CN103699068A - 卫星太阳帆板振动监测无线通信节点系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星太阳帆板振动监测无线通信节点系统，其包括：帆板采集节点采集模块，用于加速度传感器数据的采集；帆板采集节点处理器模块，用于数据组帧、工作状态控制、能源管理；帆板采集节点无线通信模块，用于数据无线收发；帆板采集节点能源管理模块，用于接收处理器模块控制信号，控制加速度传感器供电、蓄电池充电开关、蓄电池电压电流监视；控制传输节点数据传输模块，接收振动监测系统发送的遥控指令，控制帆板采集节点的工作模式，发送采集节点数据至振动监测系统。本发明无线通信节点可在太阳帆板上本地采集振动传感器数据，并通过无线方式传输至卫星内部，以获取卫星入轨段太阳帆板展开及在轨段转动时振动响应数据。

Description

卫星太阳帆板振动监测无线通信节点系统

技术领域

本发明涉及一种无线通信节点系统，特别是涉及一种卫星太阳帆板振动监测无线通信节点系统。

背景技术

有的卫星载荷多且布局在对地面，载荷安装距离近，工作时相互干扰严重的可能性大。由于星上活动部件众多，易与太阳帆板产生振动耦合，引发卫星结构平台的振荡，必然降低星载遥感设备的探测精度甚至可能导致其任务的失败。在地面测试环境中，太阳帆板振动响应数据可通过有线方式传输；在卫星在轨空间环境中，由于太阳帆板上振动监测采集节点与星内电子设备无法使用有线通信方式，太阳帆板展开及转动时振动响应数据无法获取。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种卫星太阳帆板振动监测无线通信节点系统，其无线通信节点可在太阳帆板上本地采集振动传感器数据，并通过无线方式传输至卫星内部，以获取卫星入轨段太阳帆板展开及在轨段转动时振动响应数据。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种卫星太阳帆板振动监测无线通信节点系统，其特征在于，其包括：

帆板采集节点采集模块，用于加速度传感器数据的采集；所述帆板采集节点采集模块包括通道开关和A/D变换电路，通道开关输入六路加速度传感器数据，输出一路加速度传感器数据，其通道控制由处理器模块编程实现，通道选择周期决定采集频率；A/D变换电路的位数由振动监测数据采集精度决定，对于0.1mV精度要求的加速度传感使用十六位A/D变换电路，输入加速度传感器电压输出十六位数据；

帆板采集节点处理器模块，用于数据组帧、工作状态控制、能源管理；所述帆板采集节点处理器模块包括处理器，处理器由通道开关控制码识别传感器通道，将六路传感器通道数据组包，通过帆板采集节点无线通信模块发送到控制传输节点，控制采集通道开关、发射机开关，处理器可监视蓄电池电压和电流状态，实现蓄电池充电开关的自动控制；

帆板采集节点无线通信模块，用于数据无线收发；所述帆板采集节点无线通信模块包括收发电路，收发电路具有SPI数据接口与处理器进行通信，通道码速率、传输频率可编程，发射通道开关可控制；

帆板采集节点能源管理模块，用于接收处理器模块控制信号，控制加速度传感器供电、蓄电池充电开关、蓄电池电压电流监视；所述帆板采集节点能源管理模块包括能源供给模块、能源控制模块、太阳电池片和蓄电池组，能源供给模块由电源通道开关组成，能源供给模块为帆板采集节点采集模块、帆板采集节点处理器模块、帆板采集节点无线通信接收模块加电，传感器供电、无线通信发射模块供电开关可控制；能源控制模块监视并判断蓄电池输出电压和电流，控制太阳帆板至蓄电池的通道开关，低电压和小电流状态蓄电池充电开关接通，高电压和大电流状态蓄电池充电开关断开；太阳电池片和蓄电池组中的太阳电池片为蓄电池供电或直接输出电能至帆板采集节点各功能模块，蓄电池进行能源存储可满足帆板展开前和地影期帆板采集节点正常工作的能源供给需求；

控制传输节点数据传输模块，接收振动监测系统发送的遥控指令，控制帆板采集节点的工作模式，发送采集节点数据至振动监测系统；所述控制传输节点数据传输模块包括指令接收模块和数据发送模块，指令接收模块接收振动监测系统发送的遥控指令，对控制传输节点进行本地操作或发送至帆板采集节点；数据发送模块发送帆板采集节点数据至振动监测系统。

优选地，所述帆板采集节点采集模块、控制传输节点数据传输模块、帆板采集节点能源管理模块、帆板采集节点无线通信模块都与帆板采集节点处理器模块连接。

优选地，所述加速度传感器数据具有多路通道开关控制，实现多路加速度传感器数据的分时选通。

优选地，所述处理器自带A/D进行蓄电池电压和电流的数据采样，低于蓄电池续航下限值则进行充电控制，高于蓄电池续航上限则将充电开关断开。

优选地，所述能源控制模块对蓄电池输出电压和电流进行电能监控，监控信号输入到处理器A/D端，由处理器进行蓄电池电能上下限判断和充电控制。

优选地，所述太阳电池片和蓄电池组108中的太阳电池片进行蓄电池充电，蓄电池续航能力可满足卫星太阳帆板展开和一个旋转周期所需的电能需求。

优选地，所述控制传输节点的节点指令接收和数据发送协同工作，接收数据传输开始命令后向振动监测系统发送数据，接收数据传输停止命令后将帆板采集节点数据存储并停止向振动监测系统发送数据。

本发明的积极进步效果在于：本发明的无线通信节点可在太阳帆板上本地采集振动传感器数据，并通过无线方式传输至卫星内部，以获取卫星入轨段太阳帆板展开及在轨段转动时振动响应数据。本发明的无线通信节点装置可实现传感器数据传输无线化，适用于卫星各类传感器数据的无线传输。

附图说明

图1为本发明卫星太阳帆板振动监测无线通信节点系统的原理框图。

图2为本发明采集节点1ms采集周期时间片划分的示意图。

图3为本发明采集节点处理器采集数据拼接图。

图4为本发明无线通道通信任务时间片划分的示意图。

图5为本发明中振动监测数据无线传输工作流程图。

图6为本发明中遥控指令数据无线传输工作流程图。

图7为本发明中帆板采集节点能源管理工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明卫星太阳帆板振动监测无线通信节点系统包括：

帆板采集节点采集模块，用于加速度传感器数据的采集；所述帆板采集节点采集模块包括通道开关101和A/D变换电路102，通道开关101输入六路加速度传感器数据，输出一路加速度传感器数据，其通道控制由处理器模块编程实现，通道选择周期决定采集频率；A/D变换电路102的位数由振动监测数据采集精度决定，对于0.1mV精度要求的加速度传感使用十六位A/D变换电路，输入加速度传感器电压输出十六位数据；

帆板采集节点处理器模块，用于数据组帧、工作状态控制、能源管理；所述帆板采集节点处理器模块包括处理器103，处理器103由通道开关控制码识别传感器通道，将六路传感器通道数据组包，通过帆板采集节点无线通信模块发送到控制传输节点，控制采集通道开关、发射机开关，处理器可监视蓄电池电压和电流状态，实现蓄电池充电开关的自动控制；

帆板采集节点无线通信模块，用于数据无线收发；所述帆板采集节点无线通信模块包括收发电路105，收发电路105具有SPI数据接口与处理器进行通信，通道码速率、传输频率可编程，发射通道开关可控制；

帆板采集节点能源管理模块，用于接收处理器模块控制信号，控制加速度传感器供电、蓄电池充电开关、蓄电池电压电流监视；所述帆板采集节点能源管理模块包括能源供给模块106、能源控制模块107、太阳电池片和蓄电池组108，能源供给模块106由电源通道开关组成，能源供给模块为帆板采集节点采集模块、帆板采集节点处理器模块、帆板采集节点无线通信接收模块加电，传感器供电、无线通信发射模块供电开关可控制；能源控制模块107监视并判断蓄电池输出电压和电流，控制太阳帆板至蓄电池的通道开关，低电压和小电流状态蓄电池充电开关接通，高电压和大电流状态蓄电池充电开关断开；太阳电池片和蓄电池组108中的太阳电池片为蓄电池供电或直接输出电能至帆板采集节点各功能模块，蓄电池进行能源存储可满足帆板展开前和地影期帆板采集节点正常工作的能源供给需求；

控制传输节点数据传输模块，接收振动监测系统发送的遥控指令，控制帆板采集节点的工作模式，发送采集节点数据至振动监测系统；所述控制传输节点数据传输模块包括指令接收模块109和数据发送模块110，指令接收模块109接收振动监测系统发送的遥控指令，对控制传输节点进行本地操作或发送至帆板采集节点；数据发送模块110发送帆板采集节点数据至振动监测系统。

帆板采集节点采集模块、控制传输节点数据传输模块、帆板采集节点能源管理模块、帆板采集节点无线通信模块都与帆板采集节点处理器模块连接。

加速度传感器数据具有多路通道开关控制，实现多路加速度传感器数据的分时选通。

处理器自带A/D进行蓄电池电压和电流的数据采样，低于蓄电池续航下限值则进行充电控制，高于蓄电池续航上限则将充电开关断开。

能源控制模块对蓄电池输出电压和电流进行电能监控，监控信号输入到处理器A/D端，由处理器进行蓄电池电能上下限判断和充电控制。

太阳电池片和蓄电池组108中的太阳电池片进行蓄电池充电，蓄电池续航能力可满足卫星太阳帆板展开和一个旋转周期所需的电能需求。

控制传输节点的节点指令接收和数据发送协同工作，接收数据传输开始命令后向振动监测系统发送数据，接收数据传输停止命令后将帆板采集节点数据存储并停止向振动监测系统发送数据。

帆板采集节点采集模块通道选择开关保持时间为10us，与处理器输出的通道控制信号保持时间一致，按设定周期循环采集传感器数据。单片机C8051F集成有16位ADC，其采样速率可达1Msps。在通道切换后第1us、3us、5us、7us、9us时刻，处理器分5次采集加速度传感器数据，将采集数据取平均作为该加速度传感器通道有效数据。通道开关循环周期即为加速度传感器采集周期，采集周期为1ms时加速度传感器通道数据采集时间片划分如图2所示。

在加速度传感器数据采集完成后，帆板采集节点处理器按图3将传感器数据拼接，并发送至无线通信模块，由无线通信模块组成传送帧传输至控制传输节点。在接收到传送帧后，控制传输节点无线通信模块发送中断请求至处理器，由处理器对采集数据进行通道收集并附加时标信号存储。控制传输节点接收振动监测系统数据传输命令，将存储器中加速度传感器数据按通道进行传输，完成卫星太阳帆板振动监测数据无线传输。

振动监测系统向控制传输节点发送遥控指令数据，由控制传输节点向帆板采集节点进行数据转发。无线收发芯片SI4464为半双工器通信方式，在无线通道上进行时间片划分，可实现无线通信系统采集数据收发与遥控指令收发的双工通信，无线通道时间片划分如图4所示。帆板采集节点接收遥控数据控制本地工作状态：控制采集通道开关，设置充电开关的控制状态，调整传感器数据采集频率。

蓄电池输出电压可反应蓄电池的续航能力，能源监测模块将蓄电池输出电压作固定系数分压传输至处理器，处理器分别设置续航能力下限和上限控制充电开关。在振动监测任务期，蓄电池充电开关由处理器自动控制；在振动监测任务结束后，遥控发令关闭蓄电池充电开关自动控制功能，使充电开关保持断开状态。蓄电池输出电流可反应采集节点的功耗变化，能源监测模块将蓄电池输出电流变换为0～5V电压输出至处理器，作为帆板采集节点的一个遥测参数。

无线收发芯片SI4464输出信号功率范围-20dBm～+20dBm，输出频率范围119MHz～1050MHz，灵敏度-126dBm，输出信号功率和频率可配置。振动监测无线通信系统选用470MHz传输频率，输出信号功率控制在0dBm～+10dBm范围内。控制传输节点天线采用SMA接口棒状全向天线，方向性系数6.0dB，增益3.0dB，尺寸300mm。

帆板采集节点无线通信模块采用微带天线，方向性系数4.5dB，增益3.0dB。微带天线采用矩形贴片形状，馈电方式采用传输线馈电。

振动监测数据无线传输工作流程如图5所示。遥控指令数据无线传输工作流程如图6所示。帆板采集节点能源管理工作流程如图7所示。

无线通信节点包括两类节点：帆板采集节点、控制传输节点。帆板采集节点分时采集六通道传感器数据，将数据组帧后发送至控制传输节点；帆板采集节点接收控制传输节点发送的遥控指令，用于控制采集频率、能源自主管理、发射机开关等；帆板采集节点由蓄电池供电，由太阳电池片充电至蓄电池。控制传输节点接收帆板采集节点数据，将接收数据打时标后存储，在接收传输命令后将存储数据通过星载数据总线传输至振动监测系统。本发明所采取的设计方案具有可扩展性，帆板采集节点的数据采集通道可增加，控制传输节点可接收多个采集节点数据。

帆板采集节点采集模块设计有8通道选择开关，3位地址线，1位使能控制端。为保证各通道采集数据时间的一致性，任意两有效通道切换时间为10us，在通道切换后0us～10us间取该通道5次数据平均后作为单次有效数据。加速度传感器数据采集周期为所有通道采集两次数据的时间间隔，采集周期可编程为1ms、2ms、5ms、10ms，16位A/D对应6通道加速度传感器数据速率96kbps、48kbps、19.2kbps、9.6kbps。

帆板采集节点处理器模块使用C语言编程，发送通道控制信号时钟为1MHz，并行输出3位地址线和1位使能控制线至采集模块。两通道地址线间隔为10us固定值，6通道采集频率分别可设为1kHz、500Hz、200Hz、100Hz。处理器按照采集间隔接收到传感器振动监测数据，并按照约定包格式位置将相应通道数据进行存储组包，包数据长度为6通道数据1次采集数据共12字节。包数据格式为固定格式，某传感器通道关闭时将帧格式位置填充固定数。

帆板采集节点处理器分别输出控制信号至蓄电池充电开关、6通道传感器供电开关、无线通信模块发射机开关，控制各开关的工作状态。蓄电池开关采用磁保持继电器，处理器输出控制信号为脉冲形式，经运放驱动后控制继电器动作。

帆板采集节点处理器模块分时进行振动监测数据发送和遥控指令接收。时钟周期设定为5s，4.998s用于振动监测数据发送，2ms用于遥控指令接收，实现无线通信模块半双工方式工作。接收遥控指令数据长度32位，16位同步码，4位地址码，4位通道控制码，8位采集频率或开关控制信号。

帆板采集节点能源管理模块进行蓄电池充电、电能监视和能源控制。整星太阳帆板上3块电池片串联后接入能源控制端，再连接至蓄电池进行充电。充电开关使用磁保持继电器实现，控制脉冲持续时间为64ms，由处理器监视蓄电池续航上下限进行智能控制。蓄电池最大续航能力为3000mAh，断开充电开关续航上限为2800mAh，接通充电开关续航下限为500mAh。

蓄电池电能监视模块测试蓄电池电压和供电电流，对蓄电池电压进行分压后输出至A/D变换器，通过蓄电池端电压与剩余电量的对应关系，计算出蓄电池剩余电量。在帆板采集节点供电线串接高精度电阻，测试蓄电池输出电流，可监视帆板采集节点的能耗变化。

控制传输节点收发模块与振动监测系统进行通信，接收振动监测系统发送的遥控指令，并选择进行本地控制或发送至帆板采集节点；将帆板采集节点各加速度传感器数据发送至振动监测系统，传输速率为1Mbps。

帆板采集节点采集各通道加速度传感器数据，经无线通信模块传输至控制传输节点，控制传输节点将振动监测数据打时标后发送至振动监测系统。控制传输节点接收振动监测系统发送的遥控指令，经无线通信模块传输至帆板采集节点，控制帆板采集节点的工作模式。帆板采集节点和控制传输节点共同组成一种卫星太阳帆板振动监测无线节点装置。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种改型和改变。因此，本发明覆盖了落入所附的权利要求书及其等同物的范围内的各种改型和改变。

Claims (7)

1.一种卫星太阳帆板振动监测无线通信节点系统，其特征在于，其包括：

帆板采集节点采集模块，用于加速度传感器数据的采集；所述帆板采集节点采集模块包括通道开关和A/D变换电路，通道开关输入六路加速度传感器数据，输出一路加速度传感器数据，其通道控制由处理器模块编程实现，通道选择周期决定采集频率；A/D变换电路的位数由振动监测数据采集精度决定，对于0.1mV精度要求的加速度传感使用十六位A/D变换电路，输入加速度传感器电压输出十六位数据；

帆板采集节点处理器模块，用于数据组帧、工作状态控制、能源管理；所述帆板采集节点处理器模块包括处理器，处理器由通道开关控制码识别传感器通道，将六路传感器通道数据组包，通过帆板采集节点无线通信模块发送到控制传输节点，控制采集通道开关、发射机开关，处理器可监视蓄电池电压和电流状态，实现蓄电池充电开关的自动控制；

帆板采集节点无线通信模块，用于数据无线收发；所述帆板采集节点无线通信模块包括收发电路，收发电路具有SPI数据接口与处理器进行通信，通道码速率、传输频率可编程，发射通道开关可控制；

帆板采集节点能源管理模块，用于接收处理器模块控制信号，控制加速度传感器供电、蓄电池充电开关、蓄电池电压电流监视；所述帆板采集节点能源管理模块包括能源供给模块、能源控制模块、太阳电池片和蓄电池组，能源供给模块由电源通道开关组成，能源供给模块为帆板采集节点采集模块、帆板采集节点处理器模块、帆板采集节点无线通信接收模块加电，传感器供电、无线通信发射模块供电开关可控制；能源控制模块监视并判断蓄电池输出电压和电流，控制太阳帆板至蓄电池的通道开关，低电压和小电流状态蓄电池充电开关接通，高电压和大电流状态蓄电池充电开关断开；太阳电池片和蓄电池组中的太阳电池片为蓄电池供电或直接输出电能至帆板采集节点各功能模块，蓄电池进行能源存储可满足帆板展开前和地影期帆板采集节点正常工作的能源供给需求；

控制传输节点数据传输模块，接收振动监测系统发送的遥控指令，控制帆板采集节点的工作模式，发送采集节点数据至振动监测系统；所述控制传输节点数据传输模块包括指令接收模块和数据发送模块，指令接收模块接收振动监测系统发送的遥控指令，对控制传输节点进行本地操作或发送至帆板采集节点；数据发送模块发送帆板采集节点数据至振动监测系统。

2.如权利要求1所述的卫星太阳帆板振动监测无线通信节点系统，其特征在于，所述帆板采集节点采集模块、控制传输节点数据传输模块、帆板采集节点能源管理模块、帆板采集节点无线通信模块都与帆板采集节点处理器模块连接。

3.如权利要求1所述的卫星太阳帆板振动监测无线通信节点系统，其特征在于，所述加速度传感器数据具有多路通道开关控制，实现多路加速度传感器数据的分时选通。

4.如权利要求1所述的卫星太阳帆板振动监测无线通信节点系统，其特征在于，所述处理器自带A/D进行蓄电池电压和电流的数据采样，低于蓄电池续航下限值则进行充电控制，高于蓄电池续航上限则将充电开关断开。

5.如权利要求1所述的卫星太阳帆板振动监测无线通信节点系统，其特征在于，所述能源控制模块对蓄电池输出电压和电流进行电能监控，监控信号输入到处理器A/D端，由处理器进行蓄电池电能上下限判断和充电控制。

6.如权利要求1所述的卫星太阳帆板振动监测无线通信节点系统，其特征在于，所述太阳电池片和蓄电池组108中的太阳电池片进行蓄电池充电，蓄电池续航能力可满足卫星太阳帆板展开和一个旋转周期所需的电能需求。

7.如权利要求1所述的卫星太阳帆板振动监测无线通信节点系统，其特征在于，所述控制传输节点的节点指令接收和数据发送协同工作，接收数据传输开始命令后向振动监测系统发送数据，接收数据传输停止命令后将帆板采集节点数据存储并停止向振动监测系统发送数据。

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