CN109786978A - 一种实现卫星与地面通信的地面站 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现卫星与地面通信的地面站，解决了原有地面站体积庞大，可靠性低的问题，并极大程度上降低了地面站成本，实现了自动跟踪及一站多星的信号收发。本发明设计由天线分系统、信号处理系统组成。天线分系统由两组UHF天线阵和两组VHF天线阵组成，其中每组UHF和VHF均由两款相互垂直的八木天线合成为的圆极化天线构成。信号处理系统是由上行放大电路和下行滤波电路及下行低噪放组成，其中上行放大电路完成了对usrp输出信号的两级放大，下行滤波采取了通用的图传滤波器完成对437.645MHz的带通滤波，下行低噪放完成了对下行信号的低噪声放大。

Description

一种实现卫星与地面通信的地面站

技术领域

本发明属于卫星测控通信领域，特别是一种实现卫星与地面通信的地面站。

背景技术

近年来，我国在航天研究方面发展迅速。随着航天研究的深入，对低轨道空间的探测任务与对地探测任务的需求逐渐上升，而传统卫星存在研发周期长、投入成本高、功能密度小等不足。针对此类低轨道空间任务，立方体卫星被研制了出来，取得了飞速发展，并得到了实际应用。

立方体卫星是一种尺寸为10cm×10cm×10cm的立方体模块或其组合体的微纳小卫星，具有体积小、成本低、标准化的特点。卫星地面测控系统是负责卫星与地面通信的设备，除了完成卫星和地面数据通信的功能外，还有一个重要功能就是将足够小的卫星信号进行放大，并将地面信号放大发出。这就要求测控系统的天线具有很高的增益和很好的方向性，同时要求地面功率放大器有足够大的放大倍数。针对上述要求，一般选用传统的八木天线。通过对传统八木天线优化分析设计，得到一副高增益的天线，包含上行频段145MHz和下行频段435MHz。

然而，对于这种高增益的天线，其一大特点就是体型大，传统的卫星地面测控系统采用2根长6m左右的天线，并且每根VHF八木天线具有22个单元，每根UHF八木天线具有42个单元，每个引向振子的长度也均不一致，在制造和装配方面非常困难，精度难以保证。

发明内容

本发明的目的在于设计了一种实现卫星与地面通信的地面站，利用两组UHF天线阵和两组VHF天线阵组成天线分系统，利用上行放大电路、下行滤波电路和下行低噪放组成信号处理系统，以解决原有地面站体积庞大，可靠性低的问题。

本发明所采用的技术方案是：

一种实现卫星与地面通信的地面站，包括接收天线阵、发射天线阵、天线支撑件、旋转器、电缆支架、第一功分器、第二功分器、第一合成器、第二合成器，所述接收天线阵包括对称安装在所述天线支撑件两侧的两个圆极化UHF天线，所述发射天线阵包括对称安装在所述天线支撑件两侧的两个圆极化VHF天线，所述圆极化VHF天线位于圆极化UHF天线的外侧，所述两个圆极化UHF天线和两个圆极化VHF天线的末端固定于电缆支架上，所述旋转器安装于天线支撑件的中间，所述第一合成器为UHF圆极化合成器，所述第一合成器设置于所述发射天线阵的下端，所述第二合成器为VHF圆极化合成器，所述第二合成器设置于所述接收天线阵的下端，所述第一功分器和第二功分器设置于电缆支架上，所述两个圆极化UHF天线通过第二功分器同向合成，所述两个圆极化VHF天线通过第一功分器同向合成，

每个圆极化VHF天线包括8个VHF天线振子单元，每个VHF天线振子单元包括相互垂直设置的一个VHF天线H振子和一个VHF天线V振子，每个圆极化UHF天线包括14个UHF天线振子单元，每个UHF天线振子单元包括相互垂直设置的一个UHF天线H振子和一个UHF天线V振子。

进一步地，所述第一功分器是145M功分器，所述第二功分器是435M功分器。

进一步地，每个圆极化VHF天线自上而下的第一个VHF天线振子单元包括长度为968mm的第一VHF天线H振子和位于其下方的长度为968mm的第一VHF天线V振子，第二个VHF天线振子单元包括长度为947mm的第二VHF天线H振子和位于其下方的长度为947mm的第二VHF天线V振子，第三个VHF天线振子单元包括长度为848mm的第三VHF天线H振子和位于其下方的长度为848mm的第三VHF天线V振子，第四至第八个VHF天线振子单元和第三个VHF天线振子单元结构一致。

进一步地，每个VHF天线振子单元内的VHF天线H振子和VHF天线V振子的间距相等。

进一步地，每个VHF天线振子单元内的VHF天线H振子和VHF天线V振子的间距均为110mm。

进一步地，每个圆极化UHF天线自上而下的第一个UHF天线振子单元包括长度为354mm的第一UHF天线V振子和位于其下方的长度为354mm的第一UHF天线H振子，第二个UHF天线振子单元包括长度为295mm的第二UHF天线V振子和位于其下方的长度为295mm的第二UHF天线H振子，第三个UHF天线振子单元包括长度为268.8mm的第三UHF天线V振子和位于其下方的长度为268.8mm的第三UHF天线H振子，第四至第十四个UHF天线振子单元和第三个UHF天线振子单元结构一致。

进一步地，每个UHF天线振子单元内的UHF天线H振子和UHF天线V振子的间距相等。

进一步地，每个VHF天线振子单元内的UHF天线H振子和UHF天线V振子的间距均为60mm。

功分器全称功率分配器，是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，也称为合路器。

本发明主要解决的问题是提供了一套地面测控系统，包括两套高增益的UHF和高增益的VHF天线，和上行功率放大器。下行方案是通过高增益的天线跟踪卫星，将微弱的卫星信号放大，进而方便后续处理；上行则是通过一个大功率放大器对信号进行大功率放大然后通过高增益的VHF天线发出，确保卫星能够收到地面信号。

本发明的有益效果是：本发明的地面站结构简单，适用于V频段在140～150MHz，U频段在430～450MHz的卫星，传统的卫星地面测控系统的天线引向振子的长度不一，本发明将所有的引向振子的长度做成一样，即在一种圆极化八木天线上只存在3种不同长度的振子，VHF天线振子单元由22个降为8个，UHF天线振子单元由42个降为14个，极大程度地方便了加工和装配，保证了加工和安装的精度要求；传统的卫星地面测控系统的天线为2根，长度达6m，本发明采用4根总长度为3m左右的天线，增多了收发信号天线的数量，起到了降低噪声的作用，提高了工作的稳定性，相对于已有地面站尺寸大大减小，使得制造装配和维修都较为容易，降低了成本。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明实现卫星与地面通信的地面站组成示意图。

图2是本发明UHF天线设计示意图。

图3是本发明VHF天线设计示意图。

图4是本发明UHF天线方向示意图。

图5是本发明VHF天线方向示意图。

图6是本发明上行放大的原理框图。

图中，1.圆极化VHF天线，2.天线支撑件，3.电缆支架，4.圆极化UHF天线，5.第一功分器，6.旋转器，7.第二功分器，8.第一合成器，9.第二合成器。

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。

本发明是一种实现卫星与地面通信的地面站，如图1所示，包括天线支撑件2，天线支撑件2上对称安装有圆极化VHF天线1和圆极化UHF天线4，中心安装有旋转器6，圆极化VHF天线1和圆极化UHF天线4的末端固定在电缆支架3上，电缆支架3上安装有第一功分器5、第二功分器7、UHF圆极化合成器8、VHF圆极化合成器9。在整个系统中，由两根UHF天线4组合成接收天线阵，两根VHF天线1组合成发射天线阵；它们分别通过435M功分器7、145M功分器5进行同相合成，第一功分器是145M功分器，第二功分器7是435M功分器。

圆极化UHF和VHF天线的设计如图2、图3所示。每个圆极化VHF天线1包括8个VHF天线振子单元，每个VHF天线振子单元包括相互垂直设置的一个VHF天线H振子(平行于水平面布置的振子)和一个VHF天线V振子(垂直于水平面布置的振子)，每个圆极化UHF天线4包括14个UHF天线振子单元，每个UHF天线振子单元包括相互垂直设置的一个UHF天线H振子和一个UHF天线V振子。图2中圆极化UHF天线左侧的数值表示以第一根V振子的位置为基准(记为0)，V振子位于图中从0刻度的位置垂直于纸面的方向，并且在图中天线的位于纸面内和纸面外的两个方向延伸，图2、3中天线左侧的振子位置刻度右侧的细线为振子所在位置刻度的引出标识线，相应V振子和H振子的位置刻度标识其相对于0刻度的位置；右侧的数值代表相应振子的长度。图3中圆极化VHF天线左侧的数值表示以第一根H振子的位置为基准(记为0)，相应V振子和H振子的位置如图所示，右侧的数值代表相应振子的长度。本方案中将所有的引向振子的长度做成一样，即在一种圆极化八木天线中只有3种不同长度的振子(引向振子指的就是第三组到最后一组振子单元的振子，天线第一组最长的是起反射作用，第二组是与馈电相连的振子，第三组到最后一组起引向的作用，与馈电相连的是有源振子，比有源振子略长的是反射振子，比有源振子略短的是引向振子，引向振子有多组，就是第三组到最后一组单元的振子，本发明中将它们的长度做成一样。)，极大程度上方便了加工和装配，而且将总长度减少为3m左右，相对于已有地面站尺寸大大减小。其中，UHF天线增益13.7dBi、中心频率440MHz、带宽大于20MHz，其增益大于10.7dBi的波束宽度为33°，这使得在轨道预报和自动跟踪的过程允许有一定角度跟踪偏差，极大程度增加了对准和信号接收的稳定性；VHF天线增益12.4dBi、中心频率145MHz、带宽大于20MHz，其增益大于9.4dBi的波束宽度为49.2°，这使得在轨道预报和自动跟踪的过程允许有一定角度跟踪偏差，极大程度增加了对准和信号发射的稳定性。

圆极化UHF天线方向和VHF天线方向示意图如图4、图5所示。坐标系以笛卡尔坐标系Oxyz为基础，将yOz平面以逆时针方向转至所截取平面的角度记为φ。在所截取平面中，以30°的角度作为分度，画出圆极化UHF天线增益和VHF天线增益线，如图4、图5中粗线条所示。图中最大外圆内的数字表示该处增益的分贝数，与增益曲线相交的实心圆为0dB增益线，在增益线上将最大增益的一半的点与中心点相连接组成的角叫做半功率波束宽度。

对于各个天线的圆极化合成应该考虑到的是90度相位角和水平和垂直振子分布距离差d的叠加结果：

补偿相位角θ＝90±d/λ*360

补偿电缆长度l＝θ/360*λ

其中，λ为各自频率的波长；在实际制作中应该考虑实际拼装因素的影响，而以此理论值为基础进行反复的测试、调整；在这个过程中需要用到矢量网络分析仪，测试矢量网络分析仪S21；根据接收的信号矢量角度对调相线缆的长度进行调整。

本方案中对于上行放大采用的是120W大功率放大电路，原理框图如图6所示。其设计思路为将usrp的输出信号进行一级小功率放大达到33dBm；然后通过13dB衰减器到第二级电路的安全输入功率20dBm；再通过功分器将信号分成2路17dBm，分别输入到2个二级放大器进行放大；最后将放大过后的信号进行大功率合成输出到天线(可以增加滤波器滤除谐波)。

本发明的工作原理为：当天线接收信号时，两根UHF天线4组合成接收天线阵接收频率为435MHz的信号。卫星发射信号功率为27dBm，其轨道高度与地面的距离为500km，该高度频率为435MHz的信号经过空气衰减，功率下降140dBm左右，到达天线处的信号功率为-113dBm。功率为-113dBm的信号经地面的天线增益12dBm，功率达-101dBm。最后经低噪放增益30dBm，使得最终功率为-71dBm。接收机的灵敏度可以接收到功率为-90dBm的信号，余量约为20dBm。

当天线发射信号时，两根VHF天线1组合成发射天线阵发射频率为145MHz的信号，此时发射的信号功率为50dBm，接收信号的卫星轨道高度与地面的距离为500km，地面频率为145MHz的信号经过空气衰减到达该高度，功率下降130dBm左右，到达卫星处的信号功率应为-80dBm。但由于地面天线增益10dBm，使得最终功率达-70dBm。这样，就实现了卫星与地面信号的传输。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种实现卫星与地面通信的地面站，其特征在于包括接收天线阵、发射天线阵、天线支撑件(2)、旋转器(6)、电缆支架(3)、第一功分器(5)、第二功分器(7)、第一合成器(8)、第二合成器(9)，所述接收天线阵包括对称安装在所述天线支撑件(2)两侧的两个圆极化UHF天线(4)，所述发射天线阵包括对称安装在所述天线支撑件(2)两侧的两个圆极化VHF天线(1)，所述圆极化VHF天线(1)位于圆极化UHF天线(4)的外侧，所述两个圆极化UHF天线(4)和两个圆极化VHF天线(1)的末端固定于电缆支架(3)上，所述旋转器(6)安装于天线支撑件(2)的中间，所述第一合成器(8)为UHF圆极化合成器，所述第一合成器(8)设置于所述发射天线阵的下端，所述第二合成器(9)为VHF圆极化合成器，所述第二合成器(9)设置于所述接收天线阵的下端，所述第一功分器(5)和第二功分器(7)设置于电缆支架(3)上，所述两个圆极化UHF天线(4)通过第二功分器(7)同向合成，所述两个圆极化VHF天线(1)通过第一功分器(5)同向合成，

每个圆极化VHF天线(1)包括8个VHF天线振子单元，每个VHF天线振子单元包括相互垂直设置的一个VHF天线H振子和一个VHF天线V振子，每个圆极化UHF天线(4)包括14个UHF天线振子单元，每个UHF天线振子单元包括相互垂直设置的一个UHF天线H振子和一个UHF天线V振子。

2.根据权利要求1所述的地面站，其特征在于，所述第一功分器(5)是145M功分器，所述第二功分器(7)是435M功分器。

3.根据权利要求1或2所述的地面站，其特征在于，每个圆极化VHF天线(1)自上而下的第一个VHF天线振子单元包括长度为968mm的第一VHF天线H振子和位于其下方的长度为968mm的第一VHF天线V振子，第二个VHF天线振子单元包括长度为947mm的第二VHF天线H振子和位于其下方的长度为947mm的第二VHF天线V振子，第三个VHF天线振子单元包括长度为848mm的第三VHF天线H振子和位于其下方的长度为848mm的第三VHF天线V振子，第四至第八个VHF天线振子单元和第三个VHF天线振子单元结构一致。

4.根据权利要求3所述的地面站，其特征在于，每个VHF天线振子单元内的VHF天线H振子和VHF天线V振子的间距相等。

5.根据权利要求4所述的地面站，其特征在于，每个VHF天线振子单元内的VHF天线H振子和VHF天线V振子的间距均为110mm。

6.根据权利要求3所述的地面站，其特征在于，每个圆极化UHF天线(4)自上而下的第一个UHF天线振子单元包括长度为354mm的第一UHF天线V振子和位于其下方的长度为354mm的第一UHF天线H振子，第二个UHF天线振子单元包括长度为295mm的第二UHF天线V振子和位于其下方的长度为295mm的第二UHF天线H振子，第三个UHF天线振子单元包括长度为268.8mm的第三UHF天线V振子和位于其下方的长度为268.8mm的第三UHF天线H振子，第四至第十四个UHF天线振子单元和第三个UHF天线振子单元结构一致。

7.根据权利要求6所述的地面站，其特征在于，每个UHF天线振子单元内的UHF天线H振子和UHF天线V振子的间距相等。

8.根据权利要求7所述的地面站，其特征在于，每个VHF天线振子单元内的UHF天线H振子和UHF天线V振子的间距均为60mm。