CN106603143A - 空间站试验平台及其控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间站试验平台及其控制器。其中，空间站试验平台，包括综合管控模块、软件定义无线电模块及射频模块，控制器包含在综合管控模块中。射频模块与安装在空间站舱外进行信号收发的天线连接，且包含两种以上射频子通道；软件定义无线电模块与射频模块连接，用以生成无线电子系统，通过射频模块向外发送数据或者接收外界传输的数据，并对向外发送的数据及从外界接收到的数据进行处理；综合管控模块与无线电模块及射频模块连接，用以控制和配置软件定义无线电模块生成或消除无线电子系统，还用以控制射频模块与天线之间的连通。其对空间中试验所涉及的硬件设备进行综合管控，实现空间站试验平台与多类卫星系统、地面站等真实空间信息网络节点的互联互通。

Description

空间站试验平台及其控制器

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种空间站试验平台及其控制器。

背景技术

空间信息网络是以空间平台(如同步卫星或中、低轨道卫星、平流层气球和有人或无人驾驶飞机等)为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统。作为国家重要基础设施，空间信息网络在服务远洋航行、应急救援、导航定位、航空运输、航天测控等重大应用的同时，向下可支持对地观测的高动态、宽带实时传输，向上可支持深空探测的超远程、大时延可靠传输，从而将人类科学、文化、生产活动拓展至空间、远洋、乃至深空，是全球范围的研究热点。该网络能从根本上解决我国现有空间基础设施全域覆盖能力有限、网络扩展和协同应用能力弱的问题，有力支持空间信息服务能力的大幅提升。

以美国为代表的世界各航天强国都十分重视对于空间信息网络新理论及技术的试验验证，纷纷设计研制相关试验载荷并不断利用各种机会开展不同类型空间网络技术的在轨验证。然而，传统的空间站试验平台由于受到卫星或航天器平台本身的各种条件限制，集成化程度低，难以实现与多类卫星系统、地面站等真实空间信息网络节点的互联互通。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题提供一种能够实现空间试验平台与多类空间信息网络节点互联互通的空间站试验平台控制器及空间站试验平台。

为实现本发明目的提供的一种空间站试验平台控制器，适用于连接并控制空间站试验所需硬件设备，与综合管控模块、软件定义无线电模块及射频模块相互作用，构成空间试验平台，其中：

所述射频模块与安装在空间站舱外进行信号收发的天线连接，且包含两种以上射频子通道；

所述软件定义无线电模块与所述射频模块连接，用以生成无线电子系统，通过所述射频模块向外发送数据或者接收外界传输的数据，并对向外发送的数据及从外界接收到的数据进行处理；

所述综合管控模块与所述无线电模块及所述射频模块连接，用以控制和配置软件定义无线电模块生成或消除无线电子系统，还用以控制所述射频模块与所述天线之间的连通。

在其中一个实施例中，所述射频模块与空间站舱外安装的两个以上天线连接；且

所述综合管控模块控制所述射频模块与一个或者两个以上天线连通。

在其中一个实施例中，所述综合管控模块包括网络及空间环境监测单元、网络节点虚拟单元、交换单元及综合管控单元，其中：

所述综合管控单元与所述网络及空间环境监测单元、所述网络节点虚拟单元及所述交换单元连接，用以控制所连接各单元的工作；

所述网络及空间环境监测单元与所述软件定义无线电模块、所述射频模块、所述网络节点虚拟单元、所述交换单元及所述综合管控单元连接，用以对空间站的运行数据进行监测，并将监测数据传输给所连接的各部件；

所述网络节点虚拟单元与所述交换单元通信连接，用以根据需求生成或消除虚拟网络节点；

所述交换单元连接所述网络节点虚拟单元及空间站中的物理机，用以完成虚拟网络节点与空间站中的物理机之间的数据交换。

在其中一个实施例中，所述软件定义无线电模块中无线电子系统的数量与所述射频子通道的数量相同。

在其中一个实施例中，所述无线电子系统包括基带处理单元、链路模拟单元及模数转换单元，其中：

所述基带处理单元，用以对输入的数据或输出的基带信号进行处理；

所述链路模拟单元与所述基带处理单元和所述模数转换单元连接，用于信号的传输；

所述模数转换单元，用于对传输的模拟信号进行转换，得到相对应的数字信号。

基于同一发明构思的一种空间站试验平台，包括前述任一实施例的空间站试验平台控制器及天线；所述空间站试验平台控制器设置在空间站舱内；所述天线设置在所述空间站舱外。

在其中一个实施例中，所述天线包括固定天线和移动天线；且所述固定天线包括多模导航卫星接收天线和对地无线电波天线；所述移动天线包括对地光学天线、对空无线电波天线。

在其中一个实施例中，还包括装载所述移动天线的跟踪指向系统；且所述跟踪指向系统能够根据从所述空间站试验平台控制器接收到的控制指令控制所述移动天线的指向。

在其中一个实施例中，所述空间站试验平台控制器通过可重构的软件定义网络连接并控制试验载荷。

在其中一个实施例中，还包括与所述空间站试验平台控制器连接的数据库；且所述数据库按照业务种类进行数据的分类存储；所述业务种类包括虚拟机管理、拓扑管理机通信状态记录。

本发明的有益效果

采用上述技术方案，本发明至少可取得下述技术效果：

本发明的空间站试验平台控制器，对空间中试验所涉及的硬件设备进行综合管控，从而能够在空间站相对固化的硬件平台上采用软件重构的方式构建空间试验平台，以适配复杂多变的空间信息网络验证需求。同时采用软件定义无线电模块及多通道射频模块的方式，在需要时构建相应的软件无线电子系统以及打开所需的射频子通道，实现空间站试验平台与多类卫星系统、地面站等真实空间信息网络节点的互联互通。

进一步的，空间站试验平台控制器通过综合管控模块提供虚拟化功能扩展，可根据具体验证需求等效虚拟出空间网络节点和链路，从而通过空间网络虚拟节点配合空间站真是节点开展空间站的试验验证。有利于同时开展大量高集成度的再贵试验项目。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本实施例所述的空间站试验平台构成示意图；

图2是本实施例所述的空间站试验平台控制器结构示意图；

图3是本实施例所述的基于空间站的空间站试验平台体系结构图。

具体实施方式

提供以下参照附图的描述来帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本公开的各种实施例。以下描述包括帮助理解的各种具体细节，但是这些细节将被视为仅是示例性的。因此，本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围和精神的情况下，可对本文所述的各种实施例进行各种改变和修改。另外，为了清晰和简洁，公知功能和构造的描述可被省略。

以下描述和权利要求书中所使用的术语和词汇不限于文献含义，而是仅由发明人用来使本公开能够被清晰和一致地理解。因此，对于本领域技术人员而言应该明显的是，提供以下对本公开的各种实施例的描述仅是为了示例性目的，而非限制由所附权利要求及其等同物限定的本公开的目的。

应该理解，除非上下文明确另外指示，否则单数形式也包括复数指代。因此，例如，对“组件表面”的引用包括对一个或更多个这样的表面的引用。

图1是本实施例的空间站试验平台的各子系统及其功能接口示意图。

参考图1，本实施例空间站试验平台包括空间站试验平台控制器100、天线200及跟踪指向系统300。其中，空间站试验平台控制器100安装在空间站舱内，而所述跟踪指向系统300主要是在空间站实验平台控制器的控制下对天线200的指向进行调节，其与天线200一起安装在空间站舱外。

进一步的，参见图1，空间站试验平台控制器100包括综合管控模块110、软件定义无线电模块及射频模块130。射频模块130与安装在空间站舱外进行信号收发的天线连接，且其包含两种以上射频子通道，每种射频子通道可以进行不同频率信号的发射与接收。从而实现空间站试验平台与多类卫星系统、地面站等实现互联互通。具体的，射频模块130与空间站舱外安装的射频宽带天线、毫米波天线和激光收发器连接，通过一套共用的软件和硬件平台将多频段(包括L波段、S波段、C波段、X波段、Ku波段及Ka波段及其他飞行系统中传输信号用的射频波段)、多制式、宽带的多功能业务集中一体化处理，实现统一管控、灵活调配和资源共享。

在其中一个实施例中，将微波光子技术应用于空间站试验平台来构建综合射频系统的一体化物理通道。包括：利用微波光子实现微波信号的光学生成、利用微波光子技术实现多频变换、利用微波光子实现宽带滤波处理以及微波光子技术实现资源调度分配。

与射频模块130连接的软件定义无线电模块为射频模块130的前端系统，用以进行中频一体化和基带一体化处理。本实施例中，软件无线电平台采用中频带通采样处理机制，即在中频进行带通采样完成数字化，调制与解调、信道编译码等功能。具体的，作为一种可实施方式，软件无线电模块120对向外发送的数据及从外界接收到的数据进行处理的功能可由数字信号处理芯片或者FPGA实现。具体地，通过构建通用的物理平台实现多种无线通信模式，使用可升级、可重配置的应用软件来实现各种无线通信功能。构造一个具有模块化、通用化的硬件平台，将多模式信源编解码模块、信道编解码模块及调制解调功能通过软件来实现，每一种功能模块的算法都做成软件模块形式，要实现某种功能时只需要调用相应的模块即可。并且可以不断更新各个模块的软件来适应不断变化的信源编解码、信道编解码及调制解调模式，以适应复杂多变的试验验证需求。

在使用过程中，软件无线电模块120在可根据试验的需求生成与射频模块130子通道相对应的无线电子系统，从而通过射频模块130连接相应的天线，向中继卫星、通信卫星、导航卫星、伴飞小卫星、航空器以及其他卫星或者轨道飞行器发送数据或者接收其传输到空间站的数据。

本实施例中，综合管控模块110为空间站试验平台控制器100的中心控制模块，其与无线电模块及射频模块130均连接，用以控制和配置软件定义无线电模块生成或消除无线电子系统，还用以控制射频模块130与天线之间的连通。同时，空间站试验平台控制器100对空间站各试验所需的硬件的控制也通过空间站试验平台控制器100的综合管控模块110实现。

另外，参见图1，空间站试验平台控制器100的综合管控模块110还对跟踪指向系统300进行控制，通过控制所述跟踪指向系统300，控制天线的指向，实现试验信号的收发。

具体的，对于安装在空间站舱外的天线，可以为一个也可以为两个以上。与射频模块130多通道相对应的，在其中一个实施例中，安装在空间站舱外的天线包括多个，分为固定天线和移动天线两大类。具体的，固定天线中包括多模导航卫星接收天线和对地无线电波天线。移动天线包括对地光学天线和对空无线电波天线。且移动天线装载在一套共用的跟踪指向系统300上，根据从空间站试验平台控制器100接收到的不同指令分别对各天线进行指向控制。从而使试验平台能够适应空间站以及其他卫星或者空间飞行器等空间节点的高速运动特性。

具体的，参见图2，实现表示控制链路，虚线表示数据链路。对于空间站试验平台的三个模块，综合管控模块110包括网络及空间环境监测单元111、网络节点虚拟单元112、交换单元113及综合管控单元114。其中：综合管控单元114与网络及空间环境监测单元111、网络节点虚拟单元112及交换单元113连接，用以控制所连接各单元的工作；网络及空间环境监测单元111与软件定义无线电模块、射频模块130、网络节点虚拟单元112、交换单元113及综合管控单元114连接，用以对空间站的运行数据进行监测，并将监测数据传输给所连接的各部件；网络节点虚拟单元112与交换单元113通信连接，用以根据需求生成或消除虚拟网络节点；交换单元113连接网络节点虚拟单元112及空间站中的物理机，用以完成虚拟网络节点与空间站中的物理机之间的数据交换。

本实施例中，空间站试验平台控制器100提供了虚拟化功能扩展，可根据具体试验需求等效虚拟出空间网络节点和链路，以配合真实的节点、链路及空间环境开展试验验证。并通过网络及空间环境监测单元111实现试验数据的在轨监测能力，为集成演示的高效开展及试验过程的可测可控提供必要支持。

软件无线电模块120能够生成与射频子通道相对应的多个软件的无线电子系统，每个无线电子系统包括基带处理单元121、链路模拟单元122及模数转换单元123，其中：基带处理单元121，用以对输入的数据或输出的基带信号进行处理；链路模拟单元122与基带处理单元121和模数转换单元123连接，用于信号的传输；模数转换单元123，用于对传输的模拟信号进行转换，得到相对应的数字信号。

而本实施例中，设备模块中包含有射频信道切换单元131，空间站试验平台控制器100能够控制所述射频信道切换单元131进行射频子通道的切换，从而变换与外部飞行装置、系统的通信。

本实施例的空间站试验平台控制器100与空间站平台中其他硬件装置及外部飞行系统之间的连接、互动关系如图3所示。空间站试验平台整体包含两大部分，一部分为空间站应用及试验系统部分，另一部分为空间站平台系统部分。空间站应用及试验系统部分硬件包括高性能计算单元、大容量存储单元、及空间试验平台控制器。

空间站试验平台控制器100通过可重构的SDN(Software Defined Network,软件定义网络)连接空间站中的各试验载荷，如图3中所示，载荷1，载荷2，载荷3，……，载荷n。也同样通过所述可重构的软件敌营网络连接空间站硬件设备，包括高性能计算单元及大容量存储单元等。如前所介绍的，空间站试验平台控制器100通过射频模块130及软件无线电模块120形成射频综合通道，用以连接外部的飞行设备，包括通信卫星、伴飞小卫星以及其他飞行器。其通过空间站试验平台控制器100对空间站试验载荷业务数据、星间/星地传输通道、计算及存储资源的集中管控、灵活切换和动态分配。

另外，需要说明的是，本实施例中空间站试验平台控制器100设置有载荷/通道统一扩展接口，可连接新的试验载荷或传输通道，以提供集成演示所需新的业务能力或者互联能力。对于空间站试验平台控制器100与空间站平台系统之间的连接，通过空间站平台系统内部的大带宽平台网络实现。所述大带宽平台网络为空间站平台系统内部自身连接空间站平台仪器设备及各通信通道之间的网络系统。具体的，参见图3，空间站实验平台控制器通过所述大带宽平台网络连接空间站平台系统自身的通信通道，包括图3中所示的通道1，通道2，通道3，……，通道k，这些通道是空间站平台系统本身与外部系统之间的通信通道，如中继卫星、导航卫星、货运/载人飞船以及地面站等。

具体的，本实施例中，提出了基于软件定义的空间试验平台可重构设计方案，控制平面基于网络操作系统的思路构建，对外的接口体现为通过内核的网络连接。在虚拟化条件下，控制平面控制对应的数据平面，并通过数据平面交互控制包，因此这两部分的连接关系以及虚拟化接口需要进行动态调整和映射。其采用模块化的思想完成管控服务器的网络内核层的设计，设计的空间站试验平台控制部分的基础结构分为四个部分：设备层、抽象层、核心模块层以及应用层。

1)设备层。设备层包括各个服务器上的Hypervisor、转发设备上的SDN代理以及其他如磁盘阵列的控制系统等。这些都是空间站各种基础设备上的控制末端，它们一方面接收上层控制系统下发的指令，对所在设备进行管理和操作，另一方面即时对操作结果和设备的运行状态进行反馈。不同的设备可能采用不同的技术实现，即虚拟机可能采用不同种类的Hypervisor，转发设备也可能使用不同的SDN实现协议。

2)抽象层。为了使核心模块与不同空间网络试验开发不受底层技术的限制，在设备层之上，我们设计了抽象层，对不同的实现技术进行抽象，提供统一的管理控制接口。具体来说，就是将资源控制功能归纳抽象为几种具体的操作，上层可以通过这些操作进行控制程序的编写，而抽象层则要根据底层设备的类型，将操作转化为具体的命令进行下发。比如对于虚拟机计算资源的控制，抽象层会提供启动虚拟机的操作，上层可以通过这个接口对虚拟机进行管理，无需考虑底层设备的类型，而在抽象层，则要根据底层服务器上的Hypervisor类型，将启动请求转化为相应的命令下发到Hypervisor上执行。抽象层本身也采用模块化设计，上层是API(Application Programming Interface，应用程序编程接口)，定义底层设备所能提供的管理控制接口；中层是指令分析，确定设备的类型，然后对API调用的参数进行分析，判断底层设备是否支持该功能，如果支持，发送到下层进行处理；下层是各种底层技术的接口库，负责将中层传递过来的数据按照各自技术规范转化为命令。通过抽象层，上层的应用可以不考虑底层设备的实现，能够大幅降低空间网络试验实现复杂度，同时这种结构也有利于空间站试验新技术的扩展。

3)核心模块层。核心模块层同样采用模块化设计，提供控制系统的基础服务，包括：对控制系统资源的管理，如线程、事件队列管理等；对物理资源的基础管理，如虚拟机管理、链路发现、拓扑管理(路由计算)、存储管理等；对虚拟化的支持，如虚拟网管理等；对信息的汇总及处理，如数据库管理、信息统计、身份认证等；对上层应用的支持，如网页界面、协调中心接口等。这些基础服务通过调用抽象层提供的API来实现，同时提供北向接口，以便应用层进行利用。

4)应用层。利用核心模块层提供的北向接口，试验用户能够实现不同的策略管理、应用服务模块，例如MAC地址学习、最短路径路由、虚拟机迁移、负载均衡、存储备份等对空间进行管理和利用，基于这些基础服务，构建满足特定要求的空间信息网络控制系统。

还需要指出的是，在其中一个实施例中，为了实现计算与网络资源信息的整合，数据库并不按照计算、网络等特定资源类别进行存储，而是按照虚拟机管理、拓扑管理、通信状态记录等不同业务需求进行消息存储。如虚拟机的记录涉及虚拟机的名称、所在主机名称、虚拟机运行状态等计算资源信息以及虚拟机所在虚拟网、虚拟机IP、主机IP、网关地址等网络资源信息；拓扑管理中除了转发设备，也要对各个主机和虚拟机进行记录等，这样可以便于同时对计算资源和网络资源进行信息获取和处理，而不需要进行多次查询。

另外，在空间站数据上注方面，在其中一个实施例中，从信息结构设计、信道编码结构设计、传输帧结构设计三个层面，进行高效的数据上注设计。具体的，在信息结构层面，进行短包设计，在误码率一定的情况下降低误包率；在信道编码结构方面，针对信息结构进行设计保护，以匹配信息的结构特点，尤其是设计短码长高增益的编码；在传输帧结构方面，跨层考虑从应用层到链路层的多层结构特点，分析其多层封装的开销，进行统一封装而降低重复封装的开销；在整体的传输可靠性保障方面，设计可同时检错纠删的应用层编码技术，利用前向纠删纠错及1bit的重传确认机制，以降低反馈重传的需求，提升整体的上注效率。

应该注意的是，如上所述的本公开的各种实施例通常在一定程度上涉及输入数据的处理和输出数据的生成。此输入数据处理和输出数据生成可在硬件或者与硬件结合的软件中实现。例如，可在移动装置或者相似或相关的电路中采用特定电子组件以用于实现与如上所述本公开的各种实施例关联的功能。另选地，依据所存储的指令来操作的一个或更多个处理器可实现与如上所述本公开的各种实施例关联的功能。如果是这样，则这些指令可被存储在一个或更多个非暂时性处理器可读介质上，这是在本公开的范围内。处理器可读介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光学数据存储装置。另外，用于实现本公开的功能计算机程序、指令和指令段可由本公开所属领域的程序员容易地解释。

且以上实施例中各功能模块在不冲突的情况下可以相互组合构成新的方案，其也在本发明保护范围内。

尽管已参照本公开的各种实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (10)

1.一种空间站试验平台控制器，适用于连接并控制空间站试验所需硬件设备，其特征在于，与综合管控模块、软件定义无线电模块及射频模块相互作用，构成空间试验平台，其中：

所述射频模块与安装在空间站舱外进行信号收发的天线连接，且包含两种以上射频子通道；

所述软件定义无线电模块与所述射频模块连接，用以生成无线电子系统，通过所述射频模块向外发送数据或者接收外界传输的数据，并对向外发送的数据及从外界接收到的数据进行处理；

所述综合管控模块与所述无线电模块及所述射频模块连接，用以控制和配置软件定义无线电模块生成或消除无线电子系统，还用以控制所述射频模块与所述天线之间的连通。

2.如权利要求1所述的空间站试验平台控制器，其特征在于，所述射频模块与空间站舱外安装的两个以上天线连接；且

所述综合管控模块控制所述射频模块与一个或者两个以上天线连通。

3.如权利要求1所述的空间站试验平台控制器，其特征在于，所述综合管控模块包括网络及空间环境监测单元、网络节点虚拟单元、交换单元及综合管控单元，其中：

所述综合管控单元与所述网络及空间环境监测单元、所述网络节点虚拟单元及所述交换单元连接，用以控制所连接各单元的工作；

所述网络及空间环境监测单元与所述软件定义无线电模块、所述射频模块、所述网络节点虚拟单元、所述交换单元及所述综合管控单元连接，用以对空间站的运行数据进行监测，并将监测数据传输给所连接的各部件；

所述网络节点虚拟单元与所述交换单元通信连接，用以根据需求生成或消除虚拟网络节点；

所述交换单元连接所述网络节点虚拟单元及空间站中的物理机，用以完成虚拟网络节点与空间站中的物理机之间的数据交换。

4.如权利要求1所述的空间站试验平台控制器，其特征在于，所述软件定义无线电模块中无线电子系统的数量与射频子通道的数量相同。

5.如权利要求1所述的空间站试验平台控制器，其特征在于，所述无线电子系统包括基带处理单元、链路模拟单元及模数转换单元，其中：

所述基带处理单元，用以对输入的数据或输出的基带信号进行处理；

所述链路模拟单元与所述基带处理单元和所述模数转换单元连接，用于信号的传输；

所述模数转换单元，用于对传输的模拟信号进行转换，得到相对应的数字信号。

6.一种空间站试验平台，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的空间站试验平台控制器及天线；所述空间站试验平台控制器设置在空间站舱内；所述天线设置在所述空间站舱外。

7.如权利要求6所述的空间站试验平台，其特征在于，所述天线包括固定天线和移动天线；且所述固定天线包括多模导航卫星接收天线和对地无线电波天线；所述移动天线包括对地光学天线、对空无线电波天线。

8.如权利要求7所述的空间站试验平台，其特征在于，还包括装载所述移动天线的跟踪指向系统；且所述跟踪指向系统能够根据从所述空间站试验平台控制器接收到的控制指令控制所述移动天线的指向。

9.如权利要求6所述的空间站试验平台，其特征在于，所述空间站试验平台控制器通过可重构的软件定义网络连接并控制试验载荷及空间站硬件设备。

10.如权利要求6至9任一项所述的空间站试验平台，其特征在于，还包括与所述空间站试验平台控制器连接的数据库；且所述数据库按照业务种类进行数据的分类存储；所述业务种类包括虚拟机管理、拓扑管理机通信状态记录。