CN110677189B - 低轨卫星多波束检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低轨卫星多波束检测装置及其应用方法，包括：捕获单元；控制运算单元；电源模块；其中，所述捕获单元被配置为采用能将接收到的多波束信号转换成对应AGC电压值或功率值的MS‑DDR1B型捕获模块；所述控制运算单元被配置为采用具有CPU的控制主板。本发明提供一种低轨卫星多波束检测装置，其能够通过捕获单元对接收到的低轨卫星多波束进行捕获，以AGC电压值衡量捕获信号的强弱，通过控制运算单元与捕获单元相配合实现对波束的强弱进行检测，以提供相应的参数给地面终端设备，以使其基于强信号与低轨卫星进行数据通信，进而在不改变地面终端设备中接收机的捕获频移扫描范围的同时，能够实时、准确的捕获每一个波束。

Description

低轨卫星多波束检测装置

技术领域

本发明涉及一种在卫星通信情况下使用的装置。更具体地说，本发明涉及一种用在低轨卫星与地面设备终端通信情况下的低轨卫星多波束检测装置。

背景技术

低轨卫星轨道高度低，传输时延下，便于支持语音、数据等业务；配合高增益的星载多波束天线，实现与地面便携终端有效通信；在国防和国民经济的各领域都有重要的应用。

低轨卫星高速运动，使其与地面终端设备存在相对高速移动的特性，导致了卫星和地面终端接收信号都存在显著的多普勒效应。这对接收机捕获信号影响重大，高动态下的多普勒频移使捕获频移扫描范围必须增大，这样带来捕获设备成本的增加，影响捕获模块的速度和实现复杂度。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种低轨卫星多波束检测装置，其可独立于地面终端设备之外的独立装置，其能够通过捕获单元对接收到的低轨卫星多波束进行捕获，以AGC电压值衡量捕获信号的强弱，通过控制运算单元实现系统控制、上电自启动、数据接收处理和数据发送功能，进而使得其可与捕获单元相配合实现对波束的强弱进行检测，以提供相应的参数给地面终端设备，以使其基于强信号与低轨卫星进行数据通信，进而在不改变地面终端设备中接收机的捕获频移扫描范围的同时，能够实时、准确的捕获每一个波束。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种低轨卫星多波束检测装置，包括：

用于对低轨卫星输出的多波束进行接收的捕获单元；

用于对捕获单元接收的多波束信号是否有效进行判断的控制运算单元；

用于为捕获单元、控制运算单元供电的电源模块；

其中，所述捕获单元被配置为采用能将接收到的多波束信号转换成对应AGC电压值或功率值的MS-DDR1B型捕获模块；

所述控制运算单元被配置为采用具有CPU的控制主板。

优选的是，其中，还包括与上位机或地面终端设备进行信息交换的通信单元，其被配置为与电源模块电性连接；

其中，所述通信单元被配置为采用WIFI模块、5G模块、以太网模块中的一种或几种的组合。

优选的是，其中，所述捕获单元或运算控制单元上还设置有对转换后的各AGC电压值或功率值进行存储的闪存FLASH；

其中，所述捕获单元通过与之通信连接的通信单元，实现与上位机或者地面终端设备的数据通信。

一种应用低轨卫星多波束检测装置进行波束检测的方法，包括：

步骤一，当低轨卫星进入地面终端设备的可视范围区间时，控制运算单元设置捕获单元的捕获范围参数λ，其中λ的范围被配置为[-60kHz，+60kHz]；

步骤二，捕获单元基于设置参数对低轨卫星发射的多波束信号进行捕获，并将捕获到的多波束信号转换成AGC电压或功率值记录在存储器内；

步骤三，捕获单元通过通信单元将转换后的AGC电压或功率值发送给上位机或者地面终端设备；

步骤四，上位机或者地面终端设备基于接收到每一个波束的AGC电压或功率值，与上位机或者地面终端内存储的对应阈值γ进行比较，以判断各波束信号的强弱，以使地面终端设备能选择最强的波束信号与低轨卫星进行通信。

优选的是，其中，在步骤一中，在所述可视范围区间内，捕获单元具有t个时刻可实现捕获操作；

控制运算单元根据低轨卫星的轨道参数及相关常数，求出低轨卫星可视覆盖区内的多普勒频移数组，记为：Δf_t，低轨卫星多波束频点设为：f_M；

其中，t＝1,2,3…n，M＝1,2,3…N；

任意时刻多普勒频移计算公式为：

其中，f₀为低轨卫星信标频点，c为光速(3.0×10⁸m/s)，r_t和v_t是任意时刻t的卫星与地面站之间的相对位置和速度；

所述运算控制单元从第一时刻至第t个时刻，分别逐次向捕获单元发送并设置捕获单元的波束频点为：f_M+Δf_t。

优选的是，其中，在步骤二、三中，所述捕获单元在t时刻接收到相应波束频点后，返回t时刻对应的第M个波束AGC_tM电压给控制运算单元；

控制运算单元在收到AGC_tM电压时，通过AGC与功率转换关系得出对应的比较功率值；

所述控制运算单元通过通信单元将功率比较值传输至地面终端设备。

本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明提供一种低轨卫星的多波束检测装置，其可独立于地面终端设备之外的独立装置，其能够通过捕获单元对接收到的低轨卫星多波束进行捕获，以AGC电压值衡量捕获信号的强弱，通过控制运算单元实现系统控制、上电自启动、数据接收处理和数据发送功能，进而使得其可与捕获单元相配合实现对波束的强弱进行检测，以提供相应的参数给地面终端设备，以使其基于强信号与低轨卫星进行数据通信，进而在不改变地面终端设备中接收机的捕获频移扫描范围的同时，能够实时、准确的捕获每一个波束；当然地根据需要可集成于地面终端设备之内，以使其具有更好的集约管理性。

其二，本发明还提供一种应用低轨卫星多波束检测装置的方法，通过对其方法的限定，以及参数的设置，使得地面终端设备能够通过每一个波束的功率值(或者AGC电压)判断波束信号的强弱，地面终端设备选择最强的波束信号和低轨卫星进行通信，或者将比较判断交由给控制运算单元，以使发送给地面终端的始终是最强信号，以降低地面终端设备的运算，以使其工作负担显著减小，进而始终工作在稳定性工作状态下。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中低轨卫星多波束检测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图1示出了根据本发明的一种低轨卫星多波束检测装置的实现形式，其中包括：

用于对低轨卫星输出的多波束进行接收的捕获单元1，其实现对接收到的低轨卫星多波束进行捕获；

用于对捕获单元接收的多波束信号是否有效进行判断的控制运算单元2，其用于实现系统控制、上电自启动、数据存储、数据接收处理和数据发送等；

用于为捕获单元、控制运算单元供电的电源模块3，其用于给各个模块供电，进而使得其可独立存在于地面终端设备；

其中，所述捕获单元被配置为采用能将接收到的多波束信号转换成对应AGC电压值或功率值的MS-DDR1B型捕获模块，其用于通过MS-DDR1B型捕获模块得到的AGC电压值衡量其捕获信号的强弱；

所述控制运算单元被配置为采用具有CPU的控制主板，其用于通过结构设计，使得其功率较小，但捕获效果和后期的数据传输，在这种方案下，使得其不用对地面终端设备以及接收机做其它的改变，以使其捕获频移扫描范围无需增大，就能适应高动态下的多普勒频移，其对设备要求可显著减小，故不会过大的增加设备成本，例如现有技术中如要适应高动态下的多普勒频移，捕获设备需要进行更换，进而使成本增加5-7.5倍，而采用本发明的附着装置，其设备成本可控制在原有基础上增加0.5倍，可知其成本控制下降巨大，有利于对现有设备进行不淘汰状态下的升级改进，减小成本，在不改变捕获频移扫描范围的同时，能够实时、准确的捕获每一个波束，实现多波束的检测。

如图1，在另一种实例中，还包括与上位机或地面终端设备进行信息交换的通信单元4，其被配置为与电源模块电性连接，其用于实现与上位机、嵌入式设备、地面终端设备的通信功能；

其中，所述通信单元被配置为采用WIFI模块、5G模块、以太网模块中的一种或几种的组合，在这种方案中，可根据需要选择合适的通信方式如无线、有线模式与地面设备终端进行数据通信，以将设备检测的多波束传递给相应的地面终端设备，以使其基于接收的各波束信号进行比较后，选择最优的波束信号与低轨卫星进行数据通信。

在另一种实例中，所述捕获单元或运算控制单元上还设置有对转换后的各AGC电压值或功率值进行存储的闪存FLASH，其用于波束信号相对的AGC电压值进行存储，以对工作参数进行存储，以利于后期为设备的集成与升级提供数据支撑，同时也可对低轨卫星的工作参数进行获取，进而对其工作状态进行监控；

其中，所述捕获单元通过与之通信连接的通信单元，实现与上位机或者地面终端设备的数据通信，在这种方案中，装置的工作流程低轨卫星进入地面终端设备可视区域(一般约6分钟)，在这段时间范围内，低轨卫星和地面终端设备之间通信时，上行和下行的频率就会发生偏移，即多普勒频移范围大约在[-900kHz，+900kHz]，控制运算模块向捕获模块设定参数后，捕获模块开始捕获低轨卫星多波束信号，将多波束信号转换成AGC电压或功率值记录在存储器内，同时通过通信模块发送给上位机或者地面终端设备。通过每一个波束的功率值(或者AGC电压)判断波束信号的强弱，地面终端设备选择最强的波束信号和低轨卫星进行通信。

一种应用低轨卫星多波束检测装置进行波束检测的方法，包括：

步骤一，当低轨卫星进入地面终端设备的可视范围区间时，控制运算单元设置捕获单元的捕获范围参数λ，所述λ的范围被配置为[-60kHz，+60kHz]，通常情况下，捕获范围越宽，(捕获模块)成本也随之上升，而本方案的捕获模块在这个很窄的范围就能满足实时捕获，故可显著降低捕获成本；

步骤二，捕获单元基于设置参数对低轨卫星发射的多波束信号进行捕获，并将捕获到的多波束信号转换成AGC电压或功率值(单位为dbm)记录在存储器内；

步骤三，捕获单元通过通信单元将转换后的AGC电压或功率值发送给上位机或者地面终端设备；

步骤四，上位机或者地面终端设备基于接收到每一个波束的AGC电压或功率值，与上位机或者地面终端内存储的对应阈值γ(γ＝0.5V)进行比较，以判断各波束信号的强弱，以使地面终端设备能选择最强的波束信号与低轨卫星进行通信。在这种方案中通过对装置的应用，使得其在针对低轨卫星波束多普勒频移范围进行捕获模块的频率捕获设计时，捕获模块的捕获范围是整个低轨卫星可视范围内多普勒频移范围的1/15，而当捕获范围越宽，(捕获模块)的成本也随之上升，故采用这种捕获方式，其捕获模块的资源消耗可降至为常规设计的1/15，或者平均捕获时间缩短至常规设计的1/15。具体来说，当低轨卫星进入可视范围内时，控制运算模块先设置捕获范围λ后，从第一个时刻开始逐次向捕获模块发送设置波束频点f₁+Δf₁，f₂+Δf₁，f₃+Δf₁…f_N+Δf₁，此时捕获模块返回对应的AGC电压AGC₁₁,AGC₁₂,AGC₁₃…AGC_N1，控制运算模块收到AGC电压时，通过AGC与功率转换关系得出对应的功率值(单位为dbm)。与AGC阈值γ进行比较。若AGC电压大于AGC阈值γ，说明是有效波束；若AGC电压小于AGC阈值γ，说明是无效波束。

在另一种实例中，在步骤一中，在所述可视范围区间内，捕获单元具有t个时刻可实现捕获操作；

控制运算单元根据低轨卫星的轨道参数及相关常数，求出低轨卫星可视覆盖区内的多普勒频移数组，记为：Δf_t，低轨卫星多波束频点设为：f_M；

其中，t＝1,2,3…n，M＝1,2,3…N；

任意时刻多普勒频移计算公式为：

其中，f₀为低轨卫星信标频点，c为光速(3.0×10⁸m/s)，r_t和v_t是任意时刻t的卫星与地面站之间的相对位置和速度；

所述运算控制单元从第一时刻至第t个时刻，分别逐次向捕获单元发送并设置捕获单元的波束频点为：f_M+Δf_t，在这种方案中，通过步骤一，可实现多个参数的设定，具体来说，可根据低轨卫星轨道参数及相关常数求出卫星可视覆盖区内的多普勒频移数组，记为：Δf_t，t＝1，2，3…n，多普勒频移范围大约在[-900kHz，+900kHz]；而本发明通过Δf_t的设置，使得捕获单元设定的捕获范围为λ可有效控制在[-60kHz，+60kHz]范围区间内；

进一步，低轨卫星多波束频点设为：f_M，M＝1，2，3…N，就可以设置波束频点为：f_M+Δf_t；设置波束频点为在第M个波束+在t时刻的多普勒频移。有了多普勒频移参数即多普勒频移数组Δf_t的加入，捕获范围就可以设定很窄，捕获模块在[-60kHz，+60kHz]范围内就能满足捕获要求。

在另一种实例中，在步骤二、三中，所述捕获单元在t时刻接收到相应波束频点后，返回t时刻对应的第M个波束AGC_tM电压给控制运算单元；

控制运算单元在收到AGC_tM电压时，通过AGC与功率转换关系得出对应的比较功率值；

转换公式：AGC电压＝(100+功率值)×0.2；

所述控制运算单元通过通信单元将功率比较值传输至地面终端设备，在这种方案中，AGC阈值设为：γ，某t时刻第M个波束AGC电压：AGC_tM，t＝1，2，3…n，M＝1，2，3…N。

设低轨卫星有N个波束频点，即f₁，f₂，f₃…f_N，那么对应

第一个时刻设置波束频点为：f₁+Δf₁，f₂+Δf₁，f₃+Δf₁…f_N+Δf₁，AGC电压为AGC₁₁，AGC₁₂，AGC₁₃…AGC_1N；

第二个时刻设置波束频点为：f₁+Δf₂，f₂+Δf₂，f₃+Δf₂…f_N+Δf₂；AGC电压为AGC₂₁，AGC₂₂，AGC₂₃…AGC_2N；

第三个时刻设置波束频点为：f₁+Δf₃，f₂+Δf₃，f₃+Δf₃…f_N+Δf₃；AGC电压为AGC₃₁，AGC₃₂，AGC₃₃…AGC_3N；

第n个时刻设置波束频点为：f₁+Δf_n，f₂+Δf_n，f₃+Δf_n…f_N+Δf_n。AGC电压为AGC_n1,AGC_n2,AGC_n3…AGC_nN。将波束频点f_M对应的AGC电压AGC_tM(这样以来，每一个时刻t，都有N个波束频点与之对应的AGC电压和功率值被实时记录)记录在存储器内，并通过通信模块发送出去。第二个时刻、第三个时刻到第n个时刻都按照以上方式进行检测。具体来说，在控制运算模块收到AGC电压时，通过AGC与功率转换关系得出对应的功率值(单位为dbm)。与AGC阈值γ进行比较。若AGC电压大于AGC阈值γ，说明是有效波束；若AGC电压小于AGC阈值γ，说明是无效波束，对于有效波束传递给地面终端设备，使得地面终端设备与低轨卫星之间的通信始终处于稳定的状态，不受多普勒频移的影响，工作稳定性更好，而无需对现有的设备进行改进，同样的控制运算单元也可以仅仅是将捕获单元捕获的多波束信号对应的AGC电压值输出给地面终端设备，对于信号的选择而通过地面终端设备来实现，其无需改进硬件设备，只需要对其软件进行升级，而对于接收到的信号进行比较判断，进而选择对应的参数信号，这在本领域是非常容易实现的，这里不再做叙述。

以上各方案只是较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的低轨卫星多波束检测装置及其应用方法的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.一种低轨卫星多波束检测装置，其特征在于，包括：

用于对低轨卫星输出的多波束进行接收的捕获单元；

用于对捕获单元接收的多波束信号是否有效进行判断的控制运算单元；

用于为捕获单元、控制运算单元供电的电源模块；

其中，所述捕获单元被配置为采用能将接收到的多波束信号转换成对应AGC电压值或功率值的MS-DDR1B型捕获模块；

所述控制运算单元被配置为采用具有CPU的控制主板；

还包括与上位机或地面终端设备进行信息交换的通信单元，其被配置为与电源模块电性连接；

其中，所述通信单元被配置为采用WIFI模块、5G模块、以太网模块中的一种或几种的组合；

所述低轨卫星多波束检测装置进行波束检测的方法被配置为包括：

步骤一，当低轨卫星进入地面终端设备的可视范围区间时，控制运算单元设置捕获单元的捕获范围参数λ，其中λ的范围被配置为[-60kHz，+60kHz]；

步骤二，捕获单元基于设置参数对低轨卫星发射的多波束信号进行捕获，并将捕获到的多波束信号转换成AGC电压或功率值记录在存储器内；

步骤三，捕获单元通过通信单元将转换后的AGC电压或功率值发送给上位机或者地面终端设备；

步骤四，上位机或者地面终端设备基于接收到每一个波束的AGC电压或功率值，与上位机或者地面终端内存储的对应阈值γ进行比较，以判断各波束信号的强弱，以使地面终端设备能选择最强的波束信号与低轨卫星进行通信。

2.如权利要求1所述的低轨卫星多波束检测装置，其特征在于，所述捕获单元上设置有对转换后的各AGC电压值或功率值进行存储的闪存FLASH；

其中，所述捕获单元通过与之通信连接的通信单元，实现与上位机或者地面终端设备的数据通信。

3.如权利要求1所述的低轨卫星多波束检测装置，其特征在于，在步骤一中，在所述可视范围区间内，捕获单元具有t个时刻可实现捕获操作；

控制运算单元根据低轨卫星的轨道参数及相关常数，求出低轨卫星可视覆盖区内的多普勒频移数组，记为：Δf_t，低轨卫星多波束频点设为：f_M；

其中，t＝1,2,3…n，M＝1,2,3…N；

任意时刻多普勒频移计算公式为：

其中，f₀为低轨卫星信标频点，c为光速3.0×10⁸m/s，r_t和v_t是任意时刻t的卫星与地面站之间的相对位置和速度；

所述控制运算单元从第一时刻至第t个时刻，分别逐次向捕获单元发送并设置捕获单元的波束频点为：f_M+Δf_t。

4.如权利要求3所述的低轨卫星多波束检测装置，其特征在于，在步骤二、三中，所述捕获单元在t时刻接收到相应波束频点后，返回t时刻对应的第M个波束的AGC_tM电压给控制运算单元；

控制运算单元在收到AGC_tM电压时，通过AGC与功率转换关系得出对应的比较功率值；

所述控制运算单元通过通信单元将功率比较值传输至地面终端设备。

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