CN109756260B - 一种量子卫星上行数传系统及其自动操控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子卫星上行数传系统，包括中心系统，中心系统上信息连接有地面测控设备、网管远程操控子系统和中心外网服务器，地面测控设备与网管远程操控子系统信息连接，网管远程操控子系统上信息连接有数传设备。本发明还公开了一种量子卫星上行数传系统的自动操控方法，按照上行数传数据文件准备、数传上行捕获、数传上行注入、数传上行操作完成后状态确认。本发明的行数传系统，结构简单，信息接口设计满足标准化要求，易于实现自动化；本发明的自动操控方法，使用简单。

Description

一种量子卫星上行数传系统及其自动操控方法

技术领域

本发明属于航天测量与控制技术领域，涉及一种量子卫星上行数传系统，本发明还涉及该量子卫星上行数传系统的自动操控方法。

背景技术

量子卫星是中国科学院空间科学战略性先导科技专项中首批确定的科学卫星之一，该项目旨在建立卫星与地面远距离量子科学实验平台，并在此平台上完成量子密钥分发、量子隐形传态、量子纠缠分发、广域量子通信等科学实验。其中量子密钥分发实验需要卫星与地面配合，开展8次数传上下行操作，方可完成星地基矢量比对生成量子密钥。在航天测控领域数传上行尚属首次，为高效、可靠完成量子密钥分发实验8次数传上下行操作，必须搭建可靠的信息交互系统，并设计准确的信息接口，为此，需要在构建量子卫星上行数传装置并设计上行数传自动操控方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种量子卫星上行数传系统，能够实现上行数传数据文件的传输、上行数传信息的捕获以及上行数传数据的注入。

本发明还提供了该量子卫星上行数传系统的自动操控方法，能够实现上行数传数据自动接收、处理及分发。

本发明采用的第一种技术方案是，一种量子卫星上行数传系统，包括中心系统，中心系统上信息连接有地面测控设备、网管远程操控子系统和中心外网服务器，地面测控设备与网管远程操控子系统信息连接，网管远程操控子系统上信息连接有数传设备。

本发明第一种技术方案的特点还在于：

中心系统包括相互信息连接的中心任务系统和中心内网服务器，地面测控设备包括测控基带、数传基带和设备监控分系统，测控基带和数传基带均与设备监控分系统信号连接；

中心任务系统与设备监控分系统、网管远程操控子系统均信息连接；中心内网服务器与中心外网服务器、设备监控分系统均信息连接，设备监控分系统与网管远程操控子系统信息连接。

设备监控分系统与网管远程操控子系统、中心任务系统和中心内网服务器间实时数据传输均采用TCP/UDP/PDXP协议，文件数据传输均采用FEP文件传输协议。

中心任务系统包括DODS，DODS上信息连接有实时测控子系统、中心FEP服务器和数据库子系统；

DODS与设备监控分系统、中心内网服务器、网管远程操控子系统网络层通过TCP/UDP协议连接，DODS与中心内网服务器、网管远程操控子系统的应用层均采用UDF协议连接。

本发明采用的另一种技术方案是，一种量子卫星上行数传系统的自动操控方法，具体按照下述步骤进行：

步骤1，上行数传数据文件准备；

步骤2，数传上行捕获；

步骤3，数传上行注入；

步骤4，数传上行操作完成后状态确认。

本发明另一种技术方案的特点还在于：

步骤1具体按照下述方法进行：

步骤1.1，中心内网服务器接收地面支撑系统发送的上行数传数据文件，并将上行数传数据文件传送至数传基带；

步骤1.2，数传基带收到上行数传数据文件后，向实时测控子系统反馈数据的接收情况。

步骤2具体按照下述方法进行：

步骤2.1，在量子卫星处于任务跟踪弧段内时，实时测控子系统向网管远程操控子系统发送“上行数传信道控制命令”，控制数传设备启动上行数传载波扫描，并完成数传上行数据加调；

在量子卫星处于任务跟踪弧段内时，测控基带接收卫星遥测参数，并将卫星遥测参传送至实时测控子系统，实时测控子系统对卫星遥测参数进行处理，获得星上数传通信机载波锁定指示，并将其加工成星上数传工作状态标志实时发送至网管远程操控子系统；

步骤2.2，网管远程操控子系统根据所述星上数传工作状态标志，判断星上数传载波锁定后，控制数传设备停止扫描，并将停止扫描的信息传送至数传基带完成数传设备的停扫、回零操作；

步骤2.3，数传基带完成停扫、回零操作后，立即通过设备监控分系统向网管远程操控子系统发送测站数传设备综合状态信息；

步骤2.4，网管远程操控子系统向实时测控子系统实时转发数传设备停扫、回零等状态。

步骤3具体按照下述方法进行：

步骤3.1，实时测控子系统接收到网管远程操控子系统转发的数传设备停扫、回零状态后，向网管远程操控子系统发送上行数传加调填充帧命令申请；

步骤3.2，网管远程操控子系统收到上行数传加调填充帧命令申请，立即控制数传基带加调上行填充帧；

步骤3.3，实时测控子系统从卫星遥测参数中分拣出“数传工作状态”参数获得星上数传通信机帧同步指示，并将处理结果以“星上数传工作状态标志”格式向网管远程操控子系统实时发送，同时实时测控子系统向网管远程操控子系统发送上行加调有效数据帧申请；

步骤3.4，网管远程操控子系统根据“星上数传工作状态标志”，判断数传载波锁定且帧同步后，根据实时测控子系统发送的加调数据帧申请，通过数传基带，完成加调数据帧操作；数传基带同时通过设备监控分系统向网管远程操控子系统发送数传设备综合状态及控制命令响应。

步骤4具体按照下述方法进行：

步骤4.1，实时测控子系统通过卫星遥测参数实时判断卫星上行数传数据注入接收情况，根据接收情况设置星上数传工作状态标志Data字段内数传注入接收状态参数，并将其发送至网管远程操控子系统；

步骤4.2，网管远程操控子系统根据星上数传工作状态Data字段内数传注入接收状态参数，判断是否需要暂停加调有效数据帧、重新加调发送有效数据帧；若要重新加调有效数据帧，则重复步骤3，否则本次上行数传操控完毕。

步骤4.3，上行数传文件注入完毕后，数传基带向中心内网服务器返回上行数传小环比对结果，中心内网服务器向实时测控子系统转发小环比对结果用于任务中心事后分析。

本发明的有益效果是

本发明一种量子卫星上行数传系统，结构简单，信息接口设计满足标准化要求，易于实现自动化；

本发明一种量子卫星上行数传系统的自动操控方法，能够实现上行数传数据文件的传输、上行数传信息的捕获以及上行数传数据的注入，能够完成上行数传操控，从而为量子密钥分发实验提供了技术支撑。

附图说明

图1是本发明一种量子卫星上行数传系统结构示意图。

图中，1.中心系统，1-1.中心任务系统，1-1-1，实时测控子系统，1-1-2.中心FEP服务器，1-1-3.数据库子系统，1-2.中心内网服务器，2.地面测控设备，2-1.测控基带，2-2.数传基带，2-3.设备监控分系统，3.网络远程操控子系统，4.中心外网服务器，5.数传设备。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种量子卫星上行数传系统，如图1所示，包括中心系统1，中心系统1包括相互信息连接的中心任务系统1-1和中心内网服务器1-2，其中中心任务系统1-1包括DODS1-1-1，DODS1-1-1上信息连接有实时测控子系统1-1-2、中心FEP服务器1-1-3和数据库子系统1-1-4，其中DODS1-1-1与中心内网服务器1-2信息连接；

中心系统1上信息连接有地面测控设备2、网管远程操控子系统3和中心外网服务器4，网络远程操控子系统3与地面测控设备2信息连接，网络操控子系统3上还连接有数传设备5；

其中地面测控设备2包括测控基带2-1、数传基带2-2和设备监控分系统2-3，测控基带2-1和数传基带2-2均与设备监控分系统2-3信号连接；

中心任务系统1-1中的DODS1-1-1与设备监控分系统2-3、中心内网服务器1-2、网管远程操控子系统3网络层通过TCP/UDP协议连接，DODS1-1-1与中心内网服务器1-2、网管远程操控子系统3和设备监控分系统2-3的应用层均采用UDF协议连接；

设备监控分系统2-3与网管远程操控子系统3、中心任务系统1-1和中心内网服务器1-2间实时数据传输均采用TCP/UDP/PDXP协议，文件数据传输均采用FEP文件传输协议。

发明一种量子卫星上行数传系统中的接口设计为：

中心任务系统与内网服务器系统间接口

a)中心内网服务器1-2->数据库子系统1-1-4

中心内网服务器1-2收到中心外网服务器4发送的上行数传数据文件后，将其存储至数据库子系统1-1-4，并向中心FEP服务器1-1-3发送通知消息。

b)中心内网服务器1-2->实时测控子系统1-1-2

1)中心内网服务器1-2向实时测控子系统1-1-2发送数传数据接收日志信息。

2)中心内网服务器1-2向实时测控子系统1-1-2转发数传基带2-2发送的数传数据文件接收状态指示；传输途径：中心内网服务器1-2->DODS1-1-1->实时测控子系统1-1-2。

3)中心内网服务器1-2接收数传基带2-2下传的上行数传小环比对结果并向实时测控子系统1-1-2转发。传输途径：中心内网服务器1-2->DODS1-1-1-->实时测控子系统1-1-2

c)中心内网服务器1-2->中心FEP服务器1-1-3

中心内网服务器1-2向中心FEP服务器1-1-3发送通知消息(含文件传输目的地址)。

d)接口形式及协议

传输协议：TCP/UDP协议、应用层采用西安中心内部传输协议UDF。

2.2中心FEP服务器1-1-3、中心内网服务器1-2与数传基带2-2接口

a)中心FEP服务器1-1-3->数传基带2-2

由中心FEP服务器1-1-3自动向数传基带2-2(推送上行数传数据文件。传输途径：由中心FEP服务器1-1-3->测控数传基带2-2，采用FEP文件传输协议。

b)数传基带2-2->中心内网服务器1-2

1)上行数传数据文件接收状态指示。传输途径：数传基带2-2->中心内网服务器1-2。

2)上行数传小环比对结果。传输途径：数传基带2-2->中心内网服务器1-2。

3)下行数传数据。传输途径：数传基带2-2->中心内网服务器1-2。

c)接口形式及协议

实时数据传输采用TCP/UDP/PDXP协议，数传数据传输采用FEP文件传输协议。

2.3实时测控子系统1-1-2与网管远程操控子系统之间3接口

a)中心任务实时测控子系统1-1-2->网管远程操控子系统3

1)卫星数传工作状态标志：由任务中心实时处理系统产生。传输途径：实时测控子系统1-1-2->DODS1-1-1->网管远程操控子系统3。

2)上行数传载波启扫控制命令申请：卫星入站后，实时测控子系统1-1-2收到卫星下传遥测信息后，实时测控子系统1-1-2生成上行信道载波启扫命令申请，并向网管远程操控子系统3发送。传输途径：实时测控子系统1-1-2->DODS1-1-1->网管远程操控子系统3。

3)上行数传加调填充帧命令申请：实时测控子系统1-1-2收到网管远程操控子系统3转发(载波启扫命令发出后，基带完成载波捕获后，设备监控分系统发出停扫、回零信息)的设备停扫、回零状态后，实时测控子系统1-1-2立即产生上行数传加调填充帧命令申请，并向网管远程操控子系统3发送。传输途径：实时测控子系统1-1-2->DODS1-1-1>网管远程操控子系统3。

4)上行数传加调有效数据命令申请：网管远程操控子系统控制3数传基带2-2上行加调填充帧数据后，实时测控子系统1-1-2根据卫星下传的遥测判断数传帧同步后，立即生成上行加调有效数据命令申请，并向网管远程操控子系统3发送。传输途径：中心任务实时测控子系统1-1-2->DODS1-1-1->网管远程操作子系统3。

b)网管设备远程操控子系统3->实时测控子系统1-1-2

1)数传上行信道控制命令响应：网管远程操控子系统3向实时测控子系统1-1-2转发设备控制命令响应信息(如停扫、回零、加调填充帧、加调数据帧等)。传输途径：网管远程操控子系统1-1-2->DODS-1-1-1>实时测控子系统1-1-2。

2)设备综合状态。网管远程操控子系统3向实时测控子系统1-1-2转发设备综合状态(数传信道相关)信息。传输途径：网管远程操控子系统3->DODS1-1-1->实时测控子系统1-1-2。

c)接口形式及协议

通信层采用TCP/UDP协议、应用层采用西安中心内部传输协议UDF。

2.4网管设备远程操控子系统与设备监控分系统接口

a)网管远程操控子系统3->设备监控分系统2

上行信道控制命令：网管远程操控子系统3根据实时测控子系统1-1-2发送的上行载波启扫、加调填充帧/有效数据命令申请，向设备监控分系统2发送相应的设备操作命令。

传输途径：网管远程操控子系统3->设备监控网->设备监控分系统2

b)设备监控分系统2->网管远程操控子系统3

1)设备综合状态。传输途径：设备监控分系统2->设备监控网->网管远程操控子系统3。

2)上行信道控制命令响应。传输途径：设备监控分系统2->设备监控网->网管远程操控子系统3。

c)接口形式及协议

通信层采用TCP/UDP协议，应用层采用类似PDXP协议。

其中，(1)实时测控子系统1-1-2增加卫星数传通信机工作状态相关遥测参数的二次处理功能，并生成星上数传工作状态标志，向网管远程操控子系统3持续发送；

(2)网管远程操控子系统3接收中心任务实时测控子系统发送的星上数传工作状态标志及各类控制命令申请，并向实时测控子系统1-1-2转发数传基带2-2工作状态、设备控制命令响应等信息；

(3)实时测控子系统1-1-2根据网管远程操控子系统3转发的设备工作状态、设备控制命令响应信息(启扫、停扫、回零)，加工生成上行数传加调填充帧/加调有效数据命令申请；

(4)网管远程操控子系统3对设备监控分系统2传送数传设备信道控制命令信息；

(5)设备监控分系统2对网管远程操控子系统3传送设备工作状态、数传设备信道控制命令响应等信息；

(6)数传基带2-2向中心内网服务器1-2发送上行数传数据接收状态指示、上行数传小环比对结果信息及下行数传数据；

(7)中心内网服务器1-2将收到的上行数传数据文件存放至中心数据库，并向中心FEP服务器1-1-3发送消息通知；

(8)中心内网服务器1-2收到上行数传数据文件后，向实时测控子系统1-1-2发送相关日志信息；

(9)中心FEP服务器1-1-3通过FEP协议向数传基带发送上行数传数据文件，并具备重传能力。

一种量子卫星上行数传系统及其自动操控方法，其特征在于，具体按照下述步骤进行：

步骤1，上行数传数据文件准备，具体按照下述方法进行：

步骤1.1，中心内网服务器1-2接收地面支撑系统发送的的上行数传数据文件，并将所述上行数传数据文件传送至数传基带2-2；

步骤1.2，数传基带2-2收到上行数传数据文件后，向实时测控子系统1-1-2反馈数据的接收情况。

步骤2，数传上行捕获，具体按照下述方法进行：

步骤2.1，在量子卫星处于任务跟踪弧段内时，实时测控子系统1-1-2向网管远程操控子系统3发送“上行数传信道控制命令”，控制数传设备5启动上行数传载波扫描，并完成数传上行数据加调；

在量子卫星处于任务跟踪弧段内时，测控基带2-1接收卫星遥测参数，并将卫星遥测参传送至实时测控子系统1-1-2，实时测控子系统1-1-2对卫星遥测参数进行处理，获得星上数传通信机载波锁定指示，并将其加工成星上数传工作状态标志实时发送至网管远程操控子系统3；

步骤2.2，网管远程操控子系统3根据所述星上数传工作状态标志，判断星上数传载波锁定后，控制数传设备5停止扫描，并将停止扫描的信息传送至数传基带2-2完成数传设备5的停扫、回零操作；

步骤2.3，数传基带2-2完成停扫、回零操作后，立即通过设备监控分系统1-1-2向网管远程操控子系统3发送测站数传设备综合状态信息；

步骤2.4，网管远程操控子系统3向实时测控子系统1-1-2实时转发数传设备停扫、回零等状态。

步骤3，数传上行注入，具体按照下述方法进行：

步骤3.1，实时测控子系统1-1-2接收到网管远程操控子系统3转发的数传设备停扫、回零状态后，向网管远程操控子系统3发送上行数传加调填充帧命令申请；

步骤3.2，网管远程操控子系统(3)收到上行数传加调填充帧命令申请，立即控制数传基带2-2加调上行填充帧；

步骤3.3，实时测控子系统1-1-2从卫星遥测参数中分拣出“数传工作状态”参数获得星上数传通信机帧同步指示，并将处理结果以“星上数传工作状态标志”格式向网管远程操控子系统3实时发送，同时实时测控子系统1-1-2向网管远程操控子系统3发送上行加调有效数据帧申请；

步骤3.4，网管远程操控子系统3根据“星上数传工作状态标志”，判断数传载波锁定且帧同步后，根据实时测控子系统1-1-2发送的加调数据帧申请，通过数传基带2-2，完成加调数据帧操作；数传基带2-2同时通过设备监控分系统2-3向网管远程操控子系统3发送数传设备综合状态及控制命令响应。

步骤4，数传上行操作完成后状态确认，具体按照下述方法进行：

步骤4.1，实时测控子系统1-1-2通过卫星遥测参数实时判断卫星上行数传数据注入接收情况，根据接收情况设置星上数传工作状态标志Data字段内数传注入接收状态参数，并将其发送至网管远程操控子系统3；

步骤4.2，网管远程操控子系统3根据星上数传工作状态Data字段内数传注入接收状态参数，判断是否需要暂停加调有效数据帧、重新加调发送有效数据帧；若要重新加调有效数据帧，则重复步骤3，否则本次上行数传操控完毕。

步骤4.3，上行数传文件注入完毕后，数传基带2-2向中心内网服务器1-2返回上行数传小环比对结果，中心内网服务器1-2向实时测控子系统1-1-2转发小环比对结果用于任务中心事后分析。

Claims (6)

1.一种量子卫星上行数传系统，其特征在于，包括中心系统(1)，所述中心系统(1)上信息连接有地面测控设备(2)、网管远程操控子系统(3)和中心外网服务器(4)，所述地面测控设备(2)与网管远程操控子系统(3)信息连接，所述网管远程操控子系统(3)上信息连接有数传设备(5)；

所述中心系统(1)包括相互信息连接的中心任务系统(1-1)和中心内网服务器(1-2)，所述地面测控设备(2)包括测控基带(2-1)、数传基带(2-2)和设备监控分系统(2-3)，所述测控基带(2-1)和数传基带(2-2)均与设备监控分系统(2-3)信号连接；

所述中心任务系统(1-1)与设备监控分系统(2-3)、网管远程操控子系统(3)均信息连接；所述中心内网服务器(1-2)与中心外网服务器(4)、设备监控分系统(2-3)均信息连接，所述设备监控分系统(2-3)与网管远程操控子系统(3)信息连接；

所述中心任务系统(1-1)包括DODS(1-1-1)，所述DODS(1-1-1)上信息连接有实时测控子系统(1-1-2)、中心FEP服务器(1-1-3)和数据库子系统(1-1-4)；

所述DODS(1-1-1)与设备监控分系统(2-3)、中心内网服务器(1-2)、网管远程操控子系统(3)网络层通过TCP/UDP协议连接，DODS(1-1-1)与中心内网服务器(1-2)、网管远程操控子系统(3)和设备监控分系统(2-3)的应用层均采用UDF协议连接。

2.根据权利要求1所述的一种量子卫星上行数传系统，其特征在于，所述设备监控分系统(2-3)与网管远程操控子系统(3)、中心任务系统(1-1)和中心内网服务器(1-2)间实时数据传输均采用TCP/UDP/PDXP协议，文件数据传输均采用FEP文件传输协议。

3.一种量子卫星上行数传系统的自动操控方法，其特征在于，具体按照下述步骤进行：

步骤1，上行数传数据文件准备；

步骤2，数传上行捕获；所述步骤2具体按照下述方法进行：

步骤2.1，在量子卫星处于任务跟踪弧段内时，实时测控子系统(1-1-2)向网管远程操控子系统(3)发送“上行数传信道控制命令”，控制数传设备(5)启动上行数传载波扫描，并完成数传上行数据加调；

在量子卫星处于任务跟踪弧段内时，测控基带(2-1)接收卫星遥测参数，并将卫星遥测参传送至实时测控子系统(1-1-2)，实时测控子系统(1-1-2)对卫星遥测参数进行处理，获得星上数传通信机载波锁定指示，并将其加工成星上数传工作状态标志实时发送至网管远程操控子系统(3)；

步骤2.2，网管远程操控子系统(3)根据所述星上数传工作状态标志，判断星上数传载波锁定后，控制数传设备(5)停止扫描，并将停止扫描的信息传送至数传基带(2-2)完成数传设备(5)的停扫、回零操作；

步骤2.3，数传基带(2-2)完成停扫、回零操作后，立即通过设备监控分系统(1-1-2)向网管远程操控子系统(3)发送测站数传设备综合状态信息；

步骤2.4，网管远程操控子系统(3)向实时测控子系统(1-1-2)实时转发数传设备停扫、回零等状态；

步骤3，数传上行注入；

步骤4，数传上行操作完成后状态确认。

4.根据权利要求3所述的一种量子卫星上行数传系统的自动操控方法，其特征在于，所述步骤1具体按照下述方法进行：

步骤1.1，中心内网服务器(1-2)接收地面支撑系统发送的的上行数传数据文件，并将所述上行数传数据文件传送至数传基带(2-2)；

步骤1.2，数传基带(2-2)收到上行数传数据文件后，向实时测控子系统(1-1-2)反馈数据的接收情况。

5.根据权利要求3所述的一种量子卫星上行数传系统的自动操控方法，其特征在于，所述步骤3具体按照下述方法进行：

步骤3.1，实时测控子系统(1-1-2)接收到网管远程操控子系统(3)转发的数传设备停扫、回零状态后，向网管远程操控子系统(3)发送上行数传加调填充帧命令申请；

步骤3.2，网管远程操控子系统(3)收到上行数传加调填充帧命令申请，立即控制数传基带(2-2)加调上行填充帧；

步骤3.3，实时测控子系统(1-1-2)从卫星遥测参数中分拣出“数传工作状态”参数获得星上数传通信机帧同步指示，并将处理结果以“星上数传工作状态标志”格式向网管远程操控子系统(3)实时发送，同时实时测控子系统(1-1-2)向网管远程操控子系统(3)发送上行加调有效数据帧申请；

步骤3.4，网管远程操控子系统(3)根据“星上数传工作状态标志”，判断数传载波锁定且帧同步后，根据实时测控子系统(1-1-2)发送的加调数据帧申请，通过数传基带(2-2)，完成加调数据帧操作；数传基带(2-2)同时通过设备监控分系统(2-3)向网管远程操控子系统(3)发送数传设备综合状态及控制命令响应。

6.根据权利要求3所述的一种量子卫星上行数传系统的自动操控方法，其特征在于，所述步骤4具体按照下述方法进行：

步骤4.1，实时测控子系统(1-1-2)通过卫星遥测参数实时判断卫星上行数传数据注入接收情况，根据接收情况设置星上数传工作状态标志Data字段内数传注入接收状态参数，并将其发送至网管远程操控子系统(3)；

步骤4.2，网管远程操控子系统(3)根据星上数传工作状态Data字段内数传注入接收状态参数，判断是否需要暂停加调有效数据帧、重新加调发送有效数据帧；若要重新加调有效数据帧，则重复步骤3，否则本次上行数传操控完毕；

步骤4.3，上行数传文件注入完毕后，数传基带(2-2)向中心内网服务器(1-2)返回上行数传小环比对结果，中心内网服务器(1-2)向实时测控子系统(1-1-2)转发小环比对结果用于任务中心事后分析。

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