LEO至HEO多轨道卫星测控系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种LEO至HEO多轨道卫星测控系统及方法，所述LEO至HEO多轨道卫星测控系统包括测定轨模块、第一遥测模块、第二遥测模块及遥控模块，其中：所述测定轨模块被配置为USB测定轨结合GNSS测定轨的方式；所述遥控模块被配置为以两副测控收发天线合路实现全球波束覆盖，在所有轨道运行阶段接收遥控信号；所述第一遥测模块被配置为以两副所述测控收发天线合路实现全球波束覆盖，在LEO轨道及变轨早期阶段发射小功率遥测信号；所述第二遥测模块被配置为单天线发射模式实现半球波束覆盖，并通过两副所述测控发射天线切换实现分时全球波束覆盖，在变轨后期阶段及HEO轨道阶段发射大功率遥测信号。

【技术实现步骤摘要】
LEO至HEO多轨道卫星测控系统及方法
本专利技术涉及观测卫星
，特别涉及一种LEO至HEO多轨道卫星测控系统及方法。
技术介绍
近年来，我国启动了一系列空间科学天文观测卫星工程项目，并积极与国际(主要以欧空局ESA为代表)合作，共同开拓人类对空间天文认知的边界。比如SVOM卫星、EP卫星、ASOS卫星、MIT星座、SMILE(太阳风-磁层相互作用全景成像，SolarwindMagnetosphereIonosphereLinkExplorer，简称SMILE)卫星等。其中有部分卫星科学观测任务段需要从近地轨道(LEO)至高椭圆轨道(HEO)，如：磁层-电离层-热层耦合小卫星星座探测计划(简称MIT星座)，卫星工作轨道由LEO转移至近地点为1Re(地球半径)，远地点为7Re的HEO任务轨道；SMILE卫星工作轨道由LEO转移至近地点为5000km，远地点为19Re的HEO任务轨道。该类卫星从初始LEO轨道到最终HEO任务轨道的转移过程中存在大尺度星地距离变化和不同阶段卫星姿态指向变化的情况，到达最终HEO轨道之后的整个任务运行期间同样存在该情况。目前，我国已成功开展多颗基于LEO轨道的科学观测/探测卫星任务，如全球二氧化碳监测卫星、“悟空”暗物质探测卫星、“太极一号”微重力探测卫星等。成熟应用于该类卫星的常规测控方案存在一定局限性，无法直接应用于后续正在全面实施中的基于LEO～HEO多轨道任务的卫星。本专利技术对现有基于LEO轨道任务卫星的传统测控系统方案进行改进设计，为基于LEO～HEO多轨道任务的卫星提供测控系统解决方案。常规型USB(UnifiedS-Band，统一S波段)体制测控方案是目前国际通用的测控方案，下面对该体制方案进行简要介绍，并分析其应用于LEO～HEO测控任务存在的问题。常规型S频段统一载波测控系统组成如图1所示。由图1可知，常规型卫星平台统一载波测控系统由2副测控天线、1个微波网络、2台USB应答机、1副或2副GPS接收天线和1台GPS接收机组成，其中测控天线收发共用，天线1对天+Z向安装，天线2对地-Z向安装；4端口微波网络2端连接对天/对地天线，另2端连接应答机，实现对空间的近全向覆盖；两台收发合一的应答机设计完全一致，由双工器、接收机和发射机组成，两台应答机中的接收机互为热备份，发射机互为冷备份；GPS接收机接收导航星信号进行定位定轨，作为卫星测定轨的辅助手段。LEO～HEO测控任务的特点体现在：卫星运行轨道距离远-近变化大，轨道运行过程复杂；由于观测任务需要，卫星姿态变化较大，对地姿态较少，要求卫星在轨工作全过程全空间对地可实时测控；根据该类卫星测控任务特点，在LEO～HEO测控任务中，采用常规型测控方案，会存在如下几方面问题：(1)卫星在轨飞行过程中，卫星可能存在长时间侧偏对地情况。而常规型测控方案通过微波网络将对天/对地天线进行组阵，组阵后的天线方向图，如图2所示，在侧偏近水平方向±15°内会形成干涉区，干涉区内的天线合成增益会存在多个凹陷区，影响链路的可靠性，不能满足LEO～HEO测控要求。(2)该类卫星在轨道转移过程中以及运行至HEO轨道时，星地通信距离远，自由空间传输损耗大，常规型测控方案的发射输出信号功率EIRP较小，无法满足下行通信链路建立要求；星上接收地面上行信号微弱，而常规型测控方案应答机接收灵敏度有限，也不能够满足上行链路要求。常规型测控方案EIRP≥10dBm，以SMILE卫星的HEO远地点为例，结合地球站的增益，经计算到达地球站的信号功率为-144dBm，而地球站的最低接收门限为-130dBm(参照美国深空测控网地球站指标)，因此常规型测控方案的EIRP不能满足HEO轨道任务的使用要求。根据中国测控网12m测控站的发射能力，经计算到达星上测控接收机的信号功率为-113dBm(以SMILE卫星为例)，而传统应答机上行接收灵敏度指标为-112dBm，极限接收灵敏度为-115dBm，上行链路余量较小，无法满足遥控链路需求。(3)在HEO轨道时测控上行接收通道输入信噪比较低，需要尽可能减小测控发射射频输出对接收通道的干扰，而常规型测控方案采用收/发共用天线和应答机收/发双工器，这样收发隔离度较小，如果进一步增大发射功率及提高接收灵敏度，需要提高收发双工器的隔离度指标，具有较高工程实现难度。(4)传统方案的遥测发送速率只有一档，一般为8192bps，无法适应该类卫星星地距离的大尺度变化。此外，遥测信道一般无信道纠错编码，无法在降低发射功率的前提下提供充裕的遥测链路余量。(5)导航卫星发射波束宽度设计只考虑为地球表面附近区域提供信号覆盖，如图3所示，当航天器轨道高度高于2000km时，特别是高于导航星所在轨道面时，大部分区域导航信号将变得很微弱。常规LEO轨道卫星星载GPS接收机的接收灵敏度为-130dBm～-134dBm，变轨期间及HEO轨道期间的接收定位效果差甚至完全无法定位，无法满足卫星测定轨需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种LEO至HEO多轨道卫星测控系统及方法，以解决现有的测控方案无法应用于基于LEO至HEO变轨道任务卫星的问题。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种LEO至HEO多轨道卫星测控系统，包括：测定轨模块，其被配置为以USB测定轨结合GNSS测定轨的方式；遥控模块，其被配置为以两副测控收发天线合路实现全球波束覆盖，在所有轨道运行阶段接收遥控信号；第一遥测模块，其被配置为以两副所述测控收发天线合路实现全球波束覆盖，在LEO轨道及变轨早期阶段发射小功率遥测信号；以及第二遥测模块，其被配置为单天线发射模式实现半球波束覆盖，并通过两副所述测控发射天线切换实现分时全球波束覆盖，在变轨后期阶段及HEO轨道阶段发射大功率遥测信号。可选的，在所述的LEO至HEO多轨道卫星测控系统中，所述LEO至HEO多轨道卫星测控系统包括第一应答机、第二应答机及六口微波网络，其中：所述第一应答机、所述第二应答机、两副所述测控收发天线及所述六口微波网络构成所述遥控模块及所述第一遥测模块；所述第一应答机与所述第二应答机均连接所述六口微波网络，并通过所述六口微波网络连接所述测控收发天线；所述小功率遥测信号通过所述第一应答机或所述第二应答机发送至所述六口微波网络，并通过所述六口微波网络发送至所述测控收发天线；所述遥控信号通过所述测控收发天线发送至所述六口微波网络，并通过所述六口微波网络发送至所述第一应答机和所述第二应答机。可选的，在所述的LEO至HEO多轨道卫星测控系统中，所述六口微波网络包括第一四口微波网络、第一双工器和第二双工器，其中：所述小功率遥测信号通过所述第一应答机发送至所述第一双工器，所述第一双工器将所述小功率遥测信号发送至所述第一四口微波网络的一端口，并通过所述第一四口微波网络发送至所述第一测控收发天线和所述第二测控收发天线；所述小功率遥测信号通过所述第二应答机发送至所述第二双工器，所述第二双工器将所述小功率遥本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种LEO至HEO多轨道卫星测控系统，其特征在于，包括：/n测定轨模块，其被配置为以USB测定轨结合GNSS测定轨的方式；/n遥控模块，其被配置为以两副测控收发天线合路实现全球波束覆盖，在所有轨道运行阶段接收遥控信号；/n第一遥测模块，其被配置为以两副所述测控收发天线合路实现全球波束覆盖，在LEO轨道及变轨早期阶段发射小功率遥测信号；以及/n第二遥测模块，其被配置为单天线发射模式实现半球波束覆盖，并通过两副所述测控发射天线切换实现分时全球波束覆盖，在变轨后期阶段及HEO轨道阶段发射大功率遥测信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种LEO至HEO多轨道卫星测控系统，其特征在于，包括：
测定轨模块，其被配置为以USB测定轨结合GNSS测定轨的方式；
遥控模块，其被配置为以两副测控收发天线合路实现全球波束覆盖，在所有轨道运行阶段接收遥控信号；
第一遥测模块，其被配置为以两副所述测控收发天线合路实现全球波束覆盖，在LEO轨道及变轨早期阶段发射小功率遥测信号；以及
第二遥测模块，其被配置为单天线发射模式实现半球波束覆盖，并通过两副所述测控发射天线切换实现分时全球波束覆盖，在变轨后期阶段及HEO轨道阶段发射大功率遥测信号。


2.如权利要求1所述的LEO至HEO多轨道卫星测控系统，其特征在于，所述LEO至HEO多轨道卫星测控系统包括第一应答机、第二应答机及六口微波网络，其中：
所述第一应答机、所述第二应答机、两副所述测控收发天线及所述六口微波网络构成所述遥控模块及所述第一遥测模块；
所述第一应答机与所述第二应答机均连接所述六口微波网络，并通过所述六口微波网络连接所述测控收发天线；
所述小功率遥测信号通过所述第一应答机或所述第二应答机发送至所述六口微波网络，并通过所述六口微波网络发送至所述测控收发天线；
所述遥控信号通过所述测控收发天线发送至所述六口微波网络，并通过所述六口微波网络发送至所述第一应答机和所述第二应答机。


3.如权利要求2所述的LEO至HEO多轨道卫星测控系统，其特征在于，所述六口微波网络包括第一四口微波网络、第一双工器和第二双工器，其中：
所述小功率遥测信号通过所述第一应答机发送至所述第一双工器，所述第一双工器将所述小功率遥测信号发送至所述第一四口微波网络的一端口，并通过所述第一四口微波网络发送至所述第一测控收发天线和所述第二测控收发天线；
所述小功率遥测信号通过所述第二应答机发送至所述第二双工器，所述第二双工器将所述小功率遥测信号发送至所述第一四口微波网络的二端口，并通过所述第一四口微波网络发送至第一测控收发天线和第二测控收发天线；
两台应答机的小功率发射机为冷备工作，即同一时刻只有一台小功率发射机发射遥测信号；
所述遥控信号通过所述第一测控收发天线或所述第二测控收发天线发送至所述第一四口微波网络，并通过所述第一四口微波网络发送至所述第一双工器，并通过所述第一双工器发送至所述第一应答机；
所述遥控信号通过所述第一测控收发天线或所述第二测控收发天线发送至所述第一四口微波网络，并通过所述第一四口微波网络发送至所述第二双工器，并通过所述第二双工器发送至所述第二应答机；
所述第一测控收发天线对天+Z向安装，所述第二测控收发天线对地-Z向安装。


4.如权利要求3所述的LEO至HEO多轨道卫星测控系统，其特征在于，所述第一应答机和所述第二应答机均包括射频接收通道、射频发射通道及基带数字信号处理器，其中：
所述第一应答机和所述第二应答机互为备份；
所述基带数字信号处理器连接在星务计算机与所述射频接收通道及射频发射通道之间；
所述射频接收通道的另一端连接所述第一双工器或所述第二双工器；
所述射频发射通道的另一端连接所述第一双工器或所述第二双工器。


5.如权利要求4所述的LEO至HEO多轨道卫星测控系统，其特征在于，所述LEO至HEO多轨道卫星测控系统还包括微波开关、第一功率放大器、第二功率放大器及第二四口微波网络，其中：
所述第一功率放大器及所述第二功率放大器分别集成于所述第一应答机和所述第二应答机中；
两副所述测控发射天线、所述微波开关、所述第一应答机...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄江江，贾铂奇，张月婷，
申请(专利权)人：中国科学院微小卫星创新研究院，上海微小卫星工程中心，
类型：发明
国别省市：上海;31