CN108120973A - 一种星间通信测距系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种星间通信测距系统，通信测距系统安装在每颗卫星上，由测控通信模块和定向测距模块组成；测控通信模块用于星群内信息的传递、更新和存储；定向测距模块采用频分双工模式，由测控通信模块获知需要通信的卫星对状态，定向测距模块在测控通信模块的控制下对卫星对中的卫星进行配置，使两颗卫星的工作模式不同，在各卫星对之间建立测距链路完成测距。本发明不需要地面测控站的支持，能够完成在轨配置，实现测控通信和精确测距。

Description

一种星间通信测距系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种星间通信测距系统。
背景技术
随着小卫星系统的兴起和发展，其军事和民用价值得到了越来越多国家的认可，特别是星群、分布式小卫星编队的组网应用模式。协同完成任务需要解决很多关键技术，星群编队卫星之间需要自主进行星间通信，传递测控通信数据；需要自主相对导航，编队自主进行测量和估算编队各星之间的相对位置、速度和姿态，测控通信和精确测距是自主编队飞行的核心能力。
编队飞行星群间测控通信和精确测距受以下几个方面的因素制约：1)小卫星是资源受限平台，对测控通信载荷和测距载荷的重量、尺寸、功耗影响较大，限制了载荷工作体制和类型的选择；2)星群编队卫星之间的相对位置、相对速度、相对姿态是在不断发生变化的，对测距精确会产生较大的影响；3)星群编队卫星数量少则三至五颗，多在二三十颗，甚至大的星群有100颗以上，卫星间相对距离远近差异很大，几公里至几千公里不等，星间通信链路时延差异很大，这对星间通信的双工方式、多址方式、通信制式选择提供了诸多的限制。
目前星间测控通信和星间精确测距主要是借助于地面测控站，采用点对点通信方式进行，两颗星之间的测控通信和精确测距载荷是一种主从式的设备，这种载荷设备在上天之前工作频段、收发频率状态是确定的，换句话说就是一颗星的载荷是发，另一颗星的载荷是收，而不能相反，这就意味着每颗星的测控通信和精确测距载荷是不一样的，无法实现在轨配置。这种方式对于星群来说是不合适的，星群编队飞行既要能自主测控，又要能进行任意两颗星之间点对点相对精确测距，如果载荷设备状态不一样，是无法统一的，意味着备货种类多、平时和战时损耗的补充等都很麻烦。如图1所示，显示了两颗星之间的测距方式，在地面测控站的协调下，两颗卫星之间完成精确测距，A星和B星的载荷设备不一样。如图2所示，显示了多颗星之间的测距方式，在地面测控站的协调下，A星和B星之间完成精确测距，A星和C星之间完成精确测距，但B星和C星之间不能进行精确测距，C星和B星精确测距载荷设备相同，但和A星不同。因此目前的星间测控通信和精确测距载荷是无法满足星群编队飞行需求的。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种星间通信测距系统，不需要地面测控站的支持，能够完成在轨配置，实现测控通信和精确测距。
本发明的具体实施方案如下：
一种星间通信测距系统，所述通信测距系统安装在每颗卫星上，由测控通信模块和定向测距模块组成；
所述测控通信模块用于星群内信息的传递、更新和存储；
所述定向测距模块采用频分双工模式，由测控通信模块获知需要通信的卫星对状态，定向测距模块在测控通信模块的控制下对卫星对中的卫星进行配置，使两颗卫星的工作模式不同，在各卫星对之间建立测距链路完成测距。
进一步地，所述测控通信模块采用时分双工、时分多址通信模式，包括全向天线单元、测控通信收发通道单元及基带单元；
所述全向天线单元接收星群内的信号，由测控通信收发通道单元传递给基带单元，所述基带单元解调后经过测控通信收发通道单元的处理，通过全向天线单元与星群内其他卫星进行通信。
进一步地，所述测控通信收发通道单元分为测控通信接收通道和测控通信发射通道，通过环形器和开关选择指定的通道。
进一步地，所述定向测距模块包括定向天线单元、定向通信收发通道单元及基带单元；
所述定向天线单元接收信号后，由指定的定向通信接收通道单元传递给基带单元，所述基带单元解调后经过指定的定向通信收发通道的处理，通过定向天线单元在星间完成测距。
进一步地，所述定向通信收发通道单元分为定向通信接收通道Ⅰ、定向通信接收通道Ⅱ、定向通信发射通道Ⅰ和定向通信发射通道Ⅱ，定向通信接收通道Ⅰ和定向通信发射通道Ⅰ处于同开状态为一个工作模式，定向通信接收通道Ⅱ和定向通信发射通道Ⅱ处于同开状态为另一个工作模式，通过环形器和开关选择指定的通道单元。
有益效果：
本发明测控通信和精确测距两种功能单元进行一体化集成，不需要地面测控站的支持，载荷设备在地面均完全相同，无主次之分，工作状态完全相同。上天之后，可以根据任务需要，根据测控通信模块工作模式的在轨配置，只要星群内部任意两颗星之间载荷工作模式不一样，就可以进行定向精确测距、定向高速通信等业务，这种方式比目前的现有的定向精确测距、定向高速通信方式要灵活，真正适用星群组网编队需要。
附图说明
图1是现有两颗星之间的测距方式；
图2是现有多颗星之间的测距方式；
图3是本发明星群间任意星间测距方式；
图4是本发明的测距系统；
图5是本发明测距系统开关和环形器阵列单元示意图。
其中，11-全向天线单元，12-定向天线单元，21-环形器和开关阵列单元，31-测控通信收发通道单元，32-定向通信收发通道单元，41-基带单元，51-CAN接口，52-秒脉冲接口，53-RS422接口，54-LVDS接口，212-射频开关Ⅰ，223-射频开关Ⅱ，224-射频开关Ⅲ，210-环形器Ⅰ，211-环形器Ⅱ，220-环形器Ⅲ，221-环形器Ⅳ。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明将测控通信和精确测距两种功能单元进行一体化集成，提供了一种星间通信测距系统，安装在每颗卫星上，该通信测距系统由测控通信模块和定向测距模块组成。
如图4所示，测控通信模块用于星群内信息的传递、更新和存储，采用时分双工、时分多址通信模式。测控通信模块由全向天线单元11、环形器和开关阵列单元21、测控通信收发通道单元31、基带单元41、对外通信接口单元组成。对外通信接口单元，包含但不限于CAN接口51，秒脉冲接口52，RS422接口53，LVDS接口54。测控通信模块采用时分双工(TDD)，时分多址(TDMA)，BPSK～16QAM通信调试制式，完成星群内各卫星间的低速自主测控通信，星群内控制信令传递，包括测控指令、相对位置、速度、姿态、状态、工作模式等参数的分发与共享并实时进行参数的更新以及存储，维持星群组网，编队飞行。
测控通信收发通道单元31分为测控通信接收通道和测控通信发射通道，通过环形器和开关选择指定的通道。全向天线单元11接收星群内的信号，由测控通信接收通道传递给基带单元41，基带单元41解调后经过测控通信发射通道的处理，通过全向天线单元11和星群内其他卫星进行通信。测控通信接收通道采用带通滤波器、放大器、带通滤波器、混频器、A/D采样变换模块级联而成，完成采集并送基带单元41解调处理；测控通信发射通道由D/A变换、混频器、带通滤波器、放大器、带通滤波器等模块级联而成。
如图5所示，测控通信模块接收来自全向天线的信号，经过两个环形器后，通过射频开关Ⅰ212的选择控制，进入到测控通信接收通道，首先经过滤波器，然后进行低噪放，下变频，AD采样之后，进入到基带单元，完成接收信号的解调；来自基带单元的基带信号，经过测控通信发射通道的DA变换、上变频、滤波、功率放大，经过环形器Ⅰ210由全向天线向空域全向覆盖，和星群内的其他卫星进行通信。
定向测距模块由定向天线单元12、环形器和开关阵列单元21、定向通信收发通道单元32、基带单元41、对外通信接口单元组成，对外通信接口单元，包含但不限于CAN接口51，秒脉冲接口52，RS422接口53，LVDS接口54。定向测距模块工作时采用频分双工模式，在测控通信模块的配合下通过开关和环行器阵列单元21实现两路接收信号和两路发射信号的选择。定向天线单元12接收信号后，由指定的定向通信接收通道传递给基带单元41，基带单元41解调后经过指定的定向通信收发通道的处理，通过定向天线单元12在星间完成测距。可以进行点对点高精度测距，也可以进行点对点高速数据传输。
定向通信收发通道单元分为定向通信接收通道Ⅰ、定向通信接收通道Ⅱ、定向通信发射通道Ⅰ和定向通信发射通道Ⅱ，定向发射通道Ⅰ工作频率为f1、定向发射通道Ⅱ工作频率为f2、定向接收通道Ⅰ工作频率为f2、定向接收通道Ⅱ工作频率为f1。如果工作模式为0，定向通信收发通道中的定向通信接收通道Ⅰ和定向通信发射通道Ⅰ工作，定向通信接收通道Ⅱ和定向通信发射通道Ⅱ处于关闭状态。如果工作模式为1，定向通信收发通道中的定向通信接收通道Ⅱ和定向通信发射通道Ⅱ工作，定向通信接收通道Ⅰ和定向通信发射通道Ⅰ处于关闭状态，通过基带单元控制环形器和开关选择指定的通道工作。定向通信接收通道Ⅰ和定向通信接收通道Ⅱ采用带通滤波器、放大器、带通滤波器、混频器、A/D采样变换模块级联而成，完成采集并送基带单元解调处理；定向通信发射通道Ⅰ和定向通信发射通道Ⅱ由D/A变换、混频器、带通滤波器、放大器、带通滤波器等模块级联而成。
环形器和开关阵列单元21如图5所示，由三个射频开关Ⅰ212，射频开关Ⅱ223，射频开关Ⅲ224及四个环形器Ⅰ210，环形器Ⅱ211，环形器Ⅲ220，环形器Ⅳ221组合级联而成，对外分别连接全向天线单元11、定向天线单元12，对内分别连接测控通信收发通道单元31、定向通信收发通道单元32。三个射频开关由基带单元41控制。在测控通信模块的控制下，通过基带单元42使开关和环行器阵列单元21实现两路接收信号和两路发射信号的选择。
如果工作模式为0，射频开关223接通定向通信发射通道Ⅰ，射频开关224接通定向通信接收通道Ⅰ。此时，来自定向天线的通信接收信号经过环形器Ⅲ220和环形器Ⅳ221、射频开关Ⅱ224，进入到定向通信接收通道Ⅰ，工作频率为f2，进行滤波、放大，下变频，AD采样之后，进入到基带单元41，完成接收信号的解调；来自基带单元41的基带信号，经过定向通信发射通道Ⅰ，先进行DA变换、上变频到工作频率f1、滤波、功率放大，经过环形器Ⅲ220和环形器Ⅳ221、并通过定向天线，在测控通信模块的引导下，和需要定向通信的群内卫星建立起定向通信联络，完成精确测距通信或高速数据通信。
如果工作模式为1，射频开关223定向通信接通发射通道Ⅱ，射频开关224接通定向通信接收通道Ⅱ。此时，来自定向天线的通信接收信号工作频率为f1经过环形器Ⅲ220和环形器Ⅳ221、射频开关Ⅱ224，进入到定向通信接收通道Ⅱ，进行滤波、放大，下变频，AD采样之后，进入到基带单元41，完成接收信号的解调；来自基带单元41的基带信号，经过定向通信发射通道Ⅱ，先进行DA变换、上变频到工作频率为f2、滤波、功率放大，经过环形器Ⅲ220和环形器Ⅳ221、并通过定向天线，在测控通信模块的引导下，和需要定向通信的卫星建立起定向通信联络，完成精确测距通信或高速数据通信。
在每颗卫星上安装通信测距系统，由测控通信模块获知需要通信的卫星对状态，定向测距模块在测控通信模块的控制下对卫星对中的卫星进行配置，使两颗卫星的工作模式不同，变为互为收发模式，在各卫星对之间建立测距链路完成测距。测控通信模块更新星群内卫星的状态信息时，读取此时存储的卫星状态，若星间定向测距模块的工作模式不同，则测控通信模块发送测距指令给定向测距模块，两颗卫星同时发送测距信号，完成测距，并将新的状态信息存储于星群内每一颗卫星测控通信模块中；若星间定向测距模块的工作模式相同，则测控通信模块更改其中一颗卫星的工作模式，然后发送测距指令给定向测距模块，两颗卫星同时发送测距信号，完成测距，并将新的状态信息存储于星群内每一颗卫星测控通信模块中。
通信测距系统能够完成星群内部的自主测控通信和定向测距通信、定向高速通信，不需要地面站的支持，实现星群编队飞行，自主控制，自主编队，自主相对导航。如图3所示，有个7星组成的小星群，A星，B星，C星，D星，E星，F星，H星七颗小卫星，每颗小卫星上携带有一台通信测距系统终端，通过测控通信功能单元组成星群自组网进行测控通信，传递测控指令、实时更新星群卫星状态数据信息(包括每颗星载荷工作模式)，传输星群间相对导航信息(包括相对距离、速度、姿态)等。为了维持星群的编队飞行，需要定时和不定时的进行星间精确距离，如果A星和C星间需要测量相对距离，通过测控通信模块的测控链路，A星和C星载荷可以知道相互的工作模式是0或者是1，如果不同，双方就可以同时发送测距命令，进行同时测距；如果相同，通过测控通信模块更改其中一个的工作模式，就可以进行测距工作了，依次类推，可以进行星群内部任意两颗星之间的精确测距，并实时在星群内更新相对位置数据，有了精确的相对位置数据，就可以维持星群编队的正常飞行。同样，如果需要星群内不同卫星间进行高速通信，也需要在测控通信模块的引导下，由定向通信功能单元完成星与星之间点对点高速通信。
本发明通过上述实施方法，载荷设备在地面均完全相同，无主次之分，工作状态完全相同。上天之后，可以根据任务需要，根据星群管理需要做到工作模式的在轨配置，只要星群内部任意两颗星之间载荷工作模式不一样，就可以进行定向精确测距、定向高速通信等业务，这种方式比目前的现有的定向精确测距、定向高速通信方式要灵活，真正适用星群组网编队需要。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种星间通信测距系统，其特征在于，所述通信测距系统安装在每颗卫星上，由测控通信模块和定向测距模块组成；
所述测控通信模块用于星群内信息的传递、更新和存储；
所述定向测距模块采用频分双工模式，由测控通信模块获知需要通信的卫星对状态，定向测距模块在测控通信模块的控制下对卫星对中的卫星进行配置，使两颗卫星的工作模式不同，在各卫星对之间建立测距链路完成测距。
2.如权利要求1所述的点对点的通信测距系统，其特征在于，所述测控通信模块采用时分双工、时分多址通信模式，包括全向天线单元、测控通信收发通道单元及基带单元；
所述全向天线单元接收星群内的信号，由测控通信收发通道单元传递给基带单元，所述基带单元解调后经过测控通信收发通道单元的处理，通过全向天线单元与星群内其他卫星进行通信。
3.如权利要求2所述的点对点的通信测距系统，其特征在于，所述测控通信收发通道单元分为测控通信接收通道和测控通信发射通道，通过环形器和开关选择指定的通道。
4.如权利要求1所述的点对点的通信测距系统，其特征在于，所述定向测距模块包括定向天线单元、定向通信收发通道单元及基带单元；
所述定向天线单元接收信号后，由指定的定向通信接收通道单元传递给基带单元，所述基带单元解调后经过指定的定向通信收发通道的处理，通过定向天线单元在星间完成测距。
5.如权利要求4所述的点对点的通信测距系统，其特征在于，所述定向通信收发通道单元分为定向通信接收通道Ⅰ、定向通信接收通道Ⅱ、定向通信发射通道Ⅰ和定向通信发射通道Ⅱ，定向通信接收通道Ⅰ和定向通信发射通道Ⅰ处于同开状态为一个工作模式，定向通信接收通道Ⅱ和定向通信发射通道Ⅱ处于同开状态为另一个工作模式，通过环形器和开关选择指定的通道单元。
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