安元元，李偉超，王偉，楊旭海，韋沛，王霄

一種低軌衛(wèi)星星座測控地面站調(diào)度策略研究

安元元1,2,3，李偉超1,2，王偉1,2，楊旭海1,2，韋沛1,2,3，王霄1,2

（1. 中國科學(xué)院 國家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國科學(xué)院 精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

隨著不同用途低軌星座快速發(fā)展，低軌星座對地面站的需求越來越強(qiáng)烈。根據(jù)任務(wù)需求和約束，需要對低軌衛(wèi)星測控地面站資源調(diào)度采取最優(yōu)的策略。本論文主要針對特定的低軌衛(wèi)星Walker星座，研究遙測、遙控及數(shù)據(jù)傳遞等測控任務(wù)的最優(yōu)調(diào)度，調(diào)度的基本條件是優(yōu)先觀測亟待數(shù)據(jù)更新的衛(wèi)星。根據(jù)上述測控原則，本文提出了兩種調(diào)度策略：1.優(yōu)先選擇俯仰角高的衛(wèi)星；2.優(yōu)先選擇可視弧段長的衛(wèi)星?，F(xiàn)有4個(gè)測控地面站，分別為：長春、喀什、昆明、西安，每站均為單天線(同時(shí)只能觀測一顆衛(wèi)星)，通過仿真，驗(yàn)證兩種策略優(yōu)勢，結(jié)果表明：雖然兩種策略都可實(shí)現(xiàn)對地面站的調(diào)度，但策略2可避免天線頻繁切換操作，策略2在實(shí)際應(yīng)用上優(yōu)于策略1，更適合于實(shí)際衛(wèi)星測控任務(wù)。

低軌衛(wèi)星；遙測遙控地面站；資源調(diào)度；優(yōu)化仿真

0 引言

以衛(wèi)星運(yùn)行高度劃分，衛(wèi)星可分為同步軌道衛(wèi)星（geosynchronous earth orbit，GEO，35 786 km）、中軌衛(wèi)星（medium earth orbit，MEO，8 000～20 000 km）和低軌衛(wèi)星（low earth orbit，LEO，500～2 000 km）[1]，低軌衛(wèi)星距離地面近，具有時(shí)延小，路徑損耗小，發(fā)射功率小等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[2-3]。特別是近年來在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用，建立基于低軌衛(wèi)星星座的通信與導(dǎo)航相融合的、全新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已成為發(fā)展趨勢。低軌衛(wèi)星星座測控和精密定軌成為下一代GNSS（Global Navigation Satellite System）導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一受到廣泛關(guān)注[4]。我國于20世紀(jì)初組建北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，2020年6月23日，北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完成衛(wèi)星組網(wǎng)。仿真研究表明，加入低軌衛(wèi)星星座后，下一代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)地面測站可見衛(wèi)星數(shù)顯著增加，全球PDOP（position dilution of precision）值有明顯提升，全球區(qū)域?qū)Ш骄染刑嵘?，其中美洲區(qū)域提升效果最為顯著[5]。低軌衛(wèi)星增強(qiáng)地面區(qū)域監(jiān)測站測定北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可以減少地面站監(jiān)測站的布設(shè)數(shù)量，提高跟蹤弧段，優(yōu)化空間幾何構(gòu)型，提高定位精度，從而顯著提升北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)性能[6]。衛(wèi)星測控指的是接收衛(wèi)星上各種實(shí)時(shí)狀況和信息、為衛(wèi)星提供各種系統(tǒng)控制信息[7]。低軌衛(wèi)星覆蓋區(qū)域小，實(shí)現(xiàn)全球覆蓋需要較多的衛(wèi)星，因此低軌衛(wèi)星星座測控凸顯其復(fù)雜性、重要性[8-9]。表1列舉了部分國家的低軌衛(wèi)星星座及實(shí)現(xiàn)覆蓋的衛(wèi)星數(shù)。

表1 全球覆蓋的星座計(jì)劃

低軌衛(wèi)星的測控調(diào)度既要確保衛(wèi)星的遙控、數(shù)據(jù)傳遞任務(wù)圓滿完成，又要使有限的地面站資源合理、最優(yōu)的使用。不同低軌星座由于其星座構(gòu)成、任務(wù)的不同，其地面站資源最優(yōu)化調(diào)度策略存在很大的不同。隨著低軌星座及衛(wèi)星數(shù)量的不斷增加，傳統(tǒng)的人工調(diào)度地面站資源方式無法滿足實(shí)際的測控需求，因此必須研究相關(guān)的策略、模型和算法，提升衛(wèi)星地面站的使用效率，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星測控地面站高效、自動(dòng)化調(diào)度。

對低軌衛(wèi)星測控的調(diào)度策略的研究頗多，T. D. Gooley[10-11]對低軌道衛(wèi)星的調(diào)度建立了整數(shù)規(guī)劃模型，J. C. Pemberton[12]建立了約束（constraint satisfaction problem，CSP）模型，考慮了3類約束：資源約束、任務(wù)約束和時(shí)間約束。金光等[13-14]建立了Petri網(wǎng)衛(wèi)星調(diào)度模型，還有學(xué)者研究建立了Agent模型，S. E. Burrowbridge[15-16]通過貪婪算法實(shí)現(xiàn)一個(gè)地面站對多顆低軌衛(wèi)星的調(diào)度方案，賀成杰等[17]發(fā)現(xiàn)禁忌搜索算法優(yōu)于列生成算法，W. J. Wolfe[18]發(fā)現(xiàn)遺傳算法優(yōu)于貪婪算法，王軍民等[19]提出了基于衛(wèi)星調(diào)度規(guī)則的啟發(fā)算法?；谝延械哪Ｐ秃退惴?，已經(jīng)產(chǎn)生了大量的、有價(jià)值的研究成果。本文結(jié)合我國不具備全球布站的不利條件，給出特定衛(wèi)星星座的衛(wèi)星測控相適應(yīng)調(diào)度策略、模型和算法的最佳調(diào)度方案。

本論文涉及4個(gè)單天線地面站，分別為長春、喀什、昆明和西安?；谏鲜鎏囟ㄐ亲同F(xiàn)有的地面站，研究最優(yōu)測控調(diào)度策略，使設(shè)計(jì)的策略既滿足測控需求，又能使地面站資源使用優(yōu)化。

地面站調(diào)度的約束條件如下：

① 由于衛(wèi)星本身存儲空間有限，每天必須下載其狀態(tài)信息，確保每顆衛(wèi)星每天至少觀測20 min；

② 為保證每顆星被均勻觀測，因此需要優(yōu)先觀測次數(shù)少的衛(wèi)星；

③ 考慮盡可能少地切換衛(wèi)星操作。

1 調(diào)度方案與策略

1.1 低軌衛(wèi)星星座的覆蓋特征

圖1 衛(wèi)星與地面站的幾何關(guān)系

根據(jù)上面公式，不同高度的衛(wèi)星覆蓋情況見表2，本文研究的衛(wèi)星高度為975 km，運(yùn)行周期約1.8 h，覆蓋弧長是6 657 km，覆蓋面積是3.402×107km2，覆蓋率為6.6%，因此覆蓋全球至少需16顆衛(wèi)星，對于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，要同時(shí)觀測多于4顆衛(wèi)星，全球覆蓋至少需64顆以上衛(wèi)星。

表2 不同高度衛(wèi)星的覆蓋情況

1.2 低軌衛(wèi)星可觀測弧段

上面從概念上討論了低軌衛(wèi)星全球覆蓋情況，對于不同的觀測站，由于地理位置不同實(shí)際可觀測到的弧段在時(shí)域上是不一樣的，多站可實(shí)現(xiàn)時(shí)域上觀測互補(bǔ)，相應(yīng)引出了不同站的調(diào)度策略。

圖2 衛(wèi)星從軌道坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到站心坐標(biāo)系

上面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換過程的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

先研究一顆種子衛(wèi)星S1（軌道參數(shù)是：軌道半長軸7 353.14 km，偏心率0，傾斜角55°，升交點(diǎn)赤經(jīng)0°，近地點(diǎn)幅角0°，初始時(shí)刻真近點(diǎn)角0°）情況，然后根據(jù)Walker星座的特點(diǎn)擴(kuò)到整個(gè)星座。

圖3模擬長春、喀什、昆明、西安觀測種子衛(wèi)星時(shí)方位角和仰角的變化情況，仿真起始時(shí)刻是2020年7月25日0時(shí)，仿真時(shí)間是1d。圖4模擬種子衛(wèi)星對4個(gè)地面站的可見弧段，表3給出4個(gè)地面站的觀測圈數(shù)和可觀測的總時(shí)間。

圖3 不同測控站可見種子衛(wèi)星的極坐標(biāo)圖

圖4 不同測控站可見種子衛(wèi)星的觀測弧段

表3 地面站觀測情況

從上面仿真可見：由于測站分布在國內(nèi)，測站（除喀什之外）互補(bǔ)性不是很大，在半天時(shí)間內(nèi)幾乎無法觀測到衛(wèi)星（低軌衛(wèi)星覆蓋?。谶@時(shí)段內(nèi)衛(wèi)星無法進(jìn)行測控，突顯調(diào)度的困難性，因此測控地面站資源調(diào)度顯得比較重要。

1.3 低軌衛(wèi)星星座的可視弧段

上面研究了一顆衛(wèi)星可觀測弧段情況，下面擴(kuò)展到整個(gè)星座可觀測弧段。首先對待觀測的顆衛(wèi)星進(jìn)行編號，圖5表示衛(wèi)星編號方式：前2位代表軌道的編號（1起算），后2位代表衛(wèi)星在軌道內(nèi)的序號（1起算）。

圖5 衛(wèi)星編號換算圖

2 低軌衛(wèi)星調(diào)度策略

2.1 調(diào)度策略1

調(diào)度策略1的約束條件：① 優(yōu)先選擇觀測在某時(shí)刻被觀測次數(shù)最少的衛(wèi)星，使每顆衛(wèi)星盡可能被均勻觀測；② 其次選取俯仰角高的衛(wèi)星。圖6所示策略1框圖，給出了4個(gè)地面站聯(lián)合觀測120顆低軌衛(wèi)星的調(diào)度流程，如果多個(gè)站可同時(shí)觀測到一顆星，則選取當(dāng)前時(shí)刻最大俯仰角所對應(yīng)的地面站，如果一個(gè)站可同時(shí)觀測到多顆星，首先選取較長時(shí)段未被觀測的衛(wèi)星進(jìn)行觀測，其次再選取俯仰角最高的衛(wèi)星進(jìn)行觀測。

圖6 策略1調(diào)度流程圖

2.2 調(diào)度策略2

調(diào)度策略2的約束條件：① 優(yōu)先選擇觀測次數(shù)最少的衛(wèi)星，使每顆衛(wèi)星盡可能被均勻觀測；② 其次選擇連續(xù)觀測時(shí)間最長的地面站。如果多個(gè)地面站可同一時(shí)間段觀測到同一顆衛(wèi)星，則優(yōu)先選取觀測時(shí)間最長的地面站；如果一個(gè)地面站可同一時(shí)間段觀測到多顆星，首先選取較長時(shí)段未被觀測的衛(wèi)星進(jìn)行觀測，其次選取可觀測時(shí)間最長的衛(wèi)星。策略2的調(diào)度流程圖見圖7。

圖7 策略2調(diào)度流程圖

多星多站調(diào)度研究中，多星爭奪地面站資源以及地面站資源的充分利用可在方案中得到解決。

3 結(jié)果與分析

3.1 仿真數(shù)據(jù)說明

本文所選仿真數(shù)據(jù)的時(shí)間是24 h，時(shí)間窗口間隔為60 s，1 d共1 440歷元。選取的4個(gè)地面站分別為：長春、喀什、昆明、西安，每個(gè)地面站的天線均為單天線，天線可觀測的俯仰角范圍為5°～85°。星座設(shè)定為：軌道高度975 km，軌道傾斜角55°，每個(gè)軌道面是10顆衛(wèi)星，共12個(gè)軌道面。先插入一顆種子衛(wèi)星，通過Walker星座建立120顆衛(wèi)星的衛(wèi)星軌道，星座衛(wèi)星運(yùn)行情況見圖8。

圖8 衛(wèi)星和地面站的分布

3.2 仿真結(jié)果分析

策略1和策略2每顆衛(wèi)星觀測時(shí)間比較見圖9，其中，橫軸代表衛(wèi)星編號，縱軸代表每顆衛(wèi)星的觀測時(shí)間。由圖9（a）可知，方案1衛(wèi)星1 d最長可觀測的總時(shí)間54 min，最短時(shí)間為33 min。由圖（b）可知，策略2衛(wèi)星最長可觀測的總時(shí)間是70 min，最短時(shí)間為25 min，其余衛(wèi)星的觀測時(shí)間均在50 min附近波動(dòng)。在兩種策略中，都滿足了約束條件，即每顆衛(wèi)星每天至少被觀測到20 min，由于地面站分布局限，衛(wèi)星編號從20到40可觀測的時(shí)間較短。在策略2中，衛(wèi)星的觀測時(shí)間變長，觀測數(shù)增多。

以長春站為例，策略1和策略2的地面站可觀測衛(wèi)星情況見圖10，橫軸代表可觀測時(shí)間，縱軸代表衛(wèi)星編號。通過兩種策略的對比發(fā)現(xiàn)：在0～500 min，策略1中的某時(shí)刻，被觀測的衛(wèi)星可能不在同一軌道平面或者下一時(shí)刻觀測到的不是同一顆衛(wèi)星，此時(shí)地面站需要不斷切換天線以便捕捉到衛(wèi)星，增加了地面站切換天線的頻率。

4個(gè)地面站兩種調(diào)度結(jié)果見圖11和圖12，通過對比發(fā)現(xiàn)，在圖11中，觀測星的原則是在某時(shí)刻選擇俯仰角高的衛(wèi)星，每一時(shí)刻因觀測的衛(wèi)星不同，導(dǎo)致頻繁切換衛(wèi)星，看似一條“直線”，實(shí)則是一些分布比較散落的點(diǎn)。圖12中，觀測星的原則是在某時(shí)刻選擇連續(xù)觀測時(shí)間最長的衛(wèi)星，會(huì)在某一時(shí)間段內(nèi)對某顆衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測，看似一些散落的“點(diǎn)”，因重疊部分較多，實(shí)則是比較連續(xù)的點(diǎn)。

圖11 策略1的4個(gè)地面站調(diào)度衛(wèi)星結(jié)果

圖12 策略2的4個(gè)地面站調(diào)度衛(wèi)星結(jié)果

4 結(jié)論

本文對衛(wèi)星地面站調(diào)度策略作了研究，對特定的任務(wù)提出了兩種不同的低軌衛(wèi)星地面站調(diào)度策略。對這兩種策略進(jìn)行了詳細(xì)研究，通過對兩種策略的仿真計(jì)算，從每顆衛(wèi)星的觀測時(shí)間、某個(gè)地面站（本文以長春站為例）觀測衛(wèi)星的情況和衛(wèi)星地面站調(diào)度情況進(jìn)行對比，策略2對每顆衛(wèi)星的觀測時(shí)間長，觀測衛(wèi)星切換操作少，可保證均勻觀測，可獲取衛(wèi)星至少20 min遙測遙控?cái)?shù)據(jù)，策略2在實(shí)際應(yīng)用上優(yōu)于策略1，更適合實(shí)際衛(wèi)星測控任務(wù)。

論文研究針對特定的星座，但是方法本身可借用于其他星座的調(diào)度研究。

[1] 賀達(dá)健. 低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理技術(shù)研究[D]. 長沙: 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2016.

[2] 楊波. 低軌衛(wèi)星增強(qiáng)導(dǎo)航技術(shù)研究[D]. 成都: 電子科技大學(xué), 2017.

[3] 肖楠, 梁俊, 張基偉. 中國低軌衛(wèi)星星座組網(wǎng)設(shè)計(jì)與規(guī)劃[J]. 電訊技術(shù), 2010, 50(12): 14-18.

[4] 趙齊樂, 劉經(jīng)南, 葛茂榮. GPS導(dǎo)航星座及低軌衛(wèi)星的精密定軌理論和軟件研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版), 2005, 30(4): 375-375.

[5] 丁歡. 基于低軌衛(wèi)星增強(qiáng)的北斗定位系統(tǒng)分析[J]. 自動(dòng)化應(yīng)用, 2020(8): 147-151.

[6] 王樂, 燕興元, 張勤, 等. 低軌衛(wèi)星增強(qiáng)BDS衛(wèi)星定軌技術(shù)探討[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 2017, 5(4): 51-57.

[7] 吳星. 遙測遙控信號的被動(dòng)解調(diào)技術(shù)[D]. 成都: 電子科技大學(xué), 2014.

[8] 馬福建. 低軌星座增強(qiáng)GNSS精密定位關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 武漢: 武漢大學(xué), 2018.

[9] 關(guān)梅倩, 焦文海, 賈小林, 等. 基于導(dǎo)航增強(qiáng)的低軌衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)[C]//第九屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)論文集—S07衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù), 哈爾濱: 中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室學(xué)術(shù)交流中心, 2018: 22-26.

[10] GOOLEY T D. Automating the satellite range scheduling process[D]. Ohio: Air Force Institute of Technology, 1993.

[11] GOOLEY T D, BORIS J J, MOORE J T. Automating air force satellite control network(AFSCN) scheduling[J]. Mathematical and Computer Modelling, 1996, 24(2): 91-101.

[12] PEMBERTON J C, GALIBER F. A constraint-based approach to satellite scheduling[J]. Theoretical Computer Science, 2001: 101-114.

[13] 金光, 武小悅, 高衛(wèi)斌. 衛(wèi)星地面站資源調(diào)度優(yōu)化模型及啟發(fā)式算法[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2004, 26(12): 1839-1841+1875.

[14] 金光, 武小悅, 高衛(wèi)斌. 基于沖突的衛(wèi)星地面站系統(tǒng)資源調(diào)度與能力分析[J]. 小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng), 2007, 28(2): 310-312.

[15] BURROWBRIDGE S E. Optimal allocation of satellite network resources[D]. Virginia: Virginia Tech, 1999.

[16] BARBULESCU L, WATSON J P, WHITLEY L D, et al. Scheduling space-ground communications for the air force satellite control network[J]. Journal of Scheduling, 2004, 7(1): 7-34.

[17] 賀仁杰, 譚躍進(jìn). 基于約束滿足的衛(wèi)星地面站資源優(yōu)化分配問題研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用, 2004, 40(18): 229-232.

[18] WOLFE W J, SORENSEN S E. Three scheduling algorithms applied to the earth, observing systems domain[J]. Management Science, 2000, 46(1): 148-168.

[19] 王軍民, 譚躍進(jìn). 多星聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)度問題的啟發(fā)式算法研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用, 2007, 43(21): 21-25.

[20] 楊霞, 李建成. Walker星座星間鏈路分析[J]. 大地測量與地球動(dòng)力學(xué), 2012, 32(2): 143-147.

Research on schedule strategy of ground stations for LEO satellites

AN Yuan-yuan1,2,3, LI Wei-chao1,2, WANG Wei1,2, YANG Xu-hai1,2,, WEI Pei1,2,3, WANG Xiao1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Precise Positioning and Timing Technology, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Recently, with the rapid development of low-orbit constellations for various purposes, the requirements of ground stations are also increased. According to mission requirements and constraints, it is necessary to find an optimal strategy for the resource scheduling of ground stations used for telemetry, track and command (TT&C). This paper focuses on the schedule strategy of ground stations to track of the specific low-orbit satellites, i.e., Walker constellation, for the purpose of TT&C, data transmission and other measurements. The basic principle of scheduling is to give high priority to the satellites that are in urgent need of data transfer. According to such principle, two schemes are proposed: (1) selecting the satellite with the highest elevation angle. (2) selecting the satellite with the longest continuous observation time. There are currently four ground stations: Changchun, Kashi, Kunming, and Xi’an, all of which are equipped with single antenna. The properties of the two schemes are studied through simulation and the result shows that: although both of the two schemes can achieve the scheduling aim, the antennas switch frequency of scheme 2 is lower than that of scheme 1. Therefore, in general, the scheme 2 is better than the scheme 1.

low-orbit satellite; TT&C station; resource scheduling; optimized simulation

10.13875/j.issn.1674-0637.2021-02-0120-12

安元元, 李偉超, 王偉, 等. 一種低軌衛(wèi)星星座測控地面站調(diào)度策略研究[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2021, 44(2): 120-131.

2020-11-08；

2020-12-18

北斗專項(xiàng)重點(diǎn)資助項(xiàng)目（Y616ZF2S00）；中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員資助項(xiàng)目（1188000LWC）