CN110518962B

CN110518962B - 建立飞行器与地面站测控通信链路的方法

Info

Publication number: CN110518962B
Application number: CN201910810865.7A
Authority: CN
Inventors: 穆航; 马松; 莫明威; 余湋; 谢伟; 刘田
Original assignee: Southwest Electronic Technology Institute No 10 Institute of Cetc
Current assignee: Southwest Electronic Technology Institute No 10 Institute of Cetc
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2021-06-15
Anticipated expiration: 2039-08-30
Also published as: CN110518962A

Abstract

本发明公开的一种建立飞行器与地面站测控通信链路的方法，旨在提供一种建链效率高，物理资源消耗小的通信链路建立方法。本发明通过下述技术方案予以实现：飞行器和地面站分别配置发送端状态机和接收端状态机，每一组接收、发送状态机内部存储有多组相互匹配的链路参数，利用状态信息进行标示，基于短帧交互构建应答机制，通过状态询问和状态应答方式独立完成上、下行建链；飞行器/地面站发送端状态机向地面站/飞行器发送交互短帧，发起基于状态轮询的状态询问，地面站/飞行器解析出接收到的交互短帧，向飞行器/地面站进行基于状态轮询的状态应答；当飞行器/地面站收到来自地面站/飞行器的匹配状态应答，建立测控通信链路的上、下行传输链路。

Description

建立飞行器与地面站测控通信链路的方法

技术领域

本发明涉及一种基于状态轮询的飞行器与地面站测控通信链路建立方法。

背景技术

随着地基和天基航天、航空系统的部署与发展和空中移动探测领域的研究水平的不断提高，测控系统面临着前所未有的挑战。目前研究主要集中在，飞行器平台的制作，包括控制系统的研究以及地面基站的研究，航天测控领域仍然存在诸多问题，具体体现为：

1)一体化综合化网络化进展缓慢，系统弹性不够，扩展和重构困难，资源使用效率低下；同时多目标服务能力和数据传输速率尚有差距；

2)需要建设在轨服务与维护的测控通信支持能力；

3)由于传统导航系统的正常运行对地面站的依赖性很强，主要以地面测控系统、运控系统为核心，使得传统卫星导航系统一旦脱离地面站的支持，整个导航系统面临着服务性能下降，甚至陷入瘫痪的严重风险。然而，地面监测站面临着自然灾害、人为破坏、操作失误和战时摧毁等风险，这使得地面测控站、运控站成为整个导航系统的薄弱环节；由于系统和设备的自主化智能化程度低，对操作人员和地面系统的依赖性强；

4)系统的安全防护能力比较脆弱。

面对全新的挑战，我国在近地测控网建设方面，增加了Ka频段扩频测控体制，实现了天线与机房拉远、多天线共用基带池、多频段测控系统与测量雷达共用天线、卫星数据接收与测控一体化等；在天基测控网建设方面，天链一号中继卫星系统实现了三星组网运行。美国NASA空间通信与导航(SCaN)制定了2025年及以后的下一代近地通信与导航架构，即空间移动网络(SMN)，通过网络用户发起调度服务(UIS)，实现类似于地球移动无线智能手机用户的服务体验。未来，航天器不仅可以请求服务时间窗口，还可以请求定制带宽，从而提高网络和系统的效能。目前空间飞行试验测控通信主要是利用原有航天陆基测控通信网。由于受地球曲率的影响，地面上每个测控站的视角都很有限，特别是对中、低轨道航天器，所能提供的测控时间很短，而且陆基测控通信网能提供的空间覆盖率也只有10％～ 20％。无论低动态还是高动态平台，都需要不间断，无缝的高覆盖率测控。全程跟踪测控空间飞行器飞行速度、加速度、加加速度都很大，而且轨道机动性高，甚至可能出现跳跃式的弹道变化，这种高动态性的特点使对其测控信号的捕获、跟踪和测量带来了新的困难。尤其是空间飞行器是全程有动力飞行，不能套用传统轨道动力学定轨，需要进行全程连续跟踪测量。空间飞行器具有飞行速度快、全程机动、角速度大、外推难的特点，导致对其测控通信时，数据传输时延增大，将明显增加引导误差并直接影响测量精度。由于空间的特殊位置，使得信号路径传输损耗小、发射功率更高，为高速信息传输创造了良好地先天条件，而现有技术已不能满足其要求，空间飞行器在大气层中飞行且飞行速度快，周围空气电离等问题将严重恶化，对地通信环境，存在高误码率问题，信息重传或延传后，使接人通信网的信息速率增加，瞬间传输速率会变得很大。克服“黑障”需求高超速飞行器以马赫数5～25的速度在空间飞行时，将与周围的空气剧烈摩擦并对空气产生压缩，使飞行器周围的空气温度急剧上升，致使空气发生电离，从而在飞行器四周形成等离子体屏障，称之为“等离子鞘套”。等离子体会引起飞行器天线的阻抗失配、方向图畸变、辐射效率下降甚至被击穿，从而影响飞行器通信链路的建立和维持。“等离子鞘套”使无线电信号通过等离子传播时引起衰减，严重时会中断无线电信号，将这种现象称为“黑障”。由于“黑障”的影响，造成空间高超声速飞行器飞行高度越低、速度越高，克服“黑障”的工作频率就必须越高，这对高速率、超视距的测控通信系统提出了新的挑战。

以往的卫星通信地面站与卫星测控地面站是分开建设，相对独立的，相应的地面站的管理与监控也是随各自系统分体建设。随着卫星通信、测控技术的发展需求的提高，卫星通信地面站向一体化方向发展，一体化通信测控综合地面站同时肩负着卫星数据传输和卫星遥控遥测的双重任务。这样，就对卫星地面站的管理和监控也提出了更高的要求。建立在计算机通信、网络和控制基础上的卫星通信与测控一体化地面站的集中监控管理和控制系统是实现一体化地面站设备集中监控、地面站系统集中测试、任务规划和流程管理的重要手段和方式。天基中继测控中继卫星通信具有通信覆盖面广、可同时跟踪多个飞行器、数据传输速率高且质量好的优点，而且还可降低飞行器对地面通信的成本。采用卫星中继时，空间飞行器与卫星的频段是兼容的。目前主要采用S和Ka双频段，这与国际电联(ITU)对空间平台规定的工作频段相兼容，且高工作频段有利于减轻“黑障”的影响。但是这种通信模式带来的缺点也非常明显：一是飞行器与中继卫星距离远且数据速率高，这就要求飞行器对卫星通信的上行链路有较大的发射功率；二是由于飞行器飞行速度速，要求飞行器通信天线跟踪系统的响应时间短且跟踪平稳；三是中继卫星容易受到地面强信号干扰，需要加强保密措施和抗人为干扰能力。地基“多站接力”测控天基测控的一个主要缺点是，较易受到干扰。地基接力测控布站多、代价大、组织实施复杂。

近年，航空、航天业务在商业领域蓬勃发展，空中移动测控平台在特定领域的应用研究逐渐增多，各类飞行器数量呈爆炸式增长，空间电磁环境变得日益复杂。对测控通信系统提出了与传统航天航空测控不同的、更苛刻的要求，与此同时由于空间环境特点以及飞行器飞行特点，对空间飞行器提出了新的测控通信技术需求，也对新型航空、航天测控任务对链路的鲁棒性、业务的时效性有了更高的要求，尤其对飞行器与地面站建立链路以及断链后链路快速重建的能力要求更加苛刻。目前大部分数据链路的搭建工作都在机载平台上完成。机载传感载荷主要实现图像数据的获取、传输以及PM2.5数据的采集，并将采集的数据发送给飞行平台。地面站主要接收飞行平台的导航数据、传感器数据以及地理位置数据并进行显示，同时远程控制飞行平台的飞行。在高大建筑密集或天气情况不好的地方，因为GPS 信号经过多次的折、反射，造成信号误差，出现漂移。当前，采用传统计划建链的测控手段，通常采用机载子系统、机载传感载荷子系统以及地面基站子系统，完成平台链路及各个子系统的搭建，建立双向数据通信机制。三个子系统各自完成不同的功能，子系统之间通过数据流和控制流交联在一起。现有技术存在的不足之处在于，信息处理流程较长并需要大量人工操作，导致系统时效性较差和处理效率较低，且很难处理一些突发性的问题，已无法适应未来航天系统的测控需求。因此，急需设计一种满足目标飞行器自动、快速与地面站建立测控链路的方法，实现测控链路鲁棒性、时效性的提升。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种建链效率高，物理资源消耗小，对突发事件响应速度快的飞行器与地面站测控通信链路建立的方法。

本发明解决现有技术问题所采用的方案是：一种建立飞行器与地面站测控通信链路的方法，其特征在于包括如下步骤：

首先，飞行器和地面站分别配置发送端状态机和接收端状态机，以飞行器的发送端和地面站的接收端为一组，飞行器的接收端和地面站的发送端为一组，每一组接收、发送状态机内部存储有多组相互匹配的链路参数，利用状态信息进行标示，基于短帧交互构建应答机制，并通过状态询问和状态应答的方式独立完成上、下行建链；飞行器/地面站发送端状态机向地面站/飞行器发送交互短帧，发起基于状态轮询的状态询问，飞行器/地面站解析出接收到的交互短帧后，向地面站/飞行器进行基于状态轮询的状态应答；飞行器和地面站对当前测控通信连接状态进行判定，若飞行器或地面站在规定时间内未与地面站进行测控信息交换或在测控通信过程中未收到完整结构帧，则视为链路中断，飞行器和地面站启动状态机；当飞行器/地面站收到来自地面站/飞行器的匹配状态应答，即完成了测控通信链路的上、下行传输，则链路建立成功。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明利用状态信息进行标示，基于短帧交互构建应答机制，建立状态轮询的飞行器与地面站测控通信链路，这种基于短帧交互的应答机制简单，并为非集中管控式的被动接入，建链效率高，且能自主自动完成。

(2)物理资源消耗小。本发明基于交互短帧，实现飞行器与地面站测控通信链路快速建链，以自动状态轮询方案减少信息在管控层的传递，缩减布设和构架开销，降低整体运营成本；并在不增加处理复杂度的情况下，降低了现有技术方案的系统和资源开销。

(3)对突发事件响应速度快。本发明采用飞行器的发送端和地面站的接收端为一组，飞行器的接收端和地面站的发送端为一组，每一组接收、发送状态机内部存储有多组相互匹配的链路参数，利用状态信息进行标示，通过它们状态询问和状态应答的方式独立完成上、下行建链，在链路建立后，飞行器和地面站可以根据具体传输环境，基于状态值对应的一组链路参数进行局部调整，以便测控通信链路进入高效的正常工作状态。值得说明的是，这种基于状态轮询的建链方法，并不会在信息交互过程中发送整套链路参数，而是通过状态编号进行指代，可实现用较少比特完成有效信息传递，并且，有利于链路参数信息的保密，可以面对突发事件响应速度快，提升测控通信链路的鲁棒性和实效性。

本发明可应用于航空、航天测控通信等技术领域。

附图说明

图1为本发明建立飞行器与地面站测控通信链路的状态轮询示意图。

图2为本发明交互短帧结构图。

图3为图1的实施例工作流程图。

图4为图1飞行器和地面站链路参数调整功能描述框图。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，首先，飞行器和地面站分别配置发送端状态机和接收端状态机，以飞行器的发送端和地面站的接收端为一组，飞行器的接收端和地面站的发送端为一组，每一组接收、发送状态机内部存储有多组相互匹配的链路参数，利用状态信息进行标示，并通过状态询问和状态应答的方式独立完成上、下行建链；飞行器/地面站发送端状态机向地面站/飞行器发送交互短帧，发起基于状态轮询的状态询问，飞行器/地面站解析出接收到的交互短帧后，向地面站/飞行器进行基于状态轮询的状态应答；飞行器和地面站对当前测控通信连接状态进行判定，若飞行器或地面站在规定时间内未与地面站进行测控信息交换或在测控通信过程中未收到完整结构帧，则视为链路中断，飞行器和地面站启动状态机；当判定链路中断后，飞行器发送端状态机持续进行状态询问，发起下行建链申请，接收端状态机持续进行状态应答，做好上行建链准备；相应的，地面站发射端状态机持续向全空域进行状态询问，接收端状态机持续进行状态应答，做好下行建链准备；当飞行器/地面站收到来自地面站/飞行器的匹配状态应答，即完成了测控通信链路的上、下行传输，则链路建立成功。

交互短帧结构包括图2所示的帧头和当前的状态信息，其中，帧头用于承载上、下行链路建立情况和相关体制信息。每个状态信息对应一组测控通信链路参数，包括测控体制、工作频率、调制方式、编码方式、发射电平、传输速率和扩频码率等。

在可选的实施例中，以下行发起状态询问为例，飞行器状态轮询在每个状态时隙T'_A＝T_A/n中持续进行，在该状态时隙内，飞行器发送端状态机会将状态信息填入交互短帧，并持续向地面站发送交互短帧。

以下行发起状态询问为例。测控链路建链需要飞行器发送端状态机和地面站接收端状态机协同工作。这里，记飞行器发送端状态机为A，轮询周期为T_A，记地面站接收端状态机为B，轮询周期为T_B。因此，飞行器发送端状态机和地面站接收端状态机，以飞行器发送端状态机为A，轮询周期为T_A，地面站接收端状态机为B，轮询周期为T_B，且，T_B＞(n+1)·T_A， A和B有相同状态集进行协同工作，其中，n为状态个数。

由于工作频段受干扰等原因导致不能成功建链的情况，记A和B的当前状态分别为i和j， i,j∈{1,2,...,n}。因此，在工作频段受干扰等原因导致不能成功建链情况下，A和B跳向下一个状态，持续轮询，直到建链成功。

参阅图3。以下行发起状态询问为例。这里，记A为飞行器发送端状态机，B为地面站接收端状态机，记C为飞行器接收端状态机，记D为地面站发送端状态机；当飞行器侦测到链路断开后，主动发起链路建立或重建申请，并适配状态信息i对应配置，通过交互短帧，飞行器发起端A向地面站发起请求，地面站发送端状态机D进行状态应答，并回报地面站接收端状态机B的状态信息。地面站接收端状态机B收到来自飞行器发送端状态机A的状态询问短帧后进行解帧，判断解帧是否成功，解帧成功，停止状态轮询，锁定状态信息，否则持续状态应答和状态轮询。发起端A根据解帧结果不同，有不同的处理方式：

(1)地面站发送端状态机D根据飞行器接收端状态信息修改链路参数，飞行器发送端状态机A根据地面站发送端状态机D的状态应答短帧，判断地面站是否解帧成功，解帧不成功，地面站发送端状态机D修改交互短帧帧头信息，将下行建链对应比特填零，表示下行建链失败，地面站接收端状态机B继续进行状态轮询；

(2)地面站解帧成功，标志着下行建链成功，则地面站接收端状态机B立即停止状态轮询，锁定当状态信息，并从解帧信息中提取出飞行器接收端状态机C的状态信息，参照状态信息，对应修改地面站发送链路参数，完成链路建立。飞行器接收端状态机C收到来自地面站发送端状态机D的状态应答后，根据地面站解帧结果不同，有不同的处理方式：

(1)飞行器解帧不成功，则飞行器发送端状态机A修改交互短帧帧头信息，将上行建链对应比特填零，表示上行建链失败，飞行器接收端状态机C继续进行状态轮询；

(2)飞行器解帧成功，标志着上、下行链路均建链成功，则飞行器接收端状态机C立即停止状态轮询，锁定当前状态信息，并从解帧信息中提取出地面站接收端状态机B的状态信息，对应修改地面站发送链路参数。

需要说明，飞行器和地面站任意一端从解帧信息中得到上行或下行链路建链失败，则发送端和接收端状态机都需要进行状态轮询。

参阅图4。飞行器与地面站有相同的发送、接收功能模块，在各模块间传递的信息流包含发送流、接受流和控制流。发射端链路参数根据解帧得到的对端接收机状态编号确定，否则，按轮询规则确定；接收端状态机按照轮询规则进行状态轮询，在接收链路锁定的情况下停止轮询。接收链路锁定的判决条件包括载波环锁定、码环锁定、位同步锁定、帧同步锁定等。另外，接收端状态机根据自身状态信息对接收端链路参数进行调整，并输出接收端状态信息，参与组帧。以状态应答为例，发送端状态机通过解帧得到的对端接收端状态信息，输出对应的发射端控制信息，对编码、调制和射频发射进行参数设定，然后将组帧信息经编码、调制后经射频天线发射；接收端状态机输出自身状态信息进行组帧，同时，输出自身状态信息对应的接收端控制信息，对射频接收、解调、译码进行参数设定，为状态询问做好准备。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种建立飞行器与地面站测控通信链路的方法，其特征在于包括如下步骤：

首先，飞行器和地面站分别配置发送端状态机和接收端状态机，以飞行器的发送端和地面站的接收端为一组，飞行器的接收端和地面站的发送端为一组，每一组接收、发送状态机内部存储有多组相互匹配的链路参数，利用状态信息进行标示，基于短帧交互构建应答机制；飞行器和地面站任意一端从解帧信息中得到上行或下行链路建链失败，则飞行器和地面站发送端和接收端状态机都需要进行状态轮询，当飞行器和地面站判定链路中断后，飞行器发送端状态机持续进行状态询问，发起下行建链申请，飞行器接收端状态机持续进行状态应答，做好上行建链准备；相应的，地面站发射端状态机持续向全空域进行状态询问，地面站接收端状态机持续进行状态应答，做好下行建链准备，然后通过状态询问和状态应答的方式独立完成上、下行建链；飞行器/地面站发送端状态机向地面站/飞行器发送交互短帧，发起基于状态轮询的状态询问，地面站/飞行器解析出接收到的交互短帧后，向飞行器/地面站进行基于状态轮询的状态应答；飞行器和地面站对当前测控通信连接状态进行判定，若飞行器或地面站在规定时间内未与地面站进行测控信息交换或在测控通信过程中未收到完整结构帧，则视为链路中断，飞行器和地面站启动发送端状态机和接收端状态机；当飞行器/地面站收到来自地面站/飞行器的匹配状态应答，即完成了测控通信链路的上、下行传输，则链路建立成功。

2.如权利要求1所述的建立飞行器与地面站测控通信链路的方法，其特征在于：交互短帧结构包括帧头和状态信息，其中，帧头用于承载上、下行链路建立情况和相关体制信息；每个状态信息对应一组测控通信链路参数。

3.如权利要求1所述的建立飞行器与地面站测控通信链路的方法，其特征在于：链路参数包括测控体制、工作频率、调制方式、编码方式、发射电平、传输速率和扩频码率。

4.如权利要求1所述的建立飞行器与地面站测控通信链路的方法，其特征在于：飞行器状态轮询在每个状态时隙T _A ’=T _A/n中持续进行，在该状态时隙内，飞行器发送端状态机将状态信息填入交互短帧，并持续向地面站发送交互短帧，其中，T _A为轮询周期，n为状态个数。

5.如权利要求4所述的建立飞行器与地面站测控通信链路的方法，其特征在于：飞行器发送端状态机和地面站接收端状态机，以飞行器发送端状态机为A，轮询周期为T _A，地面站接收端状态机为B，轮询周期为T _B，且，T _B＞(n+1)*T _A，A和B有相同状态集进行协同工作，其中，n为状态个数。

6.如权利要求5所述的建立飞行器与地面站测控通信链路的方法，其特征在于：在工作频段受干扰原因导致不能成功建链情况下，A和B跳向下一个状态，持续轮询，直到建链成功。

7.如权利要求1所述的建立飞行器与地面站测控通信链路的方法，其特征在于：当飞行器侦测到链路断开后，主动发起链路建立或重建申请，并适配状态信息i对应配置，通过交互短帧，飞行器发起端A向地面站发起请求，地面站发送端状态机D进行状态应答，并回报地面站接收端状态机B的状态信息；地面站接收端状态机B收到来自飞行器发送端状态机A的状态询问短帧后进行解帧，判断解帧是否成功，解帧成功，停止状态轮询，锁定状态信息，否则持续状态应答和状态轮询。

8.如权利要求7所述的建立飞行器与地面站测控通信链路的方法，其特征在于：飞行器接收端状态机C收到来自地面站发送端状态机D的状态应答后，根据地面站解帧结果不同，有不同的处理方式：

（1）飞行器解帧不成功，则飞行器发送端状态机A修改交互短帧帧头信息，将上行建链对应比特填零，表示上行建链失败，飞行器接收端状态机C继续进行状态轮询；

（2）飞行器解帧成功，标志着上、下行链路均建链成功，则飞行器接收端状态机C立即停止状态轮询，锁定当前状态信息，并从解帧信息中提取出地面站接收端状态机B的状态信息，对应修改地面站发送链路参数。

9.如权利要求1所述的建立飞行器与地面站测控通信链路的方法，其特征在于：发送端状态机通过解帧得到的对端接收端状态信息，输出对应的发射端控制信息，对编码、调制和射频发射进行参数设定，然后将组帧信息经编码、调制后经射频天线发射；接收端状态机输出自身状态信息进行组帧，同时，输出自身状态信息对应的接收端控制信息，对射频接收、解调和译码进行参数设定，为状态询问做好准备。