注意，为了描述方便，在本发明的具体实施例中定义了以下变量：

第i次数据传输任务的开始时刻

tsat卫星当前时间

antennaeⁱ第i次数据传输任务所选择的天线

orgxx对地天线x(x＝a或b)的x轴初始角度

orgyx对地天线x(x＝a或b)的y轴初始角度

对地天线x(x＝a或b)时刻的x轴角度

对地天线x(x＝a或b)时刻的y轴角度

第i次数传任务采用天线x(x＝a或b)的预置时间

天线x轴的最高转速

天线y轴的最高转速

第i次数传任务的传输时长

为了确保可靠性，高分辨率遥感卫星一般配置两副点波束对地数传天线。相比地球匹配赋型天线，二维机械扫描点波束天线具有更高的增益，但天线主瓣宽度较窄。对于轨道高度500公里左右的遥感卫星，其波束中心在地面仅能覆盖直径约数公里的近似圆形区域。

以五个地面站(牡丹江、北京、喀什、昆明、三亚)为例，任意两个地面站间距为数千公里，单付天线无法同时覆盖多个地面站。图1给出了二维点波束天线数据传输任务的时空分布特性图。如图1所示，五个圆圈(细实线)是五个地面站条件下的可用数传弧段示意图，每个地面站对卫星的可视时间最大值不足9分钟，可传弧段平均时间约为7分钟左右。

采用多站接力传输时(粗点线)，可传弧段时间最大值约16分钟。当卫星离开当前地面站接收范围并进入其它地面站接收范围时，出于对可传输弧段利用率的考虑，需要对地数传天线快速转动并跟踪下一地面站。天线对地跟踪的转动角速度不超过0.6°/s，采用该档角速度实现天线预置，按照180°框架角估算，二维点波束天线的预置时间长达5分钟，如果按照冷备份策略使用对地数传天线，天线预置时间将至少浪费31％的对地传输弧段。

高分辨率遥感卫星一般采用太阳同步轨道，轨道高度500公里左右，卫星运行一圈的时间约90分钟，陆地面积仅占30％，卫星在轨无任务的空闲时间段很长，卫星对首个地面站传输前，有足够多的空闲任务时间段完成天线预置。地面站对卫星的平均可视时间约7分钟，多站接力传输可传弧段时间最长16分钟，考虑到地面站的使用效率，地面任务规划系统可确保卫星对每个地面站的传输时间约7分钟左右，可以利用数据传输时间段完成下一次传输任务所用天线的预置动作。由高分辨率成像卫星的任务时空分布特性可知，利用卫星任务的时空分布特性，通过提前预置、交叉使用的点波束天线使用策略，可以避免天线预置时间占用宝贵的成像弧段和数传弧段。

如图2所示，本发明的控制方法实施例的具体实施流程如下所述。

天线最大转动速度设置

将天线x轴、y轴的最大预置角速度和设置为对地数传天线对地跟踪的最大x轴角速度和最大y轴角速度，确保天线预置过程满足高分辨率图像对天线扰振幅度的要求。

初始天线选择

根据数传对地天线a/b的当前位置信息，数据传输时刻两副天线的x轴、y轴角度，分别计算两副天线对首个传输地面站、接力传输地面站的预置时间：

初始数传天线选择的判据为：如果即首次传输任务选择天线a、接力传输任务选择天线b的总预置时间大于首次传输任务选择天线b、接力传输任务选择天线a的总预置时间，则首次传输任务天线antennae¹选择天线b，接力传输任务天线antennae²选择天线a；否则，antennae¹选择天线a，antennae²选择天线b。

首次传输任务的天线预置

首先，判断当前是否正在执行成像任务，如果正在执行成像任务，等待成像任务结束；如果成像任务结束，计算首次传输任务天线antennae¹按照最大预置角速度完成天线预置所需的时间，即其中，λ为一个大于1的固定系数，其数值根据型号特点设置。如果任务空闲时间段大于该时间段，则在时间内完成天线antennae¹的预置动作。

接力传输任务的天线预置

首先，判断执行首次传输任务的时间是否到，其判据为如是，立即启动首次传输天线跟踪地面站，并开启首次传输天线对应的射频通道；同时，计算接力天线的预置角速度，x轴预置角速度为：y轴预置角速度为其中，α，β为大于1的固定系数，其数值根据型号特点设置。按照本次数传任务时长启动接力天线的预置动作，通过降低天线预置角速度的方法，尽量降低天线扰振对高分辨率相机成像质量的影响。

完成载荷数据的接力传输

判断执行接力传输任务的时间是否到，其判据为如是，立即启动接力天线跟踪地面站，并开启接力天线对应的射频通道；之后，停止首次传输天线的跟踪动作，并关闭首次传输天线对应的射频通道。

如图3所示，本发明的控制信息传递关系包括上行遥控指令1、天线预置指令分发和天线位置信息获取2、对地天线当前位置信息采集和预置控制操作产生3、控制分系统指令分发4、对地天线跟踪控制5。

星务计算机通过测控系统接收“上行遥控指令1”，包括设置两副对地数传天线的最大预置角速度和对地数据传输任务对应的地面站，任务开始时刻传输时长任务起点时刻的x、y轴角度等信息。

星务计算机通过“天线预置指令分发和天线位置信息获取2”，从伺服控制器a/b获取天线a/b的初始位置orgyx和orgxx(x＝a/b)。根据对地数传天线的最大转动速度和以及时刻x、y轴的角度分别计算两副天线的对首次传输地面站、接力传输地面站的预置时间，并根据两次总预置时间最短的原则，选择首次传输和接力传输对应的天线。在满足预置动作指令的发出条件时，将天线预置指令发送给伺服控制单元a/b。

伺服控制器a/b通过“对地天线当前位置信息采集和预置控制操作产生3”实现对地天线的控制操作，该操作即为对地数传天线预置或跟踪地面站动作，是点波束天线转动控制的直接操作者。同时，完成对地天线当前位置信息的采集、编码转换和零点补偿等功能，并将天线当前位置信息传递给星务计算机和控制计算机。

星务计算机通过“控制分系统指令分发4”，在天线完成预置后，将数据传输任务对应的地面站，传输开始时刻传输时长等信息发送给控制计算机。

控制计算机通过“对地天线跟踪控制5”，实时采集来自伺服控制器a/b的天线位置信息，并根据星务计算机的指令要求，控制对地数传天线a/b实时跟踪地面站。

不同单元之间指令和信息的传递由星上总线和星上通信协议完成。

如果采用多于两个地面站执行接力数据传输任务，在对第二个地面站传输数据时，预置承担首次传输任务的天线完成对第三个地面站的预置动作，在对第三个地面站传输数据时，预置承担第二次传输任务的天线完成对第四个地面站的预置动作，天线的初始位置为该天线上次传输任务结束时刻的位置，依次类推。

综上所述，本发明有效解决了单付二维点波束天线转动角速度有限导致的无法快速实现对地传输的问题，通过严格限制天线的转动速度，避免了天线快速预置过程中产生的扰振影响高分辨率相机的成像质量，并且采用小规模转动电机即可满足接力传输的应用需求，降低了设备重量和系统成本。

本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。