卫星地面设备快速搜索卫星的扫描方法和系统与流程

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其是涉及一种卫星地面设备快速搜索卫星的扫描方法和系统。

背景技术：

卫星通信系统包括卫星系统和地面系统，两者通过天线通信，对于地面系统来说，改变天线指向对准卫星的过程即为捕获卫星的过程，是展开业务的基础。卫星地面设备应在一定时间内迅速捕获到卫星，以保证业务的快速开展。由于在捕获卫星时，卫星地面设备存在定位、定向和时间的误差，因此卫星地面设备必须结合星历在卫星可能出现的区域内进行全域扫描。在此基础上，为了缩短扫描时间，卫星地面设备扫描区域的范围应根据当前卫星地面设备所处情况调整。

卫星地面设备快速捕获卫星主要受以下三方面误差的制约。

(1)卫星地面设备定位误差

由于地球为椭球形，不同地面位置的站心坐标系的基准面不同，因此卫星地面设备定位的经纬度误差会导致卫星地面设备的站心坐标系误差，进而造成由地球固连坐标系转换到站心坐标系后卫星的坐标误差。

(2)卫星地面设备定向误差

与卫星地面设备定位误差相似，如果卫星地面设备站心坐标系坐标轴的指向存在误差(即卫星地面设备定向存在误差)，也会导致卫星在站心坐标系下的坐标误差。

(3)时间误差

卫星星历用于描述某一具体时刻太空飞行体位置和速度。如果时间存在误差，那么卫星地面设备根据星历得到的卫星位置也会存在误差。因此时间误差也是卫星位置误差的主要来源之一。

近年来，卫星地面设备扫描策略被提出并不断优化，例如逐行扫描、矩形扫描、螺旋线扫描、分行螺旋线扫描等扫描方式。但在卫星地面设备搜索卫星时，上述传统方法不能根据卫星地面设备存在的定位、定向、时间的误差变化动态调整扫描范围。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种卫星地面设备快速搜索卫星的扫描方法和系统，以缓解现有技术中存在的不能根据卫星地面设备存在的定位、定向、时间的误差变化动态调整扫描范围的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种卫星地面设备快速搜索卫星的扫描方法，应用于卫星地面设备，包括：获取卫星地面设备的目标设备误差，所述目标设备误差包括以下至少之一：所述卫星地面设备的定位误差、所述卫星地面设备的定向误差、所述卫星地面设备的时间误差；获取待搜索卫星的卫星星历；基于所述目标设备误差和所述卫星星历，确定所述待搜索卫星的目标扫描范围；在所述目标扫描范围内执行扫描操作，直到接收所述待搜索卫星的信令结束扫描。

进一步地，在所述目标扫描范围内执行扫描操作，包括：以所述目标扫描范围的中心为起始点，以螺旋线向外扫描的方式对所述目标扫描范围进行扫描操作。

进一步地，基于所述目标设备误差和所述卫星星历，确定搜索所述待搜索卫星的目标扫描范围，包括：基于所述卫星星历，确定所述待搜索卫星在地球固连坐标系下的第一坐标；基于预设坐标系旋转矩阵和所述第一坐标，得到所述待搜索卫星在站心坐标系下的第二坐标；基于所述预设坐标系旋转矩阵和所述目标设备误差，确定目标扫描半径；将以所述第二坐标为圆心，所述目标扫描半径为半径的圆形范围，确定为搜索所述待搜索卫星的目标扫描范围。

进一步地，所述预设坐标系旋转矩阵的表达式为：其中，ω为升交点赤径，b为所述卫星地面设备的纬度，表示当前坐标系绕z轴旋转的旋转矩阵，表示当前坐标系绕x轴旋转的旋转矩阵。

进一步地，基于所述预设坐标系旋转矩阵和所述目标设备误差，确定目标扫描半径，包括：基于所述预设坐标系旋转矩阵，分别确定单位定位误差、单位定向误差和单位时间误差所对应的扫描半径；通过算式：r＝rax+rby+rcz计算目标扫描半径；其中，r为所述目标扫描半径，ra表示单位定位误差所对应的扫描半径，rb表示单位定向误差所对应的扫描半径，rc表示单位时间误差所对应的扫描半径，x表示所述所述卫星地面设备的定位误差，y表示所述卫星地面设备的定向误差，z表示所述卫星地面设备的时间误差。

进一步地，在所述目标扫描范围内执行扫描操作，包括：基于所述卫星星历确定所述待搜索卫星的卫星轨道；基于所述卫星轨道，确定对所述待搜索卫星进行扫描的天线类型；基于所述天线类型确定目标螺旋线的轨迹；利用与所述天线类型相匹配的目标天线，依照所述目标螺旋线的轨迹对述目标扫描范围进行扫描操作。

进一步地，基于所述天线类型确定目标螺旋线的轨迹，包括：基于所述天线类型确定目标螺旋线的螺距；通过算式ρ＝aθ和算式d＝2πa确定目标螺旋线的轨迹；其中，ρ为所述目标螺旋线的极径，θ为所述目标螺旋线的极角，a为正参数，d为所述目标螺旋线的螺距。

第二方面，本发明实施例还提供了一种卫星地面设备快速搜索卫星的扫描系统，应用于卫星地面设备，包括：第一获取模块，第二获取模块，确定模块和扫描模块，其中，所述第一获取模块，用于获取卫星地面设备的目标设备误差，所述目标设备误差包括以下至少之一：所述卫星地面设备的定位误差，所述卫星地面设备的定向误差和所述卫星地面设备的时间误差；所述第二获取模块，用于获取待搜索卫星的卫星星历；所述确定模块，用于基于所述目标设备误差和所述卫星星历，确定所述待搜索卫星的目标扫描范围；所述扫描模块，用于在所述目标扫描范围内执行扫描操作，直到接收所述待搜索卫星的信令结束扫描。

进一步地，所述确定模块包括：第一确定单元，第二确定单元，第三确定单元和第四确定单元，其中，所述第一确定单元，用于基于所述卫星星历，确定所述待搜索卫星在地球固连坐标系下的第一坐标；所述第二确定单元，用于基于预设坐标系旋转矩阵和所述第一坐标，得到所述待搜索卫星在站心坐标系下的第二坐标；所述第三确定单元，用于基于所述预设坐标系旋转矩阵和所述目标设备误差，确定目标扫描半径；所述第四确定单元，用于将以所述第二坐标为圆心，所述目标扫描半径为半径的圆形范围，确定为搜索所述待搜索卫星的目标扫描范围。

第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一方面所述的方法的步骤。

本发明实施例提供了一种卫星地面设备快速搜索卫星的扫描方法和系统，可由卫星地面设备的定位误差、定向误差、时间误差，动态自适应地调整卫星地面设备在搜索待搜索卫星时的扫描范围，根据误差分布特性采取螺旋线扫描的方式扫描，达到快速捕获到卫星的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种卫星地面设备快速搜索卫星的扫描方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种坐标系转换示意图；

图3为本发明实施例提供的一种搜索待搜索卫星的目标扫描范围示意图；

图4为本发明实施例提供的一种x-y型天线转角示意图；

图5为本发明实施例提供的一种螺旋线示意图；

图6为本发明实施例提供的一种星地面设备快速搜索卫星的扫描系统的示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种星地面设备快速搜索卫星的扫描系统的示意图；

图8为本发明实施例提供的一种星地面设备快速搜索卫星的扫描装置的示意图；

图9为本发明实施例提供的一种中轨道卫星星座的主视图；

图10为本发明实施例提供的一种中轨道卫星星座的俯视图；

图11为本发明实施例提供的一种地球站扫描过程示意图；

图12为本发明实施例提供的一种地球站的卫星接入时间分布情况示意图；

图13为本发明实施例提供的一种卫星接入时间的累积概率曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

图1是根据本发明实施例提供的一种卫星地面设备快速搜索卫星的扫描方法的流程图，该方法应用于卫星地面设备。如图1所示，该方法具体包括如下步骤：

步骤s102，获取卫星地面设备的目标设备误差，目标设备误差包括以下至少之一：卫星地面设备的定位误差，卫星地面设备的定向误差和卫星地面设备的时间误差。

步骤s104，获取待搜索卫星的卫星星历。

步骤s106，基于目标设备误差和卫星星历，确定搜索待搜索卫星的目标扫描范围。

步骤s108，在目标扫描范围内执行扫描操作，直到接收待搜索卫星的信令结束扫描。

优选地，在本发明实施例中，以目标扫描范围的中心为起始点，以螺旋线向外扫描的方式对目标扫描范围进行扫描操作，直到接收待搜索卫星的信令结束扫描。

本发明实施例提供了一种卫星地面设备快速搜索卫星的扫描方法，可由卫星地面设备的定位误差、定向误差、时间误差，动态自适应地调整卫星地面设备在搜索待搜索卫星时的扫描范围，根据误差分布特性采取螺旋线扫描的方式扫描，达到快速捕获到卫星的效果。

可选地，步骤s106还包括如下步骤：

步骤s1061，基于卫星星历，确定待搜索卫星在地球固连坐标系下的第一坐标。

步骤s1062，基于预设坐标系旋转矩阵和第一坐标，得到待搜索卫星在站心坐标系下的第二坐标。

其中，预设坐标系旋转矩阵的表达式为：

ω为升交点赤径，b为卫星地面设备的纬度，表示当前坐标系绕z轴旋转的旋转矩阵，表示当前坐标系绕x轴旋转的旋转矩阵。

具体地，如图2所示，待搜索卫星在地球固连坐标系下的第一坐标绕z1轴转然后绕xm轴转即转换到站心坐标系下的第二坐标。

步骤s1063，基于预设坐标系旋转矩阵和目标设备误差，确定目标扫描半径。

具体地，目标扫描半径可以通过如下方式确定：

首先，基于预设坐标系旋转矩阵，分别确定单位定位误差、单位定向误差和单位时间误差所对应的扫描半径。

具体地，单位定位误差所对应的扫描半径通过如下方式确定：由定位误差得出卫星地面设备在地球固连坐标系位置坐标范围(即在最大误差下的坐标值)，由卫星在地球固连坐标系的第一坐标和预设坐标系旋转矩阵r得到卫星地面设备指向卫星向量的站心坐标系坐标误差范围，从而得出以卫星地面设备为球心的半球空域的球心角范围，即单位定位误差所对应的扫描半径。

具体地，单位定向误差所对应的扫描半径通过如下方式确定：由卫星地面设备在地球固连坐标系的位置坐标、卫星在地球固连坐标系的第一坐标，得到地球固连坐标系下卫星地面设备指向卫星向量的地球固连坐标系坐标[x,y,z]^t。由预设坐标系旋转矩阵r得到卫星地面设备指向卫星向量的站心坐标系坐标r·[x,y,z]^t。根据定向误差，即站心坐标系坐标轴的最大指向误差，设站心坐标系三个坐标轴xm、ym、zm的指向误差角度最大值分别为θ、ψ。然后将站心系坐标系分别绕三个坐标轴xm、ym、zm旋转θ、ψ，即r1·r·[x,y,z]^t，得到卫星地面设备指向卫星向量的站心坐标系坐标误差范围，从而得出扫描的球心角范围，即单位定向误差所对应的扫描半径。其中，r1为站心坐标系旋转矩阵，具体旋转方式本发明实施例中不做限定。例如，r1可以是3-2-1旋转模式的坐标轴旋转矩阵。

可选地，3-2-1旋转模式的坐标轴旋转矩阵r1的数学形式如下：

具体地，单位时间误差所对应的扫描半径通过如下方式确定：根据时间误差，得出卫星在地球固连坐标系位置坐标误差范围，由卫星地面设备地球固连坐标系位置坐标和坐预设坐标系旋转矩阵r得到卫星地面设备指向卫星向量的站心坐标系坐标误差范围，从而得出以卫星地面设备为球心的半球空域的球心角范围，即单位时间误差所对应的扫描半径。

然后，通过算式：r＝rax+rby+rcz计算目标扫描半径；其中，r为目标扫描半径，ra表示单位定位误差所对应的扫描半径，rb表示单位定向误差所对应的扫描半径，rc表示单位时间误差所对应的扫描半径，x表示卫星地面设备的定位误差，y表示卫星地面设备的定向误差，z表示卫星地面设备的时间误差。

步骤s1064，将以第二坐标为圆心，目标扫描半径为半径的圆形范围，确定为搜索待搜索卫星的目标扫描范围。

在本发明实施例中，当卫星地面设备存在定位误差、定向误差和时间误差时，目标扫描范围为以根据卫星星历得到的卫星位置为中心的圆形区域，目标扫描半径为定位误差、定向误差、时间误差分别对应的扫描半径之和，如图3所示。

具体地，步骤s108还包括如下步骤：

步骤s1081，基于卫星星历确定待搜索卫星的卫星轨道。

步骤s1082，基于卫星轨道，确定对待搜索卫星进行扫描的天线类型。

步骤s1083，基于天线类型确定目标螺旋线的轨迹。

步骤s1084，利用与天线类型相匹配的目标天线，依照目标螺旋线的轨迹对述目标扫描范围进行扫描操作。

在本发明实施例中，首先根据需要跟踪的卫星轨道，判断是否存在过顶，并结合其他因素决定采用何种类型的天线，天线的类型主要有俯仰-方位型，x-y型，还有俯仰-方位-倾斜型，后两种都能克服过顶的问题。根据不同的天线选型，将扫描迹线上点的坐标转化为天线指向的调整指令，不同的天线类型，转换方法不同。俯仰-方位型天线沿俯仰和方位方向转动，此种天线的转换方法为将扫描迹线点的坐标转化为天线俯仰角和方位角的变化量。x-y型天线沿x轴和y轴转动。如图4所示，为x轴转角,它是以天线顶空处，x轴转角和y轴转角为零(天线指向沿z轴向上)算起的角度。先绕x轴转角，再绕y轴转角度即可指向卫星s。此种天线的转换方法为将扫描迹线点的坐标转化为绕x轴和绕y轴转角的变化量。俯仰-方位-倾斜型天线是在俯仰-方位型天线座的基础上引入第三轴，即倾斜轴。此种天线的转换方法为将扫描迹线点的坐标转化为天线俯仰角、方位角以及倾斜轴转角的变化量。

一般情况下，卫星地面设备存在的定位误差、定向误差、时间误差呈随机正态分布，待搜索卫星在目标扫描范围的中心的概率最大，越到扫描范围边缘，搜到卫星的概率越小，因此采用螺旋线的扫描方式，先搜索中心区域，后搜索边缘区域，以便更快的找到卫星。

螺旋线示意图如图5，设扫描中心位于极坐标系的坐标原点，根据目标扫描范围，由如下方式确定螺旋线扫描参数：

基于天线类型确定目标螺旋线的螺距。

通过算式ρ＝aθ和算式d＝2πa确定目标螺旋线的轨迹；其中，ρ为目标螺旋线的极径，θ为目标螺旋线的极角，a为正参数，d为目标螺旋线的螺距。

螺线长l的表达式为：

最后，卫星地面设备控制天线指向扫描范围中心位置，即根据星历得出的卫星位置，按照螺旋线扫描的方式转动，沿扫描迹线(即目标螺旋线的轨迹)在每个扫描波位停下，等待各个频点的卫星信令接收。如果没有收到卫星发送的信令，则天线继续转向下一个方向，直到接收到卫星的信令。卫星地面设备天线收到卫星信令后，发送上行应答信令到卫星，扫描完成。

实施例二：

图6是根据本发明实施例提供的一种卫星地面设备快速搜索卫星的扫描系统的示意图，该系统应用于卫星地面设备。如图6所示，该系统包括：第一获取模块10，第二获取模块20，确定模块30和扫描模块40。

具体地，第一获取模块10，用于获取卫星地面设备的目标设备误差，目标设备误差包括以下至少之一：卫星地面设备的定位误差，卫星地面设备的定向误差和卫星地面设备的时间误差。

第二获取模块20，用于获取待搜索卫星的卫星星历。

确定模块30，用于基于目标设备误差和卫星星历，确定搜索待搜索卫星的目标扫描范围。

扫描模块40，用于在目标扫描范围内执行扫描操作，直到接收待搜索卫星的信令结束扫描。

优选地，在本发明实施例中，扫描模块40用于以目标扫描范围的中心为起始点，以螺旋线向外扫描的方式对目标扫描范围进行扫描操作，直到接收待搜索卫星的信令结束扫描。

本发明实施例提供了一种卫星地面设备快速搜索卫星的扫描系统，可由卫星地面设备的定位误差、定向误差、时间误差，动态自适应地调整卫星地面设备在搜索待搜索卫星时的扫描范围，根据误差分布特性采取螺旋线扫描的方式扫描，达到快速捕获到卫星的效果。

可选地，图7是根据本发明实施例提供的另一种卫星地面设备快速搜索卫星的扫描系统的示意图。如图7所示，确定模块30包括：第一确定单元31，第二确定单元32，第三确定单元33和第四确定单元34。

具体地，第一确定单元31，用于基于卫星星历，确定待搜索卫星在地球固连坐标系下的第一坐标。

第二确定单元32，用于基于预设坐标系旋转矩阵和第一坐标，得到待搜索卫星在站心坐标系下的第二坐标。

第三确定单元33，用于基于预设坐标系旋转矩阵和目标设备误差，确定目标扫描半径。

具体地，第三确定单元33还用于：基于预设坐标系旋转矩阵，分别确定单位定位误差、单位定向误差和单位时间误差所对应的扫描半径；通过算式：r＝rax+rby+rcz计算目标扫描半径；其中，r为目标扫描半径，ra表示单位定位误差所对应的扫描半径，rb表示单位定向误差所对应的扫描半径，rc表示单位时间误差所对应的扫描半径，x表示卫星地面设备的定位误差，y表示卫星地面设备的定向误差，z表示卫星地面设备的时间误差。

第四确定单元34，用于将以第二坐标为圆心，目标扫描半径为半径的圆形范围，确定为搜索待搜索卫星的目标扫描范围。

本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例一中的方法的步骤。

本发明实施例还提供了一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，程序代码使处理器执行上述实施例一中的方法。

实施例三：

图8是根据本发明实施例提供的一种卫星地面设备快速搜索卫星的扫描装置的示意图。如图8所示，该装置包括：确定扫描范围模块81，确定扫描方式模块82和确定扫描流程模块83。

具体地，确定扫描范围模块81，用于利用坐标系转换的方式，分析卫星地面设备的定位误差、定向误差和时间误差对扫描范围的影响；根据定位误差、定向误差和时间误差确定扫描范围。

确定扫描方式模块82，用于根据扫描范围，确定螺旋线扫描的参数；根据采用的天线类型，确定天线指向的调整方法。

确定扫描流程模块83，用于控制卫星地面设备天线执行扫描范围的中心位置；控制卫星地面设备天线按照螺旋线的扫描迹线转动；若接收到卫星信令，则扫描结束；若没有接收到卫星信令，则转向下一个方向指导扫描到卫星。

例如，卫星地面设备以地球站为例，扫描一颗中轨道卫星星座的卫星过程如下：

中轨道卫星星座构型：8颗中轨道卫星位于8个轨道面上，轨道的高度和倾角相同，轨道高度约为20000km，轨道倾角约为50°。轨道面升交点在参考平面内均匀分布，在相邻轨道面的卫星之间的相位差相同。星座的主视图和俯视图如图9和图10所示。

根据确定扫描范围模块，选取全球均匀分布的642个地面位置上的地球站，确定所有的地球站在相同的误差下的扫描范围。经仿真，扫描范围最大的地球站的经度为128.1°、纬度为-4.65°。仿真在此位置的地球站的扫描范围与三种误差的关系。经过仿真，扫描范围与定位误差、定向误差、时间误差成正比：定位误差每增加1°，圆形区域的扫描半径约增加1.85°；定向误差每增加1°，扫描半径约增加1.78°；时间误差每增加1分钟，扫描半径约增加0.53°。

设定位误差为x度，定向误差为y度，时间误差为z分钟，则扫描半径r＝1.85x+1.78y+0.53z(度)。

根据确定扫描方式模块，采用螺旋线的扫描方式，由于实例的卫星过顶，采用x-y型天线，确定相应的天线指向调整指令。实例的扫描半径r、扫描螺距d、相邻波束中心间螺旋线长l0、扫描线速度v等扫描参数如下表1所示：

表1实例扫描参数

根据确定扫描流程模块，地球站天线按照扫描流程从扫描范围中心开始扫描卫星。地球站天线沿扫描迹线在每个扫描波位停下，等待各个频点的卫星信令接收，等待时间为3.12秒。若地球站天线没有收到卫星发送的信令，则天线继续转向下一个方向等待信令，若接收到了信令，则发送上行信令到卫星，扫描成功。地球站天线扫描时间为天线转动的时间和等待频点的时间之和。

实例的仿真结果如下：

将地球站设置在北京。图11为本发明实施例提供的一种地球站扫描过程示意图。如图11所示，该扫描过程采用x-y型天线，横坐标为x轴转角，纵坐标为y轴转角，斜向直线为卫星轨道。

如图11所示，中间实心圆为已扫描的区域，外面空心圆为待扫描区域。总共需要扫描449个波束，总扫描时间为31.2分钟。地球站天线最终在第214个波束位置扫描到了卫星1的位置，实际扫描时间为14.8分钟。

采用蒙特卡罗仿真的方法，仿真全球均布的642个地球站的卫星接入时间分布。地球站扫描在开始时刻仰角最大的卫星，在扫描过程中也可以接入其他卫星。地球站的卫星接入时间分布情况如图12所示，累积概率曲线如图13所示。

由以上仿真结果可知，采用本发明实施例提供的扫描方法后，有92.2％的地球站可以在10分钟内接入，地球站的卫星接入时间最短为0分钟，最长为90分钟。因此，本发明实施例提供的卫星地面设备快速搜索卫星的扫描装置可以通过地球站的定位误差、定向误差和时间误差，动态自适应地调整地球站扫描范围，结合螺旋线的扫描方式，达到地球站快速捕获卫星的技术效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。