CN106788674A - 一种用于小卫星的数据广播分发单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于小卫星的数据广播分发单元，包括电源模块、基带处理模块、加密模块和射频模块。本发明采用了一体化、集成化、小型化的设计思想，满足了小卫星平台对载荷体积小、重量轻、功耗低的切实需求。

Description

一种用于小卫星的数据广播分发单元

技术领域

本发明涉及一种数据广播分发单元，特别是基于小卫星平台对重量、体积和功耗的限制下，对星上数据进行实时高效、大范围的广播分发。

背景技术

星上载荷数据的对地传输，在实现卫星在轨功能的环节中，具有非常重要的作用。在卫星载荷数据的接收与应用方面，一直沿用传统的路径方式，即通过卫星数传分系统对地传输，或中继星接收卫星数传数据并对地转发的手段，将载荷数据传输至地面站，经地面站处理再转发给用户终端。这种传统的信息链，由于星地、地地传输过程复杂，信息保障环节多，延迟大，实时覆盖范围窄，所以会降低星上载荷数据的实时性和有效性，战时环节若被摧毁，就会造成信息链断裂，造成巨大损失。另一方面，当有效数据率低时，由于对地数据传输手段单一，不得不依旧采用数传分系统传输，浪费整星能源。在紧急情况下，急需一种有别于传统路径的数据下传方式，更高效的为用户提供实时卫星数据。

小卫星具有低轨、轻便、机动、功耗小、成本低、研制周期短的特点，载荷数据对实时性和有效性有很高的要求。小卫星数据广播分发单元，具有体积小、重量轻、功耗低的特点。当用户需要高效传输低码速率信息时，可直接利用小卫星广播分发单元来从星上对用户终端进行数据广播，绕过了繁琐的星地、地地传输路径，以最高效的方式来实现信息传输。同时星上对地广播分发，采用单点广播多点接收的方式。使得每个用户终端，可同步接收数据。避开了传统卫星地面站接收并点对点逐个转发的环节，可大幅提升卫星数据的战术应用效力。具备实时广播分发密钥的功能，使得数据接收具有更高的安全性、保密性。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服了面向多用户直接高效传输低码率信息时，传统路径带来的误差和延迟，提供一种用于小卫星数据广播分发单元，采用了一体化、集成化、小型化的设计思想，满足了小卫星平台对载荷体积小、重量轻、功耗低的切实需求。

本发明的技术解决方案是：一种用于小卫星的数据广播分发单元，包括电源模块、基带处理模块、加密模块和射频模块；

电源模块通过将一次电源转换到二次电源，为基带模块、对加密模块、射频模块、提供+12V、-12V、+5V的供电，通过各功能模块内部的低压差稳压电路为各模块电路提供电源；

基带处理模块通过对载荷数据的缓存、组帧，将处理后的载荷明文数据发送至加密模块，接收加密模块送来的密文数据，根据明密切换指令，在编码单元内对明文数据或密文数据进行编码、加扰和扩频处理，IQ分路后送至射频模块；

基带处理模块中的接口下位机，由单片机和CAN总线接口组成，负责接收执行整星遥控间接指令，负责遥测数据采集并通过CAN总线上报遥测参数；

加密模块对基带处理模块送来的载荷数据进行加密，加密后，将密文数据传送回基带模块编码单元完成数据编码、加扰和扩频处理；同时，加密模块根据上注的密钥管理帧执行相应的在线密钥操作；

射频模块接收基带处理模块送来的IQ分路数据，进行QPSK调制、滤波、功率放大后，将产生的射频信号送至天线；同时射频模块为基带处理模块和加密模块提供时钟。

所述加密模块采用无备份设计，包括加密FPGA、配置芯片、密钥存储器、随机数发生器以及时钟驱动电路；

加密FPGA、随机函数发生器、配置芯片，这三个模块通过协同工作，来实现数据加密的功能，它们通过接收基带送来的明文数据和时间广播信息，提取广播信息中的时间作为时间参考，调取相应密钥对有效数据进行加密，将加密后的密文数据发送给基带信号处理FPGA；同时加密FPGA和配置芯片也接收基带送来的上注密钥并完成密钥更新，或提取自身的预存密钥执行；

密钥存储器的功能是存储密钥，与加密FPGA进行数据通信，对密钥进行读写；

时钟驱动电路的功能是生成系统时钟，接收来自射频模块的一路56.07MHz时钟进行隔离、整形后作为系统时钟送入加密FPGA，作为加密时钟使用。

所述基带模块包括接口下位机、基带信号处理FPGA电路、配置管理FPGA电路、电源转换电路以及遥测采集电路；

接口下位机的功能是控制外围电路、遥测遥控通信、接收数据和广播；接口下位机接收并解析CAN总线送来的间接指令，并送出遥测；对载荷数据进行IQ码组初始相位配置后，同星上高精度广播时间秒值一同送给基带信号处理FPGA电路；

基带信号处理FPGA电路与配置管理FPGA电路的功能是：将接口下位机送来的载荷数据进行缓存并按照格式组帧、生成IQ扩频码进行信道编码并送至射频模块；

电源转换电路的功能是通过电源转换，为基带模块各电路提供电源；

遥测采集电路的功能是采集各模块工作状态遥测发送至下位机；接收下位机间接指令，对两个FPGA进行复位。

所述加密模块根据上注的密钥管理帧执行相应的在线密钥操作过程如下：

广播分发单元收到地面上注密钥后，将密钥存储并下发，再根据相关信息计算出所使用的组号，在单元密钥库中查询到此组号对应密钥，用此密钥进行加密，密钥下发方法是插入并替换一帧数据，以此实现广播分发单元根据地面指定的密钥加密，若无上注密钥，则广播分发单元可根据指令切换为自己的预存密钥，上述步骤中当存在泄密隐患时，通过星上指令，可对指定地面终端密码机进行销毁。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明减少了当传输低码速率信息时，数据的路径误差和延迟。通过星上广播单元直接对地面终端采取广播分发的形式，传送载荷数据，绕过了传统数据链中的诸多转发环节。

(2)本发明面向多用户直接采取星地高效广播，相比传统星地接收并点对点转发而言，范围更广、实时性更强。大幅提升卫星数据的战术应用效力。通过星上信号处理、加密和调制，经赋形广播天线对地大范围广播分发，在天线波束范围内的地面终端均可接收，对载荷数据的实时接收处理和传输，保证了实时性。

(3)本发明独特的星上实时密钥广播分发功能，使得接收数据更安全保密。通过考虑星地各种密钥的使用方法：地面密钥上注、星上密钥更新、密钥下发、对地终端销毁等手段，为数据传输提供了保护。

(4)本发明完成低码速率数据广播分发时，更节省小卫星能源。适合小卫星平台搭载。对实现数据下传的目的来说，广播分发单元的功耗至少是传统数传功耗的十分之一(15W相比于170W)。

附图说明

图1为本发明原理图；

图2为本发明中的加密模块原理图；

图3为本发明中的基带模块原理图。

具体实施方式

本发明采用成熟模块式结构形式，设备本体由四个子模块组成，本体尺寸为170mm×78mm×130mm。各子模块止口搭接，由4个M5螺杆将各子模块串接成一体，外表面黑色阳极化，安装面铝本色导电氧化，模块间用螺钉紧固成一体，可减小接触电阻，有利于良好屏蔽。为满足抗辐照要求，各零件的基本壁厚为1.5mm，设计中避免了尖锐角，回避应力集中，提高了零件强度。各子模块内部信号的联接主要采用J3C印制板电连接器进行联接。对外部低频、高频信号的联接靠安装于每个模块上的外引电连接器实现。战术分发单元安装由4个Φ4.5饵片固定安装，安装面平面度优于0.1mm/100mm，单机重量2.5kg。

如图1所示，电路由电源模块、基带处理模块、加密模块和射频模块等部分组成。

电源模块完成一次电源到二次电源的转换，为基带处理模块、加密模块提供+5V供电，为射频模块提供+12V、-12V、+5V供电。由各功能模块内部集成的低压差稳压电路为模块内部电路提供电源。

如图3所示，基带处理模块包含：接口下位机、基带信号处理FPGA电路、配置管理FPGA电路、电源转换电路以及遥测采集电路。主要使用的CPU、FPGA和PROM。基带处理模块完成载荷数据的缓存、组帧，将待加密数据送加密模块，接收加密模块送来的密数据，根据明密切换指令在编码单元内部选择处理明数据或密数据编码、加扰和扩频处理，送射频模块。该部分硬件电路相对固定，软件模块通用化设计，针对不同的载荷速率和帧格式要求稍作修改即可使用。接口下位机的功能是控制外围电路、遥测遥控通信、接收数据和广播。接口下位机接收并解析CAN总线送来的间接指令，并送出遥测。对载荷数据进行IQ码组初始相位配置后，同星上高精度广播时间秒值一同送给基带信号处理FPGA电路。由接口下位机完成与整星的遥测、遥控，完成遥测数据的采集并通过CAN总线上报遥测参数，接收并执行间接指令。接口下位机由80C32单片机系统实现，硬件组成包括CPU最小系统和外围通用CAN接口电路。主要功能：对外围电路初始化，执行内部处理任务、看门狗功能；将遥测数据通过CAN总线送出；接收及解析CAN总线间接指令；对IQ码组初始相位进行配置；接收星上高精度广播时间，截取秒值后经由基带信号处理FPGA送至加密模块。基带信号处理FPGA电路、配置管理FPGA电路、电源转换电路和遥测采集电路，接收载荷数据并缓存后，按照格式组帧；根据明密要求，将组帧后的数据进行明传和加密处理，利用下位机送来的IQ码组初始相位参数，生成的IQ扩频码，选择明文或密文数据进行信道编码分IQ扩频；将扩频后的两路数据经DAC和运放电路后发送至射频模块；同时利用A/D转换器采集各模块工作状态遥测发送至下位机。电源转换电路通过电源转换，为基带模块各电路提供电源。遥测采集电路采集各模块工作状态遥测发送至下位机。接收下位机间接指令，对两个FPGA进行复位。

加密模块对基带处理模块送来的载荷数据进行加密，加密后，将密文数据传送回基带模块编码单元完成数据编码、加扰和扩频处理。同时，加密模块根据上注的密钥管理帧执行相应的在线密钥操作。在线密钥操作的过程如下：广播分发单元收到地面上注密钥后，将密钥存储并下发。再根据相关信息计算出所使用的组号，在单元密钥库中查询到此组号对应密钥，用此密钥进行加密。密钥下发方法是插入并替换一帧数据，以此实现广播分发单元根据地面指定的密钥加密。若无上注密钥，则广播分发单元可根据指令切换为自己的预存密钥。上述步骤中当存在泄密隐患时，通过星上指令，可对指定地面终端密码机进行销毁。如图2所示，广播分发单元的加密模块采用无备份设计，由电源转换电路、加密FPGA、配置芯片、密钥存储器以及随机数发生器等电路组成，电路原理见附图3。加密模块接收基带信号处理FPGA发来的明文数据和时间广播信息，提取广播信息中的时间作为时间参考，调取相应密钥对有效数据进行加密，将加密后的密文数据发送给基带信号处理FPGA。密钥存储器用来存储密钥，它与加密FPGA进行数据通信，对密钥进行读写。加密模块接收信号处理FPGA发来的上注密钥完成密钥更新，或提取自身的预存密钥执行。同时向信号处理FPGA提供反映自身工作状态的信息供其采集。加密FPGA的软复位受信号处理FPGA控制。FPGA采用XQR2V3000，配置芯片选用1片PROM XQR17V16。考虑密钥上注和存储空间的要求，选择的密钥存储器为3D-plus公司MRAM 3DMR4M08VS4428。随机函数发生器选用经过型号飞行验证的成熟电路。加密模块使用单一+5V供电，电源转换电路设计与基带模块一致，同样选择MSK低压差稳压器进行+5V到+3.3V、+3.3V到+1.5V、+1.8V等电源转换。时钟驱动电路设计与基带模块一致，同样将来自射频模块的一路56.07MHz时钟进行隔离、整形后作为系统时钟使用。

射频模块完成载波信号生成，信号调制、滤波和功率放大，并为基带模块、加密模块提供时钟信号。射频模块接收基带处理模块送来的IQ分路数据，进行QPSK调制、滤波、功率放大后，将产生的射频信号送至天线。射频模块根据不同码率的信号、不同发射功率进行设计更改。

在基带处理模块、加密模块和射频模块中，广播分发单元按发送顺序对载荷数据进行组帧，通过填充帧保持下行链路的数据速率恒定。RS编码、交织：采用(255，223)编码方案，符号长度J＝8，纠错能力E＝16，交织深度I＝4，对偶基。除帧同步头外的数据进行加扰处理。对加扰后的二进制信息序列进行串并转换，分成I、Q两路信息速率减半的序列。将I、Q两路的数据码型转换由NRZ-L码转换成NRZ-S码。采用标准的卷积编码，特性参数为编码率r＝1/2bit/sym，约束长度k＝7bit，码类型非系统码，透明码，码生成矢量G1＝1111001，G2＝1011011,产生的符号C1直接、C2反相输出。根据预设的PN码序列对基带信号进行扩频调制。采用低通滤波器对IQ两路基带信号分别成型滤波。IQ两路基带信号分别与正交的载波相乘，完成QPSK调制，将产生的射频调制信号送至天线。

Claims (4)

1.一种用于小卫星的数据广播分发单元，其特征在于包括：电源模块、基带处理模块、加密模块和射频模块；

电源模块通过将一次电源转换到二次电源，为基带模块、对加密模块、射频模块、提供+12V、-12V、+5V的供电，通过各功能模块内部的低压差稳压电路为各模块电路提供电源；

基带处理模块通过对载荷数据的缓存、组帧，将处理后的载荷明文数据发送至加密模块，接收加密模块送来的密文数据，根据明密切换指令，在编码单元内对明文数据或密文数据进行编码、加扰和扩频处理，IQ分路后送至射频模块；

基带处理模块中的接口下位机，由单片机和CAN总线接口组成，负责接收执行整星遥控间接指令，负责遥测数据采集并通过CAN总线上报遥测参数；

加密模块对基带处理模块送来的载荷数据进行加密，加密后，将密文数据传送回基带模块编码单元完成数据编码、加扰和扩频处理；同时，加密模块根据上注的密钥管理帧执行相应的在线密钥操作；

射频模块接收基带处理模块送来的IQ分路数据，进行QPSK调制、滤波、功率放大后，将产生的射频信号送至天线；同时射频模块为基带处理模块和加密模块提供时钟。

2.根据权利要求1所述的用于小卫星的数据广播分发单元，其特征在于：所述加密模块采用无备份设计，包括加密FPGA、配置芯片、密钥存储器、随机数发生器以及时钟驱动电路；

加密FPGA、随机函数发生器、配置芯片，这三个模块通过协同工作，来实现数据加密的功能，它们通过接收基带送来的明文数据和时间广播信息，提取广播信息中的时间作为时间参考，调取相应密钥对有效数据进行加密，将加密后的密文数据发送给基带信号处理FPGA；同时加密FPGA和配置芯片也接收基带送来的上注密钥并完成密钥更新，或提取自身的预存密钥执行；

密钥存储器的功能是存储密钥，与加密FPGA进行数据通信，对密钥进行读写；

时钟驱动电路的功能是生成系统时钟，接收来自射频模块的一路56.07MHz时钟进行隔离、整形后作为系统时钟送入加密FPGA，作为加密时钟使用。

3.根据权利要求1所述的用于小卫星的数据广播分发单元，其特征在于：所述基带模块包括接口下位机、基带信号处理FPGA电路、配置管理FPGA电路、电源转换电路以及遥测采集电路；

接口下位机的功能是控制外围电路、遥测遥控通信、接收数据和广播；接口下位机接收并解析CAN总线送来的间接指令，并送出遥测；对载荷数据进行IQ码组初始相位配置后，同星上高精度广播时间秒值一同送给基带信号处理FPGA电路；

基带信号处理FPGA电路与配置管理FPGA电路的功能是：将接口下位机送来的载荷数据进行缓存并按照格式组帧、生成IQ扩频码进行信道编码并送至射频模块；

电源转换电路的功能是通过电源转换，为基带模块各电路提供电源；

遥测采集电路的功能是采集各模块工作状态遥测发送至下位机；接收下位机间接指令，对两个FPGA进行复位。

4.根据权利要求1所述的用于小卫星的数据广播分发单元，其特征在于：所述加密模块根据上注的密钥管理帧执行相应的在线密钥操作的过程如下：

广播分发单元收到地面上注密钥后，将密钥存储并下发，再根据相关信息计算出所使用的组号，在单元密钥库中查询到此组号对应密钥，用此密钥进行加密，密钥下发方法是插入并替换一帧数据，以此实现广播分发单元根据地面指定的密钥加密，若无上注密钥，则广播分发单元可根据指令切换为自己的预存密钥，上述步骤中当存在泄密隐患时，通过星上指令，可对指定地面终端密码机进行销毁。