CN110401497A - 基于声波的航天器内部无线通讯方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于声波的航天器内部无线通讯系统，包括至少两个以上的无线通讯节点、航天器的结构、阻尼器，其中，无线通讯节点之间进行点对点通讯或进行广播通讯，无线通讯节点与航天器结构之间存在耦合，使得前者能够在航天器结构中产生声波并检测在航天器结构中传播的声波，航天器结构作为传播声波的介质，按照约定的协议，被与其存在耦合的所有无线通讯节点复用，阻尼器与航天器结构(如果需要限定，主要还是“机械连接”)连接，用于吸收声波，减弱反射回波对通讯质量的不利影响。也公开了一种对应的通讯方法。本发明可减小航天器重量，简化航天器结构布局和设计，便于设备组装、测试和替换，各个设备复用传输介质，可实现多台设备之间通讯。

Description

基于声波的航天器内部无线通讯方法和系统

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，具体涉及航天器内部通讯技术领域，尤其涉及一种以航天器结构为传输介质，用声波在航天器内设备之间交换信息的无线通讯方法和装置。

背景技术

航天器由航天器平台和有效载荷两部分组成。航天器平台又可分为星载计算机、供电系统、姿态与轨道控制、推进、测控、热控、结构与机构等分系统。以星载计算机为中心，各分系统、各有效载荷之间数据、指令等的通信必须依靠星上数据总线来完成。目前，航天器内部设备之间的通讯使用有线数据总线实现，例如MIL-STD-1553B、RS-485、I2C、CAN、Ethernet等。相对于传统有线通讯总线，无线通讯方式的优势体现于：能够极大减小航天器整器的重量，降低分系统之间的耦合度，简化航天器结构布局和设计，易于实现航天器设备快速组装、测试和替换等，因此得到广泛的关注和研究。

国内外对航天器内部无线通讯技术的研究主要有三个方向。一种是移植现有的地面上使用的商用协议如蓝牙、ZigBee、802.11系列等协议；一种是在现有商用协议的基础上剪裁改造出适用于航天领域要求的协议；另一种是根据航天器的要求，为航天器开发专用的无线网络协议。现已报道的航天器内部无线通讯技术，总体来说处于摸索阶段，未形成一致的无线网络协议标准。这些技术普遍使用光波或者无线电波作为信息传递的载体。航天器上的阴影效应和多径效应等不利因素，可能影响光波和无线电波在设备间传输信息。因此，现有无线通讯方法的应用场景主要是星体两侧的太阳翼、卫星及飞船的舱内空间等不存在大体积、大面积的遮挡物的环境中。

随着航天器智能化水平不断提高和航天器在轨健康监测需求的日益强烈，越来越多的设备被安装在航天器舱板外表面。如果用有线方法连接这类设备，则必须在舱板上开孔，并设计电缆走线路径，这增加了航天器上电缆的重量，降低了舱板的强度，并且使设计、装配和测试工作变得复杂。而如果使用现有基于光波或无线电波的无线通讯方法来实现舱外设备与舱内设备之间的通讯，则需要解决航天器金属复合材料舱板对光波和无线电波遮挡的问题。这种应用场景中，现有无线通讯方法面临较大困难，甚至存在因为金属复合材料舱板遮挡和屏蔽过于严重而无法通讯的风险。因此，现有无线通讯方法尚不能较好地解决在航天器舱内和舱外设备之间通讯的问题，需要研究设计一种新的航天器内部无线通讯方法。

发明内容

基于上述问题，为克服现有技术和产品的不足，本发明提出以航天器结构为传输介质，用声波在航天器内设备之间交换信息的无线通讯方法。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

基于声波的航天器内部无线通讯系统，包括至少两个以上的无线通讯节点、航天器的结构、阻尼器，其中，无线通讯节点之间进行点对点通讯或进行广播通讯，无线通讯节点与航天器结构之间存在耦合，使得前者能够在航天器结构中产生声波并检测在航天器结构中传播的声波，航天器结构作为传播声波的介质，按照约定的协议，被与其存在耦合的所有无线通讯节点复用，阻尼器与航天器结构连接，用于吸收声波，减弱反射回波对通讯质量的不利影响。

其中，约定的协议为介质访问控制(MAC)协议，包括频分多路复用(FDM)协议、码分多路复用(CDMA)协议、时分多路复用(TDM)协议、载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)协议等等。

其中，所述无线通讯节点是航天器上进行通讯的设备，包括温度敏感单元和热控管理器等。

其中，每个无线通讯节点又由换能器、耦合器、传感器、通讯控制电路、节点的功能部分组成。

其中，节点的功能部分用于实现该设备节点的具体功能，与节点实现的功能有关。

其中，在航天器结构内传播的声波信号是信息的载体，按照设计约定的调制规则，无线通讯节点发送的信息被调制在声波中，随声波在航天器结构内传播。

进一步地，所述调制规则包括幅值调制、频率调制、相位调制或脉冲调制。

其中，接收信息的无线通讯节点可检测到在航天器结构内传播的声波，并从中解调出传输的信息。

其中，无线通讯节点的功能部分将待发送的信息传递给通讯控制电路，通讯控制电路按照选定的介质复用规则和信号调制方法，根据需要发送的信息，产生调制后的电信号，换能器将调制后的电信号转换为声波信号，声波信号经由耦合器传播进入航天器结构，至此，信息发送过程完成，包含信息的声波在航天器结构中传播；另一无线通讯节点的传感器经由耦合器探测到航天器结构中传播的声波，传感器将声波信号转换为电信号，通讯控制电路解调传感器输出的电信号，获得信息内容，并判断信息的接收方是否为本节点。

进一步地，如果信息是发送给本节点的，那么将信息传递给无线通讯节点的功能部分，否则通讯控制电路将信息丢弃；无线通讯节点的功能部分接收到信息后，即完成了接收信息的过程。

其中，一个无线通讯节点可能仅发送数据或者仅接收数据，此时节点可只包括换能器或者传感器两者中的一个。

其中，航天器结构为航天器上用于安装固定设备的机械结构。

其中，所述机械结构为航天器的舱板或框架。

基于声波的航天器内部无线通讯方法，至少包括两个以上的无线通讯节点，无线通讯节点之间进行1个发送方对1个接收方的点对点通讯，或者进行1个发送方对多个接收方的广播通讯，无线通讯节点与航天器结构之间存在耦合，使得前者能够在航天器结构中产生声波，并检测在航天器结构中传播的声波，航天器结构是传播声波的介质，作为传输介质，航天器结构被与其耦合的所有无线通讯节点复用。

其中，复用包括但不限于时分复用、频分复用或码分复用。

其中，在航天器结构内传播的声波信号是传输信息的载体，无线通讯节点发送的信息被调制在声波中，随声波在航天器结构内传播，接收端的节点检测到在航天器结构内传播的声波，并从中解调出传输的信息。

进一步地，调制方法包括但不限于幅值调制、频率调制、相位调制或脉冲调制。

其中，无线通讯节点发送信息的过程为：将待发送的信息按照选定的介质复用规则和信号调制方法，产生调制后的电信号，将调制后的电信号转换为声波信号，声波信号经由耦合传播进入航天器结构，至此，信息发送过程完成，包含信息的声波在航天器结构中传播；无线通讯节点接收信息的过程为：在航天器结构中传播的声波经由耦合探测到，将声波信号转换为电信号，解调电信号获得信息内容，并判断信息的接收方是否为本无线通讯节点。

进一步地，如果信息是发送给本无线通讯节点的，那么将利用所述信息，否则通讯控制电路将信息丢弃。

本发明的无线通讯方法，相较于有线通讯方法，可以减小航天器重量，简化航天器结构布局和设计，便于设备组装、测试和替换。本发明使用能够在航天器的框架、舱板等结构中传输的声波传递信息，避免航天器结构遮挡无线通讯信号传输的问题，适合于实现航天器舱内和舱外设备之间的无线通讯。使用航天器的框架、舱板等结构作为传输介质，以易于耦合和检测的声波作为载体，能适应航天器上多数设备的安装位置。各个设备复用传输介质，可实现多台设备之间通讯。

附图说明：

图1为本发明的基于声波的航天器内部无线通讯系统的结构示意图。

图中，1-无线通讯节点(此处绘制了3个节点)；2-在航天器结构内传播的声波；3-航天器结构；4-阻尼器。

图2是本发明本发明的基于声波的航天器内部无线通讯系统中无线节点组成框图。

图中，1-无线通讯节点；2-在航天器结构内传播的声波；3-航天器结构；5-换能器；6-耦合器；7-传感器；8-通讯控制电路；9-节点的功能部分。

图3是本发明一具体实施例的通讯方法流程图。

具体实施方式：

以下参照附图对本发明的基于声波的航天器内部无线通讯进行详细说明，但该描述仅仅示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。

如图1所示，本发明的基于声波的航天器内部无线通讯系统，涉及4个部分，包括：1为无线通讯节点；2为在航天器结构内传播的声波信号；3为航天器的结构；4为阻尼器。为实现本发明的方法，至少应包含2个以上的无线通讯节点。节点之间可以进行点对点通讯，也可以进行广播通讯。无线通讯节点1与航天器结构3之间存在耦合，使得前者能够在航天器结构中产生声波2，和(或)检测在航天器结构中传播的声波2。航天器结构3作为传播声波的介质，按照设计约定的规则，被与其存在耦合的所有无线通讯节点1复用。在航天器结构内传播的声波信号2是信息的载体。按照设计约定的调制规则，无线通讯节点1发送的信息被调制在声波中，随声波在航天器结构内传播。接收信息的节点可以检测到在航天器结构内传播的声波2，并从中解调出传输的信息。阻尼器4的作用是吸收声波，减弱反射回波对通讯质量的不利影响。如果反射回波的影响不严重，那么阻尼器4不是必需的。

用本发明方法实现无线通讯的设备，应当具备必要的软件和硬件，使得设备可以作为本专利方法的一个无线通讯节点工作。如图2中，除了设备实现自身功能的软件和硬件(即图中“节点的功能部分9”)之外，还应该包括：5为换能器；6为耦合器；7为传感器；8为通讯控制电路。其中节点的功能部分，是节点中由机械结构和电子学等组成的、用于直接实现节点功能的组件。节点的功能部分和节点具体功能相对应。例如，如果节点是温度敏感单元，相应地其功能部分是测温电子学，包括热电阻、信号调理电路、采集和控制电路等，实现将温度信息转换为电信号的功能。无线通讯节点发送信息的过程为：节点的功能部分9将待发送的信息传递给通讯控制电路8。通讯控制电路8按照选定的介质复用规则和信号调制方法，根据信息产生调制后的电信号。换能器5将调制后的电信号转换为声波信号。声波经由耦合器6传播进入航天器结构3。至此，信息发送过程完成，包含信息的声波2在航天器结构中传播。无线通讯节点接收信息的过程为：在航天器结构3中传播的声波2经由耦合器6被传感器7探测到。传感器7的功能是将声波信号转换为电信号。通讯控制电路8解调传感器7输出的电信号，得到信息内容，并判断信息的接收方是否为本节点。如果信息是发送给本节点的，那么将信息传递给节点的功能部分9，否则通讯控制电路将信息丢弃。节点的功能部分9接收到信息后，即完成了接收信息的全部过程。实际应用中，一个无线通讯节点1可能仅发送数据或者仅接收数据，此时节点可以只包括换能器5或者传感器7两者中的一个。

实施例

为使本发明的技术方案更加清楚，下面结合附图对本发明的一个实施例作详细描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一种实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的方法，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明的保护范围。

本实施例中，存在2个无线通讯节点，包括位于舱外的温度敏感单元和位于舱内的热控管理器，其中，温度敏感单元和热控管理器各为一个“无线通讯节点”。每个“无线通讯节点”由换能器、耦合器以及节点的功能部分等组成。2个无线通讯节点均安装固定在一颗微小卫星上(温度敏感单元安装在微小卫星的舱外，热控管理器安装在微小卫星的舱内，两者都是微小卫星的组成部分，它们之间的通讯是卫星内部的通讯，有别于卫星与地面的通讯等)的同一块铝制舱板上。每个节点中各有1个用本专利方法实现的无线通讯装置。航天器结构，即该舱板，是用于传播声波的介质。在舱板四周与卫星框架紧固连接处，用硫化工艺粘结橡胶基高阻尼材料，形成阻尼器，可以吸收舱板中的反射回波，提高声波通讯质量。本实施例中，选用的介质复用规则为载波侦听多路访问/冲突检测，声波信号调制方法为二进制频移键控调制。

无线通讯装置的各组成部分的实现方法为：换能器由功率放大器和厚度振动型超声压电陶瓷薄片组成。功率放大器是市售功率放大芯片，将来自通讯控制电路的电压信号的功率放大，驱动压电陶瓷薄片振动产生超声波。超声波经耦合器耦合进入航天器舱板结构。传感器由PVDF聚偏氟乙烯压电薄膜、电荷放大器和信号调理电路组成。舱板中传播的声波信号经过耦合器激励压电薄膜振动，由于压电效应薄膜上产生电荷信号。电荷放大器将电荷信号转换为电压信号。信号调理电路将电荷放大器输出的电压信号放大，输出交流电压信号至通讯控制电路。耦合器是用匹配层材料制作的薄片。在换能器与舱板之间的耦合器，薄片的一面为平面，紧贴在换能器的压电陶瓷上，薄片另一面紧贴在舱板上，形状与舱板形状完全配合。为实现较高的声波耦合效率，选择匹配层材料的声阻抗为舱板的声阻抗与压电陶瓷声阻抗的几何平均值。类似地，在传感器与舱板之间的耦合器，薄片的一面紧贴在传感器的压电薄膜上，薄片另一面贴在舱板上，匹配层材料的声阻抗为舱板的声阻抗与压电薄膜声阻抗的几何平均值。通讯控制电路的组成包括DSP、10MHz的振荡器、15MHz的振荡器、2选1模拟开关和过零比较器。10MHz的振荡器和15MHz的振荡器输出的振荡信号分别接在2选1模拟开关的两个输入引脚上。节点的功能部分将待发送的数据通过SPI总线发送至通讯控制电路中的DSP。DSP控制模拟开关，根据待发送的数据是“0”或者“1”选通两路振荡信号中的10MHz或者15MHz输出至换能器，以实现待发送数据的二进制频移键控调制。来自传感器的交流电压信号由过零比较器变为方波信号。DSP通过内置的定时器测量方波信号的频率，根据频率为10MHz或15MHz确定接收到的数据是“0”或“1”，实现对二进制频移键控调制信号的解调。DSP向节点的功能部分请求中断，随后节点的功能部分通过SPI总线从DSP读取接收到的数据。

接下来，结合附图3所示的本发明专利实施例的通讯方法流程图，分步骤描述从发送方无线通讯节点“温度敏感单元”向接收方无线通讯节点“热控管理器”发送一条信息的过程：

步骤S01：发送方无线通讯节点，温度敏感单元的测温电路将需要发送的温度数据用SPI总线传输给本节点的无线通讯装置的通讯控制电路；

步骤S02：在通讯控制电路DSP的控制下，按照载波侦听多路访问/冲突检测的规则确定可以使用通信介质的时机；

步骤S03：当发送方无线通讯节点能够使用介质时，DSP根据发送数据，控制模拟开关选通频率为10MHz或15MHz的振荡信号输出至换能器，实现待发送数据的二进制频移键控调制；

步骤S04：发送方无线通讯节点换能器中的功率放大器将来自通讯控制电路的电压信号的功率放大，驱动压电陶瓷薄片振动产生超声波；

步骤S05：超声波经耦合器耦合进入舱板结构；

步骤S06：超声波离开发送方无线通讯节点在舱板结构中传播；

步骤S07：舱板中的超声波到达接收方无线通讯节点，经过热控管理器中的耦合器进入传感器；

步骤S08：接收方无线通讯节点中的传感器将声波信号变为交流电压信号发送至通讯控制电路；

步骤S09：通讯控制电路中的过零比较器将交流电压信号变为方波，DSP中的定时器测量方波的频率，解调出接收到的数据；

步骤S10：DSP从接收的数据筛选出接收方是本无线通讯节点的数据，将数据用SPI总线传递给热控管理器的功能部分；

步骤S11：热控管理器的功能部分接收到数据，至此实现了一次通讯过程。

相对于现有方法，本专利具有以下优势：

1.本专利涉及的方法属于无线通讯方法，相较于有线通讯方法，不需要额外设计和安装通讯电缆，能够减小航天器重量，简化航天器结构布局和设计，便于设备组装、测试和替换。

2.本专利使用声波传递信息，声波能够在航天器的框架、舱板等结构中传播，避免了用光波、电磁波等作为载体的无线通讯方法，存在信号被航天器金属结构遮挡的问题。因而，本专利的方法特别适合于实现航天器内部的舱内设备和舱外设备之间的无线通讯。

3.航天器的承力筒、舱板以及微小卫星的框架等结构，由金属、复合材料等制成，是优良的声波介质，在其中传输的声波信号能够以良好的质量传输，满足通讯距离的需要。另一方面，航天器上的多数设备都直接固定安装在框架、舱板等结构上，能方便地将声波信号耦合进航天器结构，或者从结构中采集声波信号。因此，用结构传播声波信号的无线通讯方法，能实现安装在航天器上多数位置的设备之间的通讯。

4.本专利涉及的无线通讯方法中，各个设备复用航天器结构作为传输介质，因此可实现多设备之间的通讯。

Claims (19)

1.基于声波的航天器内部无线通讯系统，包括至少两个以上的无线通讯节点、航天器的结构、阻尼器，其中，无线通讯节点之间进行点对点通讯或进行广播通讯，无线通讯节点与航天器结构之间存在耦合，使得前者能够在航天器结构中产生声波并检测在航天器结构中传播的声波，航天器结构作为传播声波的介质，按照约定的协议，被与其存在耦合的所有无线通讯节点复用，阻尼器与航天器结构连接，用于吸收声波，减弱反射回波对通讯质量的不利影响。

2.如权利要求1所述的基于声波的航天器内部无线通讯系统，其中，约定的协议为介质访问控制（MAC）协议，包括频分多路复用（FDM）协议、码分多路复用（CDMA）协议、时分多路复用（TDM）协议、载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）协议等等。

3.如权利要求1所述的基于声波的航天器内部无线通讯系统，其中，所述无线通讯节点是航天器上进行通讯的设备，包括温度敏感单元和热控管理器等。

4.如权利要求1所述的基于声波的航天器内部无线通讯系统，其中，每个无线通讯节点又由换能器、耦合器、传感器、通讯控制电路、节点的功能部分组成。

5.如权利要求4所述的基于声波的航天器内部无线通讯系统，其中，节点的功能部分用于实现该设备节点的具体功能，与节点实现的功能有关。

6.如权利要求1-5任一项所述的基于声波的航天器内部无线通讯系统，其中，在航天器结构内传播的声波信号是信息的载体，按照设计约定的调制规则，无线通讯节点发送的信息被调制在声波中，随声波在航天器结构内传播。

7.如权利要求6所述的基于声波的航天器内部无线通讯系统，其中，所述调制规则包括幅值调制、频率调制、相位调制或脉冲调制。

8.如权利要求1所述的基于声波的航天器内部无线通讯系统，其中，接收信息的无线通讯节点可检测到在航天器结构内传播的声波，并从中解调出传输的信息。

9.如权利要求1所述的基于声波的航天器内部无线通讯系统，其中，无线通讯节点的功能部分将待发送的信息传递给通讯控制电路，通讯控制电路按照选定的介质复用规则和信号调制方法，根据需要发送的信息，产生调制后的电信号，换能器将调制后的电信号转换为声波信号，声波信号经由耦合器传播进入航天器结构，至此，信息发送过程完成，包含信息的声波在航天器结构中传播；另一无线通讯节点的传感器经由耦合器探测到航天器结构中传播的声波，传感器将声波信号转换为电信号，通讯控制电路解调传感器输出的电信号，获得信息内容，并判断信息的接收方是否为本节点。

10.如权利要求1所述的基于声波的航天器内部无线通讯系统，其中，如果信息是发送给本节点的，那么将信息传递给无线通讯节点的功能部分，否则通讯控制电路将信息丢弃；无线通讯节点的功能部分接收到信息后，即完成了接收信息的过程。

11.如权利要求10所述的基于声波的航天器内部无线通讯系统，其中，一个无线通讯节点可能仅发送数据或者仅接收数据，此时节点只包括换能器或者传感器两者中的一个。

12.如权利要求1所述的基于声波的航天器内部无线通讯系统，其中，航天器结构为航天器上用于安装固定设备的机械结构。

13.如权利要求12所述的基于声波的航天器内部无线通讯系统，其中，所述机械结构为航天器的舱板或框架。

14.基于声波的航天器内部无线通讯方法，至少包括两个以上的无线通讯节点，无线通讯节点之间进行1个发送方对1个接收方的点对点通讯，或者进行1个发送方对多个接收方的广播通讯，无线通讯节点与航天器结构之间存在耦合，使得前者能够在航天器结构中产生声波，并检测在航天器结构中传播的声波，航天器结构是传播声波的介质，作为传输介质，航天器结构被与其耦合的所有无线通讯节点复用。

15.如权利要求14所述的基于声波的航天器内部无线通讯方法，其中，复用包括但不限于时分复用、频分复用或码分复用。

16.如权利要求14所述的基于声波的航天器内部无线通讯方法，其中，在航天器结构内传播的声波信号是传输信息的载体，无线通讯节点发送的信息被调制在声波中，随声波在航天器结构内传播，接收端的节点检测到在航天器结构内传播的声波，并从中解调出传输的信息。

17.如权利要求14所述的基于声波的航天器内部无线通讯方法，其中，调制方法包括但不限于幅值调制、频率调制、相位调制或脉冲调制。

18.如权利要求14所述的基于声波的航天器内部无线通讯方法，其中，无线通讯节点发送信息的过程为：将待发送的信息按照选定的介质复用规则和信号调制方法，产生调制后的电信号，将调制后的电信号转换为声波信号，声波信号经由耦合传播进入航天器结构，至此，信息发送过程完成，包含信息的声波在航天器结构中传播；无线通讯节点接收信息的过程为：在航天器结构中传播的声波经由耦合探测到，将声波信号转换为电信号，解调电信号获得信息内容，并判断信息的接收方是否为本无线通讯节点。

19.如权利要求18所述的基于声波的航天器内部无线通讯方法，其中，如果信息是发送给本无线通讯节点的，那么将利用所述信息，否则通讯控制电路将信息丢弃。