CN111404597B - 一种天基资源网络化智能微小卫星系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种天基资源网络化智能微小卫星系统，包括天基段及地面段，其中天基段由不同类型卫星组成，所述卫星采用模块化设计，并通过激光通信载荷和/或微波通信载荷实现信息交互及协作信息传递；以及地面段包括地面应用服务系统以及终端应用服务系统。

Description

一种天基资源网络化智能微小卫星系统

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种天基资源网络化智能微小卫星系统。

背景技术

随着微小卫星技术水平的飞速提升，其应用日益广泛。而随着全球数据采集需求的日益增长，以及大数据、云计算的快速发展，低轨小星座组网应用成为目前微小卫星的发展趋势。基于天基资源及互联网思维的“天基互联网+”信息服务体系涵盖了多手段遥感、多源信息融合与智能化服务等多方面需求，实现了天基资源网络化，该类服务体系将成为今后的重点发展方向。

目前，主流的天基资源网络化服务体系包括SkyBox、Planet Lab、OneWeb等商业卫星公司推出的SkySat星座、Flock星座、680颗星全球互联网覆盖星座等计划。其以“小卫星、大数据”、“永远在线”、“全球服务”为理念，为互联网用户提供遥感图像、通信接入等服务，以互联网发展思维、商业化运作模式驱动着现有航天的重大变革。

由于“天基互联网+”信息服务体系具有低成本、小型化、集成化及具有网络互联能力的需求，因此其组网所采用的微小卫星系统的设计必须满足网络化、智能化以及低成本集成化的要求。

发明内容

为了满足“天基互联网+”信息服务体系的系统能力和服务模式对卫星平台网络互联和开放应用体系的需求，本发明提供一种天基资源网络化智能微小卫星系统，包括：

天基段，包括多个卫星组成的天基互联网络，其中，所述卫星通过激光通信载荷和/或微波通信载荷实现信息交互及协作信息传递；以及

地面段，包括：

地面应用服务系统，用于接收和分析所述卫星的原始数据及在轨数据处理结果，并发送指令控制所述天基段的工作状态，所述地面应用服务系统包括测控系统、数据接收系统、任务规划系统、数据处理系统、定标与质评系统及应用服务系统；以及

终端应用服务系统，用于将用户的信息服务要求发送给所述天基段，并接收所述天基段提供的信息服务，包括小型天线、管理型终端、应用终端及应用支撑系统。

进一步地，所述卫星包括下列各项中的一个或多个：高分辨率SAR卫星、敏捷光学卫星和宽幅光学卫星。

进一步地，所述卫星为模块化设计，包括：

卫星平台，包括：

标准化功能模块及单元，包括天线子系统、平台综合管理单元、载荷信息管理单元、相控阵射频单元、UHF通信模块、微波网络模块、星间激光通信模块、结构热控模块、推进模块、星敏感器、光纤陀螺、太敏/磁模块、磁力矩器、动量轮、能源管理单元、太阳电池阵、蓄电池以及星间路由模块；以及

软件系统，包括操作系统软件及应用软件；以及

有效载荷，包括：

遥感载荷；以及

智能处理载荷，用于实时接收、缓存并处理所述遥感载荷的原始数据及位置姿态，以及接收用户的信息服务要求并提供信息服务。

进一步地，所述遥感载荷为高分辨率SAR载荷、高分辨率光学载荷或宽幅光学载荷。

进一步地，所述智能处理载荷包括FPGA、多个GPU以及存储装置。

进一步地，所述智能处理载荷包括：

主控模块，用于与外部接口进行通信、应答载荷遥控遥测信息、进行处理模块的任务调度以及控制产品数据存储器的读写；

原始数据收发管理模块，用于接收、解析和缓存载荷原始数据，并根据主控指令将所述载荷原始数据发送到处理模块；以及

处理模块，用于根据应用任务处理要求，通过高速串行总线接收载荷原始数据，并通过以太网将产品数据返回给主控模块。

进一步地，所述卫星的模块和/或单元间采用无线通信。

进一步地，所述激光通信载荷采用收发空间分离的方式实现双工通信。

本发明提供的一种天基资源网络化智能微小卫星系统，通过高分SAR、高分光学和宽幅光学三类卫星的设计和星间网络的规划，给出了天基互联遥感系统的解决方案。该系统可满足多源遥感信息快速获取和智能应用处理的需求，为微小卫星通用化设计和天基互联网设计提供了借鉴经验。系统中的卫星采用了标准模块化设计方法，根据特定任务需求，选配不同的载荷和平台的功能模块组装而成，部分模块间除电源电缆外的信息传输采用无线通信的形式，简化了连接关系，使卫星设计、装配、总装更加便捷。所述卫星的各模块的研制工作可单独进行，并行进行总装和测试，同时模块内部的设备可以单独拆装，不会影响主线进度和其他设备测试，缩短了研制周期，实现了卫星之间同类模块的可互换性。标准模块投入生产后可以实现批量生产，通过抽检方式替代每个模块的单独试验，从根本上减少了产品的研制和试验环节。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出本发明一个实施例的一种天基资源网络化智能微小卫星系统结构示意图；

图2示出本发明一个实施例的卫星结构示意图；

图3a-3c分别示出本发明一个实施例的高分辨率SAR卫星、敏捷光学卫星和宽幅光学卫星的结构示意图；

图4示出本发明一个实施例的智能处理载荷的结构示意图；

图5示出本发明一个实施例的高速激光通信载荷的结构示意图；

图6示出本发明一个实施例的星间链路数据信息流示意图；

图7示出本发明一个实施例的微波链路引导建立激光链路并传输大数据信息流程示意图；

图8示出本发明一个实施例的路由学习包传输信息流示意图；以及

图9示出本发明一个实施例的UHF星间链路数据传输控制信息流示意图。

具体实施方式

以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

图1示出本发明一个实施例的一种天基资源网络化智能微小卫星系统结构示意图。如图1所示，一种天基资源网络化智能微小卫星系统，包括天基段101以及地面段，其中：

所述地面段包括：

地面应用服务系统1021，包括测控系统2101、数据接收系统2102、任务规划系统2103、数据处理系统2104、定标与质评系统2105及应用服务系统2106。所述数据接收系统2102接收所述天基段发送的载荷原始数据及在轨数据处理结果，并将所述载荷原始数据及在轨数据处理结果发送给数据处理系统2104，所述数据处理系统2104结合所述定标与质评系统2105计算得到的定标参数进行数据分析，并将分析结果发送给应用服务系统2106，所述应用服务系统2106根据所述分析结果整理应用需求，并发送给任务规划系统2103，所述任务规划系统2103根据所述应用需求制定载荷工作计划，并发送给测控系统2101以及应用服务系统2106，最终所述测控系统2101发送指令控制所述天基段的工作状态并实时接收所述天基段发送的遥测信息实现闭环控制；以及

终端应用服务系统1022，包括小型天线2201、管理型终端2202、应用终端2203及应用支撑系统2204。所述终端应用服务系统1022通过所述小型天线2201与所述天基段实现信息交互，所述应用终端2203将信息服务要求通过所述小型天线2201发送给所述天基段，并通过所述小型天线2201接收所述天基段提供的信息服务，此外，所述小型天线2201还接收在轨应用软件的星上日志提供给所述管理型终端2202以及应用支撑系统2204，以进行在轨应用软件的管理；在本发明的一个实施例中，所述天基段的卫星既可接收从所述用户终端2203上注的应用需求，也可接收从所述测控系统2101上注的任务指令。然而通过这两个通道上注的任务存在资源竞争，为了避免星上星务分系统进行复杂的任务冲突判断和某一任务执行过程中被打断而带来的任务执行状态的歧义性，将从这两个通道上注的不同任务定义为卫星系统的两种工作模式：从测控系统2101上注的应用模式称为常规应用模式，从用户终端2203上注的应用模式称为智能应用模式，则通过测控系统的上注模式切换指令可以解决两种应用模式冲突带来的相关问题；以及

所述天基段101包括多个卫星组成的天基互联网络，且所述卫星通过激光通信载荷和/或微波(UHF)通信载荷实现信息交互及协作信息传递。所述天基段具备星间组网通信能力、在轨智能处理能力以及多种遥感载荷及成像能力。所述卫星包括以下各项中的一个或多个：高分辨率SAR卫星、敏捷光学卫星和宽幅光学卫星。在本发明的一个实施例中，所述卫星包括高分辨率SAR卫星1101、敏捷光学卫星1102和宽幅光学卫星1103三类，其各项主要指标如下：

星地通信：

1)数传：QPSK，400Mbps；

2)遥测遥控：S波段，上行：2000bps，下行：8192bps；

3)地面终端通信速率：上行1kbps；下行128kbps；

星间通信：

1)激光通信：100Mbps@3000km；

2)UHF通信：1kbps@3000km；

在轨信息处理：

1)目标提取速度：优于5s；

2)目标数据分发速度：优于5s；

高分SAR：

1)波段：Ku频段；

2)分辨率/带宽(@500km)：

a)模式一：0.5m/5km

b)模式二：1m/8km

c)模式三：3m/10km

敏捷光学：

1)分辨率(@500km)：

a)全色0.7m，彩色1.4m；

b)长波14m；

2)幅宽(@500km)：

a)可见11km；

b)长波4.48km×3.58km；

宽幅光学：

1)可见分辨率：3米(@500km)；

2)幅宽：120km(@500km)。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，所述卫星为模块化设计，包括卫星平台及有效载荷，其中，所述卫星平台包括标准化功能模块及单元以及软件系统，有效载荷包括遥感载荷以及智能处理载荷：

所述标准化功能模块及单元主要用于实现所述卫星的通信、姿态控制、信息处理等基本功能，包括天线子系统、平台综合管理单元、载荷信息管理单元、相控阵射频单元、UHF通信模块、微波网络模块、星间激光通信模块、结构热控模块、推进模块、星敏感器、光纤陀螺、太敏/磁模块、磁力矩器、动量轮、能源管理单元、太阳电池阵、蓄电池以及星间路由模块；

所述软件系统，包括操作系统软件及应用软件。所述应用软件建立在开放式卫星体系架构的基础上，用户可以根据自身对不同领域、不同问题的应用需求，深度整合利用卫星星上资源和数据，开发出更加友好、高效的软件。用户或软件开发者无需过多的关注底层硬件的差别，可通过搭建应用软件框架自动生成大量代码，极大的降低了卫星应用软件开发难度，这将有效推动卫星应用向大众创新迈进。所述应用软件通过上注，在轨安装，并实现应用服务；

所述遥感载荷用于采集原始数据及卫星位置姿态信息，并发送给所述智能处理载荷进行处理，包括高分辨率SAR载荷、高分辨率光学载荷及宽幅光学载荷三类，搭载不同载荷，可分别组建如图3a-3c所示的高分辨率SAR卫星、敏捷光学卫星和宽幅光学卫星；以及

所述智能处理载荷用于实时接收、缓存并处理所述遥感载荷的原始数据及位置姿态，同时还接收用户的信息服务要求并提供信息服务。其数据来源为实时获取的多种载荷信息，包括并不限于可见光、红外、SAR等。如图4所示，所述智能处理载荷由基础硬件环境和基础软件环境组成，其中所述基础软件环境包括操作系统和板级支持包、驱动程序等，其为上层应用软件提供软件接口，并为上层应用软件的提供稳定、可靠的软件运行环境；以及所述基础硬件环境包括FPGA，多个GPU以及存储装置，采用FPGA+多个GPU+大容量存储的架构，功能上主要包括主控模块、原始数据收发管理模块、处理模块、与卫星平台的供电接口以及载荷信息管理单元的数传、控制和载荷原始数据接收接口，其中：

所述主控模块用于与外部接口进行通信、应答载荷遥控遥测信息、进行处理模块的任务调度以及控制产品数据存储器的读写；

所述原始数据收发管理模块用于接收、解析和缓存载荷原始数据，并根据主控指令将所述载荷原始数据发送到处理模块；以及

处理模块，用于根据应用任务处理要求，通过高速串行总线接收载荷原始数据，并通过以太网将产品数据返回给主控模块。在本发明的一个实施例中，所述处理模块采用了英伟达的GPU模块。

在本发明的又一个实施例中，所述激光通信载荷主要用于如观测图像数据等大数据量的业务信息的传输，其采用直接探测的通信体制，并采用收发空间分离的方式实现双工通信，以满足星座组网的总体设计要求。其通信和跟踪共用同一个通信光源，并共用同一个通信探测器，极大地降低了资源消耗。如图5所示，所述激光通信载荷包括光学系统、电子学系统和相应的机构及控制部分，通过QAPD探测器接收激光，通过解串器进行帧同步、解包，通过采样保持积分实现四通道采集，进而将所述激光转换为电信号发送给电子学系统，所述电子学系统与所述卫星通过LVDS和/或CAN总线和/或PPS进行通讯，其将所述电信号进行编码、调制，最终通过激光器LD发射出去。

当某颗卫星需要建立激光星间链路进行数据传输时，需要向对方卫星发送星间链路建立请求信息，也需要知道对方卫星的轨道位置信息以便进行姿态机动和光路对准操作，因此需要一个通信途径进行信息交互。所述微波(UHF)通信载荷包括两副构成近全向波束的UHF通信天线，能够在任意卫星姿态条件下随时建立低速星间链路。建立了激光星间链路的两颗卫星之间的收发采用单工模式，收发共用同一频点，并采用扩频体制，以提高抗干扰性能，每一颗卫星固定分配一个发送扩频码，每一颗卫星可以用任意扩频码(自身发送扩频码除外)接收数据。其物理信道分为导频信道和业务信道，其中，所有卫星共用一个导频信道，卫星通过该信道发起建立低速星间链路的操作流程；以及业务信道用于发送各类数据信息，每颗卫星在该信道上用自身扩频码发送数据。此外，由于包含观测目标经纬度、时间信息在内的任务指令数据以及路由学习包均属于控制信息，数据量较小，一般为20Bytes左右，因此，主星分发任务指令以及星间路由学习也通过所述微波(UHF)通信载荷进行。图6示出了星间链路信息流程以及图7-图9分别示出了微波链路引导建立激光链路并传输大数据信息流程、路由学习包传输信息流以及UHF星间链路数据传输控制信息流。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (6)

1. 一种天基资源网络化智能微小卫星系统，其特征在于，包括：

天基段，包括由一个或多个高分辨率SAR卫星、和/或敏捷光学卫星和/或宽幅光学卫星组成的天基互联网络，其中，各卫星通过激光通信载荷以及微波通信载荷实现信息交互及协作信息传递，所述卫星包括常规应用模式以及智能应用模式，并通过上注模式切换指令切换工作模式，其中所述常规应用模式指接收地面应用服务系统上注的任务指令，以及所述智能应用模式指接收终端应用服务系统上注的应用需求；以及

地面段，包括：

地面应用服务系统，用于接收和分析所述卫星的原始数据及在轨数据处理结果，并发送指令控制所述天基段的工作状态；以及

终端应用服务系统，用于将用户的信息服务要求发送给所述天基段，并接收所述天基段提供的信息服务；

其中，所述卫星为模块化设计，包括：

卫星平台，其包括标准化功能模块及单元以及软件系统，其中所述标准化功能模块及单元采用无线通信，以及所述软件系统包括操作系统软件以及应用软件，所述应用软件建立在开放式卫星体系架构的基础上，并通过上注在轨安装；以及

有效载荷，包括遥感载荷以及智能处理载荷，其中所述智能处理载荷被配置为实时接收、缓存并处理所述遥感载荷的原始数据及位置姿态，以及接收用户的信息服务要求并提供信息服务，且其包括：

主控模块，其被配置为与外部接口进行通信、应答载荷遥控遥测信息、进行处理模块的任务调度以及控制产品数据存储器的读写；

原始数据收发管理模块，其被配置为接收、解析和缓存载荷原始数据，并根据主控指令将所述载荷原始数据发送到处理模块；以及

处理模块，其被配置为根据应用任务处理要求，通过高速串行总线接收载荷原始数据，并通过以太网将产品数据返回给主控模块。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述地面应用服务系统包括测控系统、数据接收系统、任务规划系统、数据处理系统、定标与质评系统及应用服务系统；和/或

所述终端应用服务系统包括小型天线、管理型终端、应用终端及应用支撑系统。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述标准化功能模块及单元包括天线子系统、平台综合管理单元、载荷信息管理单元、相控阵射频单元、UHF通信模块、微波网络模块、星间激光通信模块、结构热控模块、推进模块、星敏感器、光纤陀螺、太敏/磁模块、磁力矩器、动量轮、能源管理单元、太阳电池阵、蓄电池以及星间路由模块。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述智能处理载荷包括FPGA、多个GPU、以及存储装置。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光通信载荷采用收发空间分离的方式实现双工通信，其被配置为传输大数据量的业务信息。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微波通信载荷包括两副构成近全向波束的UHF通信天线，所述微波通信载荷被配置为传输小数据量的业务信息，所述小数据量的业务信息包括任务指令数据以及路由学习包。

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