CN107566029A

CN107566029A - 空间网络按需接入系统架构

Info

Publication number: CN107566029A
Application number: CN201710750770.1A
Authority: CN
Inventors: 汤辉; 袁田; 徐会忠
Original assignee: Southwest Electronic Technology Institute No 10 Institute of Cetc
Current assignee: Southwest Electronic Technology Institute No 10 Institute of Cetc
Priority date: 2017-08-28
Filing date: 2017-08-28
Publication date: 2018-01-09
Anticipated expiration: 2037-08-28
Also published as: CN107566029B

Abstract

本发明提出了一种空间网络按需接入系统架构，利用本发明可以解决传统接入系统信号捕获速度慢、硬件扩展性差、软件间耦合性强的缺点。本发明通过下述技术方案予以实现：多波束形成器根据主监控计算机下发的方位信息，对输入的阵列信号进行波束形成，通过卫星轨道信息得到多普勒的先验信息，将输出的多普勒信息进行空间滤波后的数字信号组成TCP/IP数据包传输给TCP/IP路由交换单元，转发给指定的接收机单元；接收机单元将UDP数据包结合主监控计算机下发的多普勒信息进行解帧、同步、解调和译码，并转发给从监控计算机的帧格式器，将TCP/IP数据包中的数据提取出来，组帧后传递给系统管理与调度单元分发给提出任务申请的终端用户。

Description

空间网络按需接入系统架构

技术领域

本发明涉及一种以跟踪与数据中继卫星、宽带通信卫星为核心构建空间高速骨干网络，以遥感信息获取、气象环境监测等专用卫星系统构成空间信息接入网络架构，是关于卫星通信领域，利用同步轨道卫星作为转发器，使任意位置的飞行器都可以与地面固定位置的终端用户进行通信的地面设备架构。

技术背景

目前基于无线通信网和移动定位技术为代表的位置服务应用越来越受到业界的关注和重视成为当前信息化竞争的热点。空间位置服务种类繁多，基于某一项单一的技术提供的基于空间位置的信息服务并不能真正地满足用户的需要。服务和应用是整个空间位置服务平台的基础，空间位置服务平台系统需要有良好的可靠性和扩展性。空间位置服务平台通常由多层次的逻辑模块组成，主要数据包括：接入模块、业务逻辑模块、服务模块、数据管理模块、位置获取模块。接入模块处理和外部系统的接口，提供各种移动终端的信息交换网关接口，业务逻辑模块主要实现空间位置服务平台的各种功能和综合位置应用查询，业务逻辑功能数据包括定位应用服务简单的数据维护和系统管理，系统的接入模块和业务逻辑模块一起构成了空间位置服务平台的应用系统部分，服务模块提供对应用系统的支撑空间数据引擎用来管理空间数据。空间接入网的接入互联协议是面向异构网络交互的数据通信网。异构系统间，低轨用户卫星可以借助中高轨骨干卫星的通信链路转发业务数据或完成工程测控。信息传输协议栈采用通用化的链路通信协议，与骨干星座链路互联互通，完成信息在不同链路或系统中的帧格式转换，并通过具体协议设计提高网络寻址和链路成帧效率，兼容地面网络的星地一体化路由，完成面向信息转发的数据通信任务。典型的宽带网络分为接入层、汇聚层、核心层3层结构，宽带接入网络涉及了其中的接入层和汇聚层。接入层为不同用户提供各种接入手段，汇聚层对接入层业务流汇聚，城域网核心层保证快速转发。

由部署在不同轨道、执行不同任务的多种类型的卫星、临近空间飞行器及相应地面系统和终端连接起来，并与传统地面有线和无线网络相融合的空天地一体化网络简称空间网络。空间网络能够实现快速智能的信息获取、传输、处理、分发和应用。然而，空间信息网是一个稀疏网络，卫星节点之间空间距离大，信息传输时延超出了传统网络传输控制协议的适应范围，星地网络的上下行链路传输带宽不对称，不同的卫星应用系统中星间网络具有异构特性，需要针对大时间/空间尺度、异质异构、链路不对称等特点，设计天地一体化网络协议，实现星地网络、近地空间、行星际网络的组网和互联。空间网络的复杂性、异构性、信道开放性等特点对空间组网带来了巨大的挑战。如何设计满足空间网络应用要求和特点的解决方案是空间网络中的基本问题，也是当前该领域的研究热点之一。

中继卫星系统作为空间信息传输的枢纽和高效的天基测控通信设施，在空间探索事业中具有不可替代的地位和作用。未来将会发射多颗中继卫星，逐步构建高性能，如高传输速率和100％轨道覆盖等的中继卫星组网系统。

目前，中继卫星向空间飞行器提供了一种按需接入数据访问服务系统DAS，DAS这种服务的优越性在于：理想情况下，1)用户不需要提前很多天就提出计划申请；2)中继卫星运行控制系统对用户申请作出实时响应；3)用户服务之间不存在相互竞争。但是，由于地面终端站波束形成和解调设备的限制，每颗中继卫星可以提供的服务用户数和运行时间总是有限的。一般的中继卫星系统提供的按需接入服务的系统架构包含图4所示的：多波束形成器：将前端的相控阵天线接收到的多个阵元的信号进行加权和，形成具有指向性的波束，即进行空间滤波。一般可以分为模拟波束形成和数字波束形成，随着数字芯片的发展，数字波束形成具有指向精确、成本低廉和扩展性好的优点，因此数字多波束形成器已经得到的广泛的使用。

解调器：将波束形成器输出的数字波束信号进行同步、解调、译码和帧同步，完成信号级和信息级的处理。

路由与数据库管理：负责将帧同步后的数据根据任务进行分发，最终传输给申请任务的用户，同时将链路对应的状态信息和执行信息以日志形式存入数据库。

目前国内外文献中对按需接入的研究主要集中在用户分类、典型工作场景和应用模式等总体研究中，对实际的硬件架构和性能指标的研究并不多见，造成了多数方案其实在硬件成本和性能指标的不可控。如：

1、对于低轨飞行器而言，近地速度往往达到几公里到十几公里每秒，较大的相对移动速度导致引入的多普勒非常大，造成结果是：一、运算资源较少时，信号的接入时间非常长，不利于用户体验和多用户的调度，在同步卫星越区切换时中断时间也非常长；二、为了让信号接入时间短，需要大量的运算资源进行并行操作，不利于接收机的单元化和芯片化，进一步造成成本的增加。

2、以光纤交换矩阵或单刀多掷开关构成的数据通路以物理器件为交换基础，不仅成本高昂，且占用体积大，在处理能力日益提升的环境下，通道扩展困难。

3、解调器同时完成信号级和信息级的处理，但是信息级的处理根据用户的不同、任务的不同，差异性较大，往往需要动态配置或者软件重构。在这种条件下，数字芯片的在重构性上的劣势就被凸显出来，不具备软件定义一切的特性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种信号接入时间短，硬件扩展强、能够适应目标和任务的多变性的空间网络按需接入系统架构。

发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种空间网络按需接入系统架构，具有包含监控计算机的主监控计算机和从监控计算机，相连多波束形成器、以太网、主监控计算机和从监控计算机的TCP/IP路由交换单元，其特征在于：多波束形成器对准终端用户飞行器，根据主监控计算机下发的方位信息，对输入的阵列信号进行波束形成，通过卫星轨道信息得到多普勒的先验信息，将输出的多普勒信息进行空间滤波后的数字信号组成TCP/IP数据包传输给TCP/IP路由交换单元；TCP/IP路由交换单元根据主监控计算机指定的IP地址将TCP/IP数据包转发给指定的接收机单元；接收机单元将UDP数据包结合主监控计算机下发的多普勒信息进行解帧、同步、解调和译码，并将译码后的0、1比特流组TCP/IP数据包转发给从监控计算机的帧格式器；帧格式器配置帧同步软件将TCP/IP数据包中的数据提取出来，根据从监控计算机传递的终端用户飞行器链路同步头信息进行边界搜索，并重新进行加密和组帧后通过以太网网络传递给系统管理与调度单元；系统管理与调度单元接收到信息后分发给提出任务申请的终端用户。

本发明相比于现有技术具有如下效果：

1、信号接入时间短。本发明采用多波束形成器对准用户飞行器，根据主监控计算机下发的方位信息，对输入的阵列信号进行波束形成，通过卫星轨道信息得到多普勒的先验信息，将输出的多普勒信息进行空间滤波后的数字信号组成TCP/IP数据包传输给路由交换单元，达到资源高效利用；通过轨道信息得到多普勒的先验信息加快了信号捕获跟踪的速度；解决了传统接入系统信号捕获速度慢、硬件扩展性差、软件间耦合性强的问题。

2、硬件扩展强。本发明路由交换单元根据主监控计算机指定的IP地址将TCP/IP数据包转发给指定的接收机单元；接收机单元将UDP数据包结合主监控计算机下发的多普勒信息进行解帧、同步、解调和译码，并将译码后的0、1比特流组TCP/IP数据包转发给从监控计算机的帧格式器；帧格式器将TCP/IP数据包中的数据提取出来，根据从监控计算机传递的用户飞行器链路同步头信息进行边界搜索，并重新进行加密和组帧后通过以太网网络传递给系统管理与调度单元；利用以太网进行数据的分发，便于通道和处理能力的扩展。克服了现有技术以光纤交换矩阵或单刀多掷开关构成的数据通路，成本高昂，占用体积大，通道扩展困难缺陷。

3、软件配置的帧格式器将TCP/IP数据包中的数据提取出来，根据从监控计算机传递的用户飞行器链路同步头信息进行边界搜索，并重新进行加密和组帧后通过以太网网络传递给系统管理与调度单元；软件配置的帧格式器可以适应目标和任务的多变性。

本发明路由交换单元根据主监控计算机指定的IP地址将TCP/IP数据包转发给指定的接收机单元；接收机单元将UDP数据包结合主监控计算机下发的多普勒信息进行解帧、同步、解调和译码，并将译码后的0、1比特流组TCP/IP数据包转发给从监控计算机的帧格式器；既保证了切换中控制消息的安全性，又有效地减少了安全机制的引入所产生的切换延迟，保持了稳定的网络吞吐量。能够按需接入系统，并在不同系统间无缝切换，传送高速多媒体业务数据。用户能够通过网络按需获取资源，它将按需提供的自助管理虚拟基础架构汇集成高效池，以服务的形式提供给终端用户。

本发明适用于星座组网和星间信息转发的传输控制协议、动态路由协议、接入和管理协议等核心软件。

附图说明

图1是本发明空间网络按需接入系统架构原理示意图。

图2是是图1的多波束形成器与接收机之间数据交换原理示意图。

图3是图1并行接收机单元信息处理示意图。

图4是现有技术接入系统架构的原理示意图。

下面结合附图和实施例对发明进一步说明。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，一种空间网络按需接入系统架构，具有包含监控计算机的主监控计算机和从监控计算机，相连多波束形成器、以太网、主监控计算机和从监控计算机的TCP/IP路由交换单元，多波束形成器对准终端用户飞行器，根据主监控计算机下发的方位信息，对输入的阵列信号进行波束形成，通过卫星轨道信息得到多普勒的先验信息，将输出的多普勒信息进行空间滤波后的数字信号组成TCP/IP数据包传输给TCP/IP路由交换单元；TCP/IP路由交换单元根据主监控计算机指定的IP地址将TCP/IP数据包转发给指定的接收机单元；接收机单元将UDP数据包结合主监控计算机下发的多普勒信息进行解帧、同步、解调和译码，并将译码后的0、1比特流组TCP/IP数据包转发给从监控计算机的帧格式器；帧格式器配置帧同步软件将TCP/IP数据包中的数据提取出来，根据从监控计算机传递的终端用户飞行器链路同步头信息进行边界搜索，并重新进行加密和组帧后通过以太网网络传递给系统管理与调度单元；系统管理与调度单元接收到信息后分发给提出任务申请的终端用户。

从监控计算机数据包括帧格式器和从监控计算机计算机，帧格式器搜索、鉴别用户平台发送的同步头信息并进一步封装/加密传输给用户终端。从监控计算机将目标/任务对应的帧同步信息发送给帧同步软件，帧同步软件将依据目标的帧同步比特，将从接收机收到的比特流进行逐比特滑动对比判决。当发现了比特流的边界位置后，再进行加密和协议封装，利用以太网传输给管理与调度中心，作为解帧、组帧的直接控制单元，从监控计算机器还需要根据目前的任务和资源进行控制和调度，给每一个帧格式器配置对应IP地址，使得接收机输出的TCP/IP数据包可以发往指定的帧格式器。

每个地面站配置了一个主监控系统，主监控系统包括了内置数据库的主监控计算机和可以利用远程连接直接访问主监控计算机浏览器界面的管理中心，管理中心进行当前任务的申请、查询和准实时的状态读取；主监控计算机接收存储中继星和目标用户飞行器的轨道信息，并在执行任务时将任务时刻的轨道信息解析为波束指向信息送给多波束形成器，这些轨道信息是在主监控计算机的数据库中进行存储和更新的。

主监控计算机需要通过计算中继星和飞行器的轨道信息，将中继星和飞行器在任务时刻发生的相对运动换算成多普勒信息，通过数据库发送给从监控系统的从监控计算机进行记录，同时通过TCP/IP路由交换单元发送给接收机协同捕获处理。

主监控计算机需要通过计算中继星和飞行器的轨道信息，将中继星和飞行器在任务时刻发生的相对运动换算成多普勒信息，通过数据库发送给从监控系统进行记录，同时通过TCP/IP路由交换单元发送给接收机协同捕获处理。

由于多个用户可能同时工作，所以考虑数据分发和吞吐量的问题，从监控计算机根据接收到的监控状态信息，抽取其中关键活动的监控状态信息进行存储或上报给终端用户，状态信息的上报采样轮询方式上报给终端用户。对于每个终端用户而言，可能隔间几秒收到一次状态信息。

管理与调度：终端用户将申请信息发送给管理与调度设备，对申请信息进行处理，数据包括申请资源分析、资源调度、前返向链路参数自动配置等。可支持功能子网间接管理。

终端用户向系统管理与调度单元提出任务申请，经系统管理与调度单元核准后通知主监控计算机配置资源和参数；多波束形成器根据主监控计算机下发的方位信息进行波束形成，对准终端用户飞行器，将空间滤波后输出的数字信号组成TCP/IP数据包传输给TCP/IP路由交换单元；TCP/IP路由交换单元根据主监控计算机指定的IP地址将TCP/IP数据包转发给指定的接收机单元；接收机单元将UDP数据包结合主监控计算机下发的多普勒信息进行解帧、同步、解调和译码，并将译码后的0、1比特流组TCP/IP数据包转发给从监控计算机的帧格式器；帧格式器将TCP/IP数据包中的数据提取出来，根据从监控计算机传递的用户飞行器链路同步头信息进行边界搜索，并重新进行加密和组帧后通过网络传递给系统管理与调度单元；系统管理与调度单元接收到信息后分发给提出任务申请的终端用户。

参阅图2。由于用户航天器目标的方向一般可以由轨道预报获得，对于波束形成而言就具备了目标方向的先验信息，应用对应的权值就可以完成目标的跟踪。由于信号带宽并不大，所以一个波束的数据量大约为200Mbps。波束形成器根据任务需求分别跟踪不同的用户平台，将接收到的N个阵元的阵列信号形成不同的频率解复用波束，合成后的N个波束结果通过对应的AD模数转换器一封装成数字信号UDP数据包，传输给由收机1、收机2…收机N组成的接收机处理资源池中指定的接收机。

当接收机的处理已经单元化、模块化后，空间网络按需接入系统可以预备足够的接收机单元/模块对每个目标进行单独跟踪。这样，一个接收机就可以独立处理一个终端用户的需求。当两个目标处于一个波束的照射下，或者存在多飞行器编队飞行的任务时，单波束的数据可以根据需要分发给不同的接收机进行多目标独立处理。如此，采样TCP/IP组数据包的形式通过路由交换分发到各个接收机进行处理，使得整个系统处理系统数字化、网络化，消除了所有的射频连接。

参阅图3。在收机1单元、收机2单元…收机单元N组成的并行接收机单元中，每个接收机根据任务分配的扩频码对目标进行识别，完成信号的同步捕获、跟踪、解调及译码和协议处理。收机1单元、收机2单元…收机单元N对于波束形成器波束合成后的数据按需接入系统，采用FPGA识别收到波束形成器发送过来的数字信号，根据主监控计算机传输过来的目标多普勒信息对数据进行多普勒补偿，然后根据先验的扩频码信息进行码片级搜索完成时间同步，从而进一步完成解调和译码的信号处理。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本发明中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书实施例的内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种空间网络按需接入系统架构，具有包含监控计算机的主监控计算机和从监控计算机，相连多波束形成器、以太网、主监控计算机和从监控计算机的TCP/IP路由交换单元，其特征在于：多波束形成器对准终端用户飞行器，根据主监控计算机下发的方位信息，对输入的阵列信号进行波束形成，通过卫星轨道信息得到多普勒的先验信息，将输出的多普勒信息进行空间滤波后的数字信号组成TCP/IP数据包传输给TCP/IP路由交换单元；TCP/IP路由交换单元根据主监控计算机指定的IP地址将TCP/IP数据包转发给指定的接收机单元；接收机单元将UDP数据包结合主监控计算机下发的多普勒信息进行解帧、同步、解调和译码，并将译码后的0、1比特流组TCP/IP数据包转发给从监控计算机的帧格式器；帧格式器配置帧同步软件将TCP/IP数据包中的数据提取出来，根据从监控计算机传递的终端用户飞行器链路同步头信息进行边界搜索，并重新进行加密和组帧后通过以太网网络传递给系统管理与调度单元；系统管理与调度单元接收到信息后分发给提出任务申请的终端用户。

2.如权利要求1所述的空间网络按需接入系统架构，其特征在于：每个地面站配置了一个主监控系统，主监控系统包括了内置数据库的主监控计算机和可以利用远程连接直接访问主监控计算机浏览器界面的管理中心，管理中心进行当前任务的申请、查询和准实时的状态读取；主监控计算机接收存储中继星和目标用户飞行器的轨道信息，并在执行任务时将任务时刻的轨道信息解析为波束指向信息送给多波束形成器，且轨道信息是在主监控计算机的数据库中进行存储和更新的。

3.如权利要求1所述的空间网络按需接入系统架构，其特征在于：主监控计算机需要通过计算中继星和飞行器的轨道信息，将中继星和飞行器在任务时刻发生的相对运动换算成多普勒信息，通过数据库发送给从监控系统的从监控计算机进行记录，同时通过TCP/IP路由交换单元发送给接收机协同捕获处理。

4.如权利要求1所述的空间网络按需接入系统架构，其特征在于：从监控计算机根据接收到的监控状态信息，抽取其中关键活动的监控状态信息进行存储或上报给终端用户，状态信息的上报采样轮询方式上报给终端用户。

5.如权利要求1所述的空间网络按需接入系统架构，其特征在于：终端用户向系统管理与调度单元提出任务申请，经系统管理与调度单元核准后通知主监控计算机配置资源和参数；多波束形成器根据主监控计算机下发的方位信息进行波束形成，对准终端用户飞行器，将空间滤波后输出的数字信号组成TCP/IP数据包传输给TCP/IP路由交换单元。

6.如权利要求1所述的空间网络按需接入系统架构，其特征在于：TCP/IP路由交换单元根据主监控计算机指定的IP地址将TCP/IP数据包转发给指定的接收机单元；接收机单元将UDP数据包结合主监控计算机下发的多普勒信息进行解帧、同步、解调和译码，并将译码后的0、1比特流组TCP/IP数据包转发给从监控计算机的帧格式器。

7.如权利要求1所述的空间网络按需接入系统架构，其特征在于：帧格式器将TCP/IP数据包中的数据提取出来，根据从监控计算机传递的用户飞行器链路同步头信息进行边界搜索，并重新进行加密和组帧后通过网络传递给系统管理与调度单元；系统管理与调度单元接收到信息后分发给提出任务申请的终端用户。

8.如权利要求1所述的空间网络按需接入系统架构，其特征在于：波束形成器根据任务需求分别跟踪不同的用户平台，将接收到的N个阵元的阵列信号形成不同的频率解复用波束，合成后的N个波束结果通过对应的AD模数转换器一封装成数字信号UDP数据包，传输给由收机1、收机2…收机N组成的接收机处理资源池中指定的接收机。

9.如权利要求1所述的空间网络按需接入系统架构，其特征在于：当接收机的处理已经单元化、模块化后，空间网络按需接入系统预备足够的接收机单元/模块对每个目标进行单独跟踪，一个接收机独立处理一个终端用户的需求；当两个目标处于一个波束的照射下，或者存在多飞行器编队飞行的任务时，单波束的数据根据需要分发给不同的接收机进行多目标独立处理。

10.如权利要求1所述的空间网络按需接入系统架构，其特征在于：在收机1单元、收机2单元…收机单元N组成的并行接收机单元中，每个接收机根据任务分配的扩频码对目标进行识别，完成信号的同步捕获、跟踪、解调及译码和协议处理；采用FPGA识别收到波束形成器发送过来的数字信号，根据主监控计算机传输过来的目标多普勒信息对数据进行多普勒补偿，然后根据先验的扩频码信息进行码片级搜索完成时间同步，从而进一步完成解调和译码的信号处理。