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鸽群卫星(Dove)测运控分析

2020-07-12  新用户219...
截止2019年7月,Planet已经发射了298颗Dove系列卫星,其中还有150颗在轨运行,每天收集超过3亿平方公里的图像,这些卫星的特点是一个轨道面内卫星数量众多,例如Flock-3P一次入轨88颗。鸽群卫星的在轨测运控与传统的单星管理有显著的区别,Planet只用几个人操作十几个站的几十付天线完成了几百颗卫星的在轨监视、异常处理、轨道控制、任务规划和数据接收等,同时还运用它“敏捷航天”的迭代设计理念,通过运控技术的不断改进,持续了提升卫星的应用效率,为卫星在轨测运控提供了一个新思路。
   1.地面运控系统
  Planet地面运控系统由2个控制中心和11个地面站组成,一个控制中心位于美国旧金山总部,另一个位于德国柏林,图 1是旧金山总部的控制大厅。地面站分别位于美国肯塔基州的Morehead、加利福尼亚的Halfmoon bay和Palo alto,华盛顿布鲁斯特,冰岛凯夫拉维克、英国的Chilboton以及德国、新西兰和澳大利亚等地,共有32个UHF天线。8个地面站工作在X波段,每个站有多付接收天线,共22付,口径从4.5m到7.6m,它们的G/T值大于29dB/K,最大发射功率100W。图 2是8个X波段地面站在全球的分布和其中之一的冰岛凯夫拉维克地面站4.5m天线。
   
  (a)   控制大厅   
 
 (b)  地面站远程监控大屏
  
8X波段地面站分布
      
2   冰岛凯夫拉维克地面站4.5m天线
    2.    测控链路
Planet的测控链路由UHF频段、S频段和X频段测控组成,其中UHF频段传输卫星的下行遥测数据接收和用于地面站发送上行遥控指令,S频段只用于地面上行发令,X频段用于卫星下传遥感数据和遥测数据。
(1)地面测控站组成
图 3是一个包含UHF、S和X频段的Planet卫星测控系统组成,其中UHF使用一个天线,有上、下行信道,S和X频段共用一个天线,S只有上行信道、X只有下行信道,UHF和S共同使用一个测控基带-SpaceTalker Transceiver,X独立使用一个解调器。
3 Planet卫星测控系统组成
 (2)星上测控系统组成
图 4是Dove2星上通信测控系统组成,其中UHF的发射中心频率为450.0MHz、接收中心频率为401.3MHz,采用单极化全向天线;S上行遥控中心频率为2056MHz,采用右旋圆极化微带天线;X下行遥测为两路,中心频率为8133MHz和8200MHz,分别采用右旋圆极化微带天线和右旋圆极化螺旋天线,两路信号通过开关进行选择。
4   Dove2星上测控系统原理图
DOVE卫星的天线非常有特色,图 5是DOVE卫星Flock-3P系列的天线外形,其中伸出的杆为UHF鞭状天线,S和X天线为微带天线,安装在圆盘上。卫星采用10cm×10cm×30cm的立方体结构,对应的伸杆长度约为30cm、圆盘直径约10cm。
5  Flock-3P卫星天线外形
    2.1 UHF链路
UHF链路提供遥测、遥控和测距功能,收发信机采用了美国德克萨斯仪器公司的CC1110货架产品。上行频率范围401-402MHz,中心频率为401.3MHz,带宽60KHz,下行频率范围449.75-450.25 MHz,中心频率为450.0MHz,带宽60KHz,信息传输速率4800bps,测距精度优于2 km,数据格式采用串口协议,信道安全采用AES-256加密协议。图 6是Planet地面站的UHF天线。
6  PlanetUHF天线
以DOVE1使用UHF链路测控为例,卫星上电后,第一个任务就是用无线信标发送遥测,信标包含健康包(包括温度、电源、电流和RSSI、太阳向量和加速度),使用AFSK调制方式、1.2bps速率,AX.25协议,每30秒发送一次。信标功率最大1W,使用1/4波长单极天线。
Flock-3P的UHF信道上行450MH,星上发射功率1W,地面最大上行功率100W,下行401.3MHz,采用GFSK调制方式,4800bps速率,数据加密,测距误差0.5km,事后定位误差1~3km。
2.2  S上行链路
S上行链路用于测控和数传链路闭环控制的上行遥控,采用美国Microhard公司生产的MHX-2420货架产品,中心频率2056MHz,带宽1.31MHz,扩频通信体制,BPSK调制方式,速率250 kbps,数据格式采用串口协议,信道安全采用AES-256加密协议。
2.3   X下行链路
X下行链路除了传输遥感图像数据,还下传卫星的遥测数据,工作在X 频段的8025-8400 MHz,使用Planet专用的高速数传系统(HDS),采用DVB-S2协议,调制方式为QPSK, 8PSK、16APSK和32APSK,编码方式从1/4到9/10FEC。信道安全采用AES-128算法,Flock-3P系列卫星的传输速率220Mbps。
    3. 运行控制
Planet卫星的运行管理只雇用了很少几个人,卫星在轨主要靠自主运行,公司从一开始就着眼于卫星的自动化运行,然后通过不断迭代改进来完善系统性能,而不是传统的先靠人工管理、然后逐步发展自动化。卫星的监视主要靠故障检测和处理软件,不需要人员监视,大部分时间卫星管理人员执行早9晚5的作息时间,在此时间之外的卫星故障通常是在第二天上班时再处理。卫星设计人员可以随时通过网络了解卫星的状态,操作人员甚至可以在家完成对卫星的操作。
除了在卫星设计上采用“敏捷航天”的迭代思路来提升卫星的性能外,Planet还将其应用到地面管理系统,体现在它的技术人员不断对系统的数据接收情况、设备工作状态和卫星在轨情况进行定期分析,找到出现问题的原因,提高系统性能,效果之一是显著增加了每天遥感数据的接收量。例如Flock-3P卫星入轨后,使用这种方法,地面站数据接收的平均速率在几个月内从110Mbps提高至160Mbps,如图7中2017年3月到7月曲线变化所示。
7  Planet地面系统每天数据接收量增长情况
在控制中心还有一个与在天运行的卫星同样的卫星在地面运行,技术人员通过不断对它进行分析,持续改进卫星的性能,经常将改进措施注入到在轨卫星,中心软件运行在亚马逊的云端(AWS)
     3.1 卫星运行模式
鸽子卫星通常的运行模式是经过陆地上方时,卫星姿态指向下方取图。有时,鸽子卫星会对月球成像进行光学校准、动量轮卸载或打开星敏进行姿态校准。当计划对地传输开始时,鸽子卫星会跟踪地面站并打开X波段发射机传输图像数据。不执行上述操作时,卫星处于低阻力状态运行并充电。
Dove群卫星使用了“在线扫描图像捕获方法”,它控制编队内所有卫星协调一致地连续获取地面光照的图像,一个完整的卫星编队,一天就能获取整个地球的全部图像,如图 8所示。
传统模式       

  
Flock-3P 模式
3.2 地面站跟踪分析
(1)相邻卫星跟踪分析
图9画出了一个地面站跟踪Flock-3P卫星时,在一个测控弧段内(两条黄线之间)可以看见的Flock-3P数量,当测控站跟踪仰角较高时,能够看见的卫星数量最多,达到了10颗卫星(图a);当测控站跟踪仰角较低时,能够看见的卫星数量最少,为7颗卫星(图b)。相邻两颗
(a) 高仰角(87°)
(b) 低仰角(7°)
地面站一个测控弧段可见Flock-3P数量
卫星之间的跟踪角度计算结果如表 1所示,可见看出两颗相邻卫星之间的跟踪仰角差约2.5~4.5°,因此,采用不同的测控信道,星群影响是不一样的,具体如下:
  a) 采用UHF频段测控,地面测控天线的波束为20°时(>2.5°),在波束内有约7~8颗卫星,因此如果所有卫星的UHF的下行信号常开,会造成干扰,一个解决办法是所有卫星的UHF的下行信号常闭,上行常开,只有在跟踪时,由地面发上行打开卫星的下行;
  b) 采用X频段测控,5m口径天线的波束角为0.5°(<2.5°),地面站在接收一颗卫星的下行信号或者发送上行遥控信号时,相邻的卫星不会对地面站产生干扰,地面站也不会对相邻卫星产生干扰。
地面站跟踪Flock-3P编队相隔两颗星角度
时间
编号2124卫星
编号2125卫星
方位
仰角
方位
仰角
 5:39:43
10.613
0
未入境
 5:40:47
10.733
4.464
10.28
0
 5:45:33
272.44
87.717
6.903
45.24
 5:51:16
193.29
0
194.06
4.49
 5:52:20
出境
193.96
0

     (2) 测控资源分析

一个地面站一个天线1天可以跟踪一个Dove卫星6次,即升、降轨各3圈,每圈平均跟踪时长8分钟,Flock-3P卫星的轨道周期95分钟,考虑天线切换时间等,一个天线每圈可以测控约10颗卫星,即只能完成Flock-3P群卫星的约10%跟踪,具体如下:
a) 如果需要一个地面站在Flock-3P卫星一次过境全部卫星都能够测控,该地面站需要配备至少9付天线。例如,Flock-3P发射后3小时,卫星第二圈,使用16个S/X天线和31个UHF站,联系上了所有卫星,
b) 1付天线1天可以跟踪60颗卫星,每颗卫星跟踪1圈。
因此对于一个轨道数量众多的近地卫星群管理,需要复杂的测控资源分配算法,在满足每颗卫星测控圈数的条件下,安排使用不同的测控站、不同的测控时段和不同的测控体制组合(UHF、S和X)等,实现最佳的测控条件(高仰角、长弧段)才能取得最好的测控和数据接收效果,这对于Planet采用动态数传技术实现高速数传至关重要(详见下一篇《Dove卫星超高速数传分析》)
(3)实际跟踪情况
资料表明:Planet有55颗卫星在轨时,使用11个站33幅天线跟踪,一天计划安排650圈(350个UHF测控圈次个300个X波段数传圈次),平均一颗卫星跟踪12圈、一付天线一天跟踪20圈卫星。
Planet从2015年发射了第一颗卫星,到2016年上半年,由于卫星的指向错误或计划错误,地面站指向错误或软件bug,它的测控站的任务成功率只是在70%左右,例如2016年3月16日,Planet规划了333个UHF跟踪圈次、207个S/X跟踪圈次,只有71%和76%的成功率,遥感数据接收量为559GB,而最好的情况能接收777GB。
     3.2 星座保持控制
Planet采用了“差分拖拽”的无源推力技术实现了整个星座的卫星之间的相位保持,它让太阳能帆板扮演船帆的角色,借助微量的大气减缓某个Dove卫星的速度,以协调其与其它Dove卫星的位置关系,图10是2017年10月8日,88颗Flock-3P卫星在空间实际分布的情况,整体上来说实现了均匀分布,但与理想的每颗星间隔4°的均匀分布还是有差距。
Dove卫星的轨道测量采用了UHF系统,使用1天后的处理数据,测量精度可以达到0.5km;同时也使用星上GPS数据定轨         
 (a)    88Flock-3P卫星三维空间分布
(b)  88Flock-3P卫星二维星下点轨迹
     3.4 自动化管理
除了卫星监视和操作自动化运行外,Planet还注重接收数据质量和地面设备状况的自动化分析。
(1)数据质量自动分析
Planet的任务控制中心每天接收大几百个圈次的遥感数据,这些数据的质量检查不是靠人去完成,为此开发了数据质量参数收集和检测系统,自动对接收的数据进行分析,它可以对接收数据的质量进行分类并对有问题的数据分析原因,其原理框图如图11,如果卫星一次过境接收的数据量少于预计的80%,就判定本圈数据接收失败。每周,Planet射频与通信系统、轨道操作、卫星操作、系统集成和地面站操作专家对数据接收失败的原因进行分析,将引起失败的原因写到专家库中,生成了新诊断知识。               
  11  Planet的数据质量分析系统
 (2)地面站设备自动化检测
Planet地面站的故障检测软件系统采用了互联网服务器和网站的IT通用软件,使用开源软件,这些软件运行在地面站的服务器上,时刻监视着它们的软硬件运行情况,当故障发生时,检测结果送到云端中央服务器,再通知到随叫随到的工程师。
Planet采用的最基本的工具之一是基于网络的电源开关。通过开关,可以远程循环通断一些部件,查看它们的电源消耗变化发现问题,例如对低噪放,可以通过这一措施判断故障是发生的它的前部或它本身。Planet使用的开源无线电工具是噪声检测,它检测天线附近的噪声功率,正常情况下噪声功率沿天线方位角360°均匀分布,如图 12(a)所示,当有故障时,噪声功率分布不均匀,如图 12(b)所示,Planet工程师据此找到了故障原因并解决了它。
 
(a)  正常情况 
   
(b) 异常情况
12  天线附近噪声测量结果
     4. 小结
  (1)对一个轨道面内数量众多的卫星群测控,一个地面站同时会有多个卫星过境,DOVE卫星的测控可以采用UHF遥测、遥控信道或S遥控+X遥测的测控信道,采用UHF信道,波束内会有多个卫星,需要考虑邻星干扰问题,采用S/X信道,波束内只有一个卫星,不需要考虑邻星干扰问题;
  (2)卫星群测控计划的制订需要考虑更多的因素,其结果的好坏直接影响到卫星使用效率;
  (3)采用“差分拖拽”的星座维持技术尽管无法实现理想分布,但能够满足任务要求,与安装推进系统带来变化相比值得;
  (4)采用多项自动化技术大大增强卫星和地面设备运行的可靠性、减少操作人员数量(例如只需要3人管理几百颗星);
  (5)卫星测控策略不是一成不变的,需要不断迭代改进,从而提高卫星使用率。 


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