CN103368638B - 一种用于深空探测器的测控通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于深空探测器的测控通信方法及系统，该方法用于完成地面站与深空探测器之间的信息交互及探测器轨道测定，所述方法包含：采用一个上行载波频率及一个下行载波频率为深空探测器与地面站之间设置四条微波无线电信号通道，包含遥控指令通道、遥测数据通道、科学数据通道和VLBI测轨信标通道；将工程遥测数据、科学探测数据及VLBI测轨信标三种通道信号合并为一个下行链路传输信号，最终采用一台发射机完成所有下行链路信号的发送功能；使用高稳定频率源的频率基准信号产生测轨信标向地面VLBI测量网发送，由地面VLBI测量网通过Doppler频率测速及信号干涉测角方式完成对深空探测器的测轨任务。

Description

一种用于深空探测器的测控通信系统及方法

技术领域

本发明涉及航天工程技术领域，具体应用于深空探测器或者航天飞行器，尤其涉及一种用于深空探测器的测控通信系统及方法。

背景技术

由于目前实现地面站与深空探测器测控通信的现有技术是在探测器上设置测控应答机加上数传发射机及信标发射机，这样的系统结构实现了地面对探测器平台遥测遥控数据的交换及载荷科学探测数据的下传、探测器轨道测定，保证地面对深空探测器工作状态的监视及控制、获得科学探测数据。

如图1所示，现有技术能够用于深空探测器的测控通信系统包含：独立的测控链路与数传链路，测控链路使用宽波束、低增益天线实现低码率的上行遥控及下行遥测数据传输，数传链路使用窄波束、高增益天线实现相对高码率的科学探测数据下行传输，通过使用星载测控应答机及VLBI信标发射机配合地面站完成对探测器的测距、测速、测角，实现地面对探测器的测轨。

然而，上述深空探测器的测控通信系统存在的主要不足是：(1).技术复杂度高，星载设备研制难度大；(2).下行通道占用多个载波频率，无线电频率资源开销大；(3).要求探测器资源过大，从而压缩了探测载荷的可用资源。尤其在小型深空探测器上，由于资源严重受限，甚至无法设置全部相关设备。一般深空探测器要设置两台测控应答机及两台数传发射机、加上信标发射机相关的收发天线，需要近20kg重量、最大100W功耗，这对于深空探测器来说是很大的资源负担。对于小型深空探测器(如100kg重量级别)，解决设备的小型化问题非常必要，关系到整个探测器能否完成深空科学探测任务。实现设备小型化主要从简化系统结构、提高模块集成度、降低电路低功耗等方面开展工作，解决电路设计、力学设计、散热设计、可靠性设计等方面的问题，实现所有测控通信设备总重量不超过10kg、最大功耗小于80W，并且各单机均有冗余备份功能。其中，合理的系统结构设计能够带来重量、功耗指标的根本改善，本发明着重提供一种用于深空探测器的测控通信系统构成方案，解决星载设备小型化问题。

现有技术的测控通信系统使用了三种下行链路发射机：遥测数据发射机(含在测控应答机中)、数传发射机、VLBI信标发射机，它们均采用独立的设备来实现、有着相同的模块构成及电路形式，占用了较多的探测器资源。另外，测控应答机中除了遥控数据接收解调功能外，还包括上下行载波相干产生及测距信号再生转发等功能，使得设备研制难度增大。一般地，数传发射机、VLBI信标发射机总重量为5kg，而测控应答机重量为3kg。

中国科学院空间科学与应用研究中心的另一篇专利申请提供了一种将数传发射机中信号调制器实现数据调制与VLBI测轨信标一体化的具体策略，此外本领域技术人员也可以结合现有技术提供其余可选的技术手段，设计电路解决数据信号与测轨信标使用同一个调制器的问题；本发明的技术方案基于数据信号与测轨信标使用同一个调制器的策略，且进一步提高了数传发射机中的单元电路集成度，并将传统的测控应答机简化为指令接收机，实现了测控通信系统的一体化设计，解决了星载设备小型化问题，从而降低了深空探测器的重量。注：VLBI即为“甚长基线干涉”。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有技术的深空探测器测控通信系统设备小型化的技术问题，提供了一种用于深空探测器的测控通信系统及方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于深空探测器的测控通信方法，该方法用于完成地面站与深空探测器之间的信息交互及探测器轨道测定，且所述信息包含：上行遥控指令、工程遥测数据、科学探测数据和测轨信标，所述测控通信方法包含：

采用一个上行载波频率及一个下行载波频率为所述深空探测器与地面站之间设置四条微波无线电信号通道，分别为用于传输地面站的上行遥控指令到探测器的遥控指令通道、用于传输探测器的工程遥测数据到地面站的遥测数据通道、用于传输探测器采集的科学探测数据到地面站的科学数据通道、用于传输探测器的测轨信标到地面站的VLBI测轨信标通道；

将工程遥测数据、科学探测数据及VLBI测轨信标三种通道信号合并为一个下行链路传输信号，最终采用一台发射机完成所有下行链路信号的发送功能；

采用VLBI技术测定探测器轨道的具体步骤为：使用高稳定频率源的频率基准信号产生测轨信标向地面VLBI测量网发送，由地面VLBI测量网通过Doppler频率测速及信号干涉测角方式完成对深空探测器的测轨任务。

可选的，当所述上行载波频率及一个下行载波频率为位于X波段的射频载波时，所述测控通信方法具体为：

在一条X波段双向通信链路上分别传输上行遥控指令及下行数据，所述下行数据包括工程遥测数据与科学探测数据，它们以数据分包复接方式共用一个遥测副载波信道传输；所述VLBI测轨信标与所述遥测副载波通过残留载波调制方式共享同一个载波频率。

基于上述测控通信方法本发明还提供了一种用于深空探测器的测控通信系统，该系统用于完成地面站与深空探测器之间信息交互及探测器轨道测定，所述信息具体包含：上行遥控指令、工程遥测数据、科学探测数据和VLBI测轨信标，其特征在于，所述通信系统包含：指令接收机、X波段发射机、高稳定频率源、遥控译码器、遥测编码器、X波段天线及天线微波开关；

所述指令接收机，用于完成上行链路载波信号的放大、捕获与跟踪，将遥控指令数据从载波信号中解调出来；

所述X波段发射机，用于完成下行链路的数据调制及信号功率放大，能够完成科学数据信号发射、遥测数据信号发射、VLBI测轨信号的发射功能；

所述高稳定频率源：用于实现频率稳定度达到10^-12/s量级的频率标准信号，为所述X波段发射机和指令接收机提供高稳定频率的基准信号，支持产生高频率稳定度的VLBI测轨信标；

所述遥控译码器：用于完成对上行数据帧的捕获及译码、执行本信道的直接遥控指令、完成相关信道指令和数据注入的分发；其输出端分别与综合电子计算机和有效载荷模块相连，分别用于完成对探测器平台及有效载荷的控制；

所述遥测编码器：用于完成信道编码及数据组帧，将整星工程遥测数据及载荷科学探测数据复接成一路数据码流；

所述X波段天线包括：一个与所述天线微波开关相连的高增益发射天线及低增益发射天线和一个与所述指令接收机的输入端相连的低增益接收天线，用于实现电路微波信号与空间电磁波之间的转换；且所述高增益发射天线用于在探测器对地球定向时，实现高码率的数据传输；

其中，所述有效载荷模块与综合电子计算机为所述测控通信系统的服务对象。

上述技术方案中，所述X波段发射机进一步包含：

遥测编码模块，用于分别对工程遥测数据及科学探测数据进行缓存、复接、组帧后，统一完成信道编码、副载波调制，输出携带数据信息的已调副载波信号；

载波源模块，用于从高稳定频率源获取频率基准信号，经过锁相和倍频处理后输出VLBI频率标准信号及X波段载波信号；

载波调制模块，用于分别对输入的已调副载波信号、VLBI测轨信号进行X波段载波调制，输出已调载波信号；和

信号放大模块，用于对输入的已调载波信号完成带通滤波、功放放大处理，且该模块输出的发射信号通过信号选通开关发往选定的发射天线。

总之，本发明采用地面甚长基线干涉测量(VLBI)技术通过Doppler频率测速及信号干涉测角方式实现对深空探测器的测轨，不再依赖测控应答机的测距信号转发功能，删除了应答机中的相干载波产生、测距信号再生转发等功能模块，减轻了设备重量、降低了设备研制难度。

本发明在系统层次上合并了工程遥测、科学数据、测轨信标三种下行链路传输信号，使用数据分包复接方式实现工程遥测数据与科学探测数据合路，使用残留载波调制方式实现数据传输与测轨信标共享下行载波频率，最终采用一台发射机完成了所有下行链路信号的发送功能，大大降低了星载设备资源开销。

与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

本发明提供了一种创新的测控通信系统结构，用于深空探测航天器；与用于深空探测器的常规测控通信系统相比，本发明综合采用VLBI测轨新技术、数据复接技术及载波复用技术，解决了测控通信设备小型化难题，减轻测控通信设备对探测器资源的开销负担，同时降低设备研制难度、减少设备研制开支。

附图说明

图1现有深空探测器测控通信设备组成；

图2本发明深空探测器测控通信系统设备组成；

图3本发明深空探测器测控通信系统的下行信号通道实现框图；

图4本发明实施案例：YH-1火星探测器测控数传设备组成。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的内容进一步详细描述。

如图2所示，本发明的技术方案采用地面甚长基线干涉测量(VLBI)技术实现测定轨，由星载发射机向地面站发送高稳定度频率测轨信标，通过地球上四个相距上千公里的信号接收站实现甚长基线干涉测量、完成探测器的精确测定轨，一方面简化了星载设备配置，另一方面完成了深空环境下对探测器的精确测定轨，在3.6亿公里距离上定轨精度可达10公里；通过数据分包复接技术把遥测数据与科学数据传输通道合二为一，使用残留载波调制方式实现数据传输与测轨信标共享下行载波频率，用一台发射机完成工程遥测、科学数据、测轨信标三种下行链路信号传输，简化了下行传输通道设计，有效降低星载设备开销。

本发明解决了火星探测器整星重量设计约束只有100kg的实际问题。

本发明可适用于各种深空探测器的测控通信系统。

本方案使用一个上行载波频率及一个下行载波频率为深空探测器与地面站之间设置了四条微波无线电信号通道：地面站到探测器的上行遥控通道、探测器到地面站的下行遥测通道、探测器到地面站的科学探测数据通道、探测器到地面站的VLBI测轨信标通道。这四个通道分别完成遥测、遥控、数传、测轨的功能，实现探测器与地面站之间的数据交换，支撑探测器完成科学探测任务。

深空探测器的测控通信设备的主要功能：

1)接收上行遥控指令，实现对探测器上设备的开/关机控制及其它控制，并对重要的开/关机指令实施保护；

2)接收上行注入数据，完成对探测器上计算机及有效载荷的数据注入，并对上行数据实施必要的保护措施；

3)完成探测器工程遥测参数和科学探测数据的下行传输任务；

4)配合地面甚长基线干涉测量网(VLBI)完成测定轨任务，为地面测量站提供具有高稳定度频率的标准信号。

如图3所示，该图为本发明深空探测器测控通信系统的下行信号通道实现框图，从该图可以看出本发明将工程遥测数据、科学探测数据及VLBI测轨信标三种通道信号合并为一个下行链路传输信号，最终采用一台发射机完成所有下行链路信号的发送功能。

其中，下行数据包括工程遥测数据与科学探测数据，它们以数据分包复接方式共用一个遥测副载波信道传输；所述VLBI测轨信标与所述遥测副载波通过残留载波调制方式共享同一个载波频率。

上述下行通道具体包含：用于传输探测器的工程遥测数据到地面站的遥测数据通道、用于传输探测器采集的科学探测数据到地面站的科学数据通道、用于传输探测器的测轨信标到地面站的VLBI测轨信标通道。

当地面站经由所述遥控指令通道向深空探测器发射上行指令时，首先由地面站将遥控指令数据进行编码组帧、载波调制和功率放大后，通过天线转换为空间电磁波发往深空探测器；然后，由深空探测器的指令接收机完成对载波信号的放大、捕获与跟踪，将上行遥控指令数据从载波信号中解调出来送入遥控译码器，遥控译码器完成对数据帧的捕获及译码，并执行相关指令动作。

当深空探测器经由所述下行链路向地面站发射工程遥测数据和科学探测数据时，首先由深空探测器的信道编码器将采集到的工程遥测数据及科学探测数据复接成一路数据码流，送入X波段发射机进行数据调制及信号放大后，通过天线转换为空间电磁波发往地面数据接收站；然后，由地面站的接收机完成载波信号的放大、捕获与跟踪，将数据从载波信号中解调出来，再通过解复接分离出工程遥测数据及科学探测数据。

当探测器经由所述VLBI测轨信标通道向地面站传输VLBI测轨信标时，首先，深空探测器由高稳定频率源产生10^-12/s量级频率稳定度的频率标准信号，经过X波段发射机内部完成锁相、倍频、混频和放大处理后，形成单载波/残留载波/双载波信标信号，通过天线转换为空间电磁波发往地面VLBI测量网的信号接收站，处于不同地理位置的VLBI信号接收站同时接收VLBI测轨信号，经过相关处理后能够得到与深空探测器轨道信息相关的测量数据。

实施例

为了简化星载设备配置，将传统测控应答机中的下行遥测链路分离出来，与数传发射机进行合并，对深空探测器的遥测和数传功能进行一体化设计，在一条X波段双向通信链路上传输上行遥控指令及下行遥测数据，工程遥测数据与科学探测数据以分包复接方式共用一个副载波信道传输，测轨信标与遥测载波共享同一个载波频率，使用高稳定频率源产生测轨信标向地面VLBI测量网发送，由VLBI地面接收站完成探测器轨道测量任务，从而取消测控应答机中的测距功能及上下行载波相干功能，将复杂的测控应答机简化为一台指令接收机，有效地降低了设备资源开销。

该方法一方面采用地面甚长基线干涉测量(VLBI)技术实现对探测器的测定轨，由星载发射机主动向地面站发送高稳定度频率测轨信标，通过地面上四个相距上千公里的VLBI信号接收站实现深空环境下的精确测定轨，在3.6亿公里距离上定轨精度可达10公里；另一方面把遥测数据与科学数据传输通道合二为一，简化了下行传输通道设计，在3.6亿公里距离上实现8kbps下行码速率；上述一体化系统设计方法简化了星载设备配置、降低了设备复杂度、节省了设备资源开销，使得火星探测器测控通信设备在10kg重量、最大功耗为80W的约束条件下实现了上行遥控指令通道、下行数据通道及VLBI测轨信标通道，而且每个通道均具有冗余备份设备。

另外，采用X波段射频作为上行及下行链路的载波频率，星上采用接近1.0m口径的天线，采用卷积码与RS码级联信道编码技术，采用信源压缩技术降低图像数据传输速率，采用数据存储转发技术(设置大容量数据存储器，缓存高速科学探测数据)保证科学数据的完整性、适应下行数据传输通道的低速工况，减轻有效载荷对数据通道传输码率需求的压力。

如图3所示，YH-1火星探测器测控数传分系统的星载设备主要由指令接收机、遥控译码器、X波段发射机、低增益接收天线、低增益发射天线、高增益发射天线、三个微波开关、高稳定频率源等组成。其中，遥控译码器与平台综合电子分系统、载荷数据管理分系统相接，X波段发射机与载荷数据管理分系统中的信道编码器相连。所研制的星载设备产品中，高增益发射天线重量为2.5kg、X波段发射机重量为1.5kg、指令接收机重量为1.2kg，整个测控数传分系统的星载设备总重量不超过10kg。

其中，上述的平台综合电子分系统及载荷数据管理分系统为YH-1火星探测器的其它设备，分别用于探测器管理及载荷管理。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种用于深空探测器的测控通信方法，该方法用于完成地面站与深空探测器之间的信息交互及探测器轨道测定，且所述信息包含：上行遥控指令、工程遥测数据、科学探测数据和测轨信标，所述测控通信方法包含：

采用一个上行载波频率及一个下行载波频率为所述深空探测器与地面站之间设置四条微波无线电信号通道，分别为用于传输地面站的上行遥控指令到探测器的遥控指令通道、用于传输探测器的工程遥测数据到地面站的遥测数据通道、用于传输探测器采集的科学探测数据到地面站的科学数据通道、用于传输探测器的测轨信标到地面站的VLBI测轨信标通道；

将工程遥测数据、科学探测数据及VLBI测轨信标三种通道信号合并为一个下行链路传输信号，最终采用一台发射机完成所有下行链路信号的发送功能；

采用VLBI技术测定探测器轨道的具体步骤为：使用高稳定频率源的频率基准信号产生测轨信标向地面站发送，由地面站通过Doppler频率测速及信号干涉测角方式完成对深空探测器的测轨任务。

2.根据权利要求1所述的用于深空探测器的测控通信方法，其特征在于，当所述上行载波频率及一个下行载波频率为位于X波段的射频载波时，所述测控通信方法具体为：

在一条X波段双向通信链路上分别传输上行遥控指令及下行数据，所述下行数据包括工程遥测数据与科学探测数据，它们以数据分包复接方式共用一个遥测副载波信道传输；所述VLBI测轨信标与所述遥测副载波通过残留载波调制方式共享同一个载波频率。

3.根据权利要求1所述的用于深空探测器的测控通信方法，其特征在于，当地面站经由所述遥控指令通道向深空探测器发射上行指令时，首先由地面站将遥控指令数据进行编码组帧、载波调制和功率放大后，通过天线转换为空间电磁波发往深空探测器；然后，由深空探测器的指令接收机完成对载波信号的放大、捕获与跟踪，将上行遥控指令数据从载波信号中解调出来送入遥控译码器，遥控译码器完成对数据帧的捕获及译码，并执行相关指令动作。

4.根据权利要求2所述的用于深空探测器的测控通信方法，其特征在于，当深空探测器经由所述下行链路向地面站发射工程遥测数据和科学探测数据时，首先由深空探测器的信道编码器将采集到的工程遥测数据及科学探测数据复接成一路数据码流，送入X波段发射机进行数据调制及信号放大后，通过天线转换为空间电磁波发往地面站；然后，由地面站的接收机完成载波信号的放大、捕获与跟踪，将数据从载波信号中解调出来，再通过解复接分离出工程遥测数据及科学探测数据。

5.根据权利要求1所述的用于深空探测器的测控通信方法，其特征在于，当探测器经由所述VLBI测轨信标通道向地面站传输VLBI测轨信标时，首先，深空探测器由高稳定频率源产生10^-12/s量级频率稳定度的频率标准信号，经过X波段发射机内部完成锁相、倍频、混频和放大处理后，形成单载波、残留载波或双载波信标信号，通过天线转换为空间电磁波发往地面站，处于不同地理位置的地面站同时接收VLBI测轨信号，经过相关处理后能够得到与深空探测器轨道信息相关的测量数据。

6.一种用于深空探测器的测控通信系统，该系统用于完成地面站与深空探测器之间信息交互及探测器轨道测定，所述信息具体包含：上行遥控指令、工程遥测数据、科学探测数据和VLBI测轨信标，其特征在于，所述通信系统包含：指令接收机、X波段发射机、高稳定频率源、遥控译码器、遥测编码器、X波段天线及天线微波开关；

所述指令接收机，用于完成上行链路载波信号的放大、捕获与跟踪，将遥控指令数据从载波信号中解调出来；

所述X波段发射机，用于完成下行链路的数据调制及信号功率放大，能够完成科学数据信号发射、遥测数据信号发射、VLBI测轨信号的发射功能；

所述高稳定频率源：用于实现频率稳定度达到10^-12/s量级的频率标准信号，为所述X波段发射机和指令接收机提供高稳定频率的基准信号，支持产生高频率稳定度的VLBI测轨信标；

所述遥控译码器：用于完成对上行数据帧的捕获及译码、执行本信道的直接遥控指令、完成相关信道指令和数据注入的分发；其输出端分别与综合电子计算机和有效载荷模块相连，分别用于完成对探测器平台及有效载荷的控制；

所述遥测编码器：用于完成信道编码及数据组帧，将整星工程遥测数据及载荷科学探测数据复接成一路数据码流；

所述X波段天线包括：一个与所述天线微波开关相连的高增益发射天线及低增益发射天线和一个与所述指令接收机的输入端相连的低增益接收天线，用于实现电路微波信号与空间电磁波之间的转换；且所述高增益发射天线用于在探测器对地球定向时，实现高码率的数据传输；

其中，所述有效载荷模块与综合电子计算机为所述测控通信系统的服务对象。

7.根据权利要求6所述的用于深空探测器的测控通信系统，其特征在于，所述X波段发射机进一步包含：

遥测编码模块，用于分别对工程遥测数据及科学探测数据进行缓存、复接、组帧后，统一完成信道编码、副载波调制，输出携带数据信息的已调副载波信号；

载波源模块，用于从高稳定频率源获取频率基准信号，经过锁相和倍频处理后输出VLBI频率标准信号及X波段载波信号；

载波调制模块，用于分别对输入的已调副载波信号、VLBI频率标准信号进行X波段载波调制，输出已调载波信号；和

信号放大模块，用于对输入的已调载波信号完成带通滤波、功放放大处理，且该模块输出的发射信号通过信号选通开关发往选定的发射天线。