CN108259077A - 利用失效卫星天线进行数据传输的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明利用失效卫星天线进行数据传输的方法及系统，包括，1、发射携带有在轨服务模块的在轨服务平台，入轨后接近对准失效卫星，实现在轨服务模块与失效卫星的物理连接，并完成组合体消旋，然后在轨服务平台分离，在轨服务模块展开太阳能电池板，伸展末端手爪，实现发射信号馈线和卫星天线物理连接；2、在轨服务模块自身携带电子音乐发射器、GPS/北斗导航定位接收机、北斗信号转发器，将东方红乐曲信号、导航系统时间和短信息报文通过失效卫星的天线进行传输；3、地面用户接收音乐信号、发射标准时间信号和短信息报文，完成乐曲收听、时间标校和信息查阅；信号覆盖不强地区通过基站接收并转播信号，供地面用户使用。
Description
技术领域
本发明涉及航天技术领域，具体为利用失效卫星天线进行数据传输的方法及系统。
背景技术
随着空间事业的不断发展，人类不断探索、开发并利用外层空间。在轨飞行的卫星数量越来越多，然而，由于燃料耗尽、姿态/轨道控制系统出现故障等可能导致卫星部分功能甚至全部功能的失效，进而形成大型空间垃圾。失效卫星中有些在工作寿命结束后，依照机构间空间碎片协调委员会(IADC)的建议，将被移到比地球静止轨道高出200～300km的“坟墓轨道”。而“坟墓轨道”的卫星上有很多可利用的、有价值的部件，据粗略估计，目前在静止轨道上有数百颗已退役卫星，星上有状态很好且有价值的部件，粗略估计总价值高达3000亿美元，主要是太阳翼、大型天线等，可以认为在轨道上堆积着大量昂贵的卫星部件。
综上所述，一方面，失效卫星占据了宝贵的轨道资源，另一方面，失效卫星也形成了可观的在轨可利用资源。美国国防部高级研究计划局(DARPA)开展一项名为“凤凰计划”的在轨操作技术研究项目，演示验证再次利用地球同步轨道失效通信卫星的能力，将细胞卫星安装于失效通信卫星的天线上，从而以更低的成本、更低的风险提供全球持续通信能力。由于大多卫星是因为寿命原因失效，而卫星上的天线不会因为燃料问题而失效，因此通过对失效卫星上天线的再次利用，将实现在轨资源再利用，释放静止轨道空间，降低构建空间系统成本，缩短卫星研制周期，最终获取经济效益的目的。
发明内容
为解决现有技术存在是问题，本发明在于提供一种利用失效卫星天线进行数据传输的方法及系统，该方法采用在轨服务模块与失效的失效卫星对接后，利用失效卫星天线将特定信号传输到地面，地面用户接受特定服务的方案。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种利用失效卫星天线进行数据传输方法，包括以下步骤：
第一步：发射携带有在轨服务模块的在轨服务平台，在轨服务平台通过变轨后进入失效卫星的轨道，对失效卫星进行跟踪，接近失效卫星并完成对准与停靠；在轨服务平台利用起/消旋装置实现在轨服务模块的起旋，使其旋转角速度和东方红一号卫星的自旋角速度保持一致；在轨服务模块通过粘附连接装置粘附在失效卫星上，并与其成为一个整体；
利用在轨服务平台的起/消旋装置实现对组合体的消旋；消旋完成后，在轨服务平台脱离在轨服务模块/失效卫星组合体，在轨服务模块/失效卫星组合体沿既定轨道继续运行；在轨服务模块展开自身的太阳能电池板，开始供电，进入自身任务开展阶段；
在轨服务模块通过末端操作手爪将发射信号馈线夹装在失效卫星的天线杆上，用于将在轨服务模块上的信号经由失效卫星天线发射；
第二步：在轨服务模块上携带有电子音乐发射器、GPS/北斗接收机及北斗信号转发器，通过发射信号馈线将信号传递到失效卫星天线上，并实现信号的下传；
第三步，地面用户接收信号，根据权限解析信号；其中，信号覆盖不佳的地区通过地面基站向外转播信号供部分地面用户使用。
第一步中，在轨服务模块展开自身太阳能电池板实现供电后，利用自身姿态控制能力，实现对组合体的姿态稳定控制，实现对非合作目标的姿态接管。
第二步中，利用失效卫星天线发射三类信号：第一，通过触发音乐信号发生器，持续播放失效卫星存储的乐曲；第二，基于服务模块上GPS/北斗接收机提取GPS/北斗时间，持续下传GPS/北斗标准时间；第三，基于北斗信号发射器在特定时段内向地面转发定制的短信息报文。
第三步中，地面用户加装信号解调芯片，根据权限解析对应的信号。
地面用户包括移动终端和固定终端，固定终端包括电台，移动终端包括车载导航仪、智能手机及智能手表。
所述的粘附连接装置通过刚毛阵列以及柔性缓冲层啮合失效卫星的外表形状，通过抱爪机构使得在轨服务模块与失效卫星刚性连接。
一种利用失效卫星天线进行数据传输的系统，包括失效卫星和在轨服务模块，所述的在轨服务模块通过粘附连接装置粘附在失效卫星上，并与其成为一个整体；在轨服务模块通过末端操作手爪将发射信号馈线夹装在失效卫星的天线杆上；在轨服务模块上设置有太阳能电池板提供电能，并通过发射信号馈线将信号传递到失效卫星天线上，并实现信号的下传，供地面用户接收信号。
所述的在轨服务模块上携带有电子音乐发射器、GPS/北斗接收机及北斗信号转发器，并通过发射信号馈线将信号传递到失效卫星天线上。
所述的粘附连接装置上设置有刚毛阵列以及柔性缓冲层、抱爪机构，通过刚毛阵列以及柔性缓冲层啮合失效卫星的外表形状，通过抱爪机构使得在轨服务模块与失效卫星刚性连接。
所述的在轨服务模块通过在轨服务平台携带且能够脱离，在轨服务平台上设置有起/消旋装置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明利用失效卫星元件进行数据传输的方法，主要是通过发射携带有在轨服务模块的在轨服务平台，入轨后接近对准失效的卫星，实现在轨服务模块与失效卫星的物理连接，并完成组合体消旋，然后在轨服务平台与在轨服务模块/失效卫星组合体分离，在轨服务模块展开自身的太阳能电池板，开展在轨服务模块/失效卫星组合体自身任务，伸展末端手爪，实现模块发射信号馈线和卫星天线物理连接；然后在轨服务模块自身携带电子音乐发射器、GPS/北斗导航定位接收机、北斗信号转发器，将东方红乐曲信号、导航系统时间和短信息报文通过失效卫星的天线进行传输；最后地面用户接收音乐信号、发射标准时间信号和短信息报文，完成乐曲收听、时间标校和信息查阅；信号覆盖不强地区通过基站接收并转播信号，供地面用户使用。例如东方红一号卫星主要是由于能源耗尽而导致失效的，但是东方红一号卫星的天线寿命还远远未到达，因此新的航天器模块利用东方红卫星的天线进行数据传输，既减少了航天器模块的制造成本，又充分利用了空间在轨废弃卫星的既有资源，开创了废弃卫星部件再利用的先河。利用在轨服务模块实现对东方红一号卫星的姿态接管后，即可实现对东方红卫星的部分再利用，这种方法可用于对其他实效卫星的操作，此举可极大提高废弃卫星利用率，减少了空间空域资源的浪费；同时，通过在轨服务卫星补加在轨服务模块，也可实现对废弃卫星的重复使用，减少了增补同类型卫星的制造和发射成本，对未来降低航天工程成本以及提高任务利用率有重要的意义。特别是作为我国发射的第一颗卫星，对东方红一号卫星进行重新利用具有重要的历史意义。
进一步，在轨服务模块通过粘结连接机构实现对失效卫星的物理连接，这种方式不同于常规的模块结构连接方式，可广泛应用于无特定连接机构的空间飞行器的动态连接，极大延伸了飞行器的功能。本发明中即通过此方式实现在轨服务模块和东方红一号卫星的物理连接，为东方红一号卫星的姿态接管奠定了重要基础。
进一步，地面用户通过信号解调可直接接收在轨服务模块播放的服务信号，实现东方红一号卫星转发的乐曲、时钟信息和段信息报文，这种不可再生、甚至极难仿造的服务非常有利于特殊应用市场的开发。
本发明的传输系统，在轨服务模块通过粘附连接装置粘附在失效卫星上，并通过末端操作手爪将发射信号馈线夹装在失效卫星的天线杆上通过发射信号馈线将信号传递到失效卫星天线上，并实现信号的下传，供地面用户接收信号。提高废弃卫星利用率，减少了空间空域资源的浪费；同时，通过在轨服务卫星补加在轨服务模块，也可实现对废弃卫星的重复使用，减少了增补同类型卫星的制造和发射成本。
附图说明
图1为本发明实例中所述方法的原理框图。
图2为本发明所述在轨服务空间平台跟踪并对准失效卫星。
图3为在轨服务空间平台与失效卫星的粘附连接装置。
图4为在轨服务空间平台与失效卫星对接并消旋。
图5为在轨服务空间平台脱离在轨服务模块/东方红卫星组合体。
图6为在轨服务模块展开自身太阳板供电。
图7为在轨服务模块操纵手爪将信号馈线夹装在东方红卫星天线上。
图8为对接后的东方红卫星/在轨服务模块组合体的播放信号任务示意。
图中：1.在轨服务空间平台，2.在轨服务模块，3.粘附连接装置，4.起/消旋装置机械接口，5.失效卫星，6.末端操作手爪。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明利用失效的东方红一号卫星天线进行数据传输，实质上就是将东方红一号卫星整体作为完成对接后的航天器天线来进行信号传输。本发明通过在轨服务模块2与失效的东方红一号卫星5对接，通过东方红一号卫星5的天线下传转发服务模块2自身发射的信号，以此进行对东方红一号卫星5有效部件的重新应用，并给出针对本发明所述的失效卫星确定在轨服务卫星与失效卫星对接后的任务。
如图1至图6所示，本发明利用失效的东方红一号卫星天线进行数据下传供地面用户接受特定服务的方法，包括：
第一步，在轨服务空间平台携带在轨服务模块2，该模块安装有能源系统(如采用太阳能电池板)、姿态控制系统、音乐信号发生器、GPS/北斗接收机或北斗信号发生器等功能模块，并安装小型机械臂与末端操作手爪6，经变轨和逼近，完成对失效东方红一号卫星5的跟踪接近、对准与停靠，完成在轨服务模块2与东方红卫星5的对接和消旋；在轨服务模块2实现与东方红一号卫星的物理连接消旋后，服务模块将即刻展开自身的太阳能电池板，实现对模块供电，并利用自身姿态控制能力，实现组合体的姿态稳定控制，具备对非合作目标姿态接管的能力；伸展末端手爪，实现发射信号馈线和东方红一号卫星天线物理连接，使之具备通过利用东方红卫星天线进行数据传输能力；
其中，在轨服务模块2由在轨服务平台携带，在轨服务平台对准失效的东方红一号卫星5后，通过在轨服务模块2上的粘附连接装置3实现模块与失效卫星的物理紧固对接，并实现实效卫星的消旋。
服务模块展开自身太阳能电池板实现供电后，利用自身姿态控制能力，实现对组合体的姿态稳定控制，实现对非合作目标的姿态接管。
通过末端操作手爪6实现数据传输馈线与东方红一号卫星的天线的物理连接，构建失效东方红卫星天线再利用(向地面下传数据)的物理通道。
第二步，发射信号馈线和东方红一号卫星5天线物理连接后，利用东方红卫星天线发射三类信号。第一，通过触发音乐信号发生器，持续播放存储的《东方红》乐曲；第二，基于服务模块上GPS/北斗接收机提取GPS/北斗时间，持续下传GPS/北斗标准时间；第三，基于北斗信号发射器在特定时段内向地面转发特殊定制的短信息报文。
在轨服务模块2上的载荷开始工作，可进行音乐信号、标准时间信号和特定短信息报文三种信号的发射，通过失效卫星原有天线实现信号的地面下传；
第三步，地面用户包括移动终端和固定终端，终端均加装特定信号解调芯片，根据权限解析特定信号。固定终端包括电台，移动终端包括车载导航仪、手机，手表等设施。此外，在山区等信号覆盖不强的地带基于移动通信地面基站，负责并向用户转发经东方红天线下传的信号。基于下传信号，地面用户可以收听位于上空400-2000km高度处播放的《东方红》乐曲；也可以基于时间信息完成自动校时功能；甚至，某些特定用户还可以接收到特殊短信息报文。
加装信号解调芯片的地面用户终端增加下传信息解析能力，实现对《东方红》音乐的实时播放、时钟实时校准和短信息报文解析，并可作为新的服务APP，供用户终端下载使用。
利用失效卫星天线进行数据传输的过程具体包括如下步骤。
第一步：参见图2，在轨服务平台通过变轨后进入失效的东方红卫星5的轨道，对失效的东方红卫星5进行跟踪，接近东方红卫星5并完成对准与停靠。利用起/消旋装置4实现在轨服务模块2的起旋，使其旋转角速度和东方红一号卫星的自旋角速度保持一致。
参见图3，航天器模块上具有一个可使航天器模块与东方红卫星进行连接的粘附连接装置3，这个对接装置的功能通过刚毛阵列以及柔性缓冲层啮合东方红卫星外表形状；通过抱爪机构确保在轨服务模块与失效卫星刚性连接。粘附连接装置3包括通过支撑杆连接的两个连接面，两个连接面分别用于和东方红卫星、在轨服务模块2连接，与东方红卫星连接的面上设置有刚毛阵列以及柔性缓冲层、抱爪机构，通过刚毛阵列以及柔性缓冲层啮合失效卫星5的外表形状，通过抱爪机构使得在轨服务模块2与失效卫星5刚性连接。
参见图4，在轨服务模块通过粘附连接装置3粘附在东方红卫星上，并与其成为一个整体。利用在轨服务平台实现对组合体的消旋。
参见图5，消旋完成后，在轨服务平台脱离在轨服务模块/东方红卫星组合体，东方红卫星/在轨服务模块组合体沿既定轨道继续运行。
参见图6，在轨服务模块展开自身的太阳能电池板，开始供电，进入自身任务开展阶段。
参见图7，在轨服务模块2通过末端操作手爪6将信号馈线夹装在东方红一号卫星的天线杆，将在轨服务模块上的信号经由东方红卫星天线发射。
第二步：在轨服务模块2上携带有电子音乐发射器、GPS/北斗接收机、北斗信号转发器，通过信号馈线将东方红乐曲、标准时间信号和短信息报文传递到东方红一号卫星天线上，并实现信号的下传。
第三步，参见图8，地面用户接收音乐信号、标准时间信号和短信息报文，用于收听东方红音乐、自动校时和查阅短信报文。其中，信号覆盖不佳的地区可以通过地面基站向外转播信号的方法供部分地面用户使用。
以上，仅为本发明的较佳实施例，并非仅限于本发明的实施范围，凡依本发明专利范围的内容所做的等效变化和修饰，都应为本发明的技术范畴。
Claims (10)
1.一种利用失效卫星天线进行数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：发射携带有在轨服务模块(2)的在轨服务平台，在轨服务平台通过变轨后进入失效卫星(5)的轨道，对失效卫星(5)进行跟踪，接近失效卫星(5)并完成对准与停靠；在轨服务平台利用起/消旋装置(4)实现在轨服务模块(2)的起旋，使其旋转角速度和东方红一号卫星的自旋角速度保持一致；在轨服务模块(2)通过粘附连接装置(3)粘附在失效卫星(5)上，并与其成为一个整体；
利用在轨服务平台的起/消旋装置(4)实现对组合体的消旋；消旋完成后，在轨服务平台脱离在轨服务模块/失效卫星组合体，在轨服务模块/失效卫星组合体沿既定轨道继续运行；在轨服务模块(2)展开自身的太阳能电池板，开始供电，进入自身任务开展阶段；
在轨服务模块(2)通过末端操作手爪(6)将发射信号馈线夹装在失效卫星(5)的天线杆上，用于将在轨服务模块(2)上的信号经由失效卫星天线发射；
第二步：在轨服务模块(2)上携带有电子音乐发射器、GPS/北斗接收机及北斗信号转发器，通过发射信号馈线将信号传递到失效卫星(5)天线上，并实现信号的下传；
第三步，地面用户接收信号，根据权限解析信号；其中，信号覆盖不佳的地区通过地面基站向外转播信号供部分地面用户使用。
2.根据权利要求1所述的利用失效卫星天线进行数据传输方法，其特征在于，第一步中，在轨服务模块(2)展开自身太阳能电池板实现供电后，利用自身姿态控制能力，实现对组合体的姿态稳定控制，实现对非合作目标的姿态接管。
3.根据权利要求1所述的利用失效卫星天线进行数据传输方法，其特征在于，第二步中，利用失效卫星(5)天线发射三类信号：第一，通过触发音乐信号发生器，持续播放失效卫星(5)存储的乐曲；第二，基于服务模块上GPS/北斗接收机提取GPS/北斗时间，持续下传GPS/北斗标准时间；第三，基于北斗信号发射器在特定时段内向地面转发定制的短信息报文。
4.根据权利要求1所述的利用失效卫星天线进行数据传输方法，其特征在于，第三步中，地面用户加装信号解调芯片，根据权限解析对应的信号。
5.根据权利要求4所述的利用失效卫星天线进行数据传输方法，其特征在于，地面用户包括移动终端和固定终端，固定终端包括电台，移动终端包括车载导航仪、智能手机及智能手表。
6.根据权利要求1所述的利用失效卫星天线进行数据传输方法，其特征在于，所述的粘附连接装置(3)通过刚毛阵列以及柔性缓冲层啮合失效卫星(5)的外表形状，通过抱爪机构使得在轨服务模块(2)与失效卫星(5)刚性连接。
7.一种利用失效卫星天线进行数据传输的系统，其特征在于，包括失效卫星(5)和在轨服务模块(2)，所述的在轨服务模块(2)通过粘附连接装置(3)粘附在失效卫星(5)上，并与其成为一个整体；在轨服务模块(2)通过末端操作手爪(6)将发射信号馈线夹装在失效卫星(5)的天线杆上；在轨服务模块(2)上设置有太阳能电池板提供电能，并通过发射信号馈线将信号传递到失效卫星(5)天线上，并实现信号的下传，供地面用户接收信号。
8.根据权利要求7所述的利用失效卫星天线进行数据传输的系统，其特征在于，所述的在轨服务模块(2)上携带有电子音乐发射器、GPS/北斗接收机及北斗信号转发器，并通过发射信号馈线将信号传递到失效卫星(5)天线上。
9.根据权利要求7所述的利用失效卫星天线进行数据传输的系统，其特征在于，所述的粘附连接装置(3)上设置有刚毛阵列以及柔性缓冲层、抱爪机构，通过刚毛阵列以及柔性缓冲层啮合失效卫星(5)的外表形状，通过抱爪机构使得在轨服务模块(2)与失效卫星(5)刚性连接。
10.根据权利要求7所述的利用失效卫星天线进行数据传输的系统，其特征在于，所述的在轨服务模块(2)通过在轨服务平台携带且能够脱离，在轨服务平台上设置有起/消旋装置(4)。
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