CN103475553A - 一种面向空间太阳能电站的1553b无线通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向空间太阳能电站的1553B无线通信系统，属于无线通信技术领域。该系统包括中央主控计算机、测控分系统、数传分系统、电力管理与分配分系统、微波无线能量传输分系统、姿态与轨道控制分系统和热控分系统，其中中央主控计算机以及各分系统均配备无线服务节点单元；无线服务节点单元包括射频信号收发模块、调理模块、基带信号处理模块、处理器模块和存储器模块；则在遥控遥测过程中，使用线服务节点单元实现1553B报文与无线报文的相互转换，其中遥控遥测信息通过无线总线在各分系统之间传输。该系统适用于空间太阳能电站。

Description

一种面向空间太阳能电站的1553B无线通信系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种一种面向空间太阳能电站的无线总线通信系统及方法。

背景技术

空间太阳能电站Space Solar Power System（SPSS）是在空间将太阳能转化为电能，再通过其它方式传输到地面供地面使用的电力系统。空间太阳能电站的建立旨在利用空间的太阳能为地面提供GW级电力，其中空间太阳能电站的建造、运行、管理都是非常宏大的工程。

与大多数的航天器一样，空间太阳能电站也具备了根据功能划分的各类分系统，其中根据分系统的功能可能分为太阳能收集与转换分系统、电力传输与分配分系统、微波无线能量传输分系统、结构分系统、姿态与轨道控制分系统、热控分系统、信息与系统运行管理分系统等。其中信息与系统运行管理分系统作为各分系统相互间的信息交换和管理的核心部分，其主要采用总线结构实现通讯。

基于总线结构进行通讯的空间太阳能电站，其各分系统之间是利用数据总线或是计算机网络连接起来以实现相互间的信息交换的。显然，数据总线或网络是数管系统中非常关键的接口。

国内外所研制的信息与系统运行管理分系统目前主要采用的数据总线有：MIL-STD-1553B总线、OBDH总线、CAN总线、RS422总线等。其中，1553B总线以其极高的可靠性和实时可确认性等优点，在航空、航天、军事等领域中得到了广泛应用。

在现有的技术中，1553B总线的数据传输媒介主要是以双绞线为主的线缆，其实现方式即为将各个分系统通过专用的总线接口控制器和线缆接在1553B总线上，信息与数据的交换即可通过总线接口经由线缆接入总线。

对于空间太阳能电站这样的巨型航天器系统来说，其要在太空空间运行，则面临了如下几个难题：

首先，由于现有的空间太阳能电站是基于1553B总线结构建立拓扑，则其内部各分系统节点之间均通过接口硬件和线缆进行连接，因接口硬件以及线缆数量众多，大大增加了空间太阳能电站的设计重量，直接导致空间太阳能电站的发射成本高昂；

其次，空间太阳能电站的结构构型设计和在轨组装过程中需要考虑众多线缆的布设和连接问题，增加了结构构型设计和在轨组装复杂度；

再次，对于庞大的总线结构，线缆和接口设备的电磁兼容性设计给地面工作人员带来了额外的负担。

基于上述难题，若在巨型的空间太阳能电站的建立过程中依旧继承现有的航天器有线总线技术，则其构建以及投入使用面临巨大阻力，因此对总线技术进行全新的设计和突破是目前空间太阳能电站的研究方向。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种面向空间太阳能电站的1553B无线通信系统，该系统采用无线总线取代有线总线，满足了空间太阳能电站对发射质量、总线线缆布设等特殊需求，减少电站分系统设备互联复杂性，简化电站在轨组装流程，大大的减少了电站整体的质量和体积。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种面向空间太阳能电站的1553B无线通信系统，包括中央主控计算机、测控分系统、数传分系统、电力管理与分配分系统、微波无线能量传输分系统、姿态与轨道控制分系统和热控分系统；

其中中央主控计算机以及各分系统均配备无线服务节点单元；无线服务节点单元包括射频信号收发模块、调理模块、基带信号处理模块、处理器模块和存储器模块。

无线通信系统具有如下两个工作流程：

①当测控分系统接收到地面测控站的遥控指令时，测控分系统将遥控指令打包形成1553B报文，所述1553B报文进入无线服务节点单元，无线服务节点单元对1553B报文进行处理生成无线报文，并将其发送至无线总线；每个分系统均通过天线接收携带有遥控指令的无线报文，并将该无线报文输入至无线服务节点单元，无线服务节点单元对于接收到的无线报文进行处理获取无线报文所携带的遥控指令，分系统执行该遥控指令；

②当每个分系统同时采集遥测信息时，各分系统将遥测信息打包形成1553B报文，无线服务节点单元对1553B报文进行处理生成无线报文，并将其经无线总线传输至中央主控计算机；中央主控计算机使用无线服务节点单元对于接收到的无线报文进行处理获取无线报文所携带的遥测信息；中央主控计算机对于各分系统发来的遥测信息进行汇集并进行组帧和压缩处理，将处理后的遥测信息通过星地链路发回地面测控站；

无线服务节点单元对1553B报文进行处理为：调理模块对该1553B报文进行滤波处理，经滤波后的1553B报文被发送到基带信号处理模块，所述基带信号处理模块获取滤波后的1553B报文的有效载荷和目的地址，将有效载荷进行压缩打包，然后进行添加前导码、信号编码以及数字-模拟调制操作最终获得无线报文，将该无线报文传输给射频信号收发模块，射频信号收发模块以无线射频形式将无线报文发射至无线总线；

无线服务节点单元对于接收到的无线报文进行处理为：射频信号收发模块获取无线报文的有效数据并将该有效数据存于存储器模块中，基带信号处理模块对无线报文进行模拟-数字解调操作、信号解码、去包头以及解压操作，获得1553B报文，将该1553B报文输入至调理模块，调理模块对1553B报文进行滤波处理后获得无线报文中的有效信息，所述有效信息为遥控指令或遥测信息。

进一步地，各分系统的无线服务节点单元之间采用无线协议进行通信，对所使用的无线协议物理层进行如下修改：提高射频信号的发射功率、降低天线接收阈值。

进一步地，各分系统的无线服务节点单元之间采用无线协议进行通信，并使用无线路由多跳扩展传输半径。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）空间太阳能电站各分系统的接口硬件和线缆的重量约占其整体重量的8%左右。本发明采用了无线连接的方式，无需对通信线路进行冗余备份，减少电站分系统设备互联复杂性，简化电站在轨组装流程。更为突出的是，大大减少了电站整体的质量和体积，相应的减少了发射成本。

（2）本发明无线服务节点单元采用标准化、模块化设计，其接口电路采用标准的1553B总线通用硬件接口，它实现所述分系统单元与无线传输模块的连接，因而无需专门设计分系统硬件电路与无线服务节点单元的兼容性接口，实现了通信系统的0成本升级。

（3）本发明对1553B无线总线协议在物理层进行改型，对发射功率、天线增益等参数的改进，增加了传输距离，保证了传输带宽，降低了网络时延。

附图说明

图1为本发明面向空间太阳能电站内1553B无线总线体系结构示意图；

图2为本发明的无线传输模块内部信息流图；

图3为本发明的无线传输模块的硬件组成框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

本发明所提供的一种面向空间太阳能电站的1553B无线通信系统，其组成与传统的空间太阳能电站相同，如图1所示，主要包括中央主控计算机、测控分系统、电力管理与分配分系统、微波无线能量传输分系统、姿态与轨道控制分系统和热控分系统。

本发明所针对的空间太阳能电站采用1553B总线系统对于1553B总线采用一步数据传输方式，码速率为1Mbps，数据编码采用曼彻斯特II型码，差分传输。1553B总线上连接有三种类型的分系统，一个总线控制器BC，不超过31个远置终端RT和监视器BM。其中在本系统中以中央主控计算机作为总线控制器BC，负责总线调度、管理，时总线通讯的发起者和组织者，除中央主控计算机之外所有分系统的均为远置终端RT。

1553B总线系统的消息传输包括BC到RT、RT到BC、RT到RT以及BC广播等。当BC或RT分系统产生1553B报文，则该1553B报文通过1553B输出接口电路输出至所在系统具有的无线服务节点单元中。

本发明在传统的空间太阳能电站的基础上，为每个分系统均配备了嵌入式无线服务节点单元，用于各分系统之间的数据交互。

当BC或RT分系统产生1553B报文，则该1553B报文通过1553B输出接口电路输出至所在系统具有的无线服务节点单元中。

本实施例中无线服务节点单元WSNU如图2所示包含射频信号收发模块、调理模块、基带信号处理模块、处理器模块和存储器模块。

射频信号收发模块的功能包括发送无线数据包，以及接收符合该系统所用无线协议要求的无线数据包，并将无线数据包中的有效数据存储在存储器模块中，等待下一步处理。

存储器模块保存有效数据，同时存放部分程序控制代码。

调理模块用以对输入信号进行滤波、降噪和除杂等信号预处理操作，便于后续的准确报文转换操作。

基带信号处理模块用以实现对1553B报文与无线协议报文的转换，包括压缩与解压缩、编码与解码、调制与解调。

处理器模块用以对无线服务节点单元各模块进行上电初始化设置，协调各模块按照规定的操作流程正常工作，以及设定射频信号收发模块的物理参数，例如发包功率、发包速率以及发包长度。

本发明的空间太阳能电站1553B无线通信系统中，中央主控机通过控制无线空间太阳能电站网络，对其他各分系统进行统一调度管理。测控分系统、电力管理与分配分系统、微波无线能量传输分系统、姿态与轨道控制分系统、热控分系统以及中央主控计算机通过无线服务节点单元WSNU与无线总线相连，构成空间太阳能电站无线总线的物理结构。

该面向空间太阳能电站的1553B无线通信系统在实际的运行中包括遥控过程以及遥测过程。

遥控过程

地面测控站发送遥控指令至测控分系统，从而实现对于空间太阳能电站中各分系统的控制，其中该遥控过程分为遥控指令的发射和遥控指令的接收两个分流程。

遥控指令的发射：当测控分系统接收到地面测控站的遥控指令时，测控分系统将遥控指令打包形成1553B报文，所述1553B报文进入无线服务节点单元，无线服务节点单元对1553B报文进行处理生成无线报文，并将其发送至无线总线；无线报文携带有遥控指令，无线总线根据遥控指令的目的地址将该指令发至指定分系统。

遥控指令的接收：每个分系统均通过天线接收携带有遥控指令的无线报文，并将该无线报文输入至无线服务节点单元，无线服务节点单元对于接收到的无线报文进行处理获取无线报文所携带的遥控指令，分系统执行该遥控指令；该数据报文携带有遥控指令，该分系统执行数据报文中所携带的遥控指令。

遥测过程

该遥测过程分为遥测信息的采集和遥测信息的下传两个分流程：

遥测信息的采集：每个分系统同时采集遥测信息，将遥测信息打包形成1553B报文，该1553B报文由无线服务节点单元处理生成无线报文，该无线报文经由无线总线传输至中央主控计算机。

遥测信息的下传：中央主控计算机使用无线服务节点单元对于接收到的无线报文进行处理生成数据报文，中央主控计算机对于各分系统发来的遥测信息进行汇集并进行组帧和压缩处理，将处理后的遥测信息通过星地链路发回地面测控站。

其中无线服务节点单元对1553B报文进行处理为：调理模块对该1553B报文进行滤波处理，经滤波后的1553B报文被发送到基带信号处理模块，所述基带信号处理模块获取滤波后的1553B报文的有效载荷和目的地址，将有效载荷进行压缩打包，然后进行添加前导码、信号编码以及数字-模拟调制操作最终获得无线报文，将该无线报文传输给射频信号收发模块，射频信号收发模块以无线射频形式将无线报文发射至无线总线；

无线服务节点单元对于接收到的无线报文进行处理为：射频信号收发模块获取所述无线报文的有效数据并将该有效数据存于存储器模块中，基带信号处理模块对无线报文进行模拟-数字解调操作、信号解码、去包头以及解压操作，获得1553B报文，将该1553B报文输入至调理模块，调理模块对1553B报文进行滤波处理后获得无线报文中的有效信息，所述有效信息为遥控指令或遥测信息。

本发明所设计的1553B无线通信系统基于现有的1553B总线系统，通过添加无线服务节点单元，以无线射频传输取代双绞线传输，形成无线总线，同时通过选取适合于太空空间环境的无线总线实现了空间数据传输，使得空间太阳能电站的分系统之间均可以直接经无线信道接收或发送数据，且各分系统之间在进行信息交互时没有复杂的物理连接。

无线服务节点单元采用标准化、模块化设计，其接口电路采用标准的1553B总线通用硬件接口，它实现所述分系统单元与无线传输模块的连接，因而无需专门设计分系统硬件电路与无线服务节点单元的兼容性接口，实现了通信系统的0成本升级。

本发明无线协议可灵活选取，不局限于某一种无线通信技术。其中，由于距离较远无线信号难以覆盖，可以采用无线路由多跳扩展传输半径。此外还对无线协议物理层进行了修改：提高射频信号的发射功率、降低天线接收阈值以提高天线灵敏度。这样极大地扩展了传输范围，满足了空间太阳能电站的远距离无线传输需求。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种面向空间太阳能电站的1553B无线通信系统，包括中央主控计算机、测控分系统、数传分系统、电力管理与分配分系统、微波无线能量传输分系统、姿态与轨道控制分系统和热控分系统，其特征在于，所述中央主控计算机以及各分系统均配备无线服务节点单元；所述无线服务节点单元包括射频信号收发模块、调理模块、基带信号处理模块、处理器模块和存储器模块；

无线通信系统具有如下两个工作流程：

①当测控分系统接收到地面测控站的遥控指令时，测控分系统将遥控指令打包形成1553B报文，所述1553B报文进入无线服务节点单元，无线服务节点单元对1553B报文进行处理生成无线报文，并将其发送至无线总线；每个分系统均通过天线接收携带有遥控指令的无线报文，并将该无线报文输入至无线服务节点单元，无线服务节点单元对于接收到的无线报文进行处理获取无线报文所携带的遥控指令，分系统执行该遥控指令；

②当每个分系统同时采集遥测信息时，各分系统将遥测信息打包形成1553B报文，无线服务节点单元对1553B报文进行处理生成无线报文，并将其经无线总线传输至中央主控计算机；中央主控计算机使用无线服务节点单元对于接收到的无线报文进行处理获取无线报文所携带的遥测信息；中央主控计算机对于各分系统发来的遥测信息进行汇集并进行组帧和压缩处理，将处理后的遥测信息通过星地链路发回地面测控站；

所述无线服务节点单元对1553B报文进行处理为：调理模块对该1553B报文进行滤波处理，经滤波后的1553B报文被发送到基带信号处理模块，所述基带信号处理模块获取滤波后的1553B报文的有效载荷和目的地址，将有效载荷进行压缩打包，然后进行添加前导码、信号编码以及数字-模拟调制操作最终获得无线报文，将该无线报文传输给射频信号收发模块，射频信号收发模块以无线射频形式将无线报文发射至无线总线；

所述无线服务节点单元对于接收到的无线报文进行处理为：射频信号收发模块获取所述无线报文的有效数据并将该有效数据存于存储器模块中，基带信号处理模块对无线报文进行模拟-数字解调操作、信号解码、去包头以及解压操作，获得1553B报文，将该1553B报文输入至调理模块，调理模块对1553B报文进行滤波处理后获得无线报文中的有效信息，所述有效信息为遥控指令或遥测信息。

2.如权利要求1所述的一种面向空间太阳能电站的1553B通信系统，其特征在于，各分系统的无线服务节点单元之间采用无线协议进行通信，对所使用的无线协议物理层进行如下修改：提高射频信号的发射功率、降低天线接收阈值。

3.如权利要求1所述的一种面向空间太阳能电站的1553B通信通讯系统，其特征在于，各分系统的无线服务节点单元之间采用无线协议进行通信，并使用无线路由多跳扩展传输半径。

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