CN102556368A - 保护航天器上机载部件的动力管理方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了保护航天器动力单元的系统，其包括地面站。地面站可包括动力单元负载估算和监控模块，其用于估算航天器动力单元的动力单元的功率负载水平。地面站也可包括地面站功率限制器来调节从地面站传输至航天器的信号功率，从而防止航天器动力单元过载。传输至航天器的信号功率是至少部分基于航天器动力单元上的估算的功率负载水平调节的。

Description

保护航天器上机载部件的动力管理方案

技术领域

本公开涉及航天器和通过航天器或卫星的通信，尤其涉及保护航天器上机载部件的动力管理的方法和系统。

背景技术

在卫星通信系统中，射频频率(RF)大功率通信单元通常具有最大功率极限。若超过了最大功率极限，则动力单元可能被损坏。最大功率极限可以被划分为瞬时功率极限和特定时间窗口平均功率极限。通常，动力单元对于瞬时功率水平和平均功率水平具有不同的极限。动力单元的负载通常会随着系统中通信量负载的改变而发生变化。因此，卫星或航天器运载的通信量或通信信号越多，则通过卫星动力单元运载或传输的信号功率就越大。在卫星通信系统中，尤其是在地面波束形成通信系统中，动力单元过载的问题一直备受关注。对于系统中没有有效动力管理的动力单元，尤其是对于平均功率极限而言，当前的工业实践为其提供了大量的动力余量。然而，若动力单元过载，则该单元可能被损坏。在实践中，存在一些现有可用的保护方案，其使用硬件限制(如放大器)来限制特定单元输出功率。然而，这些方案通常只能限制瞬时最大功率。在任何波束形成技术或波束形成环境中，均不可使用这些方案。

发明内容

依据实施例，保护航天器上的部件的动力管理系统和方法，所述部件例如可在大功率下运转的通信动力单元。该系统可包括功率调节器或限制器来限制由航天器上机载的动力单元运载或传输的通信信号的平均功率。一个或多个预测性模型可用于估算航天器动力单元上的动力负载。作为对估算或预测的动力负载超过航天器动力单元预定的功率极限或容量的响应，可自动采取行动来减少动力负载。基于可利用的系统集成测试数据，预测性模型可在卫星系统的寿命初期(BOL)形成。基于卫星在轨测试(IOT)的测试数据，可改进预测模型。在航天器通信系统中，基于来自预定功率测量位置的功率测量数据，可在正常的运行中更新预测性模型。动力单元上的预测或估算动力负载可用来与航天器遥测数据或测量的功率数据进行比较或匹配。基于预测性模型，可动态分配地面通信量负载来在航天器的动力单元之间分配动力，以便不过载任一个动力单元。借助各种限制器设定它们的相应预定极限，在正常工况下，系统应当充分保护动力单元不被过载，或由动力单元运载或传输的信号功率不会超过自身的容量而导致可能的损坏。为了防止在非正常工况下损坏航天器动力单元，动力管理系统可包括多个调节点和多个监控点。在调节点处，控制功率水平来确保航天器的动力单元不过驱动。可以通过功率限制器或调节器对功率水平进行控制。从监控的角度来看，只要估算功率大于故障极限或预定极限，则系统就会命令或自动实现功率减少。地面通信量加载点可向系统提供反馈和更新。

依据实施例，保护航天器上动力单元的系统可包括地面站。地面站可包括动力单元负载估算和监控模块，以用于估算航天器动力单元的动力单元上的动力负载水平。为防止过载航天器动力单元，地面站也可包括地面站功率限制器来调节从地面站传输至航天器的信号功率。至少部分基于航天器动力单元上的估算动力负载水平，可调节传输至航天器的信号功率。

依据另一个实施例，航天器可包括正向链路处理模块以用于将从地面站发射器接收到的信号分配到航天器上机载的不同功率放大器。航天器可包括在传输信号至地面用户之前用于选定功能的动力单元。航天器上机载的航天器功率限制器可调节信号功率来防止动力单元过载。

依据另一个实施例，保护航天器上动力单元的方法可包括通过地面站来估算航天器动力单元的动力负载水平。为防止航天器动力单元过载，该方法也可包括调节从地面站传输到航天器的信号功率。至少部分基于航天器动力单元上的估算动力负载水平，可调节传输至航天器的信号功率。

在结合附图阅读了本公开下面非限制性的详细说明后，本领域技术人员可显然看出如权利要求唯一限定的本公开的其他方面和特征将。

附图说明

下面实施例的详细说明参考附图，这些附图示出本公开的特定实施例。具有不同结构和操作的其它实施例并不偏离本公开的范围。

图1是依据本公开的实施例，用于保护航天器上动力单元的系统示例的框图。

图2A和图2B是依据本公开的实施例，用于保护航天器的动力单元的方法示例的流程图。

图3是依据本公开的实施例，基于动力单元负载的地球参考小区(ERC)动力分配的示例。

具体实施方式

参考附图，以下是实施例的详细描述，其说明了本公开的具体实施例。具有不同结构和操作的其它实施例并不偏离本公开的范围。

本领域技术人员应当清楚的是，本公开可实施为方法、系统或计算机程序产品。因此，本公开可以采取完全硬件实施例形式、完全软件实施例形式(包括固件、常驻软件、微代码等)或结合软硬件方面的实施例，其在此通常均被称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，本公开还可采用在一个或更多计算机可读存储介质中实施的计算机程序产品的形式，其中计算机可读存储介质具有在其上实现的计算机可读程序代码。

可以利用一种或多种计算机可读介质的任意组合。计算机可读介质可为计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是，例如但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外线的或半导体的系统、装置或设备，或者前述事项的任意适当组合。计算机可读存储介质的更多具体示例(不完全列表)可包括：具有一根或多根电线的电气连接盒(electrical connection)、便携式计算机软磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可删除的可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光学存储设备、磁存储设备或前述事项的任意适当组合。在本文中，计算机可读存储介质可为能够包含或存储供指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用的程序的任意一种有形介质。

计算机可读信号介质可包括其内包含有计算机可读程序代码的传播性数据信号，例如在基带中或作为载波的一部分。该类传播性信号可采取各种形式，包括但不限于电磁、光学或其任意适当组合。计算机可读信号介质可以是不是计算机可读存储介质且能够通信、传播或传输供指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用的程序的任意一种计算机可读介质。

利用任意合适介质，可以传输被包含在计算机可读介质上的程序代码，该合适介质包括但限于无线、有线线路、光纤电缆、RF等或前述事项的任意适当组合。

用于执行本公开的各方面操作的计算机程序代码可以写成一种或多种编程语言的任意组合，包括诸如Java、Smalltalk、C++等等的面向对象的编程语言，以及诸如“C”编程语言或类似编程语言等的传统过程编程语言。还可结合现场可编程门阵列(FPGA)电路上的硬件描述语言(HDL)进行编程。程序代码可完全在用户计算机上、部分在用户计算机上、作为独立的软件包、部分在用户计算机上且部分在远程计算机上或者完全在远程计算机或服务器上被执行。在后面的情景中，通过任意类型的网络，可将远程计算机连接到用户计算机上，该网络包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，或可连接到外部计算机的连接(例如，利用互联网服务提供商通过互联网)。

参考依据本公开实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图对本公开的各方面进行说明。应该理解，流程图和/或框图中的每一个块以及流程图和/或框图中块的组合，能够由计算机程序指令实现。可向通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器提供这些计算机程序指令来产生机器/设计(machine)，以便经计算机处理器或其它可编程数据处理装置执行的指令生成用于执行流程图和/或框图中一个或多个块所指出的功能/动作的手段。

这些计算机程序指令也可存储在计算机可读介质中，该可读介质能够指示计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备以特定方式运行，以便存储在计算机可读介质上的指令产生一种包括用于执行流程图和/或框图中一个或多个块所指明的功能/动作的指令的制造产品。

计算机程序指令还可被加载到计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备中，从而引起在计算机、其它可编程装置或其它设备上执行的、产生计算机执行的过程的一系列操作步骤，以便在计算机或其它可编程装置上执行的指令提供执行流程图和/或框图中一个或多个块所指明的功能/动作的过程。

图1是保护航天器的动力单元的示例系统100的框图。依据本公开的实施例，该系统可以包括卫星操作中心102、地面通信站104、航天器106和航天器动力单元保护方案108。

地面站104可接收来自单个用户通信设备110或多个用户通信设备的通信信号。地面站104可将来自一个或多个用户的通信信号转发至航天器106，以便通信信号能够形成在波束或地球参考小区(ERC)中，以用于传输至与每个ERC关联的其他各个地面用户112的特定通信设备。

地面站104可包括各地球参考小区(ERC)通信量负载模块114，其接收来自用户通信设备110的通信信号。要传输至每个ERC的每个信号的信号功率可由第一限制器116或调节器调节。第一限制器116可以将传输至每个ERC的信号的功率水平限制或调节为预定功率水平。可以基于系统集成测试数据、在轨测试数据或基于其它标准来确定预定水平。第一限制器116可以确保在正常工况下航天器106的每个动力单元118的信号功率不过载或者不超过这些动力单元118的操作极限或容量。

地面站104也可包括基于地面的成形波束数字处理模块(GBBF模块)120。GBBF模块120可接收由第一限制器116调节的通信信号。GBBF模块120可将通信信号转换为允许航天器106以特定ERC传输信号的格式。可用于GBBF模块120的GBBF过程的例子在标题为“Optimized Beamforming for Satellite Communication”的美国专利No.7728766中被描述，该专利在2010年6月1日授权给AlexandrDraganov等人。

第二限制器122可调节来自GBBF模块120的一个或多个输出信号的功率，从而防止过载或超过航天器106的动力单元的容量。如果GBBF过程遇到任何异常情况，则第二限制器122可调节或限制来自GBBF模块120的输出信号的功率。更详细地描述，第二限制器122可以被监控过程控制。在航天器106的通信系统中，该监控过程可以监控或测量预定位置处的信号功率水平。如果检测到异常情况或信号功率测量超过会导致航天器106的动力单元118过驱动或超过其极限的预定水平，则第二限制器120可减小来自地面站104的功率水平输出或完全切断传输的动力。

地面站104还可包括一个或多个地面射频频率(RF)发射器单元124，从而为每个ERC传输通信信号至航天器106。RF发射器单元124可提供信号上变频、功率放大、动力传输和有效传输通信信号到航天器106所要求的其他RF操作。

RF发射器单元124也可包括功率监控器126和功率调节器128。功率监控器126可测量在地面站104的发射器处的输出功率。功率调节器128可基于测量的输出功率来调节被传输信号的输出功率，从而进一步提供对航天器106的动力单元118处的信号功率的控制以便防止动力单元118过载。

地面站104也可包括动力单元负载估算和监控模块130。动力单元负载估算和监控模块130可估算航天器106的动力单元118的输出动力负载水平。模块130则可控制第二限制器122从而调节被传递到地面RF发射器单元124的通信信号的增益或水平。动力单元118用于重新分配它们的输出功率水平。可控制或调节单元118从而为由一个或多个功率放大器138所提供的功率放大器负载提供平衡。使用相位对准技术使单元118的输出功率在很大程度上不均衡。由于使用单元118，所以即使从GBBF模块120到功率放大器138的所有设备都没有满负载，发射器146所提供的大动力单元仍会过载。

动力单元负载估算和监控模块130可包括一个或多个预测性或预测模型132，从而预测航天器106的动力单元118的输出动力负载水平。预测或估算过程可以使用来自航天器106的信号功率测量数据，来估算或预测动力单元118的输出动力负载。如果负载的估算或预测超过动力单元118的预定极限，则模块130能够发出命令来减小由第二限制器122提供的功率极限或增益，从而减小从地面站104传输至航天器106的通信信号的输出功率。基于预测性模型132，可以动态分配地面通信量负载从而在航天器106的动力单元118之间分配动力，以便不过载任一动力单元118。参考图3说明动态分配地面通信量负载从而分配航天器106的动力单元118之间动力的例子。

一个或多个预测性模型132可基于系统集成测试数据在航天器寿命初期(BOL)形成。一个或多个预测性模型132可基于在轨测试(IOT)数据被校验和改进。在航天器制造测试期间，能够测量构建预测或预测性模型132的空间区段部分所需的参数，从而验证通过RF发射器146包括RF接收器144的数学模型。能够在地面区段制造和测试期间，测量和验证预测模型132的地面区段部分。集成的预测性模型将在IOT期间被测量，该预测性模型包括地面发射器单元124至RF接收器144之间的传输信道。然而，基于位于特定测量点的传感器和计算数据，航天器106上的测量值受到限制。测量的数据将从航天器106被传送经由遥测数据来改进模块134中提供的模型，所述测量的数据可以经由航天器操作中心102获得。

地面站104也可包括航天器负载、监控和模型校正模块134。该航天器负载、监控和模型校正模块134可将估算功率水平与来自航天器106的测量功率水平进行比较。估算功率水平可与在航天器106的通信系统内部的预定位置处测量或监控的测量功率水平进行比较。例如，功率测量可在航天器正向链路处理模块134、航天器或卫星限制器136、航天器功率放大器138或其它预定位置处进行或被测量。模块134中的比较过程可以是非实时比较或具有显著时间延迟的比较。由于从航天器106至地面的数据收集和传输是必要的，所以预期会存在时间延迟。关于地面站104的部件描述的其它信号过程可以是实时过程。

系统100也可包括前面描述的航天器操作中心102。航天器操作中心102可包括航天器遥测处理单元140。航天器遥测处理单元140可接收来自航天器106的功率测量数据。如前面所述，功率测量数据可以接收自航天器正向链路处理模块134、航天器限制器136、航天器功率放大器138以及其它可能位置。功率测量数据可被传输至航天器负载、监控和模型校正模块134以用于和来自模块132的航天器106的估算或预测的功率水平进行比较。

航天器操作中心102也可包括动力管理极限赋值模块142。该动力管理极限赋值模块142可以确定第一限制器116、第二限制器122、航天器限制器136和地面RF发射器单元124的功率极限。之后，通过这些单元的信号功率可以基于模块142的动力管理极限赋值而被调节或调整。与前面所述类似，通过第二限制器122的信号功率可以基于在动力单元负载估算和监控模块130中的预测性模型132被调整。

航天器106可包括RF接收器144，以用于接收来自地面站104的通信信号。通信信号可从RF接收器144传递给航天器正向链路处理模块134。航天器正向链路处理模块134可以处理通信信号并且分配信号至不同的功率放大器138。航天器或卫星限制器136可调节或调整由模块134分配的通信信号。基于来自航天器操作中心102的模块142的动力管理极限分派或基于一些其它预定极限或标准，限制器136可调节或调整通信信号。

功率放大器138可放大通信信号，这可能是为形成ERC的波束所需的。来自功率放大器138的通信信号被传递至动力单元118。动力单元118每个都可执行一个或多个预定功能，从而使通信信号兼容于传输ERC中的信号至与每个ERC关联的特定地面用户112。根据航天器通信系统的设计，动力单元118的功能可以不同。可能功能的示例可以包括信号重新分配和信号相位对准以便生成理想的ERC。一个或多个RF发射器146可以将被分到ERC中的通信信号传输到与每个ERC或波束关联的预期地面用户112。

图2A和图2B是依据本公开的实施例的保护卫星的动力单元的方法200的示例的流程图。方法200可通过图1的系统100执行或在其中实施。可由系统100的不同部件执行的功能由虚线块/框以及图2A和图2B示出。本公开并非意在受限于图2A和图2B中指出的功能或操作，这些功能和操作可由任意特定部件执行。

在块202中，信号功率测量数据可以接收自航天器。信号功率测量数据可以在航天器通信系统中的不同测量位置处被测量。例如，类似于前面所述，功率测量可以在图1中正向链路处理单元或模块134、在卫星或航天器限制器136、在卫星功率放大器138或航天器通信系统内其他位置被执行。

在块204中，可以确定航天器动力保护方案或系统中每个限制器或其他部件的功率极限赋值。由块202和204执行的示范功能或操作可以由类似于图1中航天器操作中心102的航天器操作中心执行，或可以由系统中一些其它部件执行。

在块206中，可预测或估算航天器动力单元的动力负载水平。类似于前面所述，一个或多个预测性模型可用于预测或估算航天器动力单元的动力负载水平。来自航天器通信系统中预定功率测量位置的信号功率水平测量值也可用于准确估算航天器动力单元负载。

在块208中，估算或预测的功率水平可以和预定航天器功率测量位置处的实际测量功率水平进行比较。

在块210中，传输至航天器的通信信号的功率水平可以基于估算功率水平和实际测量功率水平之间的比较而被调节。类似于前面所述，位于成形波束模块120和地面RF发射器单元124之间的限制器122可调节信号的功率水平，从而防止航天器动力单元的任何过载。

也可基于预测性模型或者估算和测量功率水平之间的比较，动态分配地面通信量负载从而在航天器动力单元间分配动力，以便不过载任何一个动力单元。参考图3说明动态分配从而在动力单元间分配动力以便防止过载任一动力单元的示例。

在块212中，可接收通信信号以便传输至特定ERC。通信信号可通过地面站的正向输入(forward input)接收。

在块214中，可以针对每个ERC来调节或限制各通信信号的信号功率从而防止航天器动力单元的任意过载或防止超过航天器动力单元的功率极限。

在块216中，地面基成形波束(GBBF)过程可以在被调节或限制的通信信号上被执行。在块218中，基于估算或预测的功率水平与来自航天器的测量功率水平之间的比较，可调节GBBF过程的输出处的信号功率。可响应GBBF处理的任何异常来调节GBBF过程的输出功率。

在块220中，ERC的一个或多个RF信号可以与用于控制任意航天器限制器的任意数据信号一起被传输到航天器。任意信号的上变频、功率放大或其它RF操作可以在块220中被执行。

虽然图2A中示出了块206-220中的功能和操作由地面站通信设备执行，但这无意以任何方式限制本公开。

参考图2B，在块222中，可从地面站通信设备接收一个或多个通信信号以及控制任意航天器限制器的任意数据信号。

在块224中，一个或多个信号可以被处理并分配至不同的功率放大器。基于与某些ERC关联的特定信号，信号可以被指定给所选的功率放大器。

在块226中，可调节或限制每个信号的信号功率从而确保携带或传输该信号的动力单元不过载，或该动力单元的功率容量不被超过。

在块228中，基于关联的动力单元的功率极限要求，可放大每个ERC的信号。基于航天器通信系统的设计要求，动力单元可执行信号重新分配、信号相位对准或其它功能。

在块230中，信号波束或ERC可以被形成并传输至地面用户。信号波束或ERC可用远场原则形成，从而瞄准各用户的特定位置。

图3是依据本公开的实施例基于动力单元负载的ERC动力分配示例。图3示出7个小区或ERC 301-307。该示例也假设航天器通信系统有三个动力单元，如柱状图314中动力单元分派308、310和312所示。每个小区301-307中第一行对应于小区序号。每个小区301-307中第二行对应于当前ERC的动力单元贡献(contribution)。在每个小区中，所有三个动力单元贡献的和等于100％。在每个小区中的第三行对应于动力分派。每个小区301-307中第三行的第一个百分比对应于柱形图314中的动力分派1，每个小区301-307中第三行的第二个百分比对应于柱形图314中的动力分派2。如柱形图314中所示，动力分派1导致动力单元1超过其功率极限。如柱形图314中所示，动力分配可重新分配，如分派2所示，其中所有三个动力单元都在它们功率极限内。根据系统要求，动力分配能够是静态分派或动态分派。为了说明工作原理，图3中仅示出七个小区。实际系统中可包括成百上千个小区。计算也会更复杂。该工作原理可应用于任意数目的小区。

如上所述，公开了一种防止通信航天器中大动力单元过驱动的系统化方案、系统和方法。所描述的方案包括多个调节点和多个监控点。监控点可使用预测性模型来估算航天器上的大动力单元的负载。如果监控点检测到大动力单元过载，则可采取动作来减小传输功率从而有效保护航天器的大动力单元。这里公开的动力保护机构对于使用基于地面的成形波束技术的卫星通信系统特别有益。动力管理方案是为硬件单元提拱保护的系统方法。该方案能够结合其它现有的硬件功率限制方法或设备使用，从而限制瞬时最大功率水平。

附图中的流程图和框图说明了依据本公开的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实施方式的架构、功能和操作。在这一点上，流程图或框图中每一个块可代表包含一条或多条用于实现特定逻辑功能的可执行指令的模块、段或一部分代码。应当指出，在某些可替代实施方式中，块中指出的功能可以不以图中指出的顺序发生。例如，根据涉及的功能，连续示出的两个块实际上可基本同时执行，或者有时会逆序执行。还应当指出，框图和/或流程图的每一个块，以及框图和/或流程图中块的组合，可以通过执行特定功能或动作的基于专用硬件的系统，或专用硬件和计算机指令的组合来执行。

在此使用的专业用语仅是为了描述特别的实施例，而不旨在限制本公开。如这里所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也包括复数形式，除非本文另外明确指明。应当进一步理解，当用于说明书中时，词语“包括”和/或“包含”指定所指出的特征、整数、步骤、操作、元素和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元素、部件和/或其组合的存在或附加。

虽然这里已示出和描述了特定实施例，但是本领域的技术人员理解，任何意在取得同样目的的任意设置可以替代所示的特定实施例，并且这里的实施例在其它环境中有其它应用。本申请旨在涵盖本公开的任何改变或变化。权利要求决非旨在将本公开的范围限制在这里所述的特定实施例中。

Claims (10)

1.一种保护航天器上的动力单元的系统，其包含：

地面站，所述地面站包含：

动力单元负载估算和监控模块，其用于估算航天器的动力单元上的动力负载水平；和

地面站功率限制器，其调节从所述地面站传输至所述航天器的信号的功率从而防止所述航天器的所述动力单元过载，其中传输至所述航天器的所述信号的功率是至少部分基于所述航天器的所述动力单元上的估算的动力负载水平而被调节的。

2.根据权利要求1所述的系统，进一步包含所述航天器上机载的航天器功率限制器来调节信号功率，从而防止所述航天器的所述动力单元过载。

3.根据权利要求1所述的系统，进一步包含另一个地面站功率限制器来调节每个地球参考小区的传输信号的功率。

4.根据权利要求1所述的系统，进一步包含：

所述航天器上机载的航天器功率限制器，其调节信号功率从而防止所述航天器的所述动力单元过载；和

另一个地面站功率限制器，其调节每个地球参考小区的传输信号的功率。

5.根据权利要求4所述的系统，进一步包含动力管理极限赋值模块，其确定每个所述地面站功率限制器以及所述航天器功率限制器的极限。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述动力单元负载估算和监控模块包含预测所述航天器的所述动力单元上的负载水平的预测性模型，所述预测性模型使用来自所示航天器的测量信号功率水平来精确估算所述航天器的所述动力单元上的所述负载水平。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述动力单元负载估算和监控模块响应所述航天器的所述动力单元上的估算负载水平超过预定极限，而发出命令来减小由所述地面站功率限制器所提供的功率极限，从而减小由所述地面站传输至所述航天器的信号功率。

8.根据权利要求6所述的系统，其中所述预测性模型是基于系统集成测试数据和在轨测试数据而在航天器寿命初期形成的。

9.根据权利要求6所述的系统，其中所述预测性模型是基于来自所述航天器的测量数据并且比较估算功率数据和来自所述航天器的测量功率数据，从而在正常操作期间更新的。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述地球站进一步包含：

各地球参考小区通信量负载模块，其接收一个或多个传输信号，每个所述信号被发送至特定地球参考小区；

针对每个接收到的传输信号的另一个地面站功率限制器，其调节每个特定地球参考小区的传输信号的功率；以及

基于地面的成形波束模块，其接收来自每个其它地面站功率限制器的传输信号。

航天器负载、监控和模型校正模块，其比较在预定航天器功率测量位置处的估算功率水平和在所述预定航天器功率测量位置处的测量功率水平。

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