CN110319737B - 一种火箭上面级遥测系统功率控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火箭上面级遥测系统功率控制方法及系统，涉及遥测测量技术。本发明采用天基测控方式的测控手段，同时，遥测系统的遥测数据码速率采用高码率和低码率两种状态，遥测系统的遥测发射机功率采用大功率和小功率两种状态；根据火箭上面级飞行时序或地面遥控指令，控制遥测系统在高码率大功率状态和低码率小功率状态之间切换。由于上面级飞行绝大部分时间均处于在轨滑行阶段，仅少量时间处于变轨机动或星箭分离等特征点，故这种遥测码率和发射功率可变的上面级遥测系统功率控制方法，既保证关键遥测参数不间断实时下传，又减小遥测系统耗电量、保证上面级在电池电量有限的情况下长期在轨正常运行。

Description

一种火箭上面级遥测系统功率控制方法及系统

技术领域

本发明涉及遥测测量技术领域，具体是涉及一种火箭上面级遥测系统功率控制方法及系统。

背景技术

上面级是多级火箭的最末级，作用介于运载火箭和航天器之间，具备自主轨道机动能力，飞行时间长。上面级电气系统往往采用一次性电池供电，供电能力有限，对电气设备功耗有着严格的要求。而遥测系统由于需要向空间大功率辐射遥测微波信号，成为上面级用电量最大的电气设备。

为了解决电池供电能力有限的问题，上面级遥测系统通常采用固定低速遥测数据码率和遥测发射机分时开机的策略，降低遥测发射机输出功率要求和开机时长，减少用电量。但该作法存在不足：固定低遥测码率使得传输的遥测信息较少，上面级飞行至某些特征点时大量的关键遥测参数无法实时下传；遥测发射机仅在境内有地面测控保障时开机，使得上面级在轨大部分时间无遥测信息下传、存在风险，且上面级仅能在境内实施机动，大大影响其自主轨道机动的灵活性。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种火箭上面级遥测系统功率控制方法及系统，可保证上面级在电池电量有限的条件下，遥测发射机全程开机，且飞行特征点大数据量关键遥测参数实时下传。

本发明提供一种火箭上面级遥测系统功率控制方法，包括以下步骤：

遥测系统的遥测数据码速率采用高码率和低码率两种状态，遥测系统的遥测发射机功率采用大功率和小功率两种状态；

采用天基测控方式，根据火箭上面级飞行时序或地面遥控指令，控制遥测系统在高码率大功率状态和低码率小功率状态之间切换。

在上述方案的基础上，根据火箭上面级飞行时序或地面遥控指令，控制遥测系统在高码率大功率状态和低码率小功率状态之间切换，包括以下步骤：

当上面级飞行至特征点，有变轨机动或星箭分离等关键动作时，控制遥测系统切换至高码率大功率状态；

当上面级处于在轨滑行段时，控制遥测系统切换至低码率小功率状态。

在上述方案的基础上，根据火箭上面级飞行时序或地面遥控指令，控制遥测系统在高码率大功率状态和低码率小功率状态之间切换，具体包括以下步骤：

当上面级处于在轨滑行段时，中心计算机向遥测系统发出切换至低码率的控制指令，将天基返向遥测码速率从高码率状态切换到低码率状态，同时控制相控阵天线单阵元、小功率、宽波束输出；

当上面级飞行至特征点，发生变轨机动或星箭分离时，中心计算机向遥测系统发出切换至高码率的控制指令，将天基返向遥测码速率从低码率状态切换到高码率状态，同时控制相控阵天线多阵元、大功率、窄波束输出；

未接收到指令时，天基返向遥测码速率及相控阵天线功率维持当前输出状态不变。

在上述方案的基础上，根据火箭上面级飞行时序或地面遥控指令，控制遥测系统在高码率大功率状态和低码率小功率状态之间切换，具体包括以下步骤：

当上面级处于在轨滑行段时，向遥测系统发送中继卫星系统转发的切换至低码率的地面遥控指令，将天基返向遥测码速率从高码率状态切换到低码率状态，同时通过控制相控阵天线单阵元、小功率、宽波束输出；

当上面级飞行至特征点，发生变轨机动或星箭分离时，向遥测系统发送中继卫星系统转发的切换至高码率的地面遥控指令，将天基返向遥测码速率从低码率状态切换到高码率状态，同时控制相控阵天线多阵元、大功率、窄波束输出；

未接收到指令时，天基返向遥测码速率及相控阵天线功率维持当前输出状态不变。

在上述方案的基础上，高码率状态下，码速率为2Mbps，采用BPSK调制方式，相控阵天线EIRP≥26dBW，波束带宽为25°±5°；

低码率状态下，码速率为2Kbps，采用BPSK+扩频的调制方式，相控阵天线EIRP≥0dBW，波束带宽≥120°。

本发明还提供一种火箭上面级遥测系统，包括：

测控中心单元用于：采集火箭遥测参数、输出火箭遥测数据码流、编码调制天基测控返向遥测数据、接收解调天基测控前向遥控指令、计算天基测控相控阵天线指向；根据火箭上面级飞行时序或地面遥控指令，控制遥测数据码速率和天基测控相控阵天线在高码率大功率状态和低码率小功率状态之间切换；

天基测控相控阵天线用于：放大辐射天基测控返向遥测射频信号和控制天线波束；

天基测控接收天线用于：接收天基测控前向遥控信号。

在上述方案的基础上，测控中心单元根据火箭上面级飞行时序或地面遥控指令，控制遥测数据码速率和天基测控相控阵天线在高码率大功率状态和低码率小功率状态之间切换，包括以下步骤：

当上面级飞行至特征点，发生变轨机动或星箭分离时，测控中心单元控制遥测数据码速率和天基测控相控阵天线切换至高码率大功率状态；

当上面级处于在轨滑行段时，测控中心单元控制遥测数据码速率和天基测控相控阵天线切换至低码率小功率状态。

在上述方案的基础上，测控中心单元根据火箭上面级飞行时序或地面遥控指令，控制遥测数据码速率和天基测控相控阵天线在高码率大功率状态和低码率小功率状态之间切换，具体包括以下步骤：

当上面级处于在轨滑行段时，中心计算机向测控中心单元发出切换至低码率的控制指令，测控中心单元将天基返向遥测码速率从高码率状态切换到低码率状态，同时控制天基测控相控阵天线单阵元、小功率、宽波束输出；

当上面级飞行至特征点，发生变轨机动或星箭分离时，中心计算机向测控中心单元发出切换至高码率的控制指令，测控中心单元将天基返向遥测码速率从低码率状态切换到高码率状态，同时控制相控阵天线多阵元、大功率、窄波束输出；

未接收到指令时，天基返向遥测码速率及相控阵天线功率维持当前输出状态不变。

在上述方案的基础上，测控中心单元根据火箭上面级飞行时序或地面遥控指令，控制遥测数据码速率和天基测控相控阵天线在高码率大功率状态和低码率小功率状态之间切换，具体包括以下步骤：

当上面级处于在轨滑行段时，天基测控接收天线接收到中继卫星系统转发的切换至低码率的地面遥控指令，转发给测控中心单元，测控中心单元将天基返向遥测码速率从高码率状态切换到低码率状态，同时控制相控阵天线单阵元、小功率、宽波束输出；

当上面级飞行至特征点，发生变轨机动或星箭分离时，天基测控接收天线接收到中继卫星系统转发的切换至高码率的地面遥控指令时，转发给测控中心单元，测控中心单元将天基返向遥测码速率从低码率状态切换到高码率状态，同时控制相控阵天线多阵元、大功率、窄波束输出；

未接收到指令时，天基返向遥测码速率及相控阵天线功率维持当前输出状态不变。

在上述方案的基础上，高码率状态下，码速率为2Mbps，采用BPSK调制方式，相控阵天线EIRP≥26dBW，波束带宽为25°±5°；

低码率状态下，码速率为2Kbps，采用BPSK+扩频的调制方式，相控阵天线EIRP≥0dBW，波束带宽≥120°。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明采用天基测控方式的测控手段，利用中继卫星系统全球覆盖的特点，上面级将不受地面、海上测控网的束缚，实现飞行任务全程遥测覆盖。同时，遥测系统的遥测数据码速率采用高码率和低码率两种状态，遥测系统的遥测发射机功率采用大功率和小功率两种状态；根据火箭上面级飞行时序或地面遥控指令，控制遥测系统在高码率大功率状态和低码率小功率状态之间切换。由于上面级飞行绝大部分时间均处于在轨滑行阶段，仅少量时间处于变轨机动或星箭分离等特征点，故这种遥测码率和发射功率可变的上面级遥测系统功率控制方法，既保证关键遥测参数不间断实时下传，又减小遥测系统耗电量、保证上面级在电池电量有限的情况下长期在轨正常运行。

具体实施方式

PCM：(Pulse Code Modulation,PCM)，脉冲编码调制。由A.里弗斯于1937年提出的，这一概念为数字通信奠定了基础，60年代它开始应用于市内电话网以扩充容量，使已有音频电缆的大部分芯线的传输容量扩大24~48倍。到70年代中、末期，各国相继把脉码调制成功地应用于同轴电缆通信、微波接力通信、卫星通信和光纤通信等中、大容量传输系统。80年代初，脉冲编码调制已用于市话中继传输和大容量干线传输以及数字程控交换机，并在用户话机中采用。

BPSK：(Binary Phase Shift Keying)，二进制相移键控。是把模拟信号转换成数据值的转换方式之一，利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式。BPSK使用了基准的正弦波和相位反转的波浪，使一方为0，另一方为1，从而可以同时传送接受2值(1比特)的信息。

EIRP：(Effective Isotropic Radiated Power)，有效全向辐射功率，也称为等效全向辐射功率(Equivalent Isotropic Radiated Power)，把卫星和地球站发射天线在波束中心轴向上辐射的功率称为发送设备的 有效全向辐射功率（EIRP），即为无线电发射机供给天线的功率PT与在给定方向上天线绝对增益GT的乘积，表征地球站或转发器的发射能力的重要指标。

dBW：表征功率绝对值的单位，以1W功率为基准的一个比值；计算公式：10lg（功率值/1W）；

dBw和dBm换算关系：0dBw=10*lg1w=10*lg1000mw=30dBm。

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明实施例提供一种火箭上面级遥测系统功率控制方法，包括以下步骤：

遥测系统的遥测数据码速率采用高码率和低码率两种状态，遥测系统的遥测发射机功率采用大功率和小功率两种状态；

采用天基测控方式，根据火箭上面级飞行时序，控制遥测系统在高码率大功率状态和低码率小功率状态之间切换。

采用天基测控方式的测控手段，利用中继卫星系统全球覆盖的特点，上面级将不受地面、海上测控网的束缚，实现飞行任务全程遥测覆盖。

作为优选的实施方式，采用天基测控方式，根据火箭上面级飞行时序，控制遥测系统在高码率大功率状态和低码率小功率状态之间切换，具体包括以下步骤：

当上面级飞行至特征点，有变轨机动或星箭分离等关键动作时，控制遥测系统切换至高码率大功率状态；当上面级处于在轨滑行段时，控制遥测系统切换至低码率小功率状态。由于上面级飞行绝大部分时间均处于在轨滑行阶段，仅少量时间处于变轨机动或星箭分离等特征点，故这种遥测码率和发射功率可变的上面级遥测系统功率控制方法，既保证关键遥测参数不间断实时下传，又减小遥测系统耗电量、保证上面级在电池电量有限的情况下长期在轨正常运行。

本发明实施例还提供一种火箭上面级遥测系统，包括测控中心单元、天基测控相控阵天线、天基测控接收天线。

测控中心单元主要完成火箭遥测参数采集、火箭遥测数据码流输出、天基测控遥测数据编码调制、天基测控遥控指令接收解调、天基测控相控阵天线指向计算等功能；天基测控相控阵天线主要完成天基测控返向遥测射频信号放大辐射和天线波束控制等功能；天基测控接收天线主要完成接收天基测控前向遥控信号的功能。其中，天基测控相控阵天线即为上文提及的遥测发射机。测控中心单元控制天基测控相控阵天线功率和波束。

作为优选的实施方式，上面级遥测系统码速率和发射机功率的切换，由测控中心单元进行控制，主要有两种控制方法：第一种，测控中心单元根据上面级飞行任务规划，按照飞行时序向遥测系统发送状态切换命令，控制其在高码率大功率和低码率小功率工作状态间切换；第二种，测控中心单元根据地面上注的天基测控前向遥控命令，控制遥测系统在高码率大功率和低码率小功率工作状态间切换。

第一种控制方法实施方式如下：

当上面级处于在轨滑行段时，中心计算机给测控中心单元发出控制指令1，测控中心单元接收到该指令后，将天基返向遥测码速率从高码率状态切换到低码率状态，同时控制相控阵天线单阵元、小功率、宽波束输出；

当上面级飞行至特征点，有变轨机动或星箭分离等关键动作时，中心计算机给测控中心单元发出控制指令2，测控中心单元接收到该指令后，将天基返向遥测码速率从低码率状态切换到高码率状态，同时控制相控阵天线多阵元、大功率、窄波束输出；

未接收到指令时，天基返向遥测码速率及相控阵天线功率维持当前输出状态不变。

第二种控制方法实施方式如下：

当上面级处于在轨滑行段时，箭上天基测控接收天线接收到中继卫星系统转发的地面遥控指令，将指令传送至测控中心单元。测控中心单元连续收到两条地面遥控指令1时，将天基返向遥测码速率从高码率状态切换到低码率状态，同时控制相控阵天线单阵元、小功率、宽波束输出；

当上面级飞行至特征点，有变轨机动或星箭分离等关键动作时，测控中心单元连续收到两条地面遥控指令2，将天基返向遥测码速率从低码率状态切换到高码率状态，同时控制相控阵天线多阵元、大功率、窄波束输出；

未接收到指令时，天基返向遥测码速率及相控阵天线功率维持当前输出状态不变。

天基测控遥测PCM数据通过同步RS422接口输入，PCM数据以字节（8bit）为最小单位，先发高位、后发低位，时钟下降沿发数、上升沿读数。

天基返向遥测高码率状态下，码速率为2Mbps，采用BPSK调制方式，相控阵天线EIRP≥26dBW，波束带宽为25°±5°；

天基返向遥测低码率状态下，码速率为2Kbps，由于码速率较低，为提高信道抗干扰能力，采用BPSK+扩频的调制方式，相控阵天线EIRP≥0dBW，波束带宽≥120°。

本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种火箭上面级遥测系统功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

遥测系统的遥测数据码速率采用高码率和低码率两种状态，遥测系统的遥测发射机功率采用大功率和小功率两种状态；

采用天基测控方式，根据火箭上面级飞行时序或地面遥控指令，控制遥测系统在高码率大功率状态和低码率小功率状态之间切换；

根据火箭上面级飞行时序或地面遥控指令，控制遥测系统在高码率大功率状态和低码率小功率状态之间切换，包括以下步骤：

当上面级飞行至特征点，发生变轨机动或星箭分离时，控制遥测系统切换至高码率大功率状态；

当上面级处于在轨滑行段时，控制遥测系统切换至低码率小功率状态。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：根据火箭上面级飞行时序或地面遥控指令，控制遥测系统在高码率大功率状态和低码率小功率状态之间切换，具体包括以下步骤：

当上面级处于在轨滑行段时，中心计算机向遥测系统发出切换至低码率的控制指令，将天基返向遥测码速率从高码率状态切换到低码率状态，同时控制相控阵天线单阵元、小功率、宽波束输出；

当上面级飞行至特征点，发生变轨机动或星箭分离时，中心计算机向遥测系统发出切换至高码率的控制指令，将天基返向遥测码速率从低码率状态切换到高码率状态，同时控制相控阵天线多阵元、大功率、窄波束输出；

未接收到指令时，天基返向遥测码速率及相控阵天线功率维持当前输出状态不变。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：根据火箭上面级飞行时序或地面遥控指令，控制遥测系统在高码率大功率状态和低码率小功率状态之间切换，具体包括以下步骤：

当上面级处于在轨滑行段时，向遥测系统发送中继卫星系统转发的切换至低码率的地面遥控指令，将天基返向遥测码速率从高码率状态切换到低码率状态，同时控制相控阵天线单阵元、小功率、宽波束输出；

当上面级飞行至特征点，发生变轨机动或星箭分离时，向遥测系统发送中继卫星系统转发的切换至高码率的地面遥控指令，将天基返向遥测码速率从低码率状态切换到高码率，同时控制相控阵天线多阵元、大功率、窄波束输出；

未接收到指令时，天基返向遥测码速率及相控阵天线功率维持当前输出状态不变。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

高码率状态下，码速率为2Mbps，采用BPSK调制方式，相控阵天线EIRP≥26dBW，波束带宽为25°±5°；

低码率状态下，码速率为2Kbps，采用BPSK+扩频的调制方式，相控阵天线EIRP≥0dBW，波束带宽≥120°。

5.一种火箭上面级遥测系统，其特征在于，包括：

测控中心单元用于：采集火箭遥测参数、输出火箭遥测数据码流、编码调制天基测控返向遥测数据、接收解调天基测控前向遥控指令、计算天基测控相控阵天线指向；根据火箭上面级飞行时序或地面遥控指令，控制遥测数据码速率和天基测控相控阵天线在高码率大功率状态和低码率小功率状态之间切换；

天基测控相控阵天线用于：放大辐射天基测控返向遥测射频信号和控制天线波束；

天基测控接收天线用于：接收天基测控前向遥控信号；

所述测控中心单元还用于：

当上面级飞行至特征点，发生变轨机动或星箭分离时，测控中心单元控制遥测数据码速率和天基测控相控阵天线切换至高码率大功率状态；

当上面级处于在轨滑行段时，测控中心单元控制遥测数据码速率和天基测控相控阵天线切换至低码率小功率状态。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于：测控中心单元根据火箭上面级飞行时序或地面遥控指令，控制遥测数据码速率和天基测控相控阵天线在高码率大功率状态和低码率小功率状态之间切换，具体包括以下步骤：

当上面级处于在轨滑行段时，中心计算机向测控中心单元发出切换至低码率的控制指令，测控中心单元将天基返向遥测码速率从高码率状态切换到低码率状态，同时控制天基测控相控阵天线单阵元、小功率、宽波束输出；

当上面级飞行至特征点，发生变轨机动或星箭分离时，中心计算机向测控中心单元发出切换至高码率的控制指令，测控中心单元将天基返向遥测码速率从低码率状态切换到高码率状态，同时控制相控阵天线多阵元、大功率、窄波束输出；

未接收到指令时，天基返向遥测码速率及相控阵天线功率维持当前输出状态不变。

7.如权利要求5所述的系统，其特征在于：测控中心单元根据火箭上面级飞行时序或地面遥控指令，控制遥测数据码速率和天基测控相控阵天线在高码率大功率状态和低码率小功率状态之间切换，具体包括以下步骤：

当上面级处于在轨滑行段时，天基测控接收天线接收到中继卫星系统转发的切换至低码率的地面遥控指令，转发给测控中心单元，测控中心单元将天基返向遥测码速率从高码率状态切换到低码率状态，同时控制相控阵天线单阵元、小功率、宽波束输出；

当上面级飞行至特征点，发生变轨机动或星箭分离时，天基测控接收天线接收到中继卫星系统转发的切换至高码率的地面遥控指令时，转发给测控中心单元，测控中心单元将天基返向遥测码速率从低码率状态切换至高码率状态，同时控制相控阵天线多阵元、大功率、窄波束输出；

未接收到指令时，天基返向遥测码速率及相控阵天线功率维持当前输出状态不变。

8.如权利要求5所述的系统，其特征在于：

高码率状态下，码速率为2Mbps，采用BPSK调制方式，相控阵天线EIRP≥26dBW，波束带宽为25°±5°；

低码率状态下，码速率为2Kbps，采用BPSK+扩频的调制方式，相控阵天线EIRP≥0dBW，波束带宽≥120°。