Ka 阵面星历下发与执行逻辑说明

Ka 阵面星历下发与执行逻辑说明

一、系统总体架构

整个星历跟踪系统由三层组成：

上位机（PC，Python Flask Web 应用）负责轨道解算、星历点生成、NTP 时钟校正，并通过 UDP 把星历命令发给板子。

下位机（STM32，C 固件）负责接收并解析星历命令，存入点表，按 UTC 到点时刻逐点驱动两个阵面（收发各一路 SPI）的波束指向。

阵面硬件（接收阵面 + 发射阵面）接收下位机通过串口/SPI 下发的补角指令，完成物理波束偏转。

数据流方向：

轨道六根数 → 上位机解算 → UDP → 下位机解析 → 串口/SPI → 收发阵面

二、上位机侧逻辑（web_ctrl.py + orbit.py）

2.1 NTP 时钟校正（必须先做）

上位机的时间源是 PC 系统时钟，而 PC 时钟与真实 UTC 之间可能有几十到上百毫秒的偏差。

校正流程：

1. 向 NTP 服务器（默认 ntp.aliyun.com）连续发 3 次查询

2. 取 3 次偏差的中位数，滤除网络抖动

3. 把偏差写入全局变量 `_clock_offset_s`

4. 之后所有用到"当前时间"的地方调用 `utc_now()`，内部自动做 `系统时钟 - 偏差 = 真实UTC`

这样星历时间戳就对齐了真实 UTC，与板子的惯导 UTC 在同一个基准上。

2.2 轨道解算

输入参数：

• 历元 UTC（六根数对应的参考时刻）

• 轨道六根数：半长轴 a（米）、偏心率 e、倾角 i、近地点幅角 ω、升交点赤经 Ω、平近点角 M0（度）

• 台站经纬度、高程

• 载频 f0（仅用于计算多普勒，不影响角度）

解算链路：

1. 用开普勒方程（牛顿迭代）从平近点角 M 求偏近点角 E

2. 在轨道面内算出位置和速度

3. 通过三次旋转（Ω, ω, i）变换到 J2000 惯性坐标系

4. 经岁差矩阵 P、章动矩阵 N 旋转到瞬时真赤道系（TOD）

5. 绕 Z 轴旋转格林威治真恒星时角（GAST），得到 ECEF 地固坐标

6. 与台站 ECEF 坐标做差，投影到东北天（ENU）系，得到方位角 az 和俯仰角 el

可选的光行时修正：迭代 2 次求信号传播延迟 τ，用卫星在"发射时刻"而非"观测时刻"的位置来算角度，与 STK 结果对齐。

2.3 星历滚动下发主循环（EphemSim._loop）

核心参数：

| 参数 | 含义 | 典型值 |

|------------|------------------------------|-------------|

| count | 每组点数 | 20（固件上限）|

| step_ms | 相邻两点的时间间隔 | 50 ms |

| lead_s | 提前多久下发下一组 | 1.0 秒 |

| groups | 总组数，0 = 无限 | 0 |

| mask_deg | 仰角门限，低于此不发 | 10° |

一组的时间跨度 = count × step_ms = 20 × 50ms = 1.0 秒。

主循环每一轮做的事情：

1. 取 group_start（这一组首点应该生效的 UTC 时刻）

2. 算 group_start 和 group_end 两端的仰角

├─ 两端都 > mask_deg → 进入下发

└─ 任一端 ≤ mask_deg → 跳过，等待卫星升起

3. 下发：

a. 对 group_start 起的 20 个时刻（间隔 50ms）逐个调用 obs_at() 解算 az/el

b. 拼成一条命令字符串，格式为：

$cmd,set ephem;20;YYYYMMDD,hhmm,ss.sss,az.xxxx,el.xxxx;...（重复20次）...

c. 通过 UDP 发送给板子（send_quiet，日志只记摘要不刷屏）

d. 同时把全部 20 个点的详细数据写入 info 日志，供人工核对

4. 更新 group_start = 上一组 group_start + 组时长

计算下一组的唤醒时刻 = 新 group_start - lead_s

睡眠等待到唤醒时刻，然后回到第 1 步

时序示意（lead = 1.0s，组时长 = 1.0s）：

```

时间轴 ───────────────────────────────────────────►

├── 第1组生效 ──┤├── 第2组生效 ──┤

t0 t0+1s t0+2s

▲发第1组 ▲发第2组 ▲发第3组

(t0-1s) (t0) (t0+1s)

```

每一组在"生效前 1 秒"发出，板子收到后存入 pending 槽，当前组发完自动切入。

2.4 角度约定

上位机下发的是**物理观测角**（也叫天文方位角/仰角）：

• 方位角 az：北为 0°，顺时针增大，范围 0°\~360°

• 俯仰角 el：水平为 0°，天顶为 90°，范围 0°\~90°

补角转换由下位机完成，上位机不做任何转换。

2.5 命令格式

```

$cmd,set ephem;20;20260908,0425,58.000,295.7839,10.1234;20260908,0425,58.050,295.7854,10.1456;...;

```

各字段含义：

• `$cmd,set ephem;` 固定前缀

• `20` 点数（1\~20）

• 每个点用分号分隔，内部 5 个逗号分隔的字段：

• `YYYYMMDD` 年月日

• `hhmm` 时分

• `ss.sss` 秒（含毫秒）

• `az` 方位角（度）

• `el` 俯仰角（度）

• 末尾可选 `*hh` 校验和（星历命令默认不加）

三、下位机侧逻辑（protocol.c 固件）

3.1 命令接收与解析（ParseEphemCommand）

收到 UDP 包或串口数据后，进入 `ParseCommand` 分发，匹配到 `$cmd,set ephem;` 前缀后调用 `ParseEphemCommand`。

解析过程：

1. 跳过前缀，用 strtol 提取点数 count（1~20）

2. 循环 count 次，每次：

a. strtol 取 YYYYMMDD → 拆出年月日

b. strtol 取 hhmm → 拆出时分

c. strtod 取 ss.sss → 秒

d. strtod 取 az → 方位角

e. strtod 取 el → 俯仰角

f. 合法性校验：年 2000~2099、月 1~12、日 1~31、时 0~23、分 0~59、秒 0~60、

方位 0~360、俯仰 0~90

g. 调用 EphemUtcToMs 把 UTC 转成距 2000-01-01 的毫秒数

h. 检查时间戳严格递增

i. 做补角转换：

beam_el = 90° - el（俯仰补角）

beam_az = (360° - az) mod 360°（方位补角）

乘以 100 取整，存为 0.01° 单位的整数

3. 全部解析成功后，写入 g_ephem_pending 数组，置 pending_ready = 1

4. 回复 "$cmd,set ephem,ack\r\n"

```

3.2 双缓冲机制（active + pending）

固件用两个数组实现无缝切换：

| 数组名 | 作用 |

|-------------------|--------------------------------------------|

| g_ephem_active | 正在逐点执行的当前组 |

| g_ephem_pending | 提前收到的下一组，等当前组发完后切入 |

`ParseEphemCommand` 每次只写 pending，不会打断正在执行的 active。

切换条件（在 `Ephem_Process` 中检查）：

```

if (active_index >= active_count && pending_ready) {

把 pending 复制到 active

active_index = 0

pending_ready = 0

}

```

这样保证：当前组的 20 个点全部发完之后，才切到下一组，不会丢点也不会空档。

3.3 时基建立（Ephem_NowUtcMs）

板子的 UTC 来源是惯导（GNSS/INS），通过串口定时上报。

时间插值方法：

```

当前毫秒 = 惯导最近一帧的UTC毫秒 + (HAL_GetTick() - 收到那帧时的tick)

```

`HAL_GetTick()` 是 STM32 的 SysTick 计数器（1ms 分辨率），用来补偿"惯导帧到达"和"当前检查时刻"之间的延迟。

如果惯导 UTC 还没锁定（`g_gnss_time_valid = 0`），`Ephem_NowUtcMs` 返回 0，`Ephem_Process` 直接跳过不发，避免乱指。

3.4 到点执行（Ephem_Process，主循环中调用）

这个函数在 main 的 while(1) 里被高频调用（每轮主循环都跑一次）：

```

1. now_ms = Ephem_NowUtcMs()

如果 = 0，说明时基没建立，直接返回

2. 检查是否需要切组（见 3.2）

3. while 循环：

只要 now_ms >= 当前点的 utc_ms，就立刻执行：

├─ 调用 XW_On_SetBeamAngles1(az, el) → 接收阵面

├─ 调用 XW_On_SetBeamAngles2(az, el) → 发射阵面

└─ active_index++，继续检查下一个点

用 while 而非 if，是为了补发：如果主循环某一轮延迟了，

导致连续多个点都已过期，用 while 可以按序全部补发，不跳点。

```

执行时序示意：

```

时间轴 ─────────────────────────────────────►

点表 P1 P2 P3 P4 ... P20

50ms 50ms 50ms 50ms 50ms

主循环 ↑检查 ↑检查 ↑检查 ↑检查

到P1 到P2 到P3 到P4

发P1 发P2 发P3 发P4

↑ 当 P20 发完后，pending → active，从下一组 P1 继续

3.5 补角与帧下发

存入点表的角度已经是补角（0.01° 单位整数）：

```

beam_el_001deg = (int)((90.0 - el) × 100 + 0.5)

beam_az_001deg = (int)(((360.0 - az) % 360) × 100 + 0.5)

```

`XW_On_SetBeamAngles1/2` 把这两个整数打包成阵面控制帧，通过串口4（发射）和串口5（接收）分别下发给两个阵面。两个阵面收到的是同一组角度。

四、完整操作流程

第1步：连接

在网页上确认 IP=192.168.254.27、板子端口=5003、本机端口=6003

点"连接"，左上绿灯亮

第2步：验证链路

点"天线姿态"按钮，观察日志有 rx 回包 → 双向通了

第3步：NTP 校正

在"时钟比对"区域点"对网络时间"

日志出现"已写入星历时钟校正"即可

第4步：填轨道参数

历元 UTC、六根数、台站经纬高、载频

第5步：预览确认

点"预览一组"

看俯仰角是否 > 门限（红字 = 低于门限，当前不可见）

看方位角范围是否合理

点"查下次过境"看卫星什么时候过来

第6步：开始滚动下发

确认参数后点"开始滚动下发"

如果卫星还没过境，状态栏显示"等待过境"

卫星升起后自动开始，日志里每组 20 个点逐条打印

第7步：观察

日志里看 tx 摘要和 info 逐点记录

可以开"波束统计"的自动查询，看 call 计数是否在涨

第8步：停止

卫星落下或不需要跟了，点"停止"即可

```

五、关键时序约束

| 约束 | 原因 |

|----------------------------|------------------------------------------------|

| 提前量 ≤ 组时长 | 固件只有一个 pending 槽，提前太多会覆盖还没执行完的组 |

| 点数 ≤ 20 | 固件 EPHEM_MAX_POINTS = 20，数组定长 |

| 时间戳严格递增 | 固件解析时校验，不递增直接拒绝整条命令 |

| 方位 0\~360°、俯仰 0\~90° | 固件解析范围限制，超出返回 ack error |

| 惯导 UTC 必须已锁 | 否则 Ephem_NowUtcMs 返回 0，不执行任何点 |

| NTP 必须先做 | 否则星历时间戳与板子 UTC 有几十毫秒偏差 |

六、故障排查要点

**日志里有 tx 但没有 rx 回包：** UDP 单向通了，检查板子 IP 和本机端口是否为 6003（固件校验源端口）。

**状态一直是"等待过境"：** 当前仰角低于门限，看预览里的 el 值。如果历元太旧，累积误差可能导致过境时间偏差几分钟。

**板子回 ack error：** 命令格式不对，检查是否有字段超出范围（方位负数、俯仰负数、时间戳不递增等）。

**波束统计 call 不涨：** 星历点没送到阵面，可能是惯导 UTC 没锁（Ephem_NowUtcMs 返回 0）或者 pending 没切到 active。

**角度偏差大：** 检查历元是否过旧（二体模型不含 J2 摄动，5 天偏差可达 2° 升交点漂移）、NTP 校正是否做了、台站经纬度是否填对。