CN111092650A

CN111092650A - 一种基于数据体制融合的x频段测控通信综合系统

Info

Publication number: CN111092650A
Application number: CN201911368944.3A
Authority: CN
Inventors: 王冬冬; 和东生; 郑戈; 胥畅; 吴双宁
Original assignee: CHINA AEROSPACE TIMES ELECTRONICS CO LTD; Beijing Research Institute of Telemetry; Aerospace Long March Launch Vehicle Technology Co Ltd
Current assignee: CHINA AEROSPACE TIMES ELECTRONICS CO LTD; Beijing Research Institute of Telemetry; Aerospace Long March Launch Vehicle Technology Co Ltd; Beijing Institute of Telemetry Technology
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2020-05-01
Anticipated expiration: 2039-12-26
Also published as: CN111092650B

Abstract

本发明涉及一种基于数据体制融合的星上X频段测控通信综合系统，包括：天线，用于接收地面站发射的X频段上行射频信号，传输至射频信道模块；将下行射频信号辐射出去；射频信道模块，将X频段上行射频信号进行低噪放大、滤波、下变频和增益控制，得到上行中频信号，发送给基带模块；对下行调制信号进行上变频、和功率放大后，得到下行射频信号发送给天线；基带模块，按照一定的帧格式将下行测量信息、遥测数据、图像数据或者通信数据编码、组帧、调制，得到下行调制信号发送至射频信道模块，以实现遥测、外测、高速率载荷数据一体化传送。

Description

一种基于数据体制融合的X频段测控通信综合系统

技术领域

本发明涉及一种X频段测控通信综合系统，特别是一种低功耗、小体积、高速率的X频段通信系统，集成遥测、外测、遥控，高速率数据传输功能，可应用于各类小卫星高速通信系统中，属于卫星通信技术领域。

背景技术

测控与通信系统是小卫星信息保障的基础和关键，随着小卫星技术的快速发展，传统的测控和通信系统功能和物理信道各自独立，且由于多采用S频段设备体积和质量较大，带宽受限，速率较低，对整星的安装空间和传输能力约束较多，不能适应小卫星小型化、轻质化、高速率的发展需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于数据体制融合的星上X频段测控通信综合系统，满足小卫星日益增长的高速数据传输，低功耗和安装空间小的需求。

本发明解决技术的方案是：一种基于数据体制融合的星上X频段测控通信综合系统，该系统包括天线、射频模块和基带模块，其中：

天线，用于接收地面站发射的X频段上行射频信号，传输至射频信道模块；将下行射频信号辐射出去；

射频信道模块，将X频段上行射频信号进行低噪放大、滤波、下变频和增益控制，得到上行中频信号，发送给基带模块；对下行调制信号进行上变频、和功率放大后，得到下行射频信号发送给天线；

基带模块，对上行中频信号进行载波捕获与跟踪、数据解调、帧同步和数据解析，得到上行数据传输帧，获取收到该上行数据传输帧帧头最后一个比特位的后沿对应的星上时刻，记为上行数据帧接收时刻，所述上行数据传输帧包括遥控信息、重构信息和上行测量信息，所述上行测量信息包括测量帧计数和上行测量数据；解析得到遥控信息之后，执行相应的遥控动作；解析得到重构信息，转发至相应设备执行功能重构；解析得到上行测量信息之后，将该上行数据传输帧中的测量帧计数、上行测量数据、上行数据帧接收时刻、预计的帧发送时刻组成下行测量信息并存储；将不同来源的遥测数据、图像数据、通信数据分别缓存后编帧，在一定的速率控制下，按照一定的帧格式将下行测量信息、遥测数据、图像数据或者通信数据编码、组帧、调制，得到下行调制信号发送至射频信道模块，以实现遥测、外测、数传一体化传送。

所述预计的帧发送时刻是指下行数据传输帧帧头最后一个比特位的后沿从天线口面发射的时刻，即：从基带模块发送至射频信道模块对应的星上时刻再加上下行基带信号经过射频信道模块到达天线口面的时间延迟。

所述天线为X频段收发天线，具有[-70°,70°]的宽波束覆盖和大于12dB的高增益特性。

所述天线为双备份天线，一副天线安装在对地面，另一幅天线安装在对天面，同时工作，实现卫星遥控业务的全空域覆盖。

所述基带模块采用动态调度的方式调度遥测数据、图像数据或者通信数据，并将其封装在下行数据传输帧的数据单元中，具体实现为：

(1)、遥测数据按照固定的发送频率调度，到达发送遥测数据的时刻，将遥测数据从相应的缓冲区中提出出来装在下行数据传输帧的数据单元中；

(2)、不发送遥测数据的时段，遍历图像数据和通信数据对应的缓冲区，当图像缓冲区中剩余存储空间低于预设门限时，将图像数据从相应的从相应的缓冲区中提出出来装在下行数据传输帧的数据单元中，当图像缓冲区中剩余存储空间大于等于预设门限时，按照优先等级将星上各载荷通信数据从相应的的缓冲区中提出来装在下行数据传输帧的数据单元中。

上行数据传输帧包括上行帧主导头、上行测量域、上行数据单元和上行差错控制域，上行帧主导头、上行测量域、上行数据单元组成上行原始数据帧之后进行差错校验，得到上行差错控制域，上行差错控制域与上行原始数据帧拼接之后进行编码，得到上行编码数据帧，上行编码数据帧再加上上行同步头得到上行数据传输帧；

其中：

1a、上行同步头，即为上行数据传输帧帧头；

1b、上行帧主导头中包括：

上行航天器标识符：接收上行数据传输帧的目标航天器的标识；

上行虚拟信道标识符：用来标识数据类型，所述数据类型包括遥控数据、上注重构数据；

上行通道帧计数：上行数据传输帧的计数；

上行数据标识：标识上行测量数据是否有效；

备用域：预留数据位；

1c、上行测量域中包括：

上行测量帧计数：测量数据内容的帧计数；

上行测量数据：外弹道测量用的信息数据；

1d、上行数据单元中包括：

遥控信息或者上注重构信息。

下行数据传输帧包括下行帧主导头、下行测量域、下行数据单元和下行差错控制域，下行帧主导头、下行测量域、下行数据单元组成下行原始数据帧之后进行差错校验，得到下行差错控制域，下行差错控制域与下行原始数据帧拼接之后进行编码，得到下行编码数据帧，下行编码数据帧再加上下行步头得到下行数据传输帧；

其中：

2a、下行同步头，即为下行数据传输帧帧头；

2b、下行帧主导头中包括：

下行航天器标识符：发送下行数据传输帧源航天器的标识；

下行虚拟信道标识符：标识下行数据类型，为遥测数据、图像数据或通信业务数据；

下行通道帧计数：下行数据传输帧的计数；

下行数据标识：标识下行测量数据是否有效；

备用域：预留数据位；

2c、下行测量域中包括：

下行测量帧计数：星上采样并发送的测量数据内容的帧计数；

下行测量数据：星上发送下行测量信息，包括最新的上行测量信息星上接收时间、星上发送时间信息和最新接收的上行测量信息；

2d、下行数据单元中包括：

遥测数据，图像数据或者通信业务数据等；

所述上行中频信号和下行调制信号的调制方式均为PCM-QPSK调制。

所述上行中频信号和下行调制信号的编码形式为(8160，7136)的截短LDPC编码。本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明选择X频段实现通信信道集成和测控天线宽波束覆盖特性与高速数传天线高增益特性集成，信道集成化，同时一个天线代替传统分立的测控天线和数传天线，有利于减小系统体积和质量。

(2)、本发明设计带有测量域的数据传输帧，实现测量、遥控、遥测和高速数据传输的功能融合和统一，与传统的各自分离的测控信道和高速数传信道相比，本发明在数据格式上进行创新，实现了信息融合，实现一个物理信道的多功能数据综合并传输，降低设备复杂性，可显著降低系统功耗和体积。

(3)、本发明通过采用PCM-QPSK通信体制和LDPC信道编码，定义数据传输帧的虚拟信道和测量域，实现外测、遥测、遥控和数据传输功能的融合，真正实现了多种功能的信息融合和一体化。

附图说明

图1为本发明实施例的系统组成框图；

图2为本发明实施例的上行信号处理流程；

图3为本发明实施例的下行信号处理流程。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

为了满足小卫星日益增长的高速数据传输，低功耗和安装空间小的需求，打破传统的的卫星测控与高速数据传输通信系统分离的局限性，本发明提供一种功耗低、体积小、质量轻、速率高的X频段测控通信系统，实现遥测、外测、遥控，高速率数据传输的多功能集成，频点统一，信道统一，信息融合，大大简化设备结构，降低系统复杂度，是一种系统化、集成化和多功能化的综合系统。

如图1所示，本发明提供的一种基于数据体制融合的星上X频段测控通信综合系统，包括天线、射频模块和基带模块，其中：

天线，用于接收地面站发射的X频段上行射频信号，传输至射频信道模块进行后续处理；将下行射频信号辐射出去；

基带模块，对上行中频信号进行载波捕获与跟踪、数据解调、帧同步和数据解析，得到上行数据传输帧，获取收到该上行数据传输帧帧头最后一个比特位的后沿对应的星上时刻，记为上行数据帧接收时刻，所述上行数据传输帧包括遥控信息、重构信息和上行测量信息，所述上行测量信息包括测量帧计数和上行测量数据；解析得到遥控信息之后，执行相应的遥控动作；解析得到重构信息，转发至相应设备执行功能重构；解析得到上行测量信息之后，将该上行数据传输帧中的测量帧计数、上行测量数据、上行数据帧接收时刻、预计的帧发送时刻组成下行测量信息并存储；所述预计的帧发送时刻是指下行数据传输帧帧头最后一个比特位的后沿从天线口面发射的时刻，即：从基带模块发送至射频信道模块对应的星上时刻再加上下行中频信号经过射频信道模块到达天线口面的传输时延，此时延信息可通过地面标校测试和在轨标校得到；将不同来源的遥测数据、图像数据、通信数据分别缓存后编帧，在一定的速率控制下，按照一定的帧格式将下行测量信息、遥测数据、图像数据或者通信数据编码、组帧、调制，得到下行调制信号发送至射频信道模块，以实现遥测、外测、高速率载荷数据一体化传送。

作为优选方案，采用X频段通信信道和X频段宽波束喇叭天线，天线由波导腔、极化器和喇叭口组成，极化器口面辐射具有宽波束特性，喇叭口具有高增益特性，通过极化器和喇叭口结合实现宽波束高增益效果，达到系统小型化。X频段射频信道和基带采用板级集成，基于全数字的信号处理，通过一次变频简化射频链路，实现上行和下行物理信道集成设计，实现小型化。实现测控天线和高速数据传输天线集成，天线既具有±70度的宽波束特性满足上行遥控应用，又具有高增益12dB的窄波束特性满足高速数据应用，可有效降低系统功放的输出功率，实现系统低功耗设计。宽波束覆盖，可满足卫星测控覆盖范围的需要；高增益特性在系统功放输出功率不变的前提下，有利于提高系统EIRP值从而系统具有更高速率传输能力，同时在一定的EIRP值情况下，高天线增益可降低对功放输出功率的要求，从而有效降低系统总功耗。设计结果表明在系统可支持下行数据速率100Mbps，相比传统的小卫星速率10Mbps～20Mbps的传输能力，本发明极大提高小卫星测控和通信的数据传输能力。

上行和下行通信体制均为PCM-QPSK，编码为(8160，7136)的截短LDPC编码，设计上行载波频率f_up，下行载波频率f_down。采用LDPC编码，定义数据传输帧长度为896字节，编码后数据传输帧帧长为1024字节。

优选地，所述基带模块采用动态调度的方式调度遥测数据、图像数据或者通信数据，并将其封装在下行数据传输帧的数据单元中，具体实现为：

(1)、遥测数据按照固定的发送频率调度，到达发送遥测数据的时刻，将遥测数据从相应的缓冲区中提出来装在下行数据传输帧的数据单元中；

(2)、不发送遥测数据的时段，遍历图像数据和通信数据对应的缓冲区，当图像缓冲区中剩余存储空间低于预设门限时，将图像数据从相应的从相应的缓冲区中提出出来装在下行数据传输帧的数据单元中，当图像缓冲区中剩余存储空间大于等于预设门限时，按照优先级将各载荷通信数据从相应的缓冲区中提出来装在下行数据传输帧的数据单元中。

优选地，上行数据传输帧包括上行帧主导头、上行测量域、上行数据单元和上行差错控制域，上行帧主导头、上行测量域、上行数据单元组成上行原始数据帧之后进行差错校验，得到上行差错控制域，上行差错控制域与上行原始数据帧拼接之后进行编码，得到上行编码数据帧，上行编码数据帧再加上上行同步头得到上行数据传输帧；

其中：

1a、上行同步头，即为上行数据传输帧帧头；

1b、上行帧主导头中包括：

上行通道帧计数：上行数据传输帧的计数；

上行数据标识：标识上行测量数据是否有效；

备用域：预留数据位；

1c、上行测量域中包括：

上行测量帧计数：测量数据内容的帧计数，0～65536循环；

上行测量数据：外弹道测量用的信息数据；

1d、上行数据单元中包括：

遥控信息或者上注重构信息。

1e、上行差错控制域：

采用CRC校验计算方式，对除上行同步头外的上行帧主导头、上行测量域和上行数据单元进行差错校验。

1f、上行编码：

对除同步头外的上行帧主导头、上行测量域、上行数据单元和上行差错控制域进行编码，编码形式为(8160，7136)的截短LDPC编码。优选地，下行数据传输帧包括下行帧主导头、下行测量域、下行数据单元和下行差错控制域，下行帧主导头、下行测量域、下行数据单元组成下行原始数据帧之后进行差错校验，得到下行差错控制域，下行差错控制域与下行原始数据帧拼接之后进行编码，得到下行编码数据帧，下行编码数据帧再加上下行步头得到下行数据传输帧；

其中：

2a、下行同步头，即为下行数据传输帧帧头；

2b、下行帧主导头中包括：

下行航天器标识符：发送下行数据传输帧源航天器的标识；

下行通道帧计数：下行数据传输帧的计数；

下行数据标识：标识下行测量数据是否有效；

备用域：预留数据位；

2c、下行测量域中包括：

下行测量帧计数：星上采样并发送的测量数据内容的帧计数，0～65536循环；

下行测量数据：星上发送的下行测量信息，包括最新的上行测量信息星上接收时间、星上发送时间信息和最新接收的上行测量信息，其中星上发送时间由下行帧头后沿采样时刻和传输时延两部分组成；

2d、下行数据单元中包括：

遥测数据，图像数据或者通信业务数据等；

所述上行中频信号和下行调制信号的编码形式为(8160，7136)的截短LDPC编码。

2e、下行差错控制域：

采用CRC校验计算方式，对除下行同步头外的下行帧主导头、下行测量域和上行数据单元进行差错校验。

2f、下行编码：

对除同步头外的下行帧主导头、下行测量域、下行数据单元和下行差错控制域进行编码，编码形式为(8160，7136)的截短LDPC编码。

本发明设计一套物理信道和上下行独立的工作频点，外测、遥控遥测和载荷数据传输等多种功能的信息数据均通过此信道传输；数据链路层采用固定长度的数据传输帧形式，下行数据传输帧在数据域将遥测数据与载荷数据动态调度组帧，下行实现了载荷数据传输和遥测数据传输的融合，并定义传输帧的测量域内容，用于传输上下行外测信息，最终实现在一种传输帧中，测控信息与高速载荷信息通过一个物理通道同时传输；融合模式设计不受数据传输速率的限制，通信速率可达百兆比特。

实施例1

如图3所示，为本发明某一具体实施例的系统组成框图，该具体实施例总功耗只有12W，通信设备尺寸100mm×100mm×40mm，天线尺寸为Φ75mm×100mm，总质量仅为900g。

作为优选方案，本实施例中，所述天线为双备份天线，一副天线安装在对地面，另一幅天线安装在对天面，同时工作，实现卫星遥控业务的全空域覆盖。采用2副天线分别安装在对地面和对天面，实现卫星遥控业务的全空域覆盖；基带模块基于“软件无线电”思想设计，使用FPGA单独完成数字信号的处理工作，完成上行信号载波同步、数据同步及解调、下行信号的调制发射。射频信道采用一次变频方案，接收天线送来的上行信号，进行低噪放大、滤波、下变频和增益控制，并对数字基带处理芯片送来的下行调制信号，进行上变频、放大和功率放大后送给天线。

如图2所示，对接收到的上行信号处理低噪声放大和增益控制，下变频到中频后，送至AD芯片进行模数转换，在基带模块中完成载波捕获跟踪，进一步完成解调和帧同步，按照上行数据传输帧的格式定义解析帧数据，在解析出帧头时按照星上工作时钟开始计时，提取遥控指令输出至卫星中心机，提取上行测量帧计数和测量数据送至基带的下行处理单元中。

本实施例中，上行数据传输帧定义如表1所示：

表1上行数据传输帧格式

上述帧格式中，上行虚拟信道标识符连续发送了三次，用于容错设计。

如图3所示，基带模块按照星上工作时钟进行计时，进行上行测量信息采样和发送，下行测量信息发送时刻是下行数据传输帧的帧头最后沿，下行测量信息内容包括：接收时刻信息，发送时刻信息、地面发送的上行测量信息，将测量帧计数和下行测量信息装入下行数据传输帧对应的测量域中，分多个数据传输帧发送；将不同来源的遥测数据，图像数据，通信数据采用动态调度方式先缓存后编帧，封装在下行数据传输帧的数据单元中，不同的虚拟信道标识符区别数据来源，按照一定速率组帧完成后将数据传输帧进行编码加扰调制，送至DA芯片完成数模转换，转换后进行上变频放大，由天线辐射至地面。

本实施例中，下行数据传输帧定义如表2所示：

表2下行数据传输帧格式

上述帧格式中，下行虚拟信道标识符连续发送了三次，用于容错设计。

动态调度使用异步和同步综合调度策略；其中同步指遥测数据的调度，异步指各类高速载荷数据，依据数据优先级进行高优先级数据组帧调度，同等优先等级采用缓冲区余量排序方式组帧调度。

地面接收下行数据，提取数据单元中的内容，根据接收的测量帧计数和地面接收时刻，计算出此帧地面发送时刻与地面接收时刻之差t_g。

星上处理时间t_s＝星上发送时刻t_t-星上接收时刻t_r；

t_r是对应星上时间，星上接收到上行传输帧的帧头后沿采样时刻；

星上发送时刻t_t＝星上帧头后沿采样时刻t₁+传输时延t₀；

星地传输时间t＝t_g-t_s；

星地距离d＝光速×t/2。

星上接收时刻t_r、星上发送时刻t_t、传输时延t₀均填入下行数据传输帧的测量域中。

综上所述，本发明通过采用PCM-QPSK通信体制和LDPC信道编码，定义数据传输帧的虚拟信道和测量域，实现外测、遥测、遥控和高速数据传输功能的融合，真正实现了多种功能的信息融合和一体化。具体为：

(1)、测量功能，卫星接收到上行发送的测量信息，解析出测量帧计数，将此测量帧计数、地面发送的测量信息和卫星处理时间信息打包组成下行测量数据装入测量域的测量数据，地面根据接收到的帧计数和此帧地面上行发送时间，计算星地距离。

(2)、上行遥控数据和重构数据，通过定义不同的虚拟信道标识符区分数据类型，均填到上行数据传输帧中的数据单元传输。

(3)、下行遥测数据和其他类型载荷数据，定义不同的虚拟信道标识符区分数据类型，因为不同类型数据速率不同，通过动态调度方式将数据统一编排进入下行数据传输帧的数据单元中传输。本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种基于数据体制融合的星上X频段测控通信综合系统，其特征在于包括天线、射频模块和基带模块，其中：

2.根据权利要求1所述的一种基于数据体制融合的星上X频段测控通信综合系统，其特征在于所述预计的帧发送时刻是指下行数据传输帧帧头最后一个比特位的后沿从天线口面发射的时刻，即：从基带模块发送至射频信道模块对应的星上时刻再加上下行基带信号经过射频信道模块到达天线口面的时间延迟。

3.根据权利要求1所述的一种基于数据体制融合的星上X频段测控通信综合系统，其特征在于所述天线为X频段收发天线，具有[-70°,70°]的宽波束覆盖和大于12dB的高增益特性。

4.根据权利要求1所述的一种基于数据体制融合的星上X频段测控通信综合系统，其特征在于所述天线为双备份天线，一副天线安装在对地面，另一幅天线安装在对天面，同时工作，实现卫星遥控业务的全空域覆盖。

5.根据权利要求1所述的一种基于数据体制融合的星上X频段测控通信综合系统，其特征在于所述基带模块采用动态调度的方式调度遥测数据、图像数据或者通信数据，并将其封装在下行数据传输帧的数据单元中，具体实现为：

6.根据权利要求1所述的一种基于数据体制融合的星上X频段测控通信综合系统，其特征在于上行数据传输帧包括上行帧主导头、上行测量域、上行数据单元和上行差错控制域，上行帧主导头、上行测量域、上行数据单元组成上行原始数据帧之后进行差错校验，得到上行差错控制域，上行差错控制域与上行原始数据帧拼接之后进行编码，得到上行编码数据帧，上行编码数据帧再加上上行同步头得到上行数据传输帧；

其中：

1a、上行同步头，即为上行数据传输帧帧头；

1b、上行帧主导头中包括：

上行通道帧计数：上行数据传输帧的计数；

上行数据标识：标识上行测量数据是否有效；

备用域：预留数据位；

1c、上行测量域中包括：

上行测量帧计数：测量数据内容的帧计数；

上行测量数据：外弹道测量用的信息数据；

1d、上行数据单元中包括：

遥控信息或者上注重构信息。

7.根据权利要求1所述的一种基于数据体制融合的星上X频段测控通信综合系统，其特征在于下行数据传输帧包括下行帧主导头、下行测量域、下行数据单元和下行差错控制域，下行帧主导头、下行测量域、下行数据单元组成下行原始数据帧之后进行差错校验，得到下行差错控制域，下行差错控制域与下行原始数据帧拼接之后进行编码，得到下行编码数据帧，下行编码数据帧再加上下行步头得到下行数据传输帧；

其中：

2a、下行同步头，即为下行数据传输帧帧头；

2b、下行帧主导头中包括：

下行航天器标识符：发送下行数据传输帧源航天器的标识；

下行通道帧计数：下行数据传输帧的计数；

下行数据标识：标识下行测量数据是否有效；

备用域：预留数据位；

2c、下行测量域中包括：

2d、下行数据单元中包括：

遥测数据，图像数据或者通信业务数据等。

8.根据权利要求1所述的一种基于数据体制融合的星上X频段测控通信综合系统，其特征在于所述上行中频信号和下行调制信号的调制方式均为PCM-QPSK调制。

9.根据权利要求1所述的一种基于数据体制融合的星上X频段测控通信综合系统，其特征在于所述上行中频信号和下行调制信号的编码形式为(8160，7136)的截短LDPC编码。