CN110417459A - 一种通用uhf/vhf微纳卫星测控站及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于卫星测控通信技术领域，公开了一种通用UHF/VHF微纳卫星测控站及其实现方法，该微纳卫星测控站包括控制台、发射天线模块、第一驱动机构、功率放大器、SDR发射机、接收天线模块、第二驱动机构、SDR接收机和低噪声放大器，发射天线模块包括第一切换开关、UHF发射天线和VHF发射天线；接收天线模块包括第二切换开关、UHF接收天线和VHF接收天线。本发明的微纳卫星测控站可以在“UHF频点发射/VHF频点接收”和“VHF频点发射/UHF频点接收”两种工作模式之间灵活切换，解决了微纳卫星测控站发射通道和接收通道的通用性问题；本发明的微纳卫星测控站可以和多种微纳卫星实现通信，解决了微纳卫星测控站信号处理系统的通用性问题。

Description

一种通用UHF/VHF微纳卫星测控站及其实现方法
技术领域
本发明属于卫星测控通信技术领域，具体涉及一种通用UHF/VHF微纳卫星测控站及其实现方法。
背景技术
传统的卫星通常价格昂贵、体积庞大，一般只有政府、军方、科研院所等才有能力发射和运营；随着航天技术的发展，重量轻、体积小、功耗低、研制周期短的微纳卫星(如立方星)趋于成熟，特别是商业航天兴起后，微纳卫星不仅用于实验和教育，也承担“业务星”的角色，因此微纳卫星越发受到关注。传统的卫星测控频段主要是S频段，但是S频段的申请流程十分繁琐困难。国际电信联盟(ITU)将UHF频段内的435MHz～438MHz和VHF频段内的144MHz～146MHz作为业余无线电频段，由于UHF/VHF业余无线电频段申请流程简便，性价比高，所以全球大部分微纳卫星均采用UHF/VHF业余无线电频段进行测控。
现有的大部分UHF/VHF微纳卫星测控站发射/接收天线工作频点固定，只能工作于“UHF频点发射/VHF频点接收”或者“VHF频点发射/UHF频点接收”两种工作模式中的一种，不能灵活切换两种工作模式，从而限制了微纳卫星测控站的应用场景，比如“UHF频点发射/VHF频点接收”的微纳卫星测控站只能和“VHF频点发射/UHF频点接收”的微纳卫星通信，“VHF频点发射/UHF频点接收”的微纳卫星测控站只能和“UHF频点发射/VHF频点接收”的微纳卫星通信。
另外，现有的大部分微纳卫星测控站，其信号处理采用硬件电路实现，从而不能实现灵活更改通信系统的调制解调类型(如BPSK/GMSK/GFSK/AFSK等)、编译码方式(如卷积码/Turbo/LDPC等)，一旦需求更改，不能够迅速完成改变甚至需要重新制作通信系统电路。少部分UHF/VHF微纳卫星测控站的信号处理虽采用软件定义的无线电(SDR)实现，但是其仍然是针对单一种类卫星，信号处理系统仍未做到通用性，比如无法与其他调制方式、编码方式的卫星通信。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种通用UHF/VHF微纳卫星测控站及其实现方法，其可以在“UHF频点发射/VHF频点接收”和“VHF频点发射/UHF频点接收”两种工作模式之间灵活切换，解决了微纳卫星测控站的发射通道和接收通道的通用性问题，而且其基于软件无线电的通用信号处理系统，使得整个通信系统的功能和参数可以根据需求灵活改变，使得微纳卫星测控站可以和多种微纳卫星实现通信，从而解决了微纳卫星测控站信号处理系统的通用性问题。
本发明所采用的技术方案为：一种通用UHF/VHF微纳卫星测控站，包括：
发射天线模块，包括第一切换开关、UHF发射天线和VHF发射天线，所述第一切换开关分别与UHF发射天线和VHF发射天线连接；
第一驱动机构，用于驱动所述发射天线模块转动；
SDR发射机，用于处理发射通道数字信号；
功率放大器，所述功率放大器分别与发射天线模块和SDR发射机连接；
接收天线模块，包括第二切换开关、UHF接收天线和VHF接收天线，所述第二切换开关分别与UHF接收天线和VHF接收天线连接；
第二驱动机构，用于驱动接收天线模块转动；
SDR接收机，用于处理接收通道数字信号；
低噪声放大器，所述低噪声放大器分别与接收天线模块和SDR接收机连接；
控制台，控制台分别与SDR发射机、第一驱动机构、第一切换开关、SDR接收机、第二驱动机构和第二切换开关连接。
作为优选方式，所述控制台设有卫星轨道预报模块，所述卫星轨道预报模块用于预报微纳卫星的位置，当微纳卫星过境时，控制台控制第一驱动机构和第二驱动机构运行使发射天线模块和接收天线模块的最大增益方向对准微纳卫星信号方向。
作为优选方式，所述SDR发射机包括第一射频处理单元、通用调制模块和通用编码模块，所述第一射频处理单元与功率放大器连接，所述通用调制模块分别与第一射频处理单元和通用编码模块连接，所述通用编码模块与控制台连接。
作为优选方式，所述SDR接收机包括第二射频处理单元、通用解调模块和通用译码模块，所述第二射频处理单元与低噪声放大器连接，所述通用解调模块分别与第二射频处理单元和通用译码模块连接，所述通用译码模块与控制台连接。
作为优选方式，所述第一切换开关和第二切换开关均为射频开关。
作为优选方式，所述UHF发射天线、VHF发射天线、UHF接收天线和VHF接收天线均为圆极化天线。
作为优选方式，所述功率放大器的工作带宽为fTx1～fTx2，且fTx1≤144MHz，fTx2≥438MHz。
作为优选方式，所述低噪声放大器的工作带宽为fRx1～fRx2，且fRx1≤144MHz，fRx2≥438MHz。
本发明所采用的另一技术方案为：一种通用UHF、VHF微纳卫星测控站的实现方法，包括以下步骤：
S1，搭建发射天线模块和接收天线模块，所述发射天线模块包括UHF发射天线和VHF发射天线，所述接收天线模块包括UHF接收天线和VHF接收天线；
S2，为发射天线模块和接收天线模块分别设置第一切换开关和第二切换开关，第一切换开关用于对UHF发射天线和VHF发射天线进行切换，第二切换开关用于对UHF接收天线和VHF接收天线进行切换；
S3，利用软件无线电平台搭建用于处理发射通道数字信号的SDR发射机；
S4，为SDR发射机设置一个用于放大发射信号功率的功率放大器；
S5，利用软件无线电平台搭建用于处理接收通道数字信号的SDR接收机；
S6，为SDR接收机设置一个用于放大接收信号功率的低噪声放大器；
S7，为发射天线模块和接收天线模块分别设置第一驱动机构和第二驱动机构，第一驱动机构和第二驱动机构分别用于驱动发射天线模块和接收天线模块转动；
S8，搭建控制台，所述控制台的功能包括微纳卫星轨道预报、设置通信系统参数、控制第一切换开关和第二切换开关进行切换天线、控制第一驱动机构和第二驱动机构转向、遥测数据处理、遥控指令上传以及显示程序；
S9，控制台对通信系统参数进行设置，并控制第一切换开关对UHF发射天线和VHF发射天线进行切换，及控制第二切换开关对UHF接收天线和VHF接收天线进行切换；
S10，控制台根据微纳卫星轨道预报，当微纳卫星过境时，控制第一驱动机构和第二驱动机构运行使发射天线模块和接收天线模块的最大增益方向对准微纳卫星信号方向；
S11，控制台与微纳卫星之间进行通信。
作为优选方式，在S11中，若控制台需要改变通信系统参数，则重复S9和S10过程，否则持续S10过程。
本发明的有益效果为：
本发明通过UHF天线和VHF天线，并搭配射频开关、功率放大器、低噪声放大器和软件无线电信号处理，组建了通用的微纳卫星测控站，发射通道和接收通道可利用射频开关切换为UHF天线和VHF天线，同时功率放大器和低噪声放大器的工作频带足够宽，微纳卫星测控站可以在“UHF频点发射/VHF频点接收”和“VHF频点发射/UHF频点接收”两种工作模式之间灵活切换，从而解决了微纳卫星测控站的发射通道和接收通道的通用性问题。
此外，本发明利用软件无线电为微纳卫星测控站搭建一套通用的信号处理模块，该信号处理模块包括SDR发射机和SDR接收机，SDR发射机包括第一射频处理单元、通用调制模块和通用编码模块，SDR接收机包括第二射频处理单元、通用解调模块和通用译码模块，通用调制模块与通用解调模块适配，通用编码模块与通用译码模块适配，使得整个微纳卫星测控站可以根据具体需求灵活改变，微纳卫星测控站可以和多种微纳卫星实现通信，从而解决了微纳卫星测控站的信号处理的通用性问题。
附图说明
图1是本发明提供的一种通用UHF/VHF微纳卫星测控站的拓扑图；
图2是本发明提供的一种通用UHF/VHF微纳卫星测控站的实现方法的流程图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例提供了一种通用UHF/VHF微纳卫星测控站，包括控制台、发射天线模块、第一驱动机构、功率放大器、SDR发射机、接收天线模块、第二驱动机构、SDR接收机和低噪声放大器，图1中的实线是数据流，虚线为控制流。
发射天线模块，包括第一切换开关、UHF发射天线和VHF发射天线，所述第一切换开关分别与UHF发射天线和VHF发射天线连接，第一切换开关用于对UHF发射天线和VHF发射天线进行切换。UHF发射天线的工作频段为435MHz～438MHz，VHF发射天线的工作频段为144MHz～146MHz，该工作频段简单易行，性价比高。UHF发射天线和VHF发射天线的增益应足够高，且大于10dBi，以满足链路预算。
第一驱动机构，用于驱动所述发射天线模块转动。第一驱动机构包括伺服电机，伺服电机可以驱动UHF发射天线和VHF发射天线转动，使UHF发射天线和VHF发射天线的最大增益方向对准微纳卫星信号方向。
SDR发射机，用于处理发射通道数字信号。所述SDR发射机包括第一射频处理单元、通用调制模块和通用编码模块，所述第一射频处理单元与功率放大器连接，所述通用调制模块分别与第一射频处理单元和通用编码模块连接，所述通用编码模块与控制台连接。第一射频处理单元负责进行D/A转换并上变频(频率可由控制台设置，并且与UHF发射天线和VHF发射天线对应)。通用调制模块包含常用的调制方式如BPSK/GMSK/GFSK/AFSK等，并且其调制方式和参数可以由控制台设置。通用编码模块包含常用的编码方式如卷积码、Turbo码和LDPC码等，并且其编码类型和参数可以由控制台设置。SDR发射机利用计算机处理器来完成所有的通信数字信号的处理，所以在需要改变通信系统参数时，只需要在控制台进行设置即可。
功率放大器，功率放大器为宽频带功率放大器，用于放大发射信号的功率，所述功率放大器分别与发射天线模块和SDR发射机连接。由于星地距离远并且星上通信系统的性能较弱，因此微纳卫星测控站的SDR发射机发射功率一般较大(＞30W，可调)，需要使用放大倍数足够高的功率放大器。由于SDR发射机需实现UHF频点和VHF频点的通用性并考虑到留有发射带宽余量，因此功率放大器的工作带宽为fTx1～fTx2，且fTx1≤144MHz，fTx2≥438MHz。
接收天线模块，包括第二切换开关、UHF接收天线和VHF接收天线，所述第二切换开关分别与UHF接收天线和VHF接收天线连接，第二切换开关用于对UHF接收天线和VHF接收天线进行切换。UHF接收天线的工作频段为435MHz～438MHz，VHF接收天线的工作频段为144MHz～146MHz，该工作频段简单易行，性价比好。UHF接收天线和VHF接收天线的增益应足够高，且大于10dBi，以满足链路预算。
第二驱动机构，用于驱动接收天线模块转动。第二驱动机构包括伺服电机，伺服电机可以驱动UHF接收天线和VHF接收天线转动，使UHF接收天线和VHF接收天线的最大增益方向对准微纳卫星信号方向。
SDR接收机，用于处理接收通道数字信号。所述SDR接收机包括第二射频处理单元、通用解调模块和通用译码模块，所述第二射频处理单元与低噪声放大器连接，所述通用解调模块分别与第二射频处理单元和通用译码模块连接，所述通用译码模块与控制台连接。第二射频处理单元负责进行A/D转换并下变频(频率可由控制台设置，并且与UHF接收天线和VHF接收天线对应)。通用解调模块包含常用编码如卷积码、Turbo码、LDPC码等的译码方式，并且其译码方式和参数可以由控制台设置。通用译码模块包含常用调制如BPSK/GMSK/GFSK/AFSK等的解调方式，并且其解调类型和参数可以由控制台设置。
低噪声放大器(LNA)，所述低噪声放大器分别与接收天线模块和SDR接收机连接，低噪声放大器为宽频带低噪声放大器，用于放大UHF接收天线和VHF接收天线接收下来的微纳卫星遥测信号，由于SDR接收机需实现UHF频点和VHF频点的通用性并考虑到留有接收带宽余量，因此低噪声放大器的工作带宽为fRx1～fRx2，且fRx1≤144MHz，fRx2≥438MHz。
控制台分别与SDR发射机、第一驱动机构、第一切换开关、SDR接收机、第二驱动机构和第二切换开关连接。控制台的功能包含设置通信系统参数、控制第一切换开关和第二切换开关进行天线切换、控制第一驱动机构和第二驱动机构转向、遥测数据处理、遥控指令上发以及显示程序等。具体地，所述第一切换开关和第二切换开关均为射频开关。
所述控制台设有卫星轨道预报模块，所述卫星轨道预报模块用于预报微纳卫星的位置，当微纳卫星过境时，控制台控制第一驱动机构和第二驱动机构运行使发射天线模块和接收天线模块的最大增益方向对准微纳卫星信号方向，使控制台与微纳卫星之间进行通信。
优选地，所述UHF发射天线、VHF发射天线、UHF接收天线和VHF接收天线均为圆极化天线。UHF发射天线和UHF接收天线形成一套UHF天线，VHF发射天线和VHF接收天线形成一套VHF天线，两套天线灵活切换，对微纳卫星具有一定的通用性。
本发明通过UHF天线和VHF天线，并搭配射频开关、功率放大器、低噪声放大器和软件无线电(SDR)信号处理系统，组建了通用的微纳卫星测控站；发射通道和接收通道可利用射频开关切换为UHF天线和VHF天线，同时功率放大器和低噪声放大器的工作频带足够宽，微纳卫星测控站可以在“UHF频点发射/VHF频点接收”和“VHF频点发射/UHF频点接收”两种工作模式之间灵活切换，从而解决了微纳卫星测控站的发射通道和接收通道的通用性问题。
此外，本发明利用软件无线电(SDR)为微纳卫星测控站搭建一套通用的信号处理模块，该信号处理模块包括SDR发射机和SDR接收机，SDR发射机包括第一射频处理单元、通用调制模块和通用编码模块，SDR接收机包括第二射频处理单元、通用解调模块和通用译码模块，通用调制模块与通用解调模块适配，通用编码模块与通用译码模块适配，使得整个微纳卫星测控站可以根据具体需求灵活改变，微纳卫星测控站可以和多种微纳卫星实现通信，从而解决了微纳卫星测控站的信号处理的通用性问题。
如图2所示，本实施例还提供了一种通用UHF/VHF微纳卫星测控站的实现方法，包括以下步骤：
S1，搭建发射天线模块和接收天线模块，所述发射天线模块包括UHF发射天线和VHF发射天线，所述接收天线模块包括UHF接收天线和VHF接收天线；
S2，为发射天线模块和接收天线模块分别设置第一切换开关和第二切换开关，第一切换开关用于对UHF发射天线和VHF发射天线进行切换，第二切换开关用于对UHF接收天线和VHF接收天线进行切换；
S3，利用软件无线电平台搭建用于处理发射通道数字信号的SDR发射机；
S4，为SDR发射机设置一个用于放大发射信号功率的功率放大器；
S5，利用软件无线电平台搭建用于处理接收通道数字信号的SDR接收机；
S6，为SDR接收机设置一个用于放大接收信号功率的低噪声放大器；
S7，为发射天线模块和接收天线模块分别设置第一驱动机构和第二驱动机构，第一驱动机构和第二驱动机构分别用于驱动发射天线模块和接收天线模块转动；
S8，搭建控制台，所述控制台的功能包括微纳卫星轨道预报、设置通信系统参数、控制第一切换开关和第二切换开关进行切换天线、控制第一驱动机构和第二驱动机构转向、遥测数据处理、遥控指令上传以及显示程序；
S9，控制台对通信系统参数进行设置，并控制第一切换开关对UHF发射天线和VHF发射天线进行切换，及控制第二切换开关对UHF接收天线和VHF接收天线进行切换；
S10，控制台根据微纳卫星轨道预报，当微纳卫星过境时，控制第一驱动机构和第二驱动机构运行使发射天线模块和接收天线模块的最大增益方向对准微纳卫星信号方向；
S11，控制台与微纳卫星之间进行通信。
在S11中，若控制台不改变通信系统参数，则微纳卫星测控站使用原来参数与微纳卫星进行通信。若控制台需要改变通信系统参数，则重复S9和S10，如初始时控制台使用UHF发射天线和UHF接收天线与微纳卫星通信，如果需要使用VHF发射天线和VHF接收天线通信，则控制台对通信系统参数进行重新设置，并控制切换开关将天线切换为VHF发射天线和VHF接收天线，当微纳卫星过境时，控制台控制第一驱动机构和第二驱动机构使VHF发射天线和VHF接收天线的最大增益方向对准微纳卫星，然后使控制台与微纳卫星之间进行通信。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种通用UHF/VHF微纳卫星测控站，其特征在于，包括：
发射天线模块，包括第一切换开关、UHF发射天线和VHF发射天线，所述第一切换开关分别与UHF发射天线和VHF发射天线连接；
第一驱动机构，用于驱动所述发射天线模块转动；
SDR发射机，用于处理发射通道数字信号；
功率放大器，所述功率放大器分别与发射天线模块和SDR发射机连接；
接收天线模块，包括第二切换开关、UHF接收天线和VHF接收天线，所述第二切换开关分别与UHF接收天线和VHF接收天线连接；
第二驱动机构，用于驱动所述接收天线模块转动；
SDR接收机，用于处理接收通道数字信号；
低噪声放大器，所述低噪声放大器分别与接收天线模块和SDR接收机连接；
控制台，控制台分别与SDR发射机、第一驱动机构、第一切换开关、SDR接收机、第二驱动机构和第二切换开关连接。
2.根据权利要求1所述的通用UHF/VHF微纳卫星测控站，其特征在于，所述控制台设有卫星轨道预报模块，所述卫星轨道预报模块用于预报微纳卫星的位置，当微纳卫星过境时，控制台控制第一驱动机构和第二驱动机构运行使发射天线模块和接收天线模块的最大增益方向对准微纳卫星信号方向。
3.根据权利要求1所述的通用UHF/VHF微纳卫星测控站，其特征在于，所述SDR发射机包括第一射频处理单元、通用调制模块和通用编码模块，所述第一射频处理单元与功率放大器连接，所述通用调制模块分别与第一射频处理单元和通用编码模块连接，所述通用编码模块与控制台连接。
4.根据权利要求1所述的通用UHF/VHF微纳卫星测控站，其特征在于，所述SDR接收机包括第二射频处理单元、通用解调模块和通用译码模块，所述第二射频处理单元与低噪声放大器连接，所述通用解调模块分别与第二射频处理单元和通用译码模块连接，所述通用译码模块与控制台连接。
5.根据权利要求1所述的通用UHF/VHF微纳卫星测控站，其特征在于，所述第一切换开关和第二切换开关均为射频开关。
6.根据权利要求1所述的通用UHF/VHF微纳卫星测控站，其特征在于，所述UHF发射天线、VHF发射天线、UHF接收天线和VHF接收天线均为圆极化天线。
7.根据权利要求1所述的通用UHF/VHF微纳卫星测控站，其特征在于，所述功率放大器的工作带宽为fTx1～fTx2，且fTx1≤144MHz,fTx2≥438MHz。
8.根据权利要求1所述的通用UHF/VHF微纳卫星测控站，其特征在于，所述低噪声放大器的工作带宽为fRx1～fRx2，且fRx1≤144MHz，fRx2≥438MHz。
9.一种通用UHF/VHF微纳卫星测控站的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，搭建发射天线模块和接收天线模块，所述发射天线模块包括UHF发射天线和VHF发射天线，所述接收天线模块包括UHF接收天线和VHF接收天线；
S2，为发射天线模块和接收天线模块分别设置第一切换开关和第二切换开关，第一切换开关用于对UHF发射天线和VHF发射天线进行切换，第二切换开关用于对UHF接收天线和VHF接收天线进行切换；
S3，利用软件无线电平台搭建用于处理发射通道数字信号的SDR发射机；
S4，为SDR发射机设置一个用于放大发射信号功率的功率放大器；
S5，利用软件无线电平台搭建用于处理接收通道数字信号的SDR接收机；
S6，为SDR接收机设置一个用于放大接收信号功率的低噪声放大器；
S7，为发射天线模块和接收天线模块分别设置第一驱动机构和第二驱动机构，第一驱动机构和第二驱动机构分别用于驱动发射天线模块和接收天线模块转动；
S8，搭建控制台，所述控制台的功能包括微纳卫星轨道预报、设置通信系统参数、控制第一切换开关和第二切换开关进行切换天线、控制第一驱动机构和第二驱动机构转向、遥测数据处理、遥控指令上传以及显示程序；
S9，控制台对通信系统参数进行设置，并控制第一切换开关对UHF发射天线和VHF发射天线进行切换，及控制第二切换开关对UHF接收天线和VHF接收天线进行切换；
S10，控制台根据微纳卫星轨道预报，当微纳卫星过境时，控制第一驱动机构和第二驱动机构运行使发射天线模块和接收天线模块的最大增益方向对准微纳卫星信号方向；
S11，控制台与微纳卫星之间进行通信。
10.根据权利要求9所述的通用UHF/VHF微纳卫星测控站的实现方法，其特征在于，在S11中，若控制台需要改变通信系统参数，则重复S9和S10的过程，否则持续S10的过程。
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