CN102723982B - 深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统 - Google Patents

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Abstract

一种深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统,包括:星务计算机和与其连接的若干深空应答机以及UHF中继收发信机,深空应答机又连接多工器和高稳晶振,多工器连接全向接收天线和大口径定向天线;深空应答机还通过开关阵列连接至小功率固态放大器和大功率行波管放大器的输入端,小功率固态放大器和大功率行波管放大器的输出端通过开关阵列连接至全向发射天线和低增益发射天线;UHF中继收发信机连接中继收发天线。本发明能够同时满足深空小行星航天器的全过程星地遥控、遥测、测距等要求及小行星航天器中继通信要求,并且具有可靠性高、节约资源、成本低的优点。

Description

深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统
技术领域
本发明涉及航天领域,尤其涉及一种深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统。
背景技术
深空航天器在太空中工作时,需要地面进行遥控、遥测、测距等工作。要完成上述工作,航天器内应当配置有相应的通信系统。现有的深空航天器采用化学推力技术,飞行过程可长期保持对日定向姿态,航天器测控天线采用有限波束设计即可满足器地通信需求,并且仅包括器地通信频率。
随着我国航天技术的发展,需要开展小行星伴飞附着深空航天器的研制,完成从地球到小行星飞行全过程的测控,并完成伴飞探测器与附着探测器的中继通信。由于深空航天器的各种条件限制,能够提供给测控电子设备的资源有限,且小行星航天器飞行时间长,伴飞、附着等工作模式多,采用电推进技术使得飞行过程姿态不确定性大。因此,如能够利用有限天线数量设计实现波束全覆盖,即可保证航天器全过程的器地测控通信需求。小行星伴飞附着航天器配置微型附着航天器,如能够设计实现微型附着航天器和主航天器之间的近距离中继通信,利用主航天器完成对地中继,可大大降低系统的电子设备资源需求,满足小行星航天器对测控的特殊要求。
此外,国内现有的航天器只具备较短距离(距离地球150万公里以内)的测控通信能力,不具备小行星轨道最远达1.7亿公里量级距离的测控能力,本发明具有拓展深空探测的测控距离能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统,以实现深空小行星航天器的测控功能,满足深空小行星航天器的全过程星地遥控、遥测、测距等要求,同时,满足小行星航天器中继通信要求,降低测控设备的资源需求,提高航天器对地通信的可靠性。最终达到降低航天器研制成本、提高小行星航天器总体可靠性等有益效果。
为达到上述目的,本发明提供一种深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统,包括:星务计算机、若干全向接收天线、若干全向发射天线、低增益发射天线、大口径定向天线、多工器、若干深空应答机、高稳晶振、若干小功率固态放大器、若干大功率行波管放大器、若干开关阵列、UHF中继收发信机和中继收发天线,深空应答机和UHF中继收发信机与星务计算机连接;多工器和高稳晶振与深空应答机连接,全向接收天线和大口径定向天线与多工器连接;深空应答机通过开关阵列连接至小功率固态放大器和大功率行波管放大器的输入端,小功率固态放大器和大功率行波管放大器的输出端通过开关阵列连接至全向发射天线和低增益发射天线;中继收发天线与UHF中继收发信机连接。
依照本发明较佳实施例所述的深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统,该UHF中继收发信机具体包括附着探测器UHF频段中继收发信机和伴飞探测器UHF频段中继收发信机,伴飞探测器UHF频段中继收发信机与星务计算机连接,附着探测器UHF频段中继收发信机与伴飞探测器UHF频段中继收发信机通信连接。
依照本发明较佳实施例所述的深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统,该全向接收天线与全向发射天线对称安装,且二者波束为±90°,增益不小于-5dBi。
依照本发明较佳实施例所述的深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统,该低增益发射天线波束为±60°,增益不小于0dBi。
依照本发明较佳实施例所述的深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统,该大口径定向天线采用二维驱动大口径定向天线,其口径1.3m,两轴跟踪范围均为±120°,接收增益不小于38dBi,发射增益不小于39dBi。
依照本发明较佳实施例所述的深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统,该深空应答机上行具有2个热备份异频接收通道,下行具有2个异频发射通道,且上行信号功率门限优于-155dBm。
依照本发明较佳实施例所述的深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统,该高稳晶振稳定度优于1×10-12/天、1×10-13/s。
依照本发明较佳实施例所述的深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统,该中继收发天线的波束为±60°,增益不小于-2dBi。
依照本发明较佳实施例所述的深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统,该小功率固态放大器输出功率不小于5W;大功率行波管放大器输出功率不小于65W。
依照本发明较佳实施例所述的深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统,该附着探测器UHF频段中继收发信机和伴飞探测器UHF频段中继收发信机接收信号功率门限优于-125dBm,输出功率不小于2W。
本发明的航天器在发射初期,星地距离0到150万公里,采用全向覆盖的全向接收天线和全向发射天线、深空应答机、小功率固态放大器支持航天器测控。在星地距离大于150万公里,采用全向覆盖的全向接收天线和全向发射天线、深空应答机、大功率行波管放大器支持航天器低码率应急测控。在星地距离大于150万公里,采用大驱动范围的大口径定向天线、低增益发射天线、深空应答机、大功率行波管放大器支持航天器高码率测控。
由以上可以看出,本发明能够实现深空电推进小行星航天器0到1.7亿公里的全程测控通信覆盖,满足航天器对地和航天器与航天器之间的不同频段通信需求,并且,上下行多通道备份,提高了系统可靠性。
综上所述,本发明能够满足深空小行星航天器的全过程星地遥控、遥测、测距等要求,同时满足小行星航天器中继通信要求,并且,降低了测控设备的资源需求,提高了航天器对地通信的可靠性,最终达到降低航天器研制成本、提高小行星航天器总体可靠性等有益效果。因此,与现有技术相比,本发明能够同时满足深空小行星航天器的全过程星地遥控、遥测、测距等要求及小行星航天器中继通信要求,并且具有可靠性高、节约资源、成本低的优点。
附图说明
图1为本发明深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统结构原理图。
图2为本发明实施例的星地上行遥控射频通道通信原理图;
图3为本发明实施例的星地下行遥测射频通道通信原理图;
图4为本发明实施例的星间射频通道通信原理图。
具体实施方式
以下结合附图,具体说明本发明。
请参阅图1,一种深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统,包括:星务计算机1、2付全向接收天线2、2付全向发射天线3、低增益发射天线4、大口径定向天线5、多工器6、2台深空应答机7、高稳晶振8、2个小功率固态放大器9、2个大功率行波管放大器10、2组开关阵列11、UHF中继收发信机和中继收发天线12,UHF中继收发信机具体包括附着探测器UHF频段中继收发信机13和伴飞探测器UHF频段中继收发信机14,2台深空应答机7和伴飞探测器UHF频段中继收发信机14与星务计算机1连接;多工器6和高稳晶振8与2台深空应答机7连接,全向接收天线2和大口径定向天线5与多工器6连接;深空应答机7通过一组开关阵列11连接至小功率固态放大器9和大功率行波管放大器10的输入端,小功率固态放大器9和大功率行波管放大器10的输出端通过另一组开关阵列11连接至全向发射天线3和低增益发射天线4;中继收发天线12分别与附着探测器UHF频段中继收发信机13和伴飞探测器UHF频段中继收发信机14连接,附着探测器UHF频段中继收发信机13与伴飞探测器UHF频段中继收发信机14之间通信连接。
具体地,全向接收天线2与全向发射天线3对称安装,且二者波束为±90°,增益不小于-5dBi。低增益发射天线4波束为±60°,增益不小于0dBi。大口径定向天线5采用二维驱动大口径定向天线,其口径1.3m,两轴跟踪范围均为±120°,接收增益不小于38dBi,发射增益不小于39dBi。深空应答机7上行具有2个热备份异频接收通道,下行具有2个异频发射通道,且上行信号功率门限优于-155dBm。高稳晶振稳8定度优于1×10-12/天、1×10-13/s。中继收发天线12的波束为±60°,增益不小于-2dBi。小功率固态放大器9输出功率不小于5W;大功率行波管放大器10输出功率不小于65W。附着探测器UHF频段中继收发信机13和伴飞探测器UHF频段中继收发信机14接收信号功率门限优于-125dBm,输出功率不小于2W。
从上述指标可以看出,本发明的宽覆盖多通道多频道测控系统能够实现深空电推进小行星航天器0到1.7亿公里的全程测控通信覆盖,满足航天器对地和航天器与航天器之间的不同频段通信需求,上下行多通道备份,提高系统可靠性。
以下分别结合图2至图4,对本发明深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统进行星地上行遥控射频通道通、星地下行遥测射频通道通信及星间射频通道通信的原理进行说明。
如图2所示,其为本发明实施例的星地上行遥控射频通道通信原理图。当地面测控站通过地面发射天线发射信号后,在距离地球0-150万公里以内、或航天器电推进开机、或航天器处于对日定向应急姿态模式下,由2付全向接收天线2接收上行信号;在距离地球150万公里到1.7亿公里,电推进不开机期间,由二维驱动大口径定向天线5接收上行信号,所接收到的信号经由输入多工器6传输到深空应答机7,空应答机7再将信号传输到航天器中的星务计算机1,由星务计算机1做进一步的处理;深空应答机7在工作过程中使用高稳晶振8提供的高稳定度频率信号。每台深空应答机7内部配置异频热备份的2套接收系统,2台应答机共4个接收通道,能够检测上行信号发射的载波频点,自动设置中频处理电路参数,适应不同上行信号频点,完成信号的解调处理。经过上行射频通道的信号包括指令、注数、测距。为了保证上行通信的可靠性,同时避免与其他深空航天器的频点干扰,本系统设计中上行通道设计采用2个频点。
如图3所示,其为本发明全覆盖多通道多频段测控系统中星地下行射频通道的示意图。航天器中的星务计算机1将所要发送的信息传输到深空应答机7发射通道,深空应答机7将信号输出到开关阵列11,每台深空应答机7有两个异频发射通道,两台共4个发射通道;在0-150万公里内,输出到小功率固态放大器9,由小功率固态放大器9输出到开关阵列11,开关阵列11输出到全向发射天线3。在150万公里到1.7亿公里内,深空应答机7将下行信号输出到开关阵列11,由开关阵列11输出到大功率行波管放大器10,由大功率行波管放大器10输出到开关阵列11,由开关阵列11输出到二维驱动大口径定向天线5和低增益发射天线4,由这些发射天线实现信号的发射。在航天器电推进开机或航天器处于对日定向应急姿态模式下,下行信号由大功率行波管放大器10输出到开关阵列11,由开关阵列11输出到全向发射天线3。
经过下行射频通道发射的信号的类型有多种,可以是遥测用的信号,科学数据,转发的测距音,也可以是单程测距信标。
由于从地球到小行星的通信距离变化巨大,在近地通信过程中,航天器姿态变化大,不能保证足够的能源供应,为节约能源,确保使用航天器内部电池及电源应急模式下工作,需要采用小功率发射的节能模式;同时近地通信的星地视场变化大,为确保航天器测控可靠性,需要全向覆盖;小行星航天器电推进系统开机时,要求长期保持惯性定向姿态,星地视场变化大,需要全向覆盖。航天器飞行全过程日器地关系变化大,应急对日模式下,星地视场变化范围大,也需要全向覆盖。因此,本系统设计中采用全向接收天线2和全向发射天线3组合,对称安装,实现飞行全过程全向覆盖,满足各阶段测控需求。为了保证下行通信的可靠性,同时避免与其他深空航天器的频点干扰,本系统设计中下行通道设计采用2个频点。
如图4所示,其为本发明实施例的星间射频通道通信原理图。星间射频通道具有双向通信能力,环绕航天器中的星务计算机1所要发送的信息,传输到伴飞探测器UHF频段中继收发信机14的发射通道,发射通道将信号输出到多工器6,多工器6通过中继收发天线12输出射频信号。附着探测器UHF频段中继收发信机13的中继收发天线12接收到环绕航天器发射的射频信号,输出到多工器6,多工器6将信号输出到中继收发信机的接收通道,接收通道将信息输出到微型附着航天器的星务计算机1,作进一步处理。星间射频通道同时具备从微型附着航天器发射信息到环绕航天器功能。
本发明综合考虑飞行过程星地距离、姿态和工作模式变化,优化设计各种测控参数。解决了从地球发射、地球到小行星的巡航飞行、小行星伴飞、小行星星间的转移飞行、小行星附着全过程深空航天器的对地测控通信和星间中继测控通信问题。并且,采用电推进技术的小行星航天器完成全过程的测控通信控制有良好效果。本发明的应用可以解决电推进小行星航天器的测控关键难点、在提高深空航天器的可靠性方面具有一定效果。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统,其特征在于,包括:星务计算机、若干全向接收天线、若干全向发射天线、低增益发射天线、二维驱动大口径定向天线、多工器、若干深空应答机、高稳晶振、若干小功率固态放大器、若干大功率行波管放大器、若干开关阵列、UHF中继收发信机和中继收发天线,所述深空应答机和UHF中继收发信机与所述星务计算机连接;所述多工器和高稳晶振与所述深空应答机连接,所述全向接收天线与所述多工器连接;所述深空应答机通过所述开关阵列连接至所述小功率固态放大器和大功率行波管放大器的输入端,所述小功率固态放大器和大功率行波管放大器的输出端通过所述开关阵列连接至所述全向发射天线和低增益发射天线;所述中继收发天线与所述UHF中继收发信机连接;所述二维驱动大口径定向天线由大口径定向天线和二维驱动机构组成,大口径定向天线与所述多工器连接,二维驱动机构与所述星务计算机连接,用于在距离地球150万公里到1.7亿公里时,进行星地上下行的射频通信。
2.如权利要求1所述的深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统,其特征在于,所述UHF中继收发信机具体包括附着探测器UHF频段中继收发信机和伴飞探测器UHF频段中继收发信机,所述伴飞探测器UHF频段中继收发信机与所述星务计算机连接,所述附着探测器UHF频段中继收发信机与所述伴飞探测器UHF频段中继收发信机通信连接。
3.如权利要求1所述的深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统,其特征在于,所述全向接收天线与全向发射天线对称安装,且二者波束为±90°,增益不小于-5dBi。
4.如权利要求1所述的深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统,其特征在于,所述低增益发射天线波束为±60°,增益不小于0dBi。
5.如权利要求1所述的深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统,其特征在于,所述大口径定向天线采用二维驱动大口径定向天线,其口径1.3m,两轴跟踪范围均为±120°,接收增益不小于38dBi,发射增益不小于39dBi。
6.如权利要求1所述的深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统,其特征在于,所述深空应答机上行具有2个热备份异频接收通道,下行具有2个异频发射通道,且上行信号功率门限优于-155dBm。
7.如权利要求1所述的深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统,其特征在于,所述高稳晶振稳定度优于1×10-12/天、1×10-13/s。
8.如权利要求1所述的深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统,其特征在于,所述中继收发天线的波束为±60°,增益不小于-2dBi。
9.如权利要求1所述的深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统,其特征在于,所述小功率固态放大器输出功率不小于5W;所述大功率行波管放大器输出功率不小于65W。
10.如权利要求2所述的深空电推进小行星航天器全覆盖多通道多频段测控系统,其特征在于,所述附着探测器UHF频段中继收发信机和伴飞探测器UHF频段中继收发信机接收信号功率门限优于-125dBm,输出功率不小于2W。
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