CN109861737A - 自动卫星遥测、跟踪及指挥*** - Google Patents

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Abstract

本发明关注一种卫星遥测、跟踪及指挥***(1)，包括：地面站(11)、机载单元(13)以及网络控制中心(12)。每个地面站(11)位于地球表面上的相应位置，并且被设计用于在卫星(2)位于所述地面站(11)的相应的可见区域中时，从所述卫星(2)接收携带遥测数据的下行信号，以及向其发送携带一个或多个命令的上行信号。每个机载单元(13)机载安装于相应的卫星(2)上。所述网络控制中心(12)通过一个或多个IP网络(3)连接至所述地面站(11)。

Description

自动卫星遥测、跟踪及指挥***
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年11月30日递交的意大利专利申请号102017000138364的优先权，该申请的公开内容通过参引的方式并入于此。
技术领域
本发明总体上涉及用于卫星遥测、跟踪及指挥(Telemetry,Tracking andCommand，TT&C)应用的***。特别地，本发明(非排他性地)可有利地应用于所谓的小型卫星、微型卫星、纳米卫星、微微型卫星(picosatellites)和飞秒卫星，这些卫星经常被制成立方卫星(cubesat)形式。
背景技术
众所周知，绕地球轨道运行的卫星向位于地球表面上的相应的地面站发送遥测数据，并接收来自相应的地面站的命令。通常，单个地面站能够覆盖低轨道地球(LEO)卫星轨道的大约3％。因此，LEO卫星在其大部分轨道时间内是不受控的。
为了增加覆盖时间，地面站可装配跟踪天线，跟踪天线被设计用于从卫星进入地面站的可见区域到从其离开，跟踪卫星。通常，跟踪天线能够从地平线以上10°，建立与卫星之间的链路，具有160°总覆盖角度。总之，为了通过卫星的跟踪天线来指向及跟踪卫星，地面站需要卫星轨道数据。
通常，对于传统的大型卫星，由于由飞行动力组构成的任务控制中心管理，同样轨道数据是已知的，飞行动力组在整个卫星任务期间接收来自发射机构的轨道***参数，跟踪并预测特定卫星轨道。
众所周知，除了传统的大型卫星之外，最近在空间/卫星方面技术的发展已使得制造越来越小的卫星(例如，(通常制成立方卫星形式的)所谓的微型卫星、或者甚至微型化为纳米卫星、微微型卫星以及飞秒卫星)是可行的，这样的越来越小的卫星能够实施越来越多的功能(例如，远程感测、科学实验、组件的在轨测试，等等)，同时，制造时间和成本降低。相对于传统的大型卫星，这种卫星提供一系列技术和非技术(例如，经济/商业)优势，因此，越来越多的用于空间任务，尤其用于具有有限任务预算的那些任务，或者用于需要大量卫星的大型卫星星座(constellation)。此外，制造小质量和尺寸、低成本卫星的可行性使得空间/卫星市场也能够向新型卫星运营商开放，例如通常(例如，因为成本原因)被排除的国家、机构(例如，大学和研究中心)、工厂和公司。
通常，小型/微型/纳米/微微/飞秒卫星作为中/大型运载火箭的搭载载荷在轨道上发射。通过这样的方式，通过单个发射器的方式将大量这样的卫星释放在轨道上。
小型/微型/纳米/微微/飞秒卫星的地面站通常是基于COTS(即，“商用现货”或“商业现货”)元件制造的。总之，基于COTS的地面站的成本会达到几万欧元。此外，对于这些卫星中的一个卫星的整体运营成本，还应考虑地面站的管理和维护、以及雇员的费用。值得注意的是，对于经济资源有限的卫星运营商(例如，大学和研究中心)来说，这些费用可能是无法负担的。
此外，在小型/微型/纳米/微微/飞秒卫星的地面站的情况下，为了使用跟踪天线，也存在对卫星轨道数据的需要。不幸的是，由于这些卫星通常部署在具有像商用发射器搭载载荷这样的多种释放机制的轨道上，它们的轨道数据仅在专门机构识别和跟踪后才是已知的。
事实上，小型/微型/纳米/微微/飞秒卫星的设计通常是基于成本有效的飞行动力学和仅依赖于美国战略指挥部(USSTRATCOM)提供的公开可用的两行数据(TLE)集的运营场景的，基于来自美国空间监视网络(US-SSN)的测量数据，并通过网站www.space-track.org发布。此外，航天联合机能构成司令部(JFCC SPACE)是负责基于US-SSN收集的数据，识别、编目及跟踪超过23000个绕地球轨道运行的人造物体。然而，越来越多的小型/微型/纳米/微微/飞秒卫星正在对负责卫星识别和跟踪的所有机构提出非同寻常的挑战。
此外，这种方法仅依赖于US-SSN快速跟踪、鉴别和识别卫星的能力。然而，US-SSNTLE不能确保及时提供所需的输入数据，以适当地引导地面站的天线，用于建立与卫星之间的通信链路。对于最近在轨道上发射的大多数小型卫星，第一个TLE仅在一个多星期后才可用。此外，USSTRATCOM对所有发射的卫星进行识别之前要花几个星期。
因此，鉴于上述情况，小型/微型/纳米/微微/飞秒卫星在一段时间内(即，直到其轨道数据变得可用)通常完全不受控制，这带有相关的问题和风险。此外，当轨道参数可用时，单个地面站只能覆盖LEO卫星轨道的大约3％。因此，如果LEO小型/微型/纳米/微微/飞秒卫星不配备高速数据链路装置，发送到地面的总数据量可能非常有限。
近几年来，小型/微型/纳米/微微/飞秒卫星的所有者试图通过形成包括其所有地面站的地面站网络来结成联盟，以便当特定地面站没有用于相应的卫星时，能够将其用于属于该联盟的另一个卫星。原则上，这个想法非常有趣，并且允许开发能够在联盟的不同地面站之间进行数据交换的软件工具。这种地面站联盟的示例是全球卫星运营教育网络(GENSO)以及卫星网络开放地面站(SatNOGS)。
但是，这些方案的限制是单个地面站的可靠性和稳定性。事实上，由于单个地面站的制造、管理和维护涉及不可忽略的成本(包括雇用的工作人员的成本)，所以当小型/微型/纳米/微微/飞秒卫星停止运行时，通常各个地面站也由于经济节省的原因而停止运行。
因此，目前的一些缺点/限制影响了小型/微型/纳米/微微/飞秒卫星，尤其影响了为LEO轨道设计的小型/微型/纳米/微微/飞秒卫星，即：
1)在一定的初始周期内，卫星的轨道数据未知，并且相应的地面站不能跟踪和控制卫星；
2)即使当轨道数据是已知的时，对于LEO卫星，单个地面站的覆盖周期也仅为总卫星轨道时间的大约3％；
3)地面站涉及不可忽视的成本，对于低预算的任务来说，这是无法负担的。
此外，如果传统大型和小型/微型/纳米/微微/飞秒型LEO卫星都发生故障，则仅当卫星通过向地面发送报警信号的相应的地面站时，故障才会被检测到，并且这种情况可能发生在故障发生数小时或甚至数天之后。
在这方面，美国专利申请US2017/070939A1公开了一种在地心非同步轨道上提供了对卫星的连续通信接入的***及方法。特别地，根据美国专利申请US2017/070939A1的***包括LEO卫星和多个地面站的星座，以使其他地心、非同步航天器能够实现连续通信。通过选择卫星星座和地面站位置的轨道参数，网络延迟、多普勒效应和路由器切换时间被最小化。多个极性或近极性轨道平面在升交点赤经(RAAN)以交替升降模式等间隔呈现。在平面内实施卫星间通信以向地面站转发数据，在平面外或在平面内实施与不是星座成员的另一卫星通信。地面站的数量和位置是根据小型卫星和轨道面的数量来选择的，以便保持连续的通信。根据美国专利申请US2017/070939A1的***能够使能地心卫星的连续通信，而无需视线接入地面站。
此外，美国专利申请US2017/310382A1公开了一种***和方法，用于提供分布在一些地理区域上的多个卫星地面站，并且用于这些区域进而可扩展到使用LEO卫星、地面参与者设备和基于云的通信的组合来覆盖大区域甚至全球。根据美国专利申请US2017/310382A1的方案目的在于解决单个基站或地面站试图跟踪低端LEOSAT或甚至立方体卫星并与之通信的场景所固有的短时间窗口问题。
发明内容
本发明的一般目的在于至少部分地减轻了上述影响传统大型和小型/微型/纳米/微微/飞秒型LEO卫星的缺点/限制。
特别地，本发明的特定目的在于提供能够提供用于LEO卫星(尤其是小型/微型/纳米/微微/飞秒卫星)遥测、跟踪及指挥(TT&C)服务的***，而不需要来自外部源的轨道参数，且具有比现行方案更增强的覆盖和更低的成本。
这些和其他目的通过本发明得以实现，因为它涉及一种卫星遥测、跟踪及指挥***，包括：
·多个地面站，所述地面站中的每个位于地球表面的相应位置，且被设计用于当卫星位于所述地面站的相应的可见区域中时，从所述卫星接收携带遥测数据的下行信号，以及向其发送携带一个或多个命令(command)的上行信号；
·机载单元，所述机载单元中的每个机载安装于相应的卫星上，且被设计用于
-接收来自一个或多个全球导航卫星***的GNSS信号，
-基于所述接收的GNSS信号，计算所述相应的卫星的位置和速度，
-存储指示地球表面上所述地面站的位置以及指示所述地面站的所述可见区域的覆盖数据；以及
·网络控制中心，通过一个或多个互联网协议网络连接至所述地面站，并设计用于
-通过所述因特网协议网络，从拥有/管理一个或多个相应的卫星中的每个接收用于卫星运营商的卫星的命令，
-通过所述因特网协议网络，向所述地面站提供用于所述卫星的所述命令，
-通过所述因特网协议网络，从所述地面站接收由所述卫星发送的所述遥测数据，以及
-通过所述因特网协议网络，向每个卫星运营商提供由所述相应的卫星发送的所述遥测数据。
此外，每个机载单元进一步被设计用于：
·基于计算的所述卫星的位置和速度以及所述存储的覆盖数据，确定所述相应的卫星何时位于所述地面站中的一个的所述可见区域内；
·当所述相应的卫星位于地面站的所述可见区域内时，向所述地面站发送所述下行信号，并且从其接收所述上行信号；以及
·执行对应于从所述地面站接收的所述命令的动作/操作。
附图说明
为了更好的理解本发明，现在将参照附图(不按比例)描述优选的实施方式，优选地实施例目的仅为非限制性的示例。
图1示意性地示出了根据本发明的优选的非限制性实施例的遥测、跟踪及指挥(TT&C)***；
图2示意性地示出了属于图1的卫星遥测、跟踪及指挥***的机载遥测、跟踪及指挥单元的优选架构；
图3和4示意性地示出了图1的卫星遥测、跟踪及指挥单元的运行的一种示例；以及
图5示意性地示出了可由图2的机载遥测、跟踪及指挥单元实现的操作逻辑的一种示例。
具体实施方式
以下讨论是为了使本领域技术人员能够制造和使用本发明。对于本领域技术人员来说，实施例的各种修改将是显而易见的，而不会脱离所要求的本发明的范围。因此，本发明不打算局限于示出和描述的实施例，而是要符合与本文中所揭示并在所附权利要求中限定的原理和特征相一致的最宽范围。
图1示意性地示出了根据本发明的优选的非限制性实施例的遥测、跟踪和指挥(TT&C)***(用1表示为一个整体)。
特别地，卫星遥测、跟踪及指挥***1包括：
·多个地面站11，地面站11中的每个位于地球表面上的相应位置，并且被设计用于当卫星2位于地面站11的相应的可见区域中时，从所述卫星2接收携带遥测数据的下行信号，并且向其发送携带一个或多个命令的上行信号；
·机载遥测、跟踪及指挥单元，机载遥测、跟踪及指挥单元中的每个机载被安装于相应的卫星2上，且被设计用于
-接收来自一个或多个全球导航卫星***(GNSS)的GNSS信号，
-基于接收的GNSS信号，计算所述相应的卫星2的位置和速度，
-存储指示地球表面上地面站11的位置以及指示所述地面站11的可见区域的覆盖数据，
-基于计算的卫星的位置和速度以及所存储的覆盖数据，确定所述相应的卫星2何时在地面站11的可见区域内，
-当所述相应的卫星2位于地面站11的可见区域内时，向所述地面站11发送携带遥测数据的下行信号，并从其接收携带一个或多个命令的上行信号，以及
-执行对应于从地面站11接收的命令的动作/操作；以及
·网络控制中心12，通过一个或多个因特网协议(IP)网络3(例如，因特网)连接至地面站11，并被设计用于
-通过IP网络3，从拥有/管理一个或多个相应的卫星2中的每个的卫星运营商4接收用于卫星2的命令，
-通过IP网络3，向地面站11提供用于卫星2的命令，
-通过IP网络3，接收来自所述地面站11的卫星2发送的遥测数据，以及
-通过IP网络3，向每个卫星运营商4提供由相应的卫星2中发送的遥测数据。
优选地，每个机载遥测、跟踪及指挥单元进一步设计用于：
·基于计算的卫星的位置和速度，计算相应的卫星2的轨迹；
·基于计算的卫星的轨迹以及存储的覆盖数据，确定所述相应的卫星2何时位于地面站11中的一个的可见区域内；以及
·当所述相应的卫星2位于地面站11的可见区域内时，向所述地面站11发送携带指示计算的卫星的位置、速度以及轨迹的轨道数据的下行信号。
此外，网络控制中心12还方便地设计用于：
·通过IP网络3，接收来自地面站11的卫星2发送的轨道数据；以及
·通过IP网络3，为每个运营商4提供由相应的卫星2中的一个或多个发送的轨道数据。
优选地，每个机载(on-board)遥测、跟踪及指挥单元还进一步设计用于发送携带指示相应的卫星2上发生的故障/异常/失败的报警数据的下行信号，且网络控制中心12进一步设计用于：
·通过IP网络3，从地面站11接收由卫星2发送的报警数据；以及
·通过IP网络3，向每个卫星运营商4提供由相应的卫星2发送的警报数据。
更优选地，每个机载遥测、跟踪及指挥单元进一步设计用于：
·基于计算的卫星的位置和速度，计算相应的卫星2的轨迹；
·基于计算的卫星的轨迹，计算所述相应的卫星2的未来轨道路径；
·基于存储的覆盖数据，检查计算的卫星的未来轨道路径是否通过地面站11中的一个的可见区域；以及
·如果计算的卫星的未来轨道路径通过地面站11的可见区域，则
-计算相应的卫星2在何时进入地面站11的可见区域的进入时间(Te)，
-计算相应的卫星2在何时离开所述地面站11的可见区域的离开时间(To)，
-如果计算的离开和进入时间之间的时间差(To-Te)超过第一预定阈值，则基于所述时间差(To-Te)是否低于或超过第二预定阈值，计算一个或多个发送时间，以及一个或多个接收时间，以及
-在计算的发送时间发送下行信号，在计算的接收时间接收上行信号。
方便地，每个机载遥测、跟踪及指挥单元进一步设计用于基于一个或多个接收的命令，(例如，通过修改、修正或删除之前存储的指示一个或多个地面站11的位置和/或可见区域的数据，或存储指示一个或多个要填加的新地面站11的位置和可见区域的新数据)更新存储的覆盖数据。
图2示意性地示出了卫星遥测、跟踪及指挥***1的机载遥测、跟踪及指挥单元的优选架构。特别地，如2中所示的，每个在遥测、跟踪及指挥单元(用13表示为一个整体)包括：
·GNSS接收机131，被设计用于接收来自一个或多个GNSS(例如，全球定位***(GPS)和/或伽利略***和/或GLONASS***和/或北斗导航卫星***等)的GNSS信号，以及用于基于接收的GNSS信号，计算机载遥测、跟踪及指挥单元13安装其上的卫星2的位置和速度；
·存储器132，用于存储指示地球表面上的地面站11的位置和指示所述地面站11的可见区域的覆盖数据；
·接收/发送(Rx/Tx)单元133，用于发送携带遥测数据的下行信号，以及接收携带命令的上行信号；
·控制和处理单元(CPU)134，连接至GNSS接收机131、存储器132以及Rx/Tx单元133，且编程用于
-基于GNSS接收机131计算的卫星的位置和速度以及存储器132上存储的覆盖数据，确定卫星2何时位于地面站11中的一个的可见区域内，
-当卫星2位于地面站11的可见区域内时，操作Rx/Tx单元133向所述地面站11发送携带遥测数据(例如，指示卫星2的完整性状态的数据)的下行信号，以及从其接收携带一个或多个命令的上行信号，以及
-执行对应于从地面站11接收的命令的动作/操作。
优选地，Rx/Tx单元133设计用于发送超高频(UHF)下行信号(即，频率在300MHz和3GHz之间的范围中)，以及接收特高频(VHF)上行信号(即，频率在30和300MHz之间的范围中)。显然，在这样的情况下，地面站11设计用于发送VHF上行信号以及接收UHF下行信号。通过这样的方式，Rx/Tx单元133可配备不需要特定指向的全向天线。
总之，Rx/Tx单元133可方便地设计成运行于其他频带(除了或者替代UHF和VHF频段)，例如，S频段(即，运行于2和4GHz之间的范围中的频率)。在这样的情况下，Rx/Tx单元133方地装配一个或多个定向天线，且设计用于适当地定向一个或多个所述定向天线。
优选地，CPU 134编程用于产生要由Rx/Tx单元133而经由下行信号发送的短遥测字符串/分组。方便地，每个遥测字符串/分组可包括卫星2(即，发送器)的标识符、地面站11(即，收件人)的标识符、以及遥测数据(例如，健康&状态消息)。
方便地，CPU 134可以通过现场可编程门阵列(FPGA)制成，FPGA通过特定的软件/固件代码适当地编程以执行根据本发明的教导的操作。
方便地，在使用中，网络控制中心12对从地面站11接收的卫星2的遥测数据进行解码、验证和存储，并经由互联网安全连接将遥测数据发送到相应的卫星运营商4。
如前所述，网络控制中心12还管理对卫星2的命令，接收来自卫星运营商4的命令请求，并将命令转发给发射站11。方便地，网络控制中心12通过找到向各自的收件人卫星2发送命令的最快方式，即通过使用首先被所述卫星2看见的地面站11，来选择用于命令上行传输的最合适的地面站11。
地球表面上全局分布的大量地面站11允许确保与卫星2的频繁数据链路。
方便地，地面站11非常小，并且是基于COTS组件制造的，以简化它们的开发并保持它们简单且廉价。
优选地，每个地面站11包括：相应的VHF和UHF绕杆式天线对、相应的VHF无线电调制解调器、相应的宽带软件定义无线电(SDR)装置、负责通信管理和与网络控制中心12同步的相应的计算单元、以及用于本地定时的相应的GNSS接收机。
卫星遥测、跟踪及指挥***1是用于LEO卫星的自动低数据速率通信***，优选地是小型/微型/纳米/微微型/飞秒型(仍然清楚的是，所述卫星遥测、跟踪及指挥***1也可有利地用于传统大型的LEO卫星)，代表基于传统解决方案的改善的替代方案，传统解决方案是由专门用于一个任务的单个地面站组成的地面段的。
事实上，通过使用卫星遥测、跟踪及指挥***1，卫星运营商4将不采购自己所有的地面站，而是可以经由互联网直接在其所在地接收由其卫星2生成的短遥测分组，此方法被定义为“虚拟”地面段。卫星运营商4不知道所有地面站11都位于哪里，但是由于全球分布并以基于网络的方式连接的大量地面站11，可接收高频短距离遥测分组。
如前所述，卫星遥测、跟踪及指挥***1也可有利地用于传统的大型LEO卫星，因为其自动遥测传输机制可被传统卫星运营商用于高频接收健康和状态遥测，并且可以用于机上发生异常/故障/失败时上传命令。
在下文中，将参考图3和图4描述执行实施本发明的优选的非限制性模式，图3和图4示意性地示出了卫星遥测、跟踪及指挥***1的操作的一种示例。
遥测数据传输是完全自动的，因为机载遥测、跟踪及指挥单元13配备有决定是否以及何时激活遥测数据传输所需的所有元件。
实际上，存储器132考虑到具有固定天线的地面站11和具有跟踪天线的地面站11的特征，存储所有地面站11的位置(方便地，纬度和经度)以及它们在可见锥方面的特征。这样，也可以使用具有先进天线阵列的地面站11，该地面站11可以方便地配置用于对卫星的位置和轨道进行独立测量。
GNSS接收机131还提供精确机载定时，并以预定频率(例如，1Hz)存储卫星的位置和速度。CPU 134以存储的位置和速度作为输入，基于卫星的位置和速度，推断卫星的轨迹，并预测卫星2在预定时间段(例如，接下来的15分钟)内的未来轨道路径。CPU 134识别卫星轨道与地面站11中的一个的可见锥的可能交点。如果卫星轨道与可见锥相交，则CPU 134计算卫星2进入可见锥的时间(Te)及其离开的时间(To)。如果卫星轨道不与任何可见锥相交，则CPU 134开始新的轨道传播。
方便地，为了将一个且同一个可见锥内的不同卫星2之间的潜在干扰最小化，遥测分组可以相对较短(例如，256字节)并以约1/5秒(如突发)发送。此外，可方便地重复三次遥测分组传输，以限制对其他信号的潜在干扰的影响，从而增加地面站11正确接收遥测分组的机会。对于在数据/遥测传输方面要求更高的卫星，可以在不修改一般概念的情况下按顺序发送几个不同的分组，还因为地面站11总是在监听模式中活动，以接收遥测数据。
因此，一旦检测到相交点，并且已经计算Te和To时间，CPU 134确定三个发送时间，以发送遥测分组。例如，具体参考图4，第一发送时间可以是卫星2进入可见锥之后的N秒(例如，10秒)，第二发送时间可以对应于可见锥内的卫星轨道的中心点，第三发送可在卫星2离开可见锥之前不久实施。
在这方面，图5示意性地示出了可由机载遥测、跟踪及指挥单元13实现的上述类型的操作逻辑的一种示例，其中：
·GNSS接收机131实施卫星位置和速度的实时计算(方框51)；
·CPU 134基于GNSS接收机131计算的卫星位置和速度，计算卫星轨迹，并基于卫星的轨迹(例如，下一个15分钟)预测卫星的未来轨道路径(方框52)；
·CPU 134基于存储器132上存储的覆盖数据，检查卫星的未来轨道路径是否与地面站11中的一个的可见锥相交(方框53和方框54)；
·如果检测到相交，CPU 134计算卫星2进入相交的可见锥的时间(Te)及其从其离开的时间(To)；否则，(即，如果没有相交)操作逻辑从方框51重新开始；
·CPU 134检查To-Te是否超过30秒(方框56)；更一般地，检查是否存在至少一次遥测传输足够的时间；
·如果To-Te＞30秒(即，如果存在至少一次遥测传输足够的时间)，CPU134进一步检查To-Te是否超过60秒(方框57)；更一般地，检查是否存在多次遥测传输足够的时间；否则，如果To-Te≤30秒(即，如果不存在遥测传输足够的时间)。操作逻辑从方框51重新开始；
·如果To-Te＞60秒(即，如果存在多次遥测传输足够的时间)，CPU 134操作Rx/Tx单元133在不同的时间T1,T2和T3发送遥测分组，其中
T1＝Te+10秒
T2＝Te+(To-Te)/2
T3＝To–20秒,
并在以下时间等待命令
T1+5秒
T2+5秒
T3+5秒
(方框58)；
·否则，如果To-Te≤60秒(即，如果不存在多次遥测传输足够的时间)，CPU 134操作Rx/Tx单元133在T1＝Te+(To-Te)/2发送遥测分组，并在T1+5秒等待命令(方框59)；
·随后，操作逻辑从方框51重新开始。
方便地，卫星2通过地面站11的可见锥(visibility cone)内后，所述地面站11可以暂时从为检测相交点而检查的地面站11的列表中排除。
可选地，地面站11可以方便地配置成向卫星2(即，向相应的机载遥测、跟踪及指挥单元13)发送接收的遥测分组的确认。
如果卫星2通过多个卫星释放机制作为搭载载荷、以小型/微型/纳米/微微型/飞秒卫星的形式发射，则在轨道上释放后的早期阶段，“卫星云”仍然很小并且卫星2彼此接近时，可能出现几个卫星2同时进入同一个地面站11的可见锥，从而在遥测传输中相互干扰。同样的情况也可能发生于近距离飞行的卫星2。为了解决这个问题，可以方便地使用时分多址(TDMA)方法。在这种情况下，每个时段的用于遥测传输的相应时隙可以方便地分配给每个卫星2(即，分配给每个机载遥测、跟踪及指挥单元13)，其中，可以方便地基于GNSS信号实现同步。例如，如果周期为一分钟，并且每个遥测分组以突发(burst)的形式在1/5秒内被发送，则可以分配1/3秒的时隙，使得在一分钟内可以同时管理多达60个卫星2(考虑每个大于三分钟的窗口三个突发)。
方便地，可以通过从地面站11向特定卫星2发送特定命令来激活或不激活特定卫星2上的TDMA、分配时隙和修改存储在存储器132上的地面站列表。
从上述情况来看，本发明的技术优势对于本领域技术人员是立即清楚的。特别地，需要指出的是，相对于基于由专门用于一个任务(即，针对一个卫星)的单个地面站组成的地面段的传统解决方案，本发明提供了若干优点。
这些优点可分为若干领域，不仅影响卫星拥有者/运行商，还影响参与监测空间进入和空间安全的组织/机构。
首先，本发明允许增强对卫星遥测的访问，并且更一般地，允许对卫星数据的访问。
事实上，如前所述，根据传统解决方案，只有当卫星通过专门用于所述卫星的地面站时，才建立数据链路，并且根据卫星的高度，对于每次通过，数据链路的持续时间仅限于几分钟。此外，单个地面站的LEO卫星覆盖大约只有卫星轨道时间的3％。
相反，本发明可以有利地采用数十个微型、全球分布的地面站，允许将下行链路传输的数量扩展到多达50倍，并且独立于卫星的高度，接收大约每个轨道的遥测分组。
其次，本发明提供了对卫星遥测以及更一般的对卫星数据的简单访问。事实上，由于本发明，因为本发明经由安全网站链接并直接在卫星运营商所在地向卫星运营商提供了与其响应的卫星有关的遥测数据，因此卫星运营商不应通过其自己的工作人员的方式来采购和管理自己的地面站，也不应为工作人员颁发无线电发射证书。通过安全网络连接和直接在卫星运营商处所接收卫星。
第三，本发明提供对卫星遥测的廉价接入，并且更一般地，提供对卫星数据的廉价接入。事实上，本发明提供的遥测、跟踪及指挥服务的成本比制造、安装、使用(包括人事成本)和维护单个地面站的成本方便地低。
此外，通过提供与检测到的故障/失败相关的特定命令，本发明使得早期检测卫星的故障/失败并快速跟踪对策成为可能。事实上，本发明允许卫星运营商接收包含与卫星的完整性状态有关的最相关数据的高频率遥测分组。早期发现故障以及通过以短反应时间向其发送特定命令来与受故障影响的卫星交互的可能性，可有助于将卫星置于安全模式中，并尝试从故障中恢复。这一特性对于传统大型和小型/微型/纳米/微微型/飞秒型LEO卫星都是非常有用的，并且使得根据本发明的卫星遥测、跟踪及指挥***作为辅助通信***，在故障情况下与传统的大型卫星一起使用，和/或在每个轨道上连续发送短遥测字符串。
此外，本发明还使得早期识别小型/微型/纳米/微微型/飞秒卫星和立方卫星成为可能。事实上，正如前面详细解释的那样，越来越多的小型/微型/纳米/微微型/飞秒卫星对负责卫星识别和跟踪(追踪)的机构提出了异常的挑战。在这种情况下，本发明允许自动将识别和遥测数据传送到可见地面站，而不需要从外部源提供卫星轨道数据。此外，本发明还可以方便地允许将机上计算的卫星位置、速度和轨道参数实时传输到地面，从而向卫星运营商和负责卫星识别和跟踪的机构提供非常有用的数据。
此外，由于根据本发明，只有当卫星在地面站的可见区域内时才执行遥测、跟踪及指挥传输，所以所使用的射频(RF)频带(例如，UHF和VHF)中的干扰和机载功耗都显著降低。
此外，根据本发明的地面站可以方便地装备有固定的、天顶指向的天线，从而使得所述地面站比采用安装有基于COTS的计算机可控转子的低成本指向天线的传统解决方案的那些地面站更加健壮和可靠。
此外，值得注意的是，由于本发明方便地采用大量的地面站，因此产生的卫星遥测、跟踪及指挥***对地面站的单次失败以及天气条件不太敏感(事实上，其他地面站可以补偿在特定地面站上的卫星通道，由于当地恶劣的天气条件，该卫星通道丢失)。
此外，还值得注意的是，LEO是非常拥挤的轨道，因此，经常要求LEO卫星实施机动，以避免与其他物体碰撞。对于单个地面站，由于发送命令的机会有限，卫星管理器通常被迫激活卫星的推进***，以便在潜在碰撞事件之后下一个命令窗口下降时，使所述卫星从其轨道上移动，即使关于碰撞事件的不确定性很大。相反，由于全球分布式地面站，本发明提供了大量的命令窗口，从而允许延迟避碰演习的性能，直到碰撞事件预测更加精确，从而避免不是严格必要的避碰演习。较少的操作意味着较少的推进剂消耗，因此增加了卫星的寿命。
总之，根据本发明的卫星遥测、跟踪及指挥***可以有利地用作LEO小型/微型/纳米/微微型/飞秒卫星向地面发送卫星遥测和向卫星发送命令的主通信***，而不需要专用地面站。由于全球分布的地面站提供的数据链路的大量可用性，根据本发明的卫星遥测、跟踪及指挥***还可以有利地用作传统大型卫星的二次通信***，以提供对卫星的故障/失败的早期检测。此外，通过本发明的方式，卫星可以自动地将其位置和轨道数据发送到地面，这对于卫星运营商和负责卫星识别、监测和跟踪的机构来说都是非常重要的信息。
最后，很清楚地，可以对本发明进行许多修改和变型，所有这些都属于本发明的范围，如所附权利要求中所限定的。

Claims (10)

1.卫星遥测、跟踪及指挥***(1)，包括：
·多个地面站(11)，所述地面站(11)中的每个位于地球表面的相应位置，并且被设计用于当卫星(2)位于所述地面站(11)的相应的可见区域中时，从所述卫星(2)接收携带遥测数据的下行信号并且向其发送携带一个或多个命令的上行信号；
·机载单元(13)，所述机载单元(13)中的每个被机载安装于相应的卫星(2)上，并且被设计用于
-接收来自一个或多个全球导航卫星***的GNSS信号，
-基于接收的GNSS信号，计算所述相应的卫星(2)的位置和速度，
-存储指示地球表面上的所述地面站(11)的位置以及指示所述地面站(11)的所述可见区域的覆盖数据；以及
·网络控制中心(12)，通过一个或多个互联网协议网络(3)连接至所述地面站(11)，并且被设计用于
-通过所述因特网协议网络(3)，从拥有/管理一个或多个相应的卫星(2)中的每个的卫星运营商(4)接收用于卫星(2)的命令，
-通过所述因特网协议网络(3)，向所述地面站(11)提供用于所述卫星(2)的所述命令，
-通过所述因特网协议网络(3)，从所述地面站(11)接收由所述卫星(2)发送的所述遥测数据，以及
-通过所述因特网协议网络(3)，向每个卫星运营商(4)提供由所述相应的卫星(2)发送的所述遥测数据；
其特征在于，每个机载单元(13)进一步被设计用于：
·基于计算的所述卫星的位置和速度以及存储的覆盖数据，确定所述相应的卫星(2)何时位于所述地面站(11)中的一个的可见区域内；
·当所述相应的卫星(2)位于地面站(11)的所述可见区域内时，向所述地面站(11)发送所述下行信号，并且从其接收所述上行信号；以及
·执行对应于从所述地面站(11)接收的命令的动作/操作。
2.根据权利要求1所述的卫星遥测、跟踪及指挥***，其中，每个机载单元(13)进一步被设计用于：
·基于计算的所述卫星的位置和速度，计算所述相应的卫星(2)的轨迹；
·还基于计算的所述卫星的轨迹，确定所述相应的卫星(2)何时位于所述地面站(11)中的一个的可见区域内；
·当所述相应的卫星(2)位于所述地面站(11)的可见区域内时，还向所述地面站(11)发送携带指示计算的卫星的位置、速度以及轨迹的轨道数据的下行信号；
并且其中，所述网络控制中心(12)进一步被设计用于：
·通过所述因特网协议网络(3)，从所述地面站(11)接收由所述卫星(2)发送的轨道数据；以及
·通过所述因特网协议网络(3)，向每个卫星运营商(4)提供由相应的卫星(2)发送的轨道数据。
3.根据权利要求1所述的卫星遥测、跟踪及指挥***，其中，每个机载单元(13)还进一步被设计用于发送携带指示所述相应的卫星(2)机上发生的故障/异常/失败的警报数据的下行信号；并且其中，所述网络控制中心(12)进一步被设计用于：
·通过所述因特网协议网络(3)，从所述地面站(11)接收由所述卫星(2)发送的警报数据；以及
·通过所述因特网协议网络(3)，向每个卫星运营商(4)提供由相应的卫星(2)发送的警报数据。
4.根据权利要求1所述的卫星遥测、跟踪及指挥***，其中，每个机载单元(13)进一步被设计用于：
·基于计算的卫星的位置和速度，计算相应的卫星(2)的轨迹；
·基于计算的所述卫星的轨迹，计算所述相应的卫星(2)的未来轨道路径；
·基于存储的覆盖数据，检查计算的卫星的未来轨道路径是否通过地面站(11)中的一个的可见区域；以及
·如果计算的卫星的未来轨道路径通过地面站(11)的可见区域，则
-计算相应的卫星(2)在何时进入地面站(11)的可见区域的进入时间，
-计算相应的卫星(2)在何时离开地面站(11)的可见区域的离开时间，
-如果计算的离开和进入时间之间的时间差超过第一预定阈值，则基于所述时间差是否低于或超过第二预定阈值，计算一个或多个发送时间，以及一个或多个接收时间，以及
-在计算的发送时间发送下行信号，并且在计算的所述接收时间接收上行信号。
5.根据权利要求1所述的卫星遥测、跟踪及指挥***，其中，每个机载单元(13)进一步被设计用于基于一个或多个接收的命令，更新存储的覆盖数据。
6.根据权利要求1所述的卫星遥测、跟踪及指挥***，其中，每个机载单元(13)包括：
·GNSS接收机(131)，其被设计用于从一个或多个全球导航卫星***接收GNSS信号，并且基于接收的GNSS信号计算相应的卫星(2)的位置和速度；
·存储器(132)，用于存储覆盖数据；
·接收/发送单元(133)，用于发送下行信号，并且接收所述上行信号；以及
·控制和处理单元(134)，其被编程用于
-基于所述GNSS接收机(131)计算的卫星的位置和速度以及在存储器(132)上存储的所述覆盖数据，确定相应的卫星(2)何时位于地面站(11)中的一个的可见区域内，
-当相应的卫星(2)位于地面站(11)的可见区域内时，操作接收/发送单元(133)向所述地面站(11)发送携带所述遥测数据的下行信号，以及从其接收携带一个或多个命令的上行信号，以及
-执行对应于从地面站(11)接收的命令的动作/操作。
7.根据权利要求1所述的卫星遥测、跟踪及指挥***，其中，所述机载单元(13)和所述地面站(11)分别被设计用于：
·发送和接收超高频下行信号；以及
·接收和发送特高频上行信号。
8.根据权利要求1所述的卫星遥测、跟踪及指挥***，其中，所述机载单元(13)和所述地面站(11)被设计用于发送和接收S-频段下行和上行信号。
9.一种用于在卫星(2)上使用的设备，其被设计作为如权利要求1所述的所述卫星遥测、跟踪及指挥***(1)的所述机载单元(13)中的一个。
10.一种卫星(2)，包括如权利要求1所述的卫星遥测、跟踪及指挥***(1)的所述机载单元(13)中的一个。
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