CN109001685A - 一种基于无线传输的圆锥扫描星载微波辐射计系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于无线传输的圆锥扫描星载微波辐射计系统，包括：圆锥扫描星载微波辐射计、一套无线传输设备；当系统工作在滑环传输模式传输数据时：无线传输设备A、无线传输设备B处于关机状态，综合处理器通过总线接口接到滑环上，此时综合处理器和探测头部之间通过滑环传输数据。当系统工作在无线传输模式传输数据时：无线传输设备A、无线传输设备B开机并联合工作，建立综合处理器和探测头部之间的空间通信链路，完成相互间的遥感数据和遥控遥测信息传输。解决了系统因为滑环瞬断的特性出现丢失数据或者误传数据的问题，提高了圆锥扫描星载微波辐射计系统信号传输的可靠性，并且有利于提高系统的在轨使用寿命。

Description

一种基于无线传输的圆锥扫描星载微波辐射计系统
技术领域
本发明涉及一种基于无线传输的圆锥扫描星载微波辐射计系统，属于空间微波遥感技术领域。
背景技术
用于海洋观测的星载微波辐射计系统，为了保证天线波束对地入射角不变及波束在海洋表面形成的足迹大小一致，从而有助于各种海洋参数的反演，在设计时多采用圆锥扫描的方式。
圆锥扫描星载微波辐射计系统分为转动部分和固定部分，天线、接收机、采集器、相关器等设备都处在转动部分，这就需要建立一条转动部分和固定部分的通信链路，传输转动部分中采集器、相关器等设备所采集的微波遥感数据以及相应的遥控遥测信息。
目前的圆锥扫描星载微波辐射计系统均采用滑环解决转动部分和固定部分信号传输的问题，滑环依靠环体和电刷之间相对滑动的电接触传递电信号，主要存在两方面问题：(1)由于环体表面在微观上是粗糙的，因此在环体和电刷相对滑动的过程中，导电接触面积在不断变化，表现为接触电阻不断变化，甚至瞬间开路的情况出现。当出现瞬间开路时，就会出现丢失部分遥感数据或者误传数据的情况，进而影响圆锥扫描星载微波辐射计系统数据反演的质量。(2)环体和电刷相对滑动过程存在机械磨损，当滑环转动一定圈数后，电刷就会磨断，进而影响了整个系统的在轨使用寿命。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提出了一种基于无线传输的圆锥扫描星载微波辐射计系统设计方法，在进行信号传输时无线传输方式和滑环传输方式互为备份。该方法解决了系统因为滑环瞬断的特性出现丢失数据或者误传数据的问题，提高了圆锥扫描星载微波辐射计系统信号传输的可靠性，并且有利于提高系统的在轨使用寿命。
本发明解决的技术方案为：一种基于无线传输的圆锥扫描星载微波辐射计系统，包括：圆锥扫描星载微波辐射计系统、一套无线传输设备；
一套无线传输设备，包括：无线传输设备A、无线传输设备B及无线传输天线A和无线传输天线B；无线传输设备A和无线传输天线A安装于圆锥扫描星载微波辐射计系统的固定部分，与综合处理器通过总线连接；无线传输设备B和无线传输天线B安装于圆锥扫描星载微波辐射计系统的转动部分，与探测头部内的从机通过总线连接；系统设有两种传输数据的模式，分别为：滑环传输模式和无线传输模式；当系统工作在滑环传输模式传输数据时：无线传输设备A、无线传输设备B处于关机状态，综合处理器通过总线接口接到滑环上，此时综合处理器和探测头部之间通过滑环传输遥感数据和遥控遥测信息传输；当系统工作在无线传输模式传输数据时：无线传输设备A、无线传输设备B开机并联合工作，建立综合处理器和探测头部之间的空间通信链路，完成相互间的遥感数据和遥控遥测信息传输。
圆锥扫描星载微波辐射计系统由固定部分即综合处理器和转动部分即探测头部组成；综合处理器负责完成圆锥扫描星载微波辐射计系统工作状态控制和与卫星平台之间进行通信的功能，同时负责完成对系统工作状态的控制和对外遥感、遥测、遥控信息的交换；探测头部负责完成对地扫描观测、在轨定标功能。
圆锥扫描微波辐射计系统和卫星平台之间的通信通过综合处理器即固定部分完成，由综合处理器负责完成对系统工作状态的控制和对外遥感、遥测、遥控信息的交换。
综合处理器和探测头部之间进行遥感数据和遥控遥测数据传输时，采用一对一或一对多的通迅方式。
一对一的通迅方式为综合处理器只从信息采集器通过总线获取遥感数据，此方式用在传统的非全极化圆锥扫描星载微波辐射计系统中，一对多的通讯方式是指综合处理器同时从信息采集器、数字相关器通过总线获取遥感数据，此方式用在全极化圆锥扫描星载微波辐射计系统中，同时，遥控遥测信息的通讯均采用一对多的方式。
圆锥扫描星载微波辐射计系统的转动部分为探测头部，包括：天线、热定标源、微波接收通道、探测头部配电器、信息采集器、数字相关器设备；当天线主波束指向海洋表面时，天线收到海洋表面的微波辐射能量，引起天线视在温度的变化，天线接收的信号经微波接收通道放大、滤波、检波和再放大后，以电压的形式输出到信息采集器或以中频信号的形式输出到数字相关器；探测头部配电器负责探测头部内各单机的控制供电，热定标源辅助系统进行两点定标。
综合处理器即固定部分和探测头部即转动部分之间进行遥感数据和遥控遥测数据传输时使用RS-485总线接口、RS-422总线接口或CAN总线接口。
系统定义综合处理器为主机，其余设备为从机，采用主从应答方式，受微波辐射计系统积分时间的限制和数据实时性的要求，综合处理器每隔1ms以内需完成向遥感数据产生设备发送读取遥感数据的请求，并收取所有遥感数据。
无线传输设备A、B结构完全相同，收发频点互换；圆锥扫描星载微波辐射计是一个被动的微波接收系统，无线传输设备不对其产生干扰。
无线传输设备A、无线传输设备B在发送或接收遥感数据时的传输时延要小于50us。
在圆锥扫描星载微波辐射计系统探测头部转动的过程中，无线传输天线A、无线传输天线B之间信号传输功率的波动小于10dB。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提供了一种用于圆锥扫描星载微波辐射计系统的数据无线传输方法，其研究成果可以解决系统因为滑环瞬断的特性出现丢失数据或者误传数据的问题，提高了圆锥扫描星载微波辐射计系统信号传输的可靠性，进而提高了系统数据反演的质量。
(2)本发明提供了一种用于圆锥扫描星载微波辐射计系统的数据无线传输方法，其研究成果可以解决因为滑环长期机械磨损造成的电刷断裂，进而引起圆锥扫描星载微波辐射计系统数据通讯异常的问题，大大提升了圆锥扫描星载微波辐射计系统乃至整个遥感卫星的使用寿命。
(3)本发明设计的无线传输设备，采用QPSK的调制方式，I路完成内部遥控遥测数据传输，Q路完成内部遥感数据传输，在同一个频点同时完成两路数据的发送或接收，减少了通道的数量，从而降低了系统研发成本，同时也减小了系统的功耗和重量。
(4)本发明设计的无线传输设备，采用汉明编码，并且在帧结构的设计上采用按字节传输的方式，流水线处理，大大缩短了无线传输链路的时延，从而满足了在圆锥扫描星载微波辐射计积分时间的限制下数据实时性的要求。
(5)本发明通过采用无线传输设备进行圆锥扫描星载微波辐射计系统的数据传输，可以替代滑环的功能，从而突破了国外对高可靠长寿命宇航用滑环的垄断，提高了我国同类型卫星的自主研发能力。
附图说明
图1为无线传输设备处理流程图；
图2为圆锥扫描星载微波辐射计系统信息流示意图；
图3为无线传输设备原理框图；
图4为无线传输设备物理帧结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明一种基于无线传输的圆锥扫描星载微波辐射计系统，包括：圆锥扫描星载微波辐射计、一套无线传输设备；当系统工作在滑环传输模式传输数据时：无线传输设备A、无线传输设备B处于关机状态，综合处理器通过总线接口接到滑环上，此时综合处理器和探测头部之间通过滑环传输数据。当系统工作在无线传输模式传输数据时：无线传输设备A、无线传输设备B开机并联合工作，建立综合处理器和探测头部之间的空间通信链路，完成相互间的遥感数据和遥控遥测信息传输。解决了系统因为滑环瞬断的特性出现丢失数据或者误传数据的问题，提高了圆锥扫描星载微波辐射计系统信号传输的可靠性，并且有利于提高系统的在轨使用寿命。
本发明的圆锥扫描星载微波辐射计系统由固定部分(即综合处理器)和转动部分(即探测头部)组成。综合处理器负责系统和卫星平台之间的遥感数据和遥控遥测信息的交换，同时负责完成对系统工作状态的控制；探测头部包括天线、热定标源、微波接收通道、探测头部配电器、信息采集器、数字相关器等设备，它负责完成对地扫描观测、在轨定标等功能。综合处理器和探测头部之间通过滑环进行数据传输。
但是，由于滑环具有瞬断的固有特性，圆锥扫描星载微波辐射计系统在轨工作中会出现部分遥感数据丢失或者误传的现象，进而影响系统数据反演质量；同时，由于滑环在滑动的过程中存在机械磨损，当滑环转动一定圈数后，电刷就会磨断，进而影响了整个系统的在轨使用寿命。
为了提高圆锥扫描星载微波辐射计系统信号传输的可靠性，并且延长系统的在轨使用寿命，本发明提出了一种基于无线传输的圆锥扫描星载微波辐射计系统设计方法。
本发明在传统的圆锥扫描星载微波辐射计系统基础上，增加了一套无线传输设备，包括：无线传输设备A、无线传输设备B及无线传输天线A和无线传输天线B，实现综合处理器和探测头部之间数据的无线传输，和滑环传输互为备份。
无线传输设备A和无线传输天线A安装于圆锥扫描星载微波辐射计系统的固定部分，与综合处理器通过总线连接；
无线传输设备B和无线传输天线B安装于圆锥扫描星载微波辐射计系统的转动部分，与探测头部内的从机通过总线连接；
无线传输设备A完成的功能如下：
(1)接收综合处理器发送的遥控指令；
(2)接收综合处理器发送的遥感数据取数指令；
(3)将异步串行数据编码、调制为调制信号；
(4)将调制信号经过放大后通过天线发射；
(5)接收无线传输设备B发射的调制信号；
(6)对接收到的调制信号进行放大、解调；
(7)将解调后的异步串行数据发送给综合处理器。
无线传输设备B完成的功能如下：
(1)接收探测头部配电器发送的遥测信息；
(2)接收探测头部配电器转发的遥感数据；
(3)将异步串行数据编码、调制为调制信号；
(4)将调制信号经过放大后通过天线发射；
(5)接收无线传输设备A发射的调制信号；
(6)对接收到的调制信号进行放大、解调；
(7)将解调后的异步串行数据发送给探测头部配电器。
无线传输设备A、B的数据处理流程如图1所示。
当系统工作在滑环传输模式传输数据时：无线传输设备A、无线传输设备B处于关机状态，综合处理器通过总线接口接到滑环上，此时综合处理器和探测头部之间通过滑环传输遥感数据和遥控遥测信息传输。
当系统工作在无线传输模式传输数据时：无线传输设备A、无线传输设备B开机并联合工作，建立综合处理器和探测头部之间的空间通信链路，完成相互间的遥感数据和遥控遥测信息传输。
系统的信息流示意图如图2所示。
无线传输设备A、B完全相同，只是收发频点互换；圆锥扫描星载微波辐射计是一个被动的微波接收系统，无线传输设备不对其产生干扰，无线传输设备收发频点选择优选满足如下关系：
其中，m＝1、2、3…；f1、B1分别为无线传输设备工作的中心频率、带宽，f2、B2为圆锥扫描星载微波辐射计系统各通道的工作频率、带宽；且无线传输设备在圆锥扫描星载微波辐射计系统各通道的工作频率处的功率P＜-120dBm。
优选无线传输设备A、B的收发频率为398±5MHz、440±5MHz。
无线传输设备优选采用QPSK的调制方式，I路完成内部遥控遥测数据传输，Q路完成内部遥感数据传输。
本发明所设计的无线传输设备A、B由中频数字处理分机，电源分机，通道分机以及双工器分机四部分组成。无线传输设备A、B原理框图如图3所示。
电源分机主要对输入一次母线电压进行变换，产生其它子板所需的二次电压，通过对插结构接插件传送给数字分机，通过导线传送给通道分机。
通道分机主要以内部的10MHz高稳晶振为参考源，提供输出1路300MHz时钟信号，供给数字处理分机作为其所需的时钟；接收双工分机输入的UHF频率输入信号，对其进行放大、混频，下变换到低中频，通过射频电缆送给数字处理分机；将数字处理分机输出的低中频信号通过射频电缆输入到通道分机，经过混频、滤波，上变频到UHF频率后输出给双工器分机。
数字处理分机主要完成两部分功能：一是实现对1片XQ4VSX55的上电配置和刷新功能；二是完成数字信号处理的功能，包括基带信号处理、模数转换、数模转换等功能。其中，基带信号处理主要涉及下变频滤波、解调、译码、mac帧解析、组帧、编码、基带调制、上变频滤波等功能模块。
双工器分机实现对天线的输入输出信号的收发隔离功能。无线传输设备A和B主要差别在收发频点互换，因此对应的双工器指标也不一样。
圆锥扫描星载微波辐射计系统要求无线传输设备A、无线传输设备B在发送或接收遥感数据时的传输时延要小于50us。
假定系统总的传输时延为Tall，在完成一个完整的信息传输的过程中，需要考虑的总时延应该由以下几部分构成：
“遥感要数指令”从综合处理器发出，到探测头部配电器接收的传输时延Tforward；
“遥感数据”从探测头部配电器发出，到综合处理器接收的传输时延Tbackward；
“遥感要数指令”本身指令长度所占用的时间Ttc；
“遥感数据”本身指令长度所占用的时间Ttm；
“遥感要数指令”发出到“遥感数据”返回所需的时间Twait；
总的传输时延Tall有:
Tall＝Tforward+Tbackward+Ttc+Ttm+Twait
对于从综合处理器到探测头部的链路，时延应包括无线传输设备A的发射时延Ttrans_A和Treceiv_B，该链路的总时延可以认为：
Tforward＝Ttrans_A+Treceiv_B
反向从探测头部到综合处理器的链路，时延应包括无线传输设备B的发射时延Ttrans_B和Treceiv_A，该链路的总时延可以认为：
Tforward＝Ttrans_B+Treceiv_A
对于数字处理分机，无线传输设备A和无线传输设备B在处理方式和实现结构上均一致，因此有：
Ttrans_A＝Ttrans_B
Treceiv_A＝Treceiv_B
因此，总的传输时延Tall有：
Tall＝2*(Ttrans_A+Treceiv_A)+Ttc+Ttm+Twait
其中，Ttc、Ttm、Twait三者在系统确定后均为固定长度。按照系统要求可以得到总的收发传输时延为：
Ttrans_A+Treceiv_A<(Tall-Ttc-Ttm-Twait)/2
在设计物理层传输体制时，摒弃了传统多种高性能块编译码，因为块编译码会引入很高的处理延迟，对本时延敏感系统无法应用。
由于本系统中，无线传输设备A和无线传输设备B为近距离无线通信，链路衰减有限，无线传输设备A和无线传输设备B在链路余量足够的情况下采用汉明编码，编译码本身引入的误差较小。
另一方面，无线传输设备在帧结构的设计上区别传统设计，为了尽快实现数据发射和接收，采用按字节传输的方式，流水线处理。物理帧结构如图4所示。
在进行无线传输天线的设计时，考虑到圆锥扫描星载微波辐射计系统探测头部在转动过程中，无线传输天线A和无线传输天线B相对位置的变化以及传输路径中的受到其他物体遮挡，导致无线传输信号功率波动大的问题，无线传输天线A采用探针天线，无线传输天线B采用环形天线的设计，并且无线传输天线A安装于无线传输天线B的正上方。这样保证了在圆锥扫描星载微波辐射计系统探测头部在转动过程中，无线传输天线A和无线传输天线B相对位置固定，进而保证了无线传输信号功率波动较小。
整个无线传输设备设备的时延分析如表1所示。
表1无线传输时延分析
根据以上的时延分析，经过一次无线传输在总线上引发的总体传输时延为(40+34)*2＝148us＝0.148ms，加上主机和从机发送数据的时间，一次数据通信总时间小于1ms，满足系统的要求。
同时，对无线传输链路进行了分析计算，发射机按0dBm的发送功率计算，系统仍有35dB以上的余量，详细分析结果如表2所示。
表2无线传输设备详细链路预算
将本发明设计的无线传输设备安装于圆锥扫描微波辐射计系统上开展了无线传输链路稳定性试验(试验1)及传输时延验证性试验(试验2)。
试验1：利用无线传输设备B软件中存储的用于测试的随机源文件，加电后即可通过射频接口对外发送数据，用频谱仪监测输入到无线传输设备A的射频信号功率，并利用地面监测设备接收无线传输设备A解调译码后的数据。试验结果表明：在探测头部转动过程中，无线传输信号的功率波动范围小，测试过程中无误码。测试结果如表3所示。
表3探测头部转动时无线传输设备测试结果
试验2：圆锥扫描微波辐射计系统正常工作，固定部分(综合处理器)和转动部分(探测头部)之间通过无线传输设备传输遥控遥测信息和遥感数据。试验结果表明：所有发送给探测头部的遥控指令均正常响应，并返回了相应的遥测信息；遥感数据接收正常。
因此，本发明设计的无线传输设备，用于圆锥扫描星载微波辐射计系统固定部分和转动部分之间数据的传输。本发明提出的一种基于无线传输的圆锥扫描星载微波辐射计系统设计方法，在进行信号传输时无线传输方式和滑环传输方式互为备份，可以解决系统因为滑环瞬断的特性出现丢失数据或者误传数据的问题，提高了圆锥扫描星载微波辐射计系统信号传输的可靠性，并且有利于提高系统的在轨使用寿命，满足航天产品的高可靠性和长在轨使用寿命的需求。

Claims (11)

1.一种基于无线传输的圆锥扫描星载微波辐射计系统，其特征在于包括：圆锥扫描星载微波辐射计系统、一套无线传输设备；
一套无线传输设备，包括：无线传输设备A、无线传输设备B及无线传输天线A和无线传输天线B；无线传输设备A和无线传输天线A安装于圆锥扫描星载微波辐射计系统的固定部分，与综合处理器通过总线连接；无线传输设备B和无线传输天线B安装于圆锥扫描星载微波辐射计系统的转动部分，与探测头部内的从机通过总线连接；系统设有两种传输数据的模式，分别为：滑环传输模式和无线传输模式；当系统工作在滑环传输模式传输数据时：无线传输设备A、无线传输设备B处于关机状态，综合处理器通过总线接口接到滑环上，此时综合处理器和探测头部之间通过滑环传输遥感数据和遥控遥测信息传输；当系统工作在无线传输模式传输数据时：无线传输设备A、无线传输设备B开机并联合工作，建立综合处理器和探测头部之间的空间通信链路，完成相互间的遥感数据和遥控遥测信息传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线传输的圆锥扫描星载微波辐射计系统，其特征在于：圆锥扫描星载微波辐射计系统由固定部分即综合处理器和转动部分即探测头部组成；综合处理器负责完成圆锥扫描星载微波辐射计系统工作状态控制和与卫星平台之间进行通信的功能，同时负责完成对系统工作状态的控制和对外遥感、遥测、遥控信息的交换；探测头部负责完成对地扫描观测、在轨定标功能。
3.根据权利要求1所述的一种基于无线传输的圆锥扫描星载微波辐射计系统，其特征在于：圆锥扫描微波辐射计系统和卫星平台之间的通信通过综合处理器即固定部分完成，由综合处理器负责完成对系统工作状态的控制和对外遥感、遥测、遥控信息的交换。
4.根据权利要求1所述的一种基于无线传输的圆锥扫描星载微波辐射计系统，其特征在于：综合处理器和探测头部之间进行遥感数据和遥控遥测数据传输时，采用一对一或一对多的通迅方式。
5.根据权利要求4所述的一种基于无线传输的圆锥扫描星载微波辐射计系统，其特征在于：一对一的通迅方式为综合处理器只从信息采集器通过总线获取遥感数据，此方式用在传统的非全极化圆锥扫描星载微波辐射计系统中，一对多的通讯方式是指综合处理器同时从信息采集器、数字相关器通过总线获取遥感数据，此方式用在全极化圆锥扫描星载微波辐射计系统中，同时，遥控遥测信息的通讯均采用一对多的方式。
6.根据权利要求1所述的一种基于无线传输的圆锥扫描星载微波辐射计系统，其特征在于：圆锥扫描星载微波辐射计系统的转动部分为探测头部，包括：天线、热定标源、微波接收通道、探测头部配电器、信息采集器、数字相关器设备；当天线主波束指向海洋表面时，天线收到海洋表面的微波辐射能量，引起天线视在温度的变化，天线接收的信号经微波接收通道放大、滤波、检波和再放大后，以电压的形式输出到信息采集器或以中频信号的形式输出到数字相关器；探测头部配电器负责探测头部内各单机的控制供电，热定标源辅助系统进行两点定标。
7.根据权利要求1所述的一种基于无线传输的圆锥扫描星载微波辐射计系统，其特征在于：综合处理器即固定部分和探测头部即转动部分之间进行遥感数据和遥控遥测数据传输时使用RS-485总线接口、RS-422总线接口或CAN总线接口。
8.根据权利要求1所述的一种基于无线传输的圆锥扫描星载微波辐射计系统，其特征在于：系统定义综合处理器为主机，其余设备为从机，采用主从应答方式，受微波辐射计系统积分时间的限制和数据实时性的要求，综合处理器每隔1ms以内需完成向遥感数据产生设备发送读取遥感数据的请求，并收取所有遥感数据。
9.根据权利要求1所述的一种基于无线传输的圆锥扫描星载微波辐射计系统，其特征在于：无线传输设备A、B结构完全相同，收发频点互换；圆锥扫描星载微波辐射计是一个被动的微波接收系统，无线传输设备不对其产生干扰。
10.根据权利要求1所述的一种基于无线传输的圆锥扫描星载微波辐射计系统，其特征在于：无线传输设备A、无线传输设备B在发送或接收遥感数据时的传输时延要小于50us。
11.根据权利要求1所述的一种基于无线传输的圆锥扫描星载微波辐射计系统，其特征在于：在圆锥扫描星载微波辐射计系统探测头部转动的过程中，无线传输天线A、无线传输天线B之间信号传输功率的波动小于10dB。
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