CN108183756B - 一种基于Ka频段的天地基一体化无线通信测试方法 - Google Patents

一种基于Ka频段的天地基一体化无线通信测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于Ka频段的天地基一体化无线通讯测试方法，其包括以下步骤：选定搭载飞行平台，配套对天、对地设备安装窗口，地基遥测、安控通信链路设计，天基前、返向通信链路设计，地基通信链路天线指向角设计，天基通信链路天线指向角设计，确定飞行航迹，设计预留捕获点，天地基遥测协同引导，天地基遥控协同控制。所述方法是一种可直接应用于航天器载体环境下实现Ka频段天地基一体化无线通信的技术途径，尤其满足Ka频段天基、地基实时协同通信以及多体制、多功能通信要求，可同时具备天基前向扩频遥控、天基返向扩频遥测、地基调频高码率遥测、地基扩频外测、地基扩频遥控、地基扩频引导信标、地基扩频低码率遥测功能。

Description

一种基于Ka频段的天地基一体化无线通信测试方法
技术领域
本发明涉及一种基于Ka频段的天地基一体化无线通讯测试方法，属于无线通讯领域。
背景技术
参照图1的现有技术中航天器天地基无线通讯方案示意图。目前，航天器无线通信的实现通常采用天基、地基通路分别独立设计，通信频段选用传统的S频段，绝大部分航天器仅具备地基通信能力，地基通信主要负责完成调频遥测功能，其码速率约为2Mbps。天基通信则仅限于返向扩频遥测功能，其码速率约为256Kbps。传统S频段地基2Mbps遥测是将航天器主要的状态信息、测量信息通过无线设备发送到地面，S频段天基256Kbps遥测与地基遥测的任务和数据基本相同，仅是增加了一个传输路径，提高无线测量的覆盖性。
上述天基、地基无线通信方法，只实现了将航天器的状态信息和测量信息进行回传，各通路的功能区分不明显，整体功能单一，严重缺乏航天器与地面信息的有效交互渠道，且天基、地基不具备协调控制能力。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供了一种基于Ka频段的天地基一体化无线通讯测试方法，其是一种可直接应用于航天器载体环境下实现Ka频段天地基一体化无线通信的技术途径，尤其满足Ka频段天基、地基实时协同通信以及多体制、多功能通信要求，可同时具备天基前向扩频遥控、天基返向扩频遥测、地基调频高码率遥测、地基扩频外测、地基扩频遥控、地基扩频引导信标、地基扩频低码率遥测功能。
本发明达到以下技术效果：
(1)可实现地基Ka频段调频10Mbps遥测，大幅提高了数据通信速率，并完成扩频遥控、扩频外测、扩频信标和扩频遥测功能；
(2)可实现天基前向2Kbps、返向20Kbps实时测量，包括遥控、遥测功能；
(3)能够实现天基、地基遥控功能的协同控制，实时达到信息交互效果。
(4)大幅简化系统级设计、压缩设备数量、减小系统功耗、提升可靠性。
附图说明
图1现有技术中航天器天地基无线通讯方案示意图。
图2本发明的一种基于Ka频段的天地基一体化无线通讯信号传输示意图。
具体实施方式
本发明的一种基于Ka频段的天地基一体化无线通讯测试方法，其包括以下步骤：
步骤1、选定搭载飞行平台，配套对天、对地设备安装窗口。所述搭载飞机平台为通用型运输机。
步骤2、地基遥测、安控通信链路设计。
设计Ka频段地基遥测、安控通信链路，要求链路余量大于3dB，根据公式(1)、(2)计算在满足链路余量要求的前提下，地基通信链路可允许的通信距离R；
MH＝Pt-Lt+Gt-LH-Ls+Gr-Lr-Ps (1)
其中，MH为链路余量，Pt为发射机的功率；Lt为发射馈线的传输损耗；Gt为飞行器上发射天线辐射方向图在地面接收设备方向的增益值；LH为大气对电磁波传输的衰减；Ls为电磁波传输过程中的失配损耗；Gr为接收天线的辐射方向图在飞行器方向的增益值；Lr为接收馈线的传输损耗；Ps为接收机灵敏度；
大气对电磁波传输的衰减LH为：
LH＝32.44+20×log(f)+20×log(R) (2)
其中，f为电磁波的工作频率；R为通信距离。
步骤3、天基前、返向通信链路设计。
设计Ka频段天基前、返向通信链路，要求链路余量大于3dB，根据公式(3)、(4)、(5)计算在满足链路余量要求的前提下，天基通信链路可允许的通信距离R。
[C/N0]r＝EIRP-LH-Lmisc+G/T-K (3)
[C/N0]reqs＝Eb/N0+Ld-Gc+10logRb (4)
M＝[C/N0]r-[C/N0]reqs (5)
其中，[C/N0]r为系统载噪比，EIRP为天线有效全向辐射功率，LH为大气对电磁波传输的衰减，其计算公式参见公式(2)，Lmisc为杂项损耗，G/T为天线接收增益，K为波尔兹曼常数，[C/N0]reqs为门限载噪比，Eb/N0为门限码元信噪比，Ld为解调损失，Gc为编码增益，Rb为信息传输速率，M为链路余量。
步骤4、地基通信链路天线指向角设计。
设计Ka频段地基遥测、安控通信链路天线指向角，要求天线俯仰角大于5°，根据公式(6)、(7)、(8)、(9)计算在满足天线俯仰角的前提下，地基通信链路可允许的飞行平台的位置(X、Y、Z)。
Figure BDA0001471504050000031
Figure BDA0001471504050000032
Figure BDA0001471504050000033
Figure BDA0001471504050000041
其中，X、Y、Z为飞行平台的位置数据，Xf、Yf、Zf为地面设备的位置数据，Xd、Yd、Zd为飞行平台相对地面设备的位置数据，φ、ψ、ξ为飞行平台的俯仰角、偏航角及滚转角，α为天线方位角,β为天线俯仰角,Sd为飞行平台相对地面设备距离。
步骤5、天基通信链路天线指向角设计。
设计Ka频段天基前、返向通信链路天线指向角，要求天线方位角在±60度范围内，俯仰角在±60度范围内，根据公式(6)、(7)、(8)、(9)计算在满足天线方位角和俯仰角的前提下，天基通信链路可允许的飞行平台的位置(X、Y、Z)。
步骤6、确定飞行航迹。
根据步骤2、步骤3计算的地基通信链路和天基通信链路的通信距离，以及步骤4、步骤5计算的飞行平台位置范围，确定飞行平台的飞行航迹，使其满足通信距离和天线指向角的要求。
步骤7、设计预留捕获点。
考虑到飞机起飞前、上升段地基信号会有较大的起伏和多径影响，因此，在飞行航迹设计中预留了3个捕获位置点，一旦信号丢失，按照预定轨迹，将Ka地面接收检测站的天线调整至下一个捕获位置进行准备，当飞机进入预定空域后，完成重捕及跟踪。
步骤8、天地基遥测协同引导
系统中地基遥测通路传输的是码速率为10Mbps的调频遥测数据，天基遥测通路传输的是码速率为20Kbps的扩频遥测数据，两路遥测数据中均设置飞行平台的位置信息，由于真实飞行过程中飞行平台姿态变化影响较大，会出现飞行平台超出预定飞行轨迹，导致通信链路中断，因此，在测试中交叉使用天地基遥测数据作为地面站引导，可有效降低遥测链路中断的风险。当天基遥测数据正常接收后，天基地面设备将天基遥测数据中关于飞行平台的位置信息，通过地面指挥控制网络，传输至地基地面设备，地基地面设备根据飞行平台的实时位置信息，调整地面设备天线指向角，使其实时跟踪飞行平台。反之，当地基遥测数据正常接收后，同样将飞行平台的位置信息，通过地面指挥控制网络，传输至天基地面设备，实时控制天基卫星天线指向角跟踪飞行平台。
步骤9、天地基遥控协同控制。
地基遥控通路和天基遥控通路均用于传输地面遥控指令，实现对飞行状态的实时控制，遥控指令包含预令和动令，预令作为动令输出的前提条件，系统未收到预令，则动令输出无效。为避免真实飞行过程中，飞行平台姿态变化造成天地基遥控通路中断的风险，地基遥控通路和天基遥控通路即可独立实现遥控指令的传输，也可协同实现遥控指令的传输，地基遥控通路接收到预令后，该预令即可作为地基遥控通路动令前提，也可同时作为天基遥控通路动令的前提；同理，天基遥控通路接收到预令后，该预令即可作为天基遥控通路动令前提，也可同时作为地基遥控通路动令的前提。

Claims (6)

1.一种基于Ka频段的天地基一体化无线通讯测试方法，其包括以下步骤：
步骤1、选定搭载飞行平台，配套对天、对地设备安装窗口；
步骤2、地基遥测、安控通信链路设计；
设计Ka频段地基遥测、安控通信链路，要求链路余量大于3dB，根据公式(1)、(2)计算在满足链路余量要求的前提下，地基通信链路可允许的通信距离R；
MH＝Pt-Lt+Gt-LH-Ls+Gr-Lr-Ps (1)
其中，MH为链路余量，Pt为发射机的功率；Lt为发射馈线的传输损耗；Gt为飞行器上发射天线辐射方向图在地面接收设备方向的增益值；LH为大气对电磁波传输的衰减；Ls为电磁波传输过程中的失配损耗；Gr为接收天线的辐射方向图在飞行器方向的增益值；Lr为接收馈线的传输损耗；Ps为接收机灵敏度；
大气对电磁波传输的衰减LH为：
LH＝32.44+20×log(f)+20×log(R) (2)
其中，f为电磁波的工作频率；R为通信距离；
步骤3、天基前、返向通信链路设计；
步骤4、地基通信链路天线指向角设计；
步骤5、天基通信链路天线指向角设计；
步骤6、确定飞行航迹；
步骤7、设计预留捕获点；
步骤8、天地基遥测协同引导；
步骤9、天地基遥控协同控制；
其中，所述步骤3具体为：设计Ka频段天基前、返向通信链路，要求链路余量大于3dB，根据公式(3)、(4)、(5)计算在满足链路余量要求的前提下，天基通信链路可允许的通信距离R；
[C/N0]r＝EIRP-LH-Lmisc+G/T-K (3)
[C/N0]reqs＝Eb/N0+Ld-Gc+10logRb (4)
M＝[C/N0]r-[C/N0]reqs (5)
其中，[C/N0]r为系统载噪比，EIRP为天线有效全向辐射功率，LH为大气对电磁波传输的衰减，其计算公式参见公式(2)，Lmisc为杂项损耗，G/T为天线接收增益，K为波尔兹曼常数，[C/N0]reqs为门限载噪比，Eb/N0为门限码元信噪比，Ld为解调损失，Gc为编码增益，Rb为信息传输速率，M为链路余量；
其中，所述步骤4具体为：设计Ka频段地基遥测、安控通信链路天线指向角，要求天线俯仰角大于5°，根据公式(6)、(7)、(8)、(9)计算在满足天线俯仰角的前提下，地基通信链路可允许的飞行平台的位置(X、Y、Z)；
Figure FDA0002531915370000021
Figure FDA0002531915370000022
Figure FDA0002531915370000023
Figure FDA0002531915370000024
其中，X、Y、Z为飞行平台的位置数据，Xf、Yf、Zf为地面设备的位置数据，Xd、Yd、Zd为飞行平台相对地面设备的位置数据，
Figure FDA0002531915370000025
ψ、ξ为飞行平台的俯仰角、偏航角及滚转角，α为天线方位角,β为天线俯仰角,Sd为飞行平台相对地面设备距离。
2.如权利要求1所述的一种基于Ka频段的天地基一体化无线通讯测试方法，其特征在于，所述步骤5具体为：设计Ka频段天基前、返向通信链路天线指向角，要求天线方位角在±60度范围内，俯仰角在±60度范围内，根据公式(6)、(7)、(8)、(9)计算在满足天线方位角和俯仰角的前提下，天基通信链路可允许的飞行平台的位置(X、Y、Z)。
3.如权利要求2所述的一种基于Ka频段的天地基一体化无线通讯测试方法，其特征在于，所述步骤6具体为：根据步骤2、步骤3计算的地基通信链路和天基通信链路的通信距离，以及步骤4、步骤5计算的飞行平台位置范围，确定飞行平台的飞行航迹，使其满足通信距离和天线指向角的要求。
4.如权利要求3所述的一种基于Ka频段的天地基一体化无线通讯测试方法，其特征在于，所述步骤7具体为：考虑到飞机起飞前、上升段地基信号会有较大的起伏和多径影响，因此，在飞行航迹设计中预留了3个捕获位置点，一旦信号丢失，按照预定轨迹，将Ka地面接收检测站的天线调整至下一个捕获位置进行准备，当飞机进入预定空域后，完成重捕及跟踪。
5.如权利要求4所述的一种基于Ka频段的天地基一体化无线通讯测试方法，其特征在于，所述步骤8具体为：系统中地基遥测通路传输的是码速率为10Mbps的调频遥测数据，天基遥测通路传输的是码速率为20Kbps的扩频遥测数据，两路遥测数据中均设置飞行平台的位置信息，由于真实飞行过程中飞行平台姿态变化影响较大，会出现飞行平台超出预定飞行轨迹，导致通信链路中断，因此，在测试中交叉使用天地基遥测数据作为地面站引导，可有效降低遥测链路中断的风险；当天基遥测数据正常接收后，天基地面设备将天基遥测数据中关于飞行平台的位置信息，通过地面指挥控制网络，传输至地基地面设备，地基地面设备根据飞行平台的实时位置信息，调整地面设备天线指向角，使其实时跟踪飞行平台；反之，当地基遥测数据正常接收后，同样将飞行平台的位置信息，通过地面指挥控制网络，传输至天基地面设备，实时控制天基卫星天线指向角跟踪飞行平台。
6.如权利要求5所述的一种基于Ka频段的天地基一体化无线通讯测试方法，其特征在于，所述步骤9具体为：地基遥控通路和天基遥控通路均用于传输地面遥控指令，实现对飞行状态的实时控制，遥控指令包含预令和动令，预令作为动令输出的前提条件，系统未收到预令，则动令输出无效；为避免真实飞行过程中，飞行平台姿态变化造成天地基遥控通路中断的风险，地基遥控通路和天基遥控通路即可独立实现遥控指令的传输，也可协同实现遥控指令的传输，地基遥控通路接收到预令后，该预令即可作为地基遥控通路动令前提，也可同时作为天基遥控通路动令的前提；同理，天基遥控通路接收到预令后，该预令即可作为天基遥控通路动令前提，也可同时作为地基遥控通路动令的前提。
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