CN109245833B - 一种航天器通用化综合射频测控系统 - Google Patents

一种航天器通用化综合射频测控系统 Download PDF

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Abstract

一种航天器通用化综合射频测控系统及方法，包括综合孔径天线、综合射频信道以及综合处理终端；综合孔径天线实现空间电磁波能量和测控系统能量之间的一体化转换；综合射频信道实现射频信号和中频信号之间的转换；综合处理终端接收外部输入的遥测数据，形成地基遥测帧，之后依次进行编码、调制、数模转换后，通过综合射频信道和综合孔径天线发射出去。该综合射频测控系统可以将原有的遥测、安控、外测、导航和中继等功能进行高度集成，将各自独立的射频资源和基带资源进行整合，形成航天器通用化综合射频测控系统，大幅减少测控系统的重量、体积、功耗，提高系统效能。

Description

一种航天器通用化综合射频测控系统
技术领域
本发明属于航天器测控技术领域，涉及一种航天器通用化综合射频测控系统。
背景技术
为满足运载火箭和导弹武器快速发射、高效投送的需求，航天器测控系统需具备多任务、大范围、安全可靠、天地一体的测控能力。传统测控系统采用平行分立式结构设计，首先按照功能划分为独立的遥测子系统、安控子系统、外测子系统、导航子系统和中继子系统。其次将测控系统总体技术指标分解为上述子系统技术指标，然后开展子系统的独立设计。最后利用总线将上述独立的子系统进行连接，完成子系统之间的信息交互，最终形成完整的测控系统。
传统测控系统由于分立式设计，不同功能均独立设计软件、硬件，造成测控系统存在大量射频资源、基带资源的冗余，不同功能之间冗余资源无法共用，最终导致测控系统的重量、体积、功耗无法下降。针对不同的运载火箭或导弹武器测控需求，测控功能扩展和裁剪都需要重新开展独立设计，无法实现多型航天器测控系统通用化设计。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提出一种应用于航天器的通用化综合射频测控系统。该综合射频测控系统可以将原有的遥测、安控、外测、导航和中继等功能进行高度集成，将各自独立的射频资源和基带资源进行整合，形成航天器通用化综合射频测控系统，大幅减少测控系统的重量、体积、功耗，提高系统效能。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种航天器通用化综合射频测控系统，包括：综合孔径天线、综合射频信道以及综合处理终端；
综合孔径天线实现空间电磁波能量和测控系统能量之间的一体化转换；
综合射频信道实现射频信号和中频信号之间的转换；
综合处理终端接收外部输入的遥测数据，形成地基遥测帧，之后依次进行编码、调制、数模转换后，通过综合射频信道和综合孔径天线发射出去；
地面发送的安控信号经综合孔径天线和综合射频信道后，通过综合处理终端恢复为安控指令，并将所述安控指令输出至航天器自毁系统；
地面发送的上行外测信号经综合孔径天线和综合射频信道后，通过综合处理终端处理为下行外测信号，再通过综合射频信道和综合孔径天线发送回地面；
卫星导航信号经过综合孔径天线和综合射频信道后，通过综合处理终端恢复导航电文，并进而计算得到航天器的位置和速度；
中继卫星前向信号经综合孔径天线和综合射频信道后，通过综合处理终端恢复为中继遥控指令并提供给相应系统进行遥控控制；综合处理终端接收外部输入的遥测数据，形成中继返向遥测帧，经编码、调制、扩频、数模转换后，通过综合射频信道和综合孔径天线发送出去。
综合孔径天线将遥测天线、安控天线、外测天线、导航天线以及中继天线进行综合集成，且共用天线孔径。
上行外测信号和下行外测信号用于地面测量航天器的实时位置和速度。
所述综合射频信道包括射频开关矩阵、综合射频接收信道、综合射频发射信道以及中频开关矩阵；
射频开关矩阵完成综合孔径天线和综合射频接收信道之间的选通连接、综合孔径天线和综合射频发射信道之间的选通连接；
综合射频接收信道按照工作频率划分为P频段接收信道、L频段接收信道、S频段接收信道以及C频段接收信道；综合射频发射信道按照工作频率划分为S频段发射信道和C频段发射信道；中频开关矩阵完成综合射频接收信道和综合处理终端之间的选通连接、综合射频发射信道和综合处理终端之间的选通连接。
综合射频接收信道中：
P频段接收信道完成将接收到的P频段射频信号进行低噪声放大、滤波、下变频至中频，滤波放大后输出中频信号；
L频段接收信道完成将接收到的L频段射频信号进行低噪声放大、滤波、下变频至中频，滤波放大后输出中频信号；
S频段接收信道完成将接收到的S频段射频信号进行低噪声放大、滤波、下变频至中频，滤波放大后输出中频信号；
C频段接收信道完成将接收到的C频段射频信号进行低噪声放大、滤波、下变频至中频，滤波放大后输出中频信号。
综合射频发射信道中：
S频段射频发射信道完成将接收到的中频信号上变频至S频段，功率放大、滤波后输出射频信号；
C频段射频发射信道完成将接收到的中频信号上变频至C频段，功率放大、滤波后输出射频信号。
综合处理终端控制射频开关矩阵和中频开关矩阵的选通。
综合处理终端包括综合信号处理单元、综合信息处理单元以及综合信息交换单元；
综合信息处理单元接收外部输入的遥测数据，形成地基遥测帧，之后经综合信息交换单元传输至综合信号处理单元，依次进行编码、调制、数模转换后，输出地基遥测中频信号；
地面发送的安控信号经综合孔径天线和综合射频信道后，通过综合信号处理单元解调、译码后恢复为安控指令，之后经综合信息交换单元传输至综合信息处理单元，综合信息处理单元进行安控指令校验，校验通过后输出至航天器自毁系统；
地面发送的上行外测信号经综合孔径天线和综合射频信道后，通过综合信号处理单元处理为下行外测信号，再通过综合射频信道和综合孔径天线发送回地面；
卫星导航信号经过综合孔径天线和综合射频信道后，通过综合信号处理单元恢复导航电文，之后经综合信息交换单元传输至综合信息处理单元，综合信息处理单元根据导航电文计算得到航天器的位置和速度；
中继卫星前向信号经综合孔径天线和综合射频信道后，通过综合信号处理单元恢复为中继遥控指令，之后经过综合信息交换单元传输至综合信息处理单元，综合信息处理单元提供给相应系统进行遥控控制；综合信息处理单元接收外部输入的遥测数据，形成中继返向遥测帧，之后经过综合信息交换单元传输至综合信号处理单元，综合信号处理单元完成编码、调制、扩频、数模转换后，输出中频信号。
综合处理终端还包括综合信息存储单元以及高速传输总线；
综合信息存储单元完成地基遥测帧、安控指令、导航信息、中继前向遥控指令和中继返向遥测帧的存储；
综合信号处理单元、综合信息处理单元、综合信息交换单元以及综合信息存储单元之间的信息交互通过高速传输总线进行。
高速传输总线采用PCI-E或者SRIO总线。
综合信号处理单元设置有与其他系统进行数据交互的以太网、RS422、LVDS、1553B以及FC-AE总线接口。。
本发明相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明首次提出了一种航天器通用化综合射频测控系统，可以将运载火箭和导弹武器的遥测、安控、外测、导航、中继等测控功能进行一体化综合集成，实现了硬件通用化设计，解决了测控资源共享的问题，减少了系统的重量、体积、功耗，为运载火箭和导弹武器快速发射和高效投送做出贡献；
(2)当测控系统功能扩展或者裁剪时，不需要再重新开展系统设计，只需要增加或者减少相应的硬件资源和应用软件即可，测控系统的通用化设计可以快速满足不同测控需求；
(3)测控系统一体化设计，实现了不同功能的天线、信道和终端的综合集成，可以有效解决测控系统产品种类多、数量大的难题，为测控系统小型化做出了贡献。
附图说明
图1是本发明航天器通用化综合射频测控系统组成框图。
具体实施方式
本发明针对现有技术的不足，提出一种航天器通用化综合射频测控系统。该测控系统可以将原有分立式的遥测、安控、外测、导航和中继等功能进行高度集成，将各自独立的射频资源和基带资源进行整合，形成航天器通用化综合射频测控系统，大幅减少测控系统的重量、体积功耗，提高系统效能。
如图1所示，本发明提出的一种航天器通用化综合射频测控系统，包括：综合孔径天线、综合射频信道以及综合处理终端；
综合孔径天线将传统遥测、安控、外测、导航、中继功能独立的天线进行综合集成，实现空间电磁波能量和测控系统能量之间的一体化转换，减少飞行器上天线的种类和数量；
综合射频信道将传统的地基遥测功放、中继射频前端、天基遥测功放进行综合集成，实现射频信号和中频信号之间的转换，减少射频信道的种类和数量；
综合处理终端将传统的采编器、中心程序器、安控终端、外测应答机、导航接收机、天基测控终端进行综合集成，实现基带信号的一体化处理，减少终端的种类和数量；
综合处理终端接收外部输入的遥测数据，形成地基遥测帧，之后依次进行编码、调制、数模转换后，通过综合射频信道和综合孔径天线发射出去；
地面发送的安控信号经综合孔径天线和综合射频信道后，通过综合处理终端恢复为安控指令，并将所述安控指令输出至航天器自毁系统；
地面发送的上行外测信号经综合孔径天线和综合射频信道后，通过综合处理终端处理为下行外测信号，再通过综合射频信道和综合孔径天线发送回地面；
卫星导航信号经过综合孔径天线和综合射频信道后，通过综合处理终端恢复导航电文，并进而计算得到航天器的位置和速度；
中继卫星前向信号经综合孔径天线和综合射频信道后，通过综合处理终端恢复为中继遥控指令并提供给相应系统进行遥控控制；综合处理终端接收外部输入的遥测数据，形成中继返向遥测帧，经编码、调制、扩频、数模转换后，通过综合射频信道和综合孔径天线发送出去。
如图1所示，本发明中综合孔径天线将遥测天线、安控天线、外测天线、导航天线以及中继天线进行综合集成，且共用天线孔径。
上行外测信号和下行外测信号共同用于地面测量航天器的实时位置和速度。
进一步的，本发明中综合射频信道包括射频开关矩阵、综合射频接收信道、综合射频发射信道以及中频开关矩阵；
射频开关矩阵完成综合孔径天线和综合射频接收信道之间的选通连接、综合孔径天线和综合射频发射信道之间的选通连接；
综合射频接收信道按照工作频率划分为P频段接收信道、L频段接收信道、S频段接收信道以及C频段接收信道；综合射频发射信道按照工作频率划分为S频段发射信道和C频段发射信道；中频开关矩阵完成综合射频接收信道和综合处理终端之间的选通连接、综合射频发射信道和综合处理终端之间的选通连接。
综合射频接收信道中：
P频段接收信道完成将接收到的P频段射频信号进行低噪声放大、滤波、下变频至中频，滤波放大后输出中频信号；
L频段接收信道完成将接收到的L频段射频信号进行低噪声放大、滤波、下变频至中频，滤波放大后输出中频信号；
S频段接收信道完成将接收到的S频段射频信号进行低噪声放大、滤波、下变频至中频，滤波放大后输出中频信号；
C频段接收信道完成将接收到的C频段射频信号进行低噪声放大、滤波、下变频至中频，滤波放大后输出中频信号。
综合射频发射信道中：
S频段射频发射信道完成将接收到的中频信号上变频至S频段，功率放大、滤波后输出射频信号；
C频段射频发射信道完成将接收到的中频信号上变频至C频段，功率放大、滤波后输出射频信号。
综合处理终端控制射频开关矩阵和中频开关矩阵的选通。综合处理终端包括综合信号处理单元、综合信息处理单元以及综合信息交换单元；
综合信息处理单元接收外部输入的遥测数据，形成地基遥测帧，之后经综合信息交换单元传输至综合信号处理单元，依次进行编码、调制、数模转换后，输出地基遥测中频信号；
地面发送的安控信号经综合孔径天线和综合射频信道后，通过综合信号处理单元解调、译码后恢复为安控指令，之后经综合信息交换单元传输至综合信息处理单元，综合信息处理单元进行安控指令校验，校验通过后输出至航天器自毁系统；
地面发送的上行外测信号经综合孔径天线和综合射频信道后，通过综合信号处理单元处理为下行外测信号，再通过综合射频信道和综合孔径天线发送回地面；
卫星导航信号经过综合孔径天线和综合射频信道后，通过综合信号处理单元恢复导航电文，之后经综合信息交换单元传输至综合信息处理单元，综合信息处理单元根据导航电文计算得到航天器的位置和速度；
中继卫星前向信号经综合孔径天线和综合射频信道后，通过综合信号处理单元恢复为中继遥控指令，之后经过综合信息交换单元传输至综合信息处理单元，综合信息处理单元提供给相应系统进行遥控控制；综合信息处理单元接收外部输入的遥测数据，形成中继返向遥测帧，之后经过综合信息交换单元传输至综合信号处理单元，综合信号处理单元完成编码、调制、扩频、数模转换后，输出中频信号。
如图1所示，综合处理终端还包括综合信息存储单元以及高速传输总线；
综合信息存储单元完成地基遥测帧、安控指令、导航信息、中继前向遥控指令和中继返向遥测帧的存储；综合信号处理单元、综合信息处理单元、综合信息交换单元以及综合信息存储单元之间的信息交互通过高速传输总线进行。
本发明中的高速传输总线采用PCI-E或者SRIO总线。综合信息处理单元设置有与其他系统进行数据交互的以太网、RS422、LVDS、1553B以及FC-AE总线接口。
本发明方案的具体实例如下：
传统测控系统需要遥测天线、安控天线、外测天线、导航天线以及中继5类天线，本发明中测控系统仅需要综合孔径1类天线，减少了航天器天线的种类。
传统测控系统需要地基遥测功放、中继射频前端、天基遥测功放3类射频信道设备，本发明中测控系统仅需要1类综合射频信道，减少了航天器射频信道的种类。
同时按照频率进行信道划分，可以交叉覆盖多种工作频率，在测控系统故障时，可以实现射频信道资源的冗余共享，解决了传统测控系统射频资源无法共用的难题。
传统测控系统需要采编器、中心程序器、安控终端、外测应答机、导航接收机、天基测控终端6类终端设备，本发明中仅需要1种综合处理终端，减少了测控系统终端种类。
同时将终端功能按照信号处理、信息处理、信息交换、信息存储进行模块划分，统一了测控终端内部的模块类别，简化终端设计的复杂度。在同一模块下，可以处理遥测、安控、外测、导航以及中继多种类型的信号，实现了基带资源的冗余共享，解决了传统测控系统基带资源无法共用的难题。
在上述综合化设计后，测控系统的体积、重量、功耗可较传统的测控系统分别减少40％、40％、30％，提高了测控系统的效能。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种航天器通用化综合射频测控系统，其特征在于包括：综合孔径天线、综合射频信道以及综合处理终端；
综合孔径天线实现空间电磁波能量和测控系统能量之间的一体化转换；
综合射频信道实现射频信号和中频信号之间的转换；
综合处理终端接收外部输入的遥测数据，形成地基遥测帧，之后依次进行编码、调制、数模转换后，通过综合射频信道和综合孔径天线发射出去；
地面发送的安控信号经综合孔径天线和综合射频信道后，通过综合处理终端恢复为安控指令，并将所述安控指令输出至航天器自毁系统；
地面发送的上行外测信号经综合孔径天线和综合射频信道后，通过综合处理终端处理为下行外测信号，再通过综合射频信道和综合孔径天线发送回地面；
卫星导航信号经过综合孔径天线和综合射频信道后，通过综合处理终端恢复导航电文，并进而计算得到航天器的位置和速度；
中继卫星前向信号经综合孔径天线和综合射频信道后，通过综合处理终端恢复为中继遥控指令并提供给相应系统进行遥控控制；综合处理终端接收外部输入的遥测数据，形成中继返向遥测帧，经编码、调制、扩频、数模转换后，通过综合射频信道和综合孔径天线发送出去；
所述综合射频信道包括射频开关矩阵、综合射频接收信道、综合射频发射信道以及中频开关矩阵；
射频开关矩阵完成综合孔径天线和综合射频接收信道之间的选通连接、综合孔径天线和综合射频发射信道之间的选通连接；
综合射频接收信道按照工作频率划分为P频段接收信道、L频段接收信道、S频段接收信道以及C频段接收信道；综合射频发射信道按照工作频率划分为S频段发射信道和C频段发射信道；中频开关矩阵完成综合射频接收信道和综合处理终端之间的选通连接、综合射频发射信道和综合处理终端之间的选通连接；
综合处理终端包括综合信号处理单元、综合信息处理单元以及综合信息交换单元；
综合信息处理单元接收外部输入的遥测数据，形成地基遥测帧，之后经综合信息交换单元传输至综合信号处理单元，依次进行编码、调制、数模转换后，输出地基遥测中频信号；
地面发送的安控信号经综合孔径天线和综合射频信道后，通过综合信号处理单元解调、译码后恢复为安控指令，之后经综合信息交换单元传输至综合信息处理单元，综合信息处理单元进行安控指令校验，校验通过后输出至航天器自毁系统；
地面发送的上行外测信号经综合孔径天线和综合射频信道后，通过综合信号处理单元处理为下行外测信号，再通过综合射频信道和综合孔径天线发送回地面；
卫星导航信号经过综合孔径天线和综合射频信道后，通过综合信号处理单元恢复导航电文，之后经综合信息交换单元传输至综合信息处理单元，综合信息处理单元根据导航电文计算得到航天器的位置和速度；
中继卫星前向信号经综合孔径天线和综合射频信道后，通过综合信号处理单元恢复为中继遥控指令，之后经过综合信息交换单元传输至综合信息处理单元，综合信息处理单元提供给相应系统进行遥控控制；综合信息处理单元接收外部输入的遥测数据，形成中继返向遥测帧，之后经过综合信息交换单元传输至综合信号处理单元，综合信号处理单元完成编码、调制、扩频、数模转换后，输出中频信号；
综合孔径天线将遥测天线、安控天线、外测天线、导航天线以及中继天线进行综合集成，且共用天线孔径。
2.根据权利要求1所述的一种航天器通用化综合射频测控系统，其特征在于：上行外测信号和下行外测信号用于地面测量航天器的实时位置和速度。
3.根据权利要求1所述的一种航天器通用化综合射频测控系统，其特征在于：综合射频接收信道中：
P频段接收信道完成将接收到的P频段射频信号进行低噪声放大、滤波、下变频至中频，滤波放大后输出中频信号；
L频段接收信道完成将接收到的L频段射频信号进行低噪声放大、滤波、下变频至中频，滤波放大后输出中频信号；
S频段接收信道完成将接收到的S频段射频信号进行低噪声放大、滤波、下变频至中频，滤波放大后输出中频信号；
C频段接收信道完成将接收到的C频段射频信号进行低噪声放大、滤波、下变频至中频，滤波放大后输出中频信号。
4.根据权利要求1所述的一种航天器通用化综合射频测控系统，其特征在于：综合射频发射信道中：
S频段射频发射信道完成将接收到的中频信号上变频至S频段，功率放大、滤波后输出射频信号；
C频段射频发射信道完成将接收到的中频信号上变频至C频段，功率放大、滤波后输出射频信号。
5.根据权利要求1所述的一种航天器通用化综合射频测控系统，其特征在于：综合处理终端控制射频开关矩阵和中频开关矩阵的选通。
6.根据权利要求1所述的一种航天器通用化综合射频测控系统，其特征在于：综合处理终端还包括综合信息存储单元以及高速传输总线；
综合信息存储单元完成地基遥测帧、安控指令、导航信息、中继前向遥控指令和中继返向遥测帧的存储；
综合信号处理单元、综合信息处理单元、综合信息交换单元以及综合信息存储单元之间的信息交互通过高速传输总线进行。
7.根据权利要求6所述的一种航天器通用化综合射频测控系统，其特征在于：高速传输总线采用PCI-E或者SRIO总线。
8.根据权利要求1所述的一种航天器通用化综合射频测控系统，其特征在于：综合信号处理单元设置有与其他系统进行数据交互的以太网、RS422、LVDS、1553B以及FC-AE总线接口。
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