在轨卫星扩频应答机性能变化的发现和评估方法以及模块与流程

本发明涉及扩频应答机性能评估技术领域，具体涉及一种在轨卫星扩频应答机性能变化的发现和评估方法以及模块。

背景技术

目前，我国在轨卫星测控系统大多数都采用s频段扩频应答机，扩频应答机是卫星与地面进行上下行通信的重要设备，其工作正常与否直接决定了卫星上下行的成败和卫星在轨使用寿命。卫星在轨阶段扩频应答机的使用仅体现在跟踪孤段内，包括上行指令注入、下行遥测接收、测距等功能。

agc电平遥测是反映应答机上行功能工作状态的重要参数。由于agc电平的变化取决于是否在跟踪孤段内且是否有上行操作，导致无法对扩频应答机的agc电平进行常规的长时间趋势分析，即扩频应答机收机在轨的性能和状态无法通过直观趋变化进行评价。同时，由于agc电平受地面发射信号的变化以及信号传播衰减等各种外界因素影响，在上行过程中，会表现为无规律波动趋势，目前在轨的状态/性能同样无法通过有效手段进行自动监视与评估。综上，扩频应答机在轨工作中，通过“锁定状态参数”等状态量遥测仅能监视扩频应答机当前的工作状态，但无法直观反映应答机在轨性能变化情况。

现今在轨卫星主要通过如下手段开展对扩频应答机的在轨管理工作：(1)测控弧段内通过上行任务是否正常执行，或者载波、位锁定状态参数是否正常锁定等进行监测；(2)通过下行遥测是否能正常接收(遥测数据是否中断)进行监测；(3)有需要时可以通过测控弧段内agc电平是否随上行任务加载而相应增大来进行事后分析。可导致扩频应答机以上工作状态异常的原因在多个方面：(1)与卫星仰角、地面设备状态等跟踪状态有关，通常表现为两台应答机同时工作异常。(2)与空间环境引起的基带故障有关，通常表现为其中一台应答机上行/下行异常，此故障可通过基带复位等措施解决。

仅通过上述手段可以获得应答机的工作状态，进而可以实时发现工作状态的异常。但对于扩频应答机这种电子类设备来讲，用异常的情况来评价应答机的性能是不恰当的。因此，需要寻找一种方法通过在轨遥测数据对扩频应答机的长期在轨性能变化情况进行发现和评估。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种在轨卫星扩频应答机性能变化的发现和评估方法以及实现模块，能够发现在轨卫星扩频应答机的性能变换情况，进而实现评估。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的。

一种在轨卫星扩频应答机性能变化的发现和评估方法，包括

针对多个满足“配备两台相同扩频体制应答机的在轨卫星，且两台扩频应答机接收机均开机工作”的卫星，提取每颗卫星两台扩频应答机的历史自动增益控制(agc)电平遥测数据；

对每颗卫星的两组agc电平遥测数据进行相关系数计算，获得一个相关系数；利用所有满足条件卫星的相关系数构建评估阈值；

对于待评估的在轨卫星i，确定待评估时段内卫星i两台扩频应答机的agc电平遥测数据的相关系数ρi，与评估阈值进行对比，获得评估结果。

优选地，所述利用所有满足条件卫星的相关系数构建评估阈值为：

利用所有满足条件卫星的相关系数计算均值e(ρ)和标准差σ，构建评估阈值ρε_min＝e(ρ)-3σ和ρε_max＝e(ρ)-2σ。

优选地，所述与评估阈值进行比较，获得评估结果为：

对于待评估的在轨卫星i，确定卫星i两台扩频应答机的agc电平遥测数据的相关系数ρi；如果ρi小于ρε_min，则确定两台扩频应答机中至少一台的接收机存在性能严重下降或出现故障；如果ρi在ρε_min和ρε_max之间，则确定两台扩频应答机中至少一台的接收机存在性能下降。

优选地，所述获取每台扩频应答机的自动增益控制(agc)电平遥测数据为：提取全生命周期的agc电平遥测数据。

优选地，所述获取每台扩频应答机的自动增益控制(agc)电平遥测数据为：定期提取部分时间段的agc电平遥测数据。

本发明还提供了一种在轨卫星扩频应答机性能变化的发现和评估模块，包括：

阈值存储模块，用于存储评估阈值ρε_min和ρε_max；所述评估阈值的获取方式为：针对多个满足“配备两台相同扩频体制应答机的在轨卫星，且两台扩频应答机接收机均开机工作”的卫星，提取每颗卫星两台扩频应答机的历史agc电平遥测数据；对每颗卫星的两组agc电平遥测数据进行相关系数计算，获得一个相关系数；利用所有满足条件卫星的相关系数构建评估阈值；

数据获取模块，用于对待评估的卫星i，获取待评估时段内卫星i两台扩频应答机的agc电平遥测数据；

相关系数计算模块，用于利用数据获取模块获取的agc电平遥测数据计算相关系数ρi；

评估模块，用于将相关系数ρi与评估阈值进行对比，获得评估结果。

优选地，所述阈值存储模块所构建的阈值为：ρε_min＝e(ρ)-3σ和ρε_max＝e(ρ)-2σ；其中，e(ρ)和σ分别为利用所有满足条件卫星的相关系数计算的均值e(ρ)和标准差σ。

优选地，所述评估模块的评估方式为：如果ρi小于评估阈值构建模块所构建的评估阈值ρε_min，则确定两台扩频应答机中至少一台的接收机存在性能严重下降或出现故障；如果ρi在ρε_min和ρε_max之间，则确定两台扩频应答机中至少一台的接收机存在性能下降。

有益效果：

(1)本发明为解决单台扩频应答机agc遥测变化规律监测需求与精确数学模型难以构建之间的矛盾，提出了一种充分简化的双扩频应答机agc电平相关系数模型。该方案所基于的原理为：两台互为备份的同体制扩频应答机在正常情况下的agc电平遥测数据是相同的，它们的不同，以及差异程度能够反映出两台扩频应答机性能是否产生偏移。因此采用两台扩频应答机agc电平的相关系数作为表征，进行扩频应答机性能变化的发现，进而实现评估。

(2)本发明利用统计理论，基于3σ准则，构建了两个等级的“性能异常”评价阈值，从而能够对在轨卫星扩频应答机接收机性能变化进行直观评估，填补了目前在轨卫星扩频应答机性能评估无法实时直观发现的空白。

(3)本发明的研究结果是基于卫星在轨真实的遥测数据，与数据拟合、物理仿真、测试等数据相比，卫星在轨遥测数据能更真实地反映卫星在轨状态的变化情况。

(4)本发明采用相关系数方法简单高效，逻辑复杂度适中，计算量适中，便于工程实现。

(5)本发明得到结果可用于航天器扩频应答机接收机性能分析和预警的研究，适用于在轨管理性能评价工作；进一步的可应用于卫星超寿服役期测控应答机的在轨监视工作、以及性能分析和预警研究等。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为在轨卫星扩频应答机agc相关系数曲线；

图3为卫星s1扩频应答机a、b机agc变化曲线；

图4为卫星s2扩频应答机a、b机agc变化曲线；

图5为卫星s3扩频应答机a、b机agc变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明针对在轨卫星扩频应答机接收机性能下降无法及时直观发现的难题，提供了一种在轨卫星扩频应答机性能变化的发现和评估方法，对扩频应答机接收机故障或性能下降的及时发现及处理具有重要意义。

能够反映扩频应答机状态的参量非常少，agc(自动增益控制)电平是其中一个，它可以直接实时全面表征应答机接收机工作正常与否。无论是低噪放问题、混频中放电路、本振电路、还是agc电路问题，其直接表现均可能为上行锁定不稳或失锁，最终均可能通过agc电平表征。

本发明希望利用该agc电平进行扩频应答机性能变化的发现乃至评估。但是单凭一台扩频应答机的agc数据是无法完成的。其工程实现上有几个问题：

1)agc电平与上行加载情况相关，其特性为：卫星在测控弧段内且有上行加载时，agc电平通常为2.5v左右，无上行加载时，agc保持在无上行信号水平，通常0.8v左右。因此，在轨监测范围如果选取0.8～2.5v这样很宽的范围，则很难自动发现agc电平异常。

2)对agc电平直观的趋势判读也存储困难。(a).每个跟踪圈次根据任务上行情况对单台应答机agc电平时实分析趋势时，面对上百颗在轨卫星的局面，依靠人工不可能完成实时判读；(b).对大于一周的长期数据分析趋势时，无法直观判读，从而不利于早期发应答机接收机的故障或性能下降。

因此需要一种逻辑复杂度适中、简单高效的评估方法，便于工程实现。本发明提供的方案，鉴于两台互为备份的同体制扩频应答机在正常情况下的agc电平遥测数据是相同的，它们的不同，以及差异程度能够反映出两台扩频应答机性能是否产生偏移。因此采用两台扩频应答机agc电平的相关系数作为表征，进行扩频应答机性能变化的发现乃至评估，完全能够满足逻辑复杂度适中、简单高效、便于工程实现的要求。

本发明在轨卫星扩频应答机性能变化的发现和评估方法流程如图1所示，具体流程包括如下步骤：

步骤一、确定多个满足条件的在轨卫星型号并获取agc在轨遥测数据。

在轨卫星为了满足上行通道热备的需求，测控应答机接收通道均保证双机热备，由于高低轨卫星测控系统设计不同，测控应答机工作的模式也有所不同。本发明适用条件是：需要考虑该卫星配备两台相同扩频体制应答机且两台扩频应答机的接收机均开机工作。

每颗卫星的数据可以在后续步骤中获得一个相关系数，多颗卫星的相关系数组成序列用于构建阈值。卫星数量越多，所构建的阈值越准确。因此最优的是，找到所有满足条件的卫星。

本优选实施例中，确定所有满足“配备两台相同扩频体制应答机的在轨卫星，且两台扩频应答机接收机均开机工作”的卫星型号，并获取每台扩频应答机一段时间的agc电平遥测数据。该一段时间可以是全生命周期的agc在轨遥测数据，也可以定期获取的部分时间段的agc在轨遥测数据，以实现所获得阈值的完善和更新。

步骤二、相关系数模型建立

鉴于卫星配备两台状态一致的扩频应答机，二者接收地面上行信号时所受到的干扰因素基本相同，所以，二者agc遥测在相同时刻应保持基本相同的波动水平，用统计学方法对扩频应答机a、b机接收机的agc遥测进行分析，评估应答机接收机性能变化情况，如果二者变化趋势差别很大，则表明至少一台应答机接收机性能发生变化，建立相关系数模型如下：

其中，va(t)表示t时刻的扩频应答机a机的agc电平遥测数据；

vb(t)表示t时刻的扩频应答机b机的agc电平遥测数据；

cov(va(t),vb(t))表示对一段时间内的a机的agc电平遥测数据与b机的agc电平遥测数据组成的两组随机序列取协方差；

σ(va(t))、σ(vb(t))分别表示一段时间内的a机的agc电平遥测数据与b机的agc电平遥测数据组成的两组随机序列的标准差；

ρ表示一颗卫星中扩频应答机a机的agc电平遥测数据与扩频应答机b机的agc电平遥测数据的相关系数。

(3)评价准则阈值建立。

通过历史遥测数据对所有满足条件的在轨扩频应答机a、b机的agc电平遥测数据进行相关系数计算，得到一组相关系数的随机数列：ρ1、ρ2、ρm……，m为卫星的序号。求取这一数列的均值为e(ρ)，标准差为σ，参考“3σ准则”，提出如下评价方法：

用x＝|ρm-e(ρ)|表征系数偏差程度，ρm大于e(ρ)时，表示相关性强，性能越良好；所以仅需考虑ρm小于e(ρ)的情况下，应答机的接收机的性能下降程度，即x＝e(ρ)-ρm，建立如下评价阈值：

ρε_min＝e(ρ)-3σ

ρε_max＝e(ρ)-2σ

(4)在轨评价

针对待评估的卫星i，确定待评估时段内该卫星两台扩频应答机的agc电平遥测数据的相关系数ρi。

结论一：当卫星i扩频应答机a、b机的agc相关系数ρi满足ρi<ρε_min时，认为该卫星扩频应答机a、b机中至少一台应答机的接收机存在性能严重下降或出现故障；

结论二：当卫星i扩频应答机a、b机的agc相关系数ρi满足ρε_min<ρi<ρε_max时，认为该卫星扩频应答机a、b机中至少一台应答机的接收机存在性能下降。

实例验证：

下面结合目前在轨扩频应答机实际agc电平遥测数据，以某颗卫星s1某个扩频应答机性能下降为例进一步说明本发明方法中的结论一，以某系列星s2、s3扩频应答机性能下降为例进一步说明本发明方法中的结论二。

一、在轨实际阈值确定

目前满足本发明适用条件的在轨卫星共39颗星，对39颗星的扩频应答机a、b机agc遥测求相关系数，见图2，对相关系数组成的数列求均值e(ρ)为0.92，标准差σ为0.0667，3σ＝0.2，2σ＝0.1334。

建立如下评价阈值：

ρε_min＝e(ρ)-3σ＝0.7199

ρε_max＝e(ρ)-2σ＝0.7866

在轨实际阈值确定后，则两个结论数据确定：

结论一：ρi<0.7199时，表明应答机a、b机中至少一台应答机的接收机存在性能严重下降或出现故障；

结论二：0.7199<ρi<0.7866时，扩频应答机a、b机中至少一台应答机的接收机存在性能下降。

二、利用卫星s1作为验证实例验证结论一：

图3为卫星s1扩频应答机a、b机agc变化曲线，求取卫星s1的相关系数与阈值门限比对为：

ρs1＝0.648951<ρε_min

实际情况为：该星扩频应答机b机接收机于2015年12月出现故障，异常现象为“b机接收机agc值不变且上行失锁”，见图3，后续该异常现象多次出现，符合ρs1<ρε_min，该卫星扩频应答机a、b机中至少一台应答机的接收机存在性能严重下降或出现故障”的评价结论，与实际相符。

三、用s2、s3作为验证实例验证结论二：

1)卫星s2：

ρε_min<ρs2＝0.762201<ρε_max

2)卫星s3：

ρε_min<ρs3＝0.766149<ρε_max

由图4、图5可以看出s2、s3卫星扩频应答机b机接收机agc遥测偏低，且波动范围较大，但绝大部分时间仍可正常使用，符合“该卫星扩频应答机a、b机中至少一台应答机的接收机存在性能下降”的评价结论。

本方法可以实现在轨过程的实时、自动化、精确化监测，为应答机接收机的使用策略制定、异常的提前发现及应急处理争取宝贵时间，为卫星的长期在轨稳定运行提供可靠保障。

该方法可以形成一个软件模块，配置于需要的地方。则本发明还提供了一种在轨卫星扩频应答机性能变化的发现和评估模块，包括数据获取模块、相关系数计算模块、阈值存储模块和评估模块。

阈值存储模块，用于存储评估阈值ρε_min和ρε_max；所述评估阈值的获取方式为：针对多个满足“配备两台相同扩频体制应答机的在轨卫星，且两台扩频应答机接收机均开机工作”的卫星，提取每颗卫星两台扩频应答机的历史自动增益控制(agc)电平遥测数据；对每颗卫星的两组agc电平遥测数据进行相关系数计算，获得一个相关系数；利用所有卫星的相关系数计算均值e(ρ)和标准差σ，构建评估阈值ρε_min＝e(ρ)-3σ和ρε_max＝e(ρ)-2σ；

数据获取模块，用于对待评估的卫星i，获取卫星i两台扩频应答机的agc电平遥测数据；

相关系数计算模块，用于利用数据获取模块获取的agc电平遥测数据计算相关系数ρi；

评估模块，用于将相关系数ρi与评估阈值进行对比，如果ρi小于评估阈值构建模块所构建的评估阈值ρε_min，则确定两台扩频应答机中至少一台的接收机存在性能严重下降或出现故障；如果ρi在ρε_min和ρε_max之间，则确定两台扩频应答机中至少一台的接收机存在性能下降。

上述实施例采用统计的方式建立评估阈值，从而使得统计结果更加准确，符合自然规律，而且算法简单，基于工程实现。然而，在实际中，也可以基于相关系数，采用更简单或者更复杂的模型构建评估阈值，例如均值方式获得评估阈值，或者采用加权均值方式获得评估结果。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。