基于北斗衛星的航天器監控系統數據通信技術

熊文俊，趙 輝

(1.河南理工大學，河南 焦作 454003； 2.河南廣播電視大學，鄭州 450008)

0 引言

在現代計算機技術發展過程中，利用計算機進行航天器監控的優越性逐漸明顯[1]。北斗衛星系統作為一種導航型系統，具備全天候為使用者提供精確度高、定位可靠性大、導航性能強的服務能力，其在監控領域的作用更加重要[2]。航天器的發展對于國家的發展作用較為重要，各國對于航天器監控系統數據通信技術也較為重視，并相繼進行了航天器監控系統的開發。例如美國的GenSAA系統以及歐洲的PHMA系統，相對以上國家，我國對于航天器監控系統的研究依舊處于起步階段。

航天器終端一般采用機器自動追蹤方法進行系統監控，在追蹤過程中，利用雙方向線路進行機器性能穩定，并依據航天器所發出的天線進行監控系統的數據通信，但航天器的準確位置以及具體形態無法在追蹤中獲取，影響監控系統數據通信進程，缺少對獲取數據通信的角度計算，傳統數據通信技術中對于此問題的解決效果較差[3]。為此，針對以上問題，本文研究了一種新式基于北斗衛星的航天器監控系統數據通信技術，對此些問題進行研究改善。

本文首先通過對監控系統的數據進行初始收集，過濾無關數據信息，降低數據整體冗余度，進一步加強系統的數據通信效率，在收集數據后，將數據傳輸至中心處理器中，利用DAMS性能，運行Windows系統，并添加VC平臺開發技術，對數據進行整合式傳輸，降低傳輸過程中的數據損失率，進一步提高整體系統的工作效率，最后對傳輸數據進行數據通信計算，單獨計算其指向角，并進行計算信息精度分析，矢量計算與分析相結合，提高了系統技術性能，進一步增強監控系統數據通信效率。

該技術在一定程度上降低了無關數據的影響，降低初始收集數據冗余度，減少系統運行時間，進一步提高了監控系統數據通信效率，強化系統技術，增強了數據通信信號接收清晰度，能夠更好地為使用者所使用。

1 航天器監控系統通信數據收集

航天器的監控系統數據收集需要經過專業的數據綜合檢測，本文利用分系統控制檢查以及分系統時間空間匹配對航天器進行數據通信信息收集，并輔助模擬飛行激勵系統進行工作激勵，根據預定的收集參數進行數據的收集存儲[5]。其航天器狀況圖如圖1所示。

圖1 航天器狀況圖

由此可以得出，航天器數據收集主要包括以下幾個步驟：

1)數據參數收集。在當前航天器工作情況下，判斷收入數據是否位于預定的參數范圍之內，并由此檢查航天器輔助裝備正常運行狀況下的參數數值是否隨運行狀況的變化而改變，若改變，則進行下一步的工作模式識別，由所判讀的參數數值確定該數據是否符合所需模式預期值狀態，并進行數據預處理收集。

2)數據指令查找。在經過數據預處理收集過后，進行指令查找，根據航天器所接受的數據指令，查找其相關指數，并視具體情況進行指令查找出發點的判斷。

3)數據通信收集。指令查找結束后，可利用其結果在航天器運行過程中實現動態運行監測，在檢測過程中收集航天器發送的數據通信信號，并指定飛行時刻的飛行狀態，設置運行起始點為事件J，運行動作發生后的具體參數為JF。

2 航天器監控系統數據通信傳輸

監控系統在獲取所需數據后，需向中心系統進行數據的傳輸，利用DAMS的運行技能，將監控網絡與主技能檢測機進行連接，并根據系統提供的使用者界面信息進行描述參數處理，以不同的設定參數規定航天器的檢測數據需求，在傳輸過程中要特別注重數據的及時反應性與傳輸完整性的保持，利用IF P THE的數據傳輸方式，輔助數據監控引擎對傳輸數據進行解釋處理，并對系統分類，按照分類后的系統設置屬性編輯區域，支持不同的網絡數據操作模式，其主要操作如下：

1)采取基于信息語言表述方式，進行航天器運行時間實時數據傳輸控制，經由引擎手機指令并向下進行下行數據的信息指令傳達，利用監控驅動部件，將數據進行完好傳輸，航天器在接收傳輸中進行進行相應動作，其圖示如圖2所示。

圖2 航天器相應動作圖

2)在響應動作進行后，對數據傳輸的信息進行記錄與效果分析，并不斷從中提取系統反映時長與反應動作等基礎數據，由于采集的數據在傳輸過程中具備一定的數據反映周期，為此，需利用傳輸引擎解決數據傳輸指令與下行數據傳輸不同步的問題[6]。

3)進行數據的傳輸結構化編程，拓展傳輸數據的系統文件形式以及系統的基礎框架組織，實現對收集數據的通信傳輸[7]。

3 航天器監控系統數據通信計算

3.1 數據通信矢量計算

在數據傳輸后，對所接收的數據進行通信計算，將航天器追蹤位置信息設置為時刻、經緯度與高度數據幾個數據，并計算慣性運動條件系下的航天器具體位置與形態變化數據，其中，n時刻航天器具體位置圖如圖3所示。

圖3 n時刻航天器具體位置圖

設置其經度為φ，緯度為λ，高度為h，地球半徑為r，由圖中可以獲得n時刻航天器的具體位置矢量：

x1=(r+h)cosλcos(φ+λ)

y1=(r+h)cosλsin(φ+λ)

z1=(r+h)sinλ

(1)

依據北斗衛星對航天器運動行為追蹤的位置矢量對航天器運行軌道根數的積分運算，將航天器位置作差，并獲取結果運算后的指向矢量，在此基礎上對數據結果進行坐標系變換修整，保證航天器地理位置坐標系，航天器機體體系以及三軸姿態角度固定，設置φ為俯視仰角，μ為航天器路線角，γ為機械滾動角，λ與ν為天線安裝角航天器的相對指向矢量依據地理地圖圖像定點技術與航天器機體坐標系數量進行計算，并得出在此計算程序下的指向矢量，按照此時航天器運行的位置以及運動速度進行慣性運動地理坐標系的矩陣轉化，在得到航天器三軸姿態角后，按照歐拉旋轉定理獲取地理坐標系與航天器機體體系坐標系的矩陣變化，并由天線指向矢量向坐標系轉變[8]。

在航天器天線機體體系與坐標系相重疊的情況下，獲取了航天器天線的地理坐標指向矢量，由此獲得航天器天線坐標控制下的指向矢量數據信息。進一步依據航天器地理位置坐標系轉換確定天線坐標系下的對應位置指向矢量，此矢量處于航天器天線之間，其中指向矢量與指向角之間的關系如圖4所示。

圖4 指向矢量與指向角關系圖

圖4中設置坐標系為航天系具體位置機體系，W為航天器，衛星監控為w，追蹤角度為K，Y為追蹤仰視角。由于航天器的指向角坐標系由幾何關系確定，確立追蹤角度范圍為-90°至90°，追蹤仰視角范圍為-180°至180°，確定航天器體系坐標追蹤角度與追蹤仰視角之間的關系。由此，得出航天器體系具體指向向量參數，由此進行下一步的分析。

3.2 數據通信精度分析

在進行數據指向矢量計算后，對追蹤過程的航天器指向角進行失誤統計分析，并由此進行追蹤航天器的數據通信精度分析，統計數據信息涵蓋航天器指向失誤變換范圍，變換平均值以及標準差值等，進一步利用追蹤過程的航天器實時監控地理位置的返回路線以及航天器此時刻的理論指向角精度，并與航天器實時監控系統的返回路線天線控制角進行對比，實時進行航天器指向精度計算，并保證航天器追蹤過程中使用者目標以及衛星準確指向的確定性。航天器的實時監控系統測量的數據大致為1幀/s，為此，監控系統數據通信精度的遙控測試數據指向計算失誤偏差控制為1秒/次[9]。

由于航天器仰視角與方位變化角的指向失誤偏差主要經過指向精度與航天器返回行路指向角相差進行。本文航天器時空失誤偏差以理論結果的指向矢量與實際測試的指向矢量之間的夾角為準，并按照實時監控測量的航天器指向角進行反向計算，并得到在此條件下的坐標系實際指向矢量精度分析，最終根據計算理論結果下的指向矢量與實際指向矢量夾角，獲得時空狀態下的指向角失誤偏差，測得的測量數值大于零，監控系統下航天器圖示如圖5所示。

進一步由航天器方位角度與仰視角進行監控系統數據通信失誤偏差精度分析，航天器天線在監控系統自動追蹤情況下能夠精準的完成對航天器的數據通信監控，其中航天器方位角的失誤偏差范圍控制在-0.3°至0.7之間，仰視角的失誤偏差范圍控制在-0.3至0.2之間，方位角的失誤偏差稍大于仰視角，造成此現象的原因在于航天器在運行過程中受飛行姿態的影響較大，并摻雜氣體流向、控制狀態等因素，為此，需要對指向精度失誤偏差的范圍進行隨機性的判斷。依據航天器指向精度失誤偏差確定航天器在二維空間平面下的范圍轉變為0.6°以下，并獲取最終數據通信精度分析角的失誤偏差值為0.376°，航天器方位角與仰視角的失誤偏差變化為-1°與1°之間[10]。

4 實驗研究

4.1 實驗目的及方法

為了檢測本文基于北斗衛星的航天器監控系統數據通信技術的通信效果，與傳統通信技術進行對比，并分析實驗結果。建立航天器監控系統數據通信模型，根據模型設定實驗參數，將本文基于北斗衛星的航天器監控系統數據通信技術與傳統航天器監控系統數據通信技術的參數調整為設定參數，對比兩種技術的通信信號接收清晰率、監控系統數據通信效率。

4.2 航天器監控系統數據通信模型建立

針對航天器監控系統數據通信所需的精度管理與需求分析的特殊性，對其進行數據通信技術分析，并構建航天器監控系統數據通信模型，如圖6所示。

圖5 監控系統下航天器圖

圖6 航天器監控系統數據通信模型圖

根據上述數據通信模型，進行實驗參數的設定，如表1所示。

表1 實驗參數表

4.3 實驗結果與分析

根據上述數據通信模型進行實驗對比，將本文基于北斗衛星的航天器監控系統數據通信技術的通信效果與傳統航天器監控系統數據通信技術的通信效果進行比較，得到的通信信號接收清晰率對比圖及監控系統數據通信效率對比圖如下。

4.3.1 通信信號接收清晰率對比圖

圖7 通信信號接收清晰率對比圖

對比圖7可知，在相同的參數條件下，本文通信信號接收的清晰程度較高，原因在本文采取多模式監視以及數據指數精度分析，對所進行收集的數據進行指數向量計算，更加清晰系統所需分析數據的原始圖像，減少了無關因素對數據通信圖像的影響，進一步提高系統運行過程中對數據通信信號接收的清晰度。而傳統監控系統數據通信技術對數據處理的過程較為簡單，不具備以上步驟，導致數據通信信號接收的清晰度較低。

4.3.2 監控系統數據通信效率對比圖

圖8 監控系統數據通信效率對比圖

對比圖8可知，在數據通信時間為20 s時，本文數據通信效率為45%，而傳統數據通信效率為18%，在通信時間為40 s時，本文數據通信效率為55%，而傳統數據通信效率為28%，造成此種差異的原因在于本文選用產生式表示規則對數據進行加工處理，在通信過程中降低數據損耗度，不斷更換數據舊體，一定程度上減少不必要的系統操作支出，進一步提高了監控系統的數據通信效率。

在此后的實驗中，隨著實驗時間的不斷增加，本文數據通信效率不斷提高，且一直處于傳統數據通信效率的上方，此種現象的形成原因在于，本文數據通信技術相較于傳統通信技術采取了矢量計算與數據指向角精度分析，進一步提高系統的技術性能，加大了數據分析的基礎研究，能夠在一定時間內提高系統的整體數據通信效率，降低通信所需時間，并提供良好的數據通信環境，為下一次的數據通信進行預先處理。而傳統數據通信技術對此步驟的處理較差，數據通信效率提高較緩慢。

經過以上對比分析可知，本文基于北斗衛星的航天器監控系統數據通信技術的通信信號接收清晰率與數據通信效率高于傳統航天器監控系統數據通信技術，在較大程度上降低了外部干擾因素的影響，加大了系統的技術投入，并按照收集的數據進行了分類分析處理，減低數據冗余度，在處理環節中注重循環開發與利用，推廣的空間更大。

5 結語

本文在傳統技術研究的基礎上研究了一種新式基于北斗衛星的航天器監控系統數據通信技術，該技術的數據通信效果明顯優于傳統技術。

本文首先對所需數據進行數據初采集，利用數據監視綜合測試技術，在較大程度上降低了數據的冗余度，為下一步數據的傳輸做好鋪墊。在數據傳輸的過程中，采用DAMS技術，先對數據進行加工轉化，再進行相關數據傳輸，能夠減少數據的不必要操作損失，進一步提高數據通信的信號接收清晰度，最后對傳輸至系統的數據進行數據通信的計算，從矢量計算與精度分析兩方面出發，計算出適宜的最佳方案，以此提高整體數據通信效率，減少通信時間。

相較于傳統技術，本文技術在較大程度上降低了不必要因素的干擾，提高了數據的信號接收清晰度，簡化了操作過程，增加了整體技術參與，提升技術性能，降低了通信時間，進而提高了數據通信的效率，具備更為寬廣的使用市場及更大的消費需求。