CN107959526A - 应用于近地空间的天地基一体化测控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于近地空间的天地基一体化测控系统,包括：地面测控站、中继卫星；飞行器，包括上天线、下天线、射频前端、收发组合和飞行器管理计算机；其中，上天线、下天线用于地基上下行信号和天基前、返向遥控信号接收和发射；所述射频前端，用于对信号滤波混合放大处理后输出；所述收发组合，用于调制解调转化，且接收CCSDS遥测帧或根据自身遥测参数获得定位信息及计算出天基前向遥控信号的最佳指向发送；所述飞行器管理计算机，用于将接收的定位信息及计算天基前向遥控信号的最佳指向传输给射频前端进行上下天线发射切换，并将选择的天基返向遥控信号发送至中继卫星。本发明可同时完成地基及天基遥测遥控链路，实现飞行任务的全程覆盖。

Description

应用于近地空间的天地基一体化测控系统

技术领域

本发明涉及一种应用于近地空间的天地基一体化测控系统，属于天地基一体化测控系统的技术领域。

背景技术

地球曲率等因素的影响，传统的近地轨道飞行器为了完成飞行任务仅能通过多点布站及船舶测量的方式实现飞行器过程中关键链路覆盖。传统的空天飞行器测控系统多采用应答机加接收机的模式，系统体积、重量较大。

发明内容

发明所要解决的课题是现有的系统由于地球曲率等因素影响，导致不能满足全程链路覆盖的问题。

用于解决课题的技术手段是，提供一种应用于近地空间的天地基一体化测控系统，采用了一种天地基一体化测控系统，可同时完成地基遥测遥控链路及天基遥测遥控链路，实现飞行任务的全程覆盖。

一种应用于近地空间的天地基一体化测控系统，包括：

地面测控站，用于发送地基上下行信号；

中继卫星，用于发送天基前向遥控信号和接收天基返向遥控信号；

飞行器，包括上天线、下天线、射频前端、收发组合和飞行器管理计算机；

其中，所述上天线、下天线分别设置于机身顶部及底部，用于接收地面测控站发送的地基上下行信号前向遥控信号和中继卫星发送的天基前向遥控信号；

所述射频前端，用于对接收的地基上下行信号和天基前向遥控信号滤波、混合、放大处理后输出至收发组合；

所述收发组合，用于经过解扩解调后将地基上下行信号、天基前向遥控信号传输至飞行器管理计算机，且接收来自飞行器管理计算机反馈的CCSDS遥测帧，对其行扩频调制至射频前端，然后经过射频前端进行功率放大，馈送至上天线或下天线辐射到自由空间传输或中继卫星，以及根据采集的自身遥测参数获得飞行器的位置信息并计算出天基前向遥控信号的最佳指向后发送至飞行器管理计算机；

所述飞行器管理计算机，用于根据接收收发组合发送的自身遥测参数、飞行器的位置信息和天基前向遥控信号的最佳指向，传输给射频前端进行上下天线发射切换，并计算出飞行器和中继卫星之间的位置关系，选取上天线或下天线传输天基前向遥控信号及返向遥控信号，并将所选择的天基返向遥控信号发送至中继卫星。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述射频前端包括分别用于地基和天基的两组电源单元、接收单元、发射单元。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述收发组合采集的自身遥测参数包括测角、测距和测速所得参数。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述收发组合包括分别用于地基和天基的接口单元和测控处理单元。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述收发组合中接口单元包括电源接口、数传422串口、高频接口。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述飞行器中收发组合采用直接序列扩频通信体制与地面测控站或中继卫星建立通信。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述飞行器管理计算机还用于将发组合发送的自身遥测参数打包到遥测帧对应位置，且判断在设定时间段内判断是否检测到遥测帧头，根据检测结果控制系统在应急遥测模式和正常遥测模式中切换。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述收发组合采用并行频率快捕算法采集自身遥测参数。

发明效果

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明针对近地椭圆轨道飞行器，采用一种应用于近地空间的天地基一体化测控系统，可实现“地面站-飞行器-地面站”的地基测控链路以及“地面站-中继卫星-飞行器-中继卫星-地面站”的天基测控链路。针对飞行器任务过程中飞行姿态变化，本发明采用了一种链路切换计算方法实现天基链路的全程覆盖。可同时完成地基遥测遥控链路及天基遥测遥控链路，实现飞行任务的全程覆盖。以及，本发明采用了一种并行频率快捕方法及一种基于多普勒频率高精度估计值辅助的高动态载波跟踪环路实现天、地基链路的快速捕获及跟踪。

通过本发明的系统，与现有技术相比存在的优点有：

(1)该系统采用天、地基一体化的设计方法，可同时实现对地、对天测控链路，具备遥测、遥控、测角、测距及测速功能。

(2)该系统采用并行频率快捕算法，该方法能够有效适应大频偏、低信噪比的要求，提高捕获灵敏度，同时在捕获时间和捕获概率上较传统方法有所提高。

(3)该系统一种基于多普勒频率高精度估计值辅助的高动态载波跟踪环路，该方法利用瞬时自相关运算与线性相位频率估计方法相结合快速得到多普勒频率变化率的估计值，省略传统方法二维搜索带来的巨大运算量，通过估计值辅助跟踪环路，降低环路动态应力，提高跟踪精度。

(4)该系统支持根据飞行器在飞行过程中提供的经度、纬度、高度、航向等信息，进行波束优选及最佳指向。

附图说明

图1为本发明的应用于近地空间的天地基一体化测控系统的原理示意图。

具体实施方式

以下，基于附图针对本发明进行详细地说明。

如图1所示，本发明设计了一种应用于近地空间的天地基一体化测控系统,该系统主要包括：地面测控站、中继卫星、飞行器，本系统主要实现“地面站-飞行器-地面站”的地基测控链路以及“地面站-中继卫星-飞行器-中继卫星-地面站”的天基测控链路。

系统中，所述地面测控站，用于发送地基上下行信号；所述中继卫星，用于发送天基前向遥控信号和接收天基返向遥控信号。

所述飞行器，包括上天线、下天线、射频前端、收发组合和飞行器管理计算机；所述上天线、下天线分别设置于机身顶部及底部，用于接收地面测控站发送的地基上下行信号和中继卫星发送的天基前向遥控信号。

所述射频前端，包括分别用于地基和天基的两组电源单元、接收单元、发射单元，具体地包括天基电源单元、天基接收单元、天基发射单元、地基电源单元、地基接收单元和地基发射单元。还包括对外接口，为电源接口、与收发组合的数传422串口，与收发组合的高频接口和与天线的高频接口。射频前端主要用于对接收的地基上下行信号和天基前向遥控信号滤波、混合、放大处理后输出至收发组合。

所述收发组合，包括分别用于地基和天基的接口单元和测控处理单元，其中接口单元包括电源接口、数传422串口、高频接口；本实施例中，收发组合可以具体包括天基电源接口单元、天基测控处理单元、地基电源接口单元和地基测控处理单元，以及收发组合对外接口为电源接口、与飞行器管理计算机连接的数传422串口、与通道设备连接的数传422串口、与通道设备的高频接口，该收发组合主要用于经过解扩解调后将地基上下行信号传输至飞行器管理计算机，且通过数传422串口接收来自飞行器管理计算机反馈的CCSDS遥测帧，对其行扩频调制至射频前端，然后经过射频前端进行功率放大，馈送至上天线或下天线辐射到自由空间传输；以及还可以经过解扩解调后将天基前向遥控信号传输至飞行器管理计算机，且通过数传422串口接收来自飞行器管理计算机反馈的CCSDS遥测帧，对其行扩频调制至射频前端，然后经过射频前端进行功率放大，馈送至上天线或下天线辐射到自由空间传输至中继卫星。以及根据采集自身遥测参数获得飞行器的位置信息并计算出天基前向遥控信号的最佳指向后发送至飞行器管理计算机。优选地，收发组合采集的自身遥测参数包括测角、测距和测速所得参数。以及可以包括在飞行过程中提供的经度、纬度、高度等信息，据此计算出天基前向遥控信号的最佳指向，且所述收发组合采用并行频率快捕算法采集自身遥测参数，有效适应大频偏、低信噪比的要求，提高捕获灵敏度及捕获概率，同时降低捕获时间。

所述飞行器管理计算机，用于根据接收收发组合发送接收收发组合发送的自身遥测参数、飞行器的位置信息和天基前向遥控信号的最佳指向，传输给射频前端进行上下天线发射切换，并计算出飞行器和中继卫星之间的位置关系，选取上天线或下天线传输天基前向遥控信号及返向遥控信号，实现飞行过程全覆盖，并将选择的天基返向遥控信号发送至中继卫星。

所述系统包括应急遥测模式和正常遥测模式，优选地，系统还可以根据遥测帧的检测情况实现模式切换，即还用于将发组合发送的自身遥测参数打包到遥测帧对应位置，且判断在设定时间段内判断是否检测到遥测帧头，根据检测结果控制系统在应急遥测模式和正常遥测模式中切换。具体地，正常遥测信号流程是系统中将自身遥测参数由收发组合采集、编码，通过数传422串口传输至飞行器管理计算机，再由飞行器管理计算机打包到CCSDS遥测帧相应位置；在设定时间段内如3s内未正确检测到飞行器管理计算机发出的遥测帧头，则控制切换进入应急遥测模式，应急遥测信号是系统依据遥测帧格式，将自身遥测参数填充相应位置，并进行调制、扩频、发射；且应急遥测期间若检测到一个遥测源包则切换进入正常遥测模式。

并且，所述系统中飞行器采用直接序列扩频通信体制与地面测控站或中继卫星建立通信，实现高测量精度、多用户能力、一定的抗干扰能力。跟踪功能采用一种基于多普勒频率高精度估计值辅助的高动态载波跟踪环路，可提高跟踪精度。

由此，本发明的系统具备自检、工作模式切换、功放输出控制等功能，能够完成“地面测控站-中继卫星-飞行器”及“飞行器-中继卫星-地面测控站”天基遥控、遥测双向数据传输、“地面测控站-飞行器”及“飞行器-地面测控站”地基遥控、遥测双向数据传输处理过程。系统应用平台轨道为近地椭圆轨道，在硬件、软件及结构设计上考虑抗空间辐射总剂量和抗单粒子翻转。可同时完成地基遥测遥控链路及天基遥测遥控链路，实现飞行任务的全程覆盖，实现天、地基链路的快速捕获及跟踪。

需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种应用于近地空间的天地基一体化测控系统，其特征在于，

包括：

地面测控站，用于发送地基上下行信号；

中继卫星，用于发送天基前向遥控信号和接收天基返向遥控信号；

飞行器，包括上天线、下天线、射频前端、收发组合和飞行器管理计算机；

其中，所述上天线、下天线分别设置于机身顶部及底部，用于接收地面测控站发送的地基上下行信号前向遥控信号和中继卫星发送的天基前向遥控信号；

所述射频前端，用于对接收的地基上下行信号和天基前向遥控信号滤波、混合、放大处理后输出至收发组合；

所述收发组合，用于经过解扩解调后将地基上下行信号、天基前向遥控信号传输至飞行器管理计算机，且接收来自飞行器管理计算机反馈的CCSDS遥测帧，对其行扩频调制至射频前端，然后经过射频前端进行功率放大，馈送至上天线或下天线辐射到自由空间传输或中继卫星，以及根据采集的自身遥测参数获得飞行器的位置信息并计算出天基前向遥控信号的最佳指向后发送至飞行器管理计算机；

所述飞行器管理计算机，用于根据接收收发组合发送的自身遥测参数、飞行器的位置信息和天基前向遥控信号的最佳指向，传输给射频前端进行上下天线发射切换，并计算出飞行器和中继卫星之间的位置关系，选取上天线或下天线传输天基前向遥控信号及返向遥控信号，并将所选择的天基返向遥控信号发送至中继卫星。

2.根据权利要求1所述的应用于近地空间的天地基一体化测控系统，其特征在于：所述射频前端包括分别用于地基和天基的两组电源单元、接收单元、发射单元。

3.根据权利要求1所述的应用于近地空间的天地基一体化测控系统，其特征在于：所述收发组合采集的自身遥测参数包括测角、测距和测速所得参数。

4.根据权利要求1所述的应用于近地空间的天地基一体化测控系统，其特征在于：所述收发组合包括分别用于地基和天基的接口单元和测控处理单元。

5.根据权利要求4所述的应用于近地空间的天地基一体化测控系统，其特征在于：所述收发组合中接口单元包括电源接口、数传422串口、高频接口。

6.根据权利要求1所述的应用于近地空间的天地基一体化测控系统，其特征在于：所述飞行器中收发组合采用直接序列扩频通信体制与地面测控站或中继卫星建立通信。

7.根据权利要求1所述的应用于近地空间的天地基一体化测控系统，其特征在于：所述飞行器管理计算机还用于将发组合发送的自身遥测参数打包到遥测帧对应位置，且判断在设定时间段内判断是否检测到遥测帧头，根据检测结果控制系统在应急遥测模式和正常遥测模式中切换。

8.根据权利要求1所述的应用于近地空间的天地基一体化测控系统，其特征在于：所述收发组合采用并行频率快捕算法采集自身遥测参数。