CN101526613A - 基于星间信息交换的星间相对距离测量装置 - Google Patents

Abstract

基于星间信息交换的星间相对距离测量装置，属于航天应用领域。本发明的目的是提供一种设计结构简单、能够实现多个卫星之间相对导航的基于星间信息交换的星间相对距离测量装置。本发明采用电线单元作为前端，与现场可编程门阵列FPGA处理器和高度集成的射频一体化nRF2401射频芯片完成星间链路的搭建，通过星间信息交换，利用记录信息在星间传递的时差完成星间距离的测量，可以计算出星间相对的距离关系。本发明用于星间相对距离的测量。

Description

基于星间信息交换的星间相对距离测量装置

技术领域

本发明涉及一种基于星间信息交换的星间相对距离测量装置，属于航天应用领域。

背景技术

随着卫星通信技术的飞速发展，星际链路成为了卫星通信系统的一项重要关键技术。而在编队飞行过程中，由于自主编队的多个协作航天器的主动、实时、闭环的控制，编队飞行要求直接控制一个航天器相对于另一个或其他许多航天器的姿态和位置，并且各航天器的位置保持在规定精度的控制区内，不致发生相互撞碰，因此，编队飞行要求严格地依赖星间链路通信和数据传输等系统。可见，星间链路的建立是编队安全化的前提。此外，在一体化的背景下，星间链路一体化指的是在编队组网中，采用通信的基本功能完成例如GPS自主导航、星间测距、定轨定姿、时间同步，信息交换等功能的同时实现，从而将所建立的星间链路为完成多项任务而服务。

随着天基卫星网络空间项目的增加，国外的研究机构相继开发了各种星间相对状态测量工具，包括星间通信工具或星间射频收发器。根据项目的要求，这些工具可以提供星间相对定时或定位或两者兼有的功能。已知的星间相对状态测量工具有已经在Proba3计划中使用的AFF、Johns Hopkins大学应用物理实验室的交叉链路收发器CLT(Cross Link Transceiver)、AeroAstro公司的星型测距器(Star Ranger)、ITT和NASA联合开发的LPT(Low Power Transceiver)以及斯坦福大学的伪卫星交叉链路收发器SPTC(Stanford Pseudolite Transceiver Crosslink)等。这些射频收发装置多依赖于GPS导航系统，当前我国尚不具备完整的全球覆盖自主卫星导航系统，因此使用GPS系统常常受到政治以及外交因素的影响，过多的依赖GPS导航系统对于战时需求以及战略发展都是十分不利的，因此，开发出一种基于星间信息交换的测距系统来完成星间的相对导航是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种设计结构简单、能够实现多个卫星之间相对导航的基于星间信息交换的星间相对距离测量装置，利用星间信息交换完成星间距离的测量能够摆脱已有星间导航系统对于GPS系统的依赖，同时在距离测量的同时，还能保证星间信息的交换。

本发明由天线单元、射频单元、现场可编程门阵列FPGA处理器和晶体振荡器组成，天线单元由天线、双工器、功率放大器和低噪音放大器组成，天线的输入输出端连接双工器的发射接收端，双工器的输出端连接低噪音放大器的输入端，双工器的输入端连接功率放大器的输出端；射频单元由一个nRF2401发送转发射频芯片和多个nRF2401接收射频芯片组成；现场可编程门阵列FPGA处理器由发射控制器、接收控制器、并串转换器、移位寄存器、锁相环、高时钟计时器和数据处理器组成，发射控制器的输入端连接并串转换器的一个输出端，接收控制器的输出端连接移位寄存器的输入端，并串转换器的另一个输出端、移位寄存器和锁相环的输出端分别连接高时钟计时器的一个输入端，高时钟计时器的输出端连接数据处理器的输入端；nRF2401发送转发射频芯片的输出端连接功率放大器的输入端，每个nRF2401接收射频芯片的输入端分别连接低噪音放大器的一个输出端，nRF2401发送转发射频芯片的输入端连接发射控制器的输出端，每个nRF2401接收射频芯片的输出端分别连接接收控制器的一个输入端，锁相环的输入端连接晶体振荡器的输出端。

本发明的优点是：

本发明的天线单元用于星间信息交换时将信号发送至其它卫星，或者接收来自于其他卫星的信号，射频单元用于完成在卫星之间的通信功能，形成卫星之间信息交换的链路，现场可编程门阵列FPGA处理器通过内部搭建电路实现了对于信号在卫星星间传播时间的延时的测定；天线单元、射频单元和现场可编程门阵列FPGA处理器之间的结合进一步实现了卫星之间有效信息的传递，完成星间信息交换，同时完成星间距离的测量和星间方位的估计，从而实现卫星之间的相对导航，能够面向分布式卫星系统，获得航天器所需的姿态轨道以及时间信息等。具有外围电路简单，通信速率高、通信质量稳定可靠、开发周期短的优点。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，图2是本发明以三星系统为例的星间信息交换链路频率划分的结构示意图，图3是本发明以三星系统为例的工作原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式由天线单元1、射频单元2、现场可编程门阵列FPGA处理器3和晶体振荡器4组成，天线单元1由天线5、双工器6、功率放大器7和低噪音放大器8组成，天线5的输入输出端连接双工器6的发射接收端，双工器6的输出端连接低噪音放大器8的输入端，双工器6的输入端连接功率放大器7的输出端；射频单元2由一个nRF2401发送转发射频芯片9和多个nRF2401接收射频芯片10组成；现场可编程门阵列FPGA处理器3由发射控制器11、接收控制器12、并串转换器13、移位寄存器14、锁相环15、高时钟计时器16和数据处理器17组成，发射控制器11的输入端连接并串转换器13的一个输出端，接收控制器12的输出端连接移位寄存器14的输入端，并串转换器13的另一个输出端、移位寄存器14和锁相环15的输出端分别连接高时钟计时器16的一个输入端，高时钟计时器16的输出端连接数据处理器17的输入端；nRF2401发送转发射频芯片9的输出端连接功率放大器7的输入端，每个nRF2401接收射频芯片10的输入端分别连接低噪音放大器8的一个输出端，nRF2401发送转发射频芯片9的输入端连接发射控制器11的输出端，每个nRF2401接收射频芯片10的输出端分别连接接收控制器12的一个输入端，锁相环15的输入端连接晶体振荡器4的输出端。

本发明通过天线5完成星间信息交换的信息发送，经其他卫星转发后，再由天线5接收该信息，对该信息进行时差的测量，通过时差完成星间距离的转化。射频单元2用于完成在卫星之间的通信功能，形成卫星之间信息交换的链路。

工作原理：将发射的信息组帧后采用以下步骤：编队中的任意两星采用应答模式作为系统的测距机制。例如测量AB两星间相对距离，A星发送测距包和通信数据，由B星转发回测距包到A星所经历的时间为系统所测延时t，再通过光速计算距离。每颗卫星都可以分为发送、接收、转发三种状态，并且载有本发明的一整套星间测距装置，可对其他卫星测距，也可以作为其他测距卫星的测距信号中转站，提供转发的功能。每颗卫星实际上都处于同等的地位，不分主次，因此测距通道的各个部分相同并且独立。系统在测距的同时也在进行星间的信息交换，此时无须数据转发，转发的只是交换数据中的测距码。

下面以图2、图3所示三星系统为例说明本发明的实现过程：

首先现场可编程门阵列FPGA处理器3对射频单元2进行配置，发送转发射频芯片9的频率设为f1，其它两片接收射频芯片10的频率为f2和f3。通过时分假设此时刻星A处于发送状态，星B、星C处于接收状态；

将发送信息按照帧定义格式组帧，ID选取ID1，并行数据经过并串转换器13转换为串行数据，进入发射控制器11的发送端，开启高时钟计时器16分别对星B、星C返回信号进行计时。

星A以分配到频率f1的nRF2401发送转发射频芯片9为发送频率发送信息，星B、星C分别用对应接收频率f2、f3的nRF2401接收射频芯片10接收到该信息。以星B为例，将接收到的信息逐位串并转换，比较帧头和ID，若为ID1，判断为星A的待转发信号，进入转发处理；星B利用转发模块，以自身分配频率f2转发该信息；星A在对应频率f1的nRF2401发送转发射频芯片9上接收到返回信息。

返回信息进行串并转化，比较帧头和ID，若为ID1，判断为自身发送信号的返回帧，关闭对应于星B测距的高时钟计时器16。对计时所得数据进行处理，转换为距离，输出结果。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述天线5采用螺旋柱状天线，天线的主瓣宽度为60°。其它组成及连接方式与实施方式一相同。

天线的安装位置根据卫星本体结构相关，对天面与对地面同时安装基本能够达到全空间的覆盖，收发合用。nRF2401射频芯片为Nordic公司出品，现场可编程门阵列FPGA处理器3采用Altera的StratixII的EP2S系列芯片组成，具有倍频，控制，高精度计时，数据存储、处理、转换、输入输出等功能。射频单元2完成信息的传递，为构成完整的星间链路提供硬件基础，nRF2401射频芯片工作于2.4-2.5GHz的ISM频段，采用GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying高斯频移键控)的调制方式。

具体实施方式三：本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述nRF2401发送转发射频芯片9和多个nRF2401接收射频芯片10的星间信号传输速率为500Kbps。其它组成及连接方式与实施方式一相同。Kbps又称比特率的单位，指的是数字信号的传输速率，也就是每秒钟传送多少个千位的信息。

具体实施方式四：本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述晶体振荡器4为锁相环15提供100MHz的时钟。其它组成及连接方式与实施方式一相同。

现场可编程门阵列FPGA处理器3外部采用高稳晶体振荡器4提供100MHz的全局时钟。发射控制器11的功能是控制nRF2401射频芯片的发送时序，并将待发送码转换为串行数据发送，同时给出开启信号，高时钟计时器16对时间进行测量；接收控制器12的功能是控制nRF2401的接收时序，将接收到的数据通过移位寄存器14保存并和发送码的ID进行比较，相符时则给出stop信号，关闭高时钟计时器16；高精度计时器16由锁相环15给出时钟，高时钟计时器16计时，锁相环15提供倍频后的400MHz的时钟，如此高的时钟是为提高测距精度而设计的。高时钟计时器16得到的时间测量值需要通过数据处理电路转换为距离，最后输出。发射控制器11之前设计一个并串转换器13，以将并行的数据转换为串行发送；接收控制器12之后设计一个移位寄存器14，以将接收到的串行数据转化为并行保存，并将保存的此数据与发送的数据比较，相等时关闭计数器模块。

Claims (4)

1、基于星间信息交换的星间相对距离测量装置，其特征在于它由天线单元(1)、射频单元(2)、现场可编程门阵列FPGA处理器(3)和晶体振荡器(4)组成，天线单元(1)由天线(5)、双工器(6)、功率放大器(7)和低噪音放大器(8)组成，天线(5)的输入输出端连接双工器(6)的发射接收端，双工器(6)的输出端连接低噪音放大器(8)的输入端，双工器(6)的输入端连接功率放大器(7)的输出端；射频单元(2)由一个nRF2401发送转发射频芯片(9)和多个nRF2401接收射频芯片(10)组成；现场可编程门阵列FPGA处理器(3)由发射控制器(11)、接收控制器(12)、并串转换器(13)、移位寄存器(14)、锁相环(15)、高时钟计时器(16)和数据处理器(17)组成，发射控制器(11)的输入端连接并串转换器(13)的一个输出端，接收控制器(12)的输出端连接移位寄存器(14)的输入端，并串转换器(13)的另一个输出端、移位寄存器(14)和锁相环(15)的输出端分别连接高时钟计时器(16)的一个输入端，高时钟计时器(16)的输出端连接数据处理器(17)的输入端；nRF2401发送转发射频芯片(9)的输出端连接功率放大器(7)的输入端，每个nRF2401接收射频芯片(10)的输入端分别连接低噪音放大器(8)的一个输出端，nRF2401发送转发射频芯片(9)的输入端连接发射控制器(11)的输出端，每个nRF2401接收射频芯片(10)的输出端分别连接接收控制器(12)的一个输入端，锁相环(15)的输入端连接晶体振荡器(4)的输出端。

2、根据权利要求1所述的基于星间信息交换的星间相对距离测量装置，其特征在于所述天线(5)采用螺旋柱状天线，天线的主瓣宽度为60°。

3、根据权利要求1所述的基于星间信息交换的星间相对距离测量装置，其特征在于所述nRF2401发送转发射频芯片(9)和多个nRF2401接收射频芯片(10)的星间信号传输速率为500Kbps。

4、根据权利要求1所述的基于星间信息交换的星间相对距离测量装置，其特征在于所述晶体振荡器(4)为锁相环(15)提供100MHz的时钟。

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