CN108123734A - 一种基于方向回溯阵列的姿态不稳定小卫星通信装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于方向回溯阵列的姿态不稳定小卫星通信装置，包括正六面体小卫星，还包括设在小卫星外表面上的天线部分、设置在小卫星内部的射频前端电路部分和软件无线电部分，天线部分通过同轴线与射频前端电路部分连接，射频前端电路部分还与软件无线电部分连接。该装置省去了控制力矩装置、姿态测量和控制装置部分，体积小、质量轻，解决了现有卫星在需要携带姿态调整系统和传统卫星系统功能单一、技术体制固定、应对突发事件能力差、难以适应变化的电磁环境的问题。

Description

一种基于方向回溯阵列的姿态不稳定小卫星通信装置
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于方向回溯阵列天线的姿态不稳定小卫星通信装置。
背景技术
现有的卫星上携带的通信装置，都有控制力矩装置和姿态测量及姿态调整装置，这些装置都占有很大一部分体积和质量，因此，在趋向于小型化、轻量化的小卫星组网通信形式下给卫星通信增加了项目复杂度和研发周期。另外，传统的空间信息系统基本上是按照功能来区分，存在功能单一、技术体制固定、应对突发事件能力差、难以适应变化的电磁环境的弊端。
本发明的设计思想在一定程度上，提供了一种可以克服通信设备在轨道运行中的姿态不确定性和不稳定性缺点，省去卫星控制力矩装置、姿态测量和控制装置部分，使其更加趋于小型化，轻量化；进一步地，本装置应用软件无线电技术，增加系统设计的灵活性，为小卫星通信方案的设计提供了一种新的思路。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种基于方向回溯阵列的姿态不稳定小卫星通信装置，该装置省去了控制力矩装置、姿态测量和控制装置部分，体积小、质量轻，解决了现有卫星在需要携带姿态调整系统和传统卫星系统功能单一、技术体制固定、应对突发事件能力差、难以适应变化的电磁环境的问题。
实现本发明目的的技术方案是：
一种基于方向回溯阵列的姿态不稳定小卫星通信装置，包括正六面体小卫星，还包括设在小卫星外表面上的天线部分、设置在小卫星内部的射频前端电路部分和软件无线电部分，天线部分通过同轴线与射频前端电路部分连接，射频前端电路部分还与软件无线电部分连接。
所述的天线部分，包括24付天线，设在正六面体小卫星的表面，每个面设置4付天线，每个面的4付天线组成一组方向回溯天线阵列。
所述的射频前端电路部分，包括4个射频前端电路，分别是第一射频前端电路、第二射频前端电路、第三射频前端电路和第四射频前端电路；每个射频前端电路包括单刀单掷开关、双工器、三合一合路器、二合一合路器、单刀6掷开关、低噪声放大器、低通滤波器、功率放大器；低噪声放大器的信号输入端与二合一合路器的信号输出端连接，信号输出端与软件无线电部分的信号接收端连接；二合一合路器的信号输入端分别与2个三合一合路器的信号输出端连接；每个三合一合路器的信号输入端分别与3个双工器连接；每个双工器与单刀单掷开关连接；单刀单掷开关还与天线连接进行通信；单刀单掷开关的控制引脚还与信号处理器连接；低通滤波器的信号输入端与软件无线电部分的发射端连接，低通滤波器的信号输出端与功率放大器的信号输入端连接；功率放大器的信号输出端与单刀6掷开关的信号输入端连接；单刀6掷开关信号输出端分别与6个双工器连接，单刀6掷开关的控制引脚还与信号处理器连接。
所述的射频前端电路，24个单刀单掷开关分别与正六面体每个面上的1付天线连接。
所述的软件无线电部分包括第一射频收发器、第二射频收发器和信号处理器；信号处理器分别与第一射频收发器、第二射频收发器连接，第一射频收发器还分别与第一射频前端电路的低通滤波器的信号输入端和低噪声放大器的信号输出端、第二射频前端电路的低通滤波器的信号输入端和低噪声放大器的信号输出端连接；第二射频收发器分别与第三射频前端电路的低通滤波器的信号输入端和低噪声放大器的信号输出端、第四射频前端电路的低通滤波器的信号输入端和低噪声放大器的信号输出端连接。
所述的第一射频收发器和第二射频收发器，是射频收发前端集成电路的收发器，包括依次连接的接收混频器、接收第二滤波器和模数转换器；还包括依次连接的发射混频器、发射滤波器和数模转换器；接收混频器信号输入端与射频前端电路的低噪声放大器的信号输出端连接；模数转换器的信号输出端与信号处理器的数据输入输出端口连接；数模转换器的信号输入端与信号处理器的数据输入输出端口连接；第二混频模块的信号输出端与射频前端电路的低通滤波器的信号输入端连接。
所述的信号处理器，是基于FPGA的信号处理器。
所述的射频前端电路，包括接收功能和发射功能：
执行接收功能时，断开所有发射链路的单刀6掷开关和单刀单掷开关，信号处理器依次选通各个面的4个单刀单掷开关，被选通的面的4付天线处于接收信号状态，当天线接收到地面信号后，信号通过单刀单掷开关进入双工器的接收端，再经过三合一合路器和二合一合路器进入低噪声放大器，然后进入射频收发器；射频收发器对射频信号进行下变频并滤波得到中频信号，再将中频模拟信号转化成数字信号传递至信号处理器，信号处理器通过扫描的方式，分别对小卫星每个面的接收信号强度进行测量和比较，判断信号最强的接收面；
执行发射功能时，是由信号处理器，将处理后信号传输给射频收发器，经过射频收发器进行D/A转换和上变频，再经过低通滤波器后进入功率放大器，通过信号处理器选通的射频单刀六掷开关进入双工器的发射通道，然后再经过单刀单掷开关后，通过天线发射出去。
一种基于方向回溯阵列的姿态不稳定小卫星通信装置的通信方法，具体包括如下步骤：
1)装置通电，进行初始化，断开所有发射链路的单刀6掷开关和单刀单掷开关，信号处理器依次选通各个面的4个单刀单掷开关，被选通的面的4付天线处于接收信号状态；
2)当天线接收到地面信号以后，信号依次通过单刀单掷开关、双工器、三合一合路器、二合一合路器和低噪声放大器进入射频收发器，射频收发器对射频信号进行下变频并进行滤波得到中频信号，再将中频模拟信号转化成数字信号传递至信号处理器，信号处理器对信号进行载波提取和解调，通过扫描的方式，分别对小卫星每个面的接收信号强度进行测量和比较，判断信号最强的接收面；
3)判断出信号最强面后，信号处理器控制单刀6掷开关和单刀单掷开关选通信号最强面作为发射面，再将调制的中频的信号传给射频收发器进行数模转换和上变频，再通过滤波器，功率放大器和选通的单刀六掷开关，进入双工器和单刀单掷开关通过阵列天线发射出去。
步骤3)中，所述的阵列天线，是由每个面的4付天线组成的四阵元的方向回溯阵列天线，天线接收到的射频信号为cos(wRFt+φg(t))，进入射频收发器中，射频收发器的接收本振为cos(wRF-IFt)与射频信号进行混频，经过下变频后得到cos(wIFt+φg(t))+cos(w2RF-IFt+φg(t))，然后通过射频收发器内部的滤波器滤除cos(w2RF-IFt+φg(t))信号，留下中频信号为cos(wIFt+φg(t))；中频信号经过模数转换后进入信号处理器进行载波提取和解调，进行处理后再进行调制，进入射频收发器中进行数模转换和滤波，此时信号仍为中频信号，射频收发器的发射本振为cos(wRF+IFt)，与经过处理的中频信号进行混频，经过上变频之后得到cos(wRFt-φg(t))+cos(wRF+2IFt+φg(t))，然后由射频收发器的发射端进入到滤波器芯片，滤除cos(wRF+2IFt+φg(t))信号，得到的cos(wRFt-φg(t))信号为原接收的射频信号的共轭信号，再将此信号通过功率放大后发射出去，实现方向回溯。
本发明的有益效果在于：
1、与现有技术相比，本发明将正六面体小卫星通信装置的每个面安装4付天线，组成6组阵列天线，通过对每个面的4付天线所接收的信号进行扫描，通过测量和比较各个面的信号强度，找出信号最强面，控制单刀单掷开关和单刀六掷开关打开信号最强面的通信链路开关，再将实现相位共轭的方向回溯信号经过功率放大发射出去；
2、与现有技术相比，本发明基于射频收发器和FPGA构建软件无线电收发系统，克服了原有系统功能单一，技术体制固定，应对突发事件能力差，难以适应变化的电磁环境的问题。
附图说明
图1为姿态不稳定小卫星的系统结构框图；
图2为射频前端电路部分的结构框图(1)；
图3为射频前端电路部分的结构框图(2)；
图4射频收发器进行方向回溯天线阵列的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
如图1所示，一种基于方向回溯阵列的姿态不稳定小卫星通信装置，包括正六面体小卫星，还包括设在小卫星外表面上的天线部分、设置在小卫星内部的射频前端电路部分和软件无线电部分，天线部分通过同轴线与射频前端电路部分连接，射频前端电路部分还与软件无线电部分连接。
所述的天线部分，包括24付天线，设在正六面体小卫星的表面，每个面设置4付天线，每个面的4付天线组成一组方向回溯天线阵列。
如图2、图3所示，所述的射频前端电路部分，包括4个射频前端电路，分别是第一射频前端电路、第二射频前端电路、第三射频前端电路和第四射频前端电路；每个射频前端电路包括单刀单掷开关、双工器、三合一合路器、二合一合路器、单刀6掷开关、低噪声放大器、低通滤波器、功率放大器；低噪声放大器的信号输入端与二合一合路器的信号输出端连接，信号输出端与软件无线电部分的信号接收端连接；二合一合路器的信号输入端分别与2个三合一合路器的信号输出端连接；每个三合一合路器的信号输入端分别与3个双工器连接；每个双工器与单刀单掷开关连接；单刀单掷开关还与天线连接进行通信；单刀单掷开关的控制引脚还与信号处理器连接；低通滤波器的信号输入端与软件无线电部分的发射端连接，低通滤波器的信号输出端与功率放大器的信号输入端连接；功率放大器的信号输出端与单刀6掷开关的信号输入端连接；单刀6掷开关信号输出端分别与6个双工器连接，单刀6掷开关的控制引脚还与信号处理器连接。
所述的射频前端电路，24个单刀单掷开关分别与正六面体每个面上的1付天线连接。
所述的软件无线电部分包括第一射频收发器、第二射频收发器和信号处理器；信号处理器分别与第一射频收发器、第二射频收发器连接，第一射频收发器还分别与第一射频前端电路的低通滤波器的信号输入端和低噪声放大器的信号输出端、第二射频前端电路的低通滤波器的信号输入端和低噪声放大器的信号输出端连接；第二射频收发器分别与第三射频前端电路的低通滤波器的信号输入端和低噪声放大器的信号输出端、第四射频前端电路的低通滤波器的信号输入端和低噪声放大器的信号输出端连接。
如图4所示，所述的第一射频收发器和第二射频收发器，是射频收发前端集成电路的收发器，包括依次连接的接收混频器、接收第二滤波器和模数转换器；还包括依次连接的发射混频器、发射滤波器和数模转换器；接收混频器信号输入端与射频前端电路的低噪声放大器的信号输出端连接；模数转换器的信号输出端与信号处理器的数据输入输出端口连接；数模转换器的信号输入端与信号处理器的数据输入输出端口连接；第二混频模块的信号输出端与射频前端电路的低通滤波器的信号输入端连接。
所述的信号处理器，是基于FPGA的信号处理器。
所述的射频前端电路，包括接收功能和发射功能：
执行接收功能时，断开所有发射链路的单刀6掷开关和单刀单掷开关，信号处理器依次选通各个面的4个单刀单掷开关，被选通的面的4付天线处于接收信号状态，当天线接收到地面信号后，信号通过单刀单掷开关进入双工器的接收端，再经过三合一合路器和二合一合路器进入低噪声放大器，然后进入射频收发器；射频收发器对射频信号进行下变频并滤波得到中频信号，再将中频模拟信号转化成数字信号传递至信号处理器，信号处理器通过扫描的方式，分别对小卫星每个面的接收信号强度进行测量和比较，判断信号最强的接收面；
执行发射功能时，是由信号处理器，将处理后信号传输给射频收发器，经过射频收发器进行D/A转换和上变频，再经过低通滤波器后进入功率放大器，通过信号处理器选通的射频单刀六掷开关进入双工器的发射通道，然后再经过单刀单掷开关后，通过天线发射出去。
所述的软件无线电部分，还采用了现有的软件无线电技术进行实现。
一种基于方向回溯阵列的姿态不稳定小卫星通信装置的通信方法，具体包括如下步骤：
1)装置通电，进行初始化，断开所有发射链路的单刀6掷开关和单刀单掷开关，信号处理器依次选通各个面的4个单刀单掷开关，被选通的面的4付天线处于接收信号状态；
2)当天线接收到地面信号以后，信号依次通过单刀单掷开关、双工器、三合一合路器、二合一合路器和低噪声放大器进入射频收发器，射频收发器对射频信号进行下变频并进行滤波得到中频信号，再将中频模拟信号转化成数字信号传递至信号处理器，信号处理器对信号进行载波提取和解调，通过扫描的方式，分别对小卫星每个面的接收信号强度进行测量和比较，判断信号最强的接收面；
3)判断出信号最强面后，信号处理器控制单刀6掷开关和单刀单掷开关选通信号最强面作为发射面，再将调制的中频的信号传给射频收发器进行数模转换和上变频，再通过滤波器，功率放大器和选通的单刀六掷开关，进入双工器和单刀单掷开关通过阵列天线发射出去。
步骤3)中，所述的阵列天线，是由每个面的4付天线组成的四阵元的方向回溯阵列天线。如图4所示天线接收到的射频信号为cos(wRFt+φg(t))，进入射频收发器中，射频收发器的接收本振为cos(wRF-IFt)与射频信号进行混频，经过下变频后得到cos(wIFt+φg(t))+cos(w2RF-IFt+φg(t))，然后通过射频收发器内部的滤波器滤除cos(w2RF-IFt+φg(t))信号，留下中频信号为cos(wIFt+φg(t))；中频信号经过模数转换后进入信号处理器进行载波提取和解调，进行处理后再进行调制，进入射频收发器中进行数模转换和滤波，此时信号仍为中频信号，射频收发器的发射本振为cos(wRF+IFt)，与经过处理的中频信号进行混频，经过上变频之后得到cos(wRFt-φg(t))+cos(wRF+2IFt+φg(t))，然后由射频收发器的发射端进入到滤波器芯片，滤除cos(wRF+2IFt+φg(t))信号，得到的cos(wRFt-φg(t))信号为原接收的射频信号的共轭信号，再将此信号通过功率放大后发射出去，实现方向回溯。

Claims (9)

1.一种基于方向回溯阵列的姿态不稳定小卫星通信装置，其特征在于，包括正六面体小卫星，还包括设在小卫星外表面上的天线部分、设置在小卫星内部的射频前端电路部分和软件无线电部分，天线部分通过同轴线与射频前端电路部分连接，射频前端电路部分还与软件无线电部分连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于方向回溯阵列的姿态不稳定小卫星通信装置，其特征在于，所述的天线部分，包括24付天线，设在正六面体小卫星的表面，每个面设置4付天线，每个面的4付天线组成一组方向回溯天线阵列。
3.根据权利要求1所述的一种基于方向回溯阵列的姿态不稳定小卫星通信装置，其特征在于，所述的射频前端电路部分，包括4个射频前端电路，分别是第一射频前端电路、第二射频前端电路、第三射频前端电路和第四射频前端电路；每个射频前端电路包括单刀单掷开关、双工器、三合一合路器、二合一合路器、单刀6掷开关、低噪声放大器、低通滤波器、功率放大器；低噪声放大器的信号输入端与二合一合路器的信号输出端连接，信号输出端与软件无线电部分的信号接收端连接；二合一合路器的信号输入端分别与2个三合一合路器的信号输出端连接；每个三合一合路器的信号输入端分别与3个双工器连接；每个双工器与单刀单掷开关连接；单刀单掷开关还与天线连接进行通信；单刀单掷开关的控制引脚还与信号处理器连接；低通滤波器的信号输入端与软件无线电部分的发射端连接，低通滤波器的信号输出端与功率放大器的信号输入端连接；功率放大器的信号输出端与单刀6掷开关的信号输入端连接；单刀6掷开关信号输出端分别与6个双工器连接，单刀6掷开关的控制引脚还与信号处理器连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于方向回溯阵列的姿态不稳定小卫星通信装置，其特征在于，所述的射频前端电路，24个单刀单掷开关分别与正六面体每个面上的1付天线连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于方向回溯阵列的姿态不稳定小卫星通信装置，其特征在于，所述的软件无线电部分包括第一射频收发器、第二射频收发器和信号处理器；信号处理器分别与第一射频收发器、第二射频收发器连接，第一射频收发器还分别与第一射频前端电路的低通滤波器的信号输入端和低噪声放大器的信号输出端、第二射频前端电路的低通滤波器的信号输入端和低噪声放大器的信号输出端连接；第二射频收发器分别与第三射频前端电路的低通滤波器的信号输入端和低噪声放大器的信号输出端、第四射频前端电路的低通滤波器的信号输入端和低噪声放大器的信号输出端连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于方向回溯阵列的姿态不稳定小卫星通信装置，其特征在于，所述的第一射频收发器和第二射频收发器，是射频收发前端集成电路的收发器，包括依次连接的接收混频器、接收第二滤波器和模数转换器；还包括依次连接的发射混频器、发射滤波器和数模转换器；接收混频器信号输入端与射频前端电路的低噪声放大器的信号输出端连接；模数转换器的信号输出端与信号处理器的数据输入输出端口连接；数模转换器的信号输入端与信号处理器的数据输入输出端口连接；第二混频模块的信号输出端与射频前端电路的低通滤波器的信号输入端连接。
7.根据权利要求5所述的一种基于方向回溯阵列的姿态不稳定小卫星通信装置，其特征在于，所述的信号处理器，是基于FPGA的信号处理器。
8.一种基于方向回溯阵列的姿态不稳定小卫星通信装置的通信方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)装置通电，进行初始化，断开所有发射链路的单刀6掷开关和单刀单掷开关，信号处理器依次选通各个面的4个单刀单掷开关，被选通的面的4付天线处于接收信号状态；
2)当天线接收到地面信号以后，信号依次通过单刀单掷开关、双工器、三合一合路器、二合一合路器和低噪声放大器进入射频收发器，射频收发器对射频信号进行下变频并进行滤波得到中频信号，再将中频模拟信号转化成数字信号传递至信号处理器，信号处理器对信号进行载波提取和解调，通过扫描的方式，分别对小卫星每个面的接收信号强度进行测量和比较，判断信号最强的接收面；
3)判断出信号最强面后，信号处理器控制单刀6掷开关和单刀单掷开关选通信号最强面作为发射面，再将调制的中频的信号传给射频收发器进行数模转换和上变频，再通过滤波器，功率放大器和选通的单刀六掷开关，进入双工器和单刀单掷开关通过阵列天线发射出去。
9.根据权利要求8所述的一种基于方向回溯阵列的姿态不稳定小卫星通信装置的通信方法，其特征在于，步骤3)中，所述的阵列天线，是由每个面的4付天线组成的四阵元的方向回溯阵列天线，天线接收到的射频信号为cos(wRFt+φg(t))，进入射频收发器中，射频收发器的接收本振为cos(wRF-IFt)与射频信号进行混频，经过下变频后得到cos(wIFt+φg(t))+cos(w2RF-IFt+φg(t))，然后通过射频收发器内部的滤波器滤除cos(w2RF-IFt+φg(t))信号，留下中频信号为cos(wIFt+φg(t))；中频信号经过模数转换后进入信号处理器进行载波提取和解调，进行处理后再进行调制，进入射频收发器中进行数模转换和滤波，此时信号仍为中频信号，射频收发器的发射本振为cos(wRF+IFt)，与经过处理的中频信号进行混频，经过上变频之后得到cos(wRFt-φg(t))+cos(wRF+2IFt+φg(t))，然后由射频收发器的发射端进入到滤波器芯片，滤除cos(wRF+2IFt+φg(t))信号，得到的cos(wRFt-φg(t))信号为原接收的射频信号的共轭信号，再将此信号通过功率放大后发射出去，实现方向回溯。
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