CN111443245A - 一种星载三频信标机及其工作方法 - Google Patents

一种星载三频信标机及其工作方法 Download PDF

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袁亚平
甄卫民
刘森
杨光
张宇环
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Abstract

一种星载三频信标机及其工作方法，包括发射机、发射天线和它们之间的射频连接电缆，其中发射机包括恒温晶振，与恒温晶振电连接的频率源单元，频率源单元产生的VHF、UHF和L频段的相干信号先由电桥进行正交化，再经功放单元完成合成并放大输出I/Q信号，控制发射机内各部件工作的下位机管理电路通过CAN总线和卫星星务通信，电源单元为发射机内的各部件供电。本发明所公开的星载三频信标机首次实现了VHF、UHF和L频段三个相干信号可以同时发射的问题，克服了三频信标机与GNSS掩星接收机的电磁兼容性问题，有效解决了对GNSS掩星接收机的带内干扰问题，保证信标正常工作的同时又不影响GNSS掩星接收机的正常工作。

Description

一种星载三频信标机及其工作方法
技术领域
本发明属于星载电离层环境监测研究领域，特别涉及该领域中的一种用于电离层电子密度监测的星载三频信标机及其工作方法。
背景技术
星载三频信标机搭载在卫星平台上，能够对电离层进行大范围、高时间分辨率、高水平分辨率的扫描，并能对F2层以上电离层的状态以及对小尺度的电离层不均匀体结构进行测量，能够获取高精度电离层TEC及电离层电子密度等信息，是一种天基电离层探测新技术。
目前国际上大部分的星载信标机都是双频信标机，而星载三频信标机国内尚未有产品问世，国外的星载三频信标机只有在COSMIC卫星上报道过，由于该卫星上面还搭载有GNSS 掩星接收机，而三频信标机的L频段信号及与VHF频段和UHF频段交调形成的信号会对掩星接收机产生干扰，因此COSMIC卫星发射在轨后，三频信标机的L频段信号一直处于关闭状态，只发射VHF频段和UHF频段两个信标信号，丧失了三频信标的功能。目前地面上能够接收到的卫星信标信号全部为双频信号。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种星载三频信标机及其工作方法。
本发明采用如下技术方案：
一种星载三频信标机，其改进之处在于：包括发射机、发射天线和它们之间的射频连接电缆，其中发射机包括恒温晶振，与恒温晶振电连接的频率源单元，频率源单元产生的VHF、 UHF和L频段的相干信号先由电桥进行正交化，再经功放单元完成合成并放大输出I/Q信号，控制发射机内各部件工作的下位机管理电路通过CAN总线和卫星星务通信，电源单元为发射机内的各部件供电。
进一步的，恒温晶振包括主份和备份；电源单元包括主份和备份。
进一步的，恒温晶振通过功分器与频率源单元电连接。
进一步的，发射天线采用背射型正交偶极子天线；L频段与UHF频段每路振子均为半波长偶极子，正交振子所在平面平行于星体安装面；各频段振子与星体安装面间距为相应频段的1/4波长；L频段与UHF频段振子直径为10mm；VHF频段振子为正交偶极子，振子弯折加载部分下端通过介质支撑与星体表面固定。
进一步的，发射天线安装在卫星+Z方向，发射机安装在天线后面的星体舱内。
一种工作方法，适用于上述星载三频信标机，其改进之处在于，包括如下步骤：
步骤1，三频信标机主份开机，接收到该条指令后，三频信标机的恒温晶振主份和电源主份加电，其余没有主备份的单元均加电；
步骤2，VHF发射开，接收到该条指令后，三频信标机开启VHF信标信号发射，此时地面接收机可以接收到VHF信标发射的信号；
步骤3，UHF发射开，接收到该条指令后，三频信标机开启UHF信标信号发射，此时地面接收机可以接收到UHF信标发射的信号；
步骤4，L发射开，接收到该条指令后，三频信标机开启L信标信号发射，此时地面接收机可以接收到L信标发射的信号；
上述4步骤完成后，三频信标机即进入三个频率信标信号全部发射正常工作的状态，此时接收机可以接收到三频信号；
同理，可以使用备份电路进行同样的操作，只需在步骤1中发送“三频信标机备份开机”指令。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的星载三频信标机系国内首创，与国外星载三频机相比，首次实现了VHF、 UHF和L频段三个相干信号可以同时发射的问题，克服了国外现有技术中三频信标机与 GNSS掩星接收机的电磁兼容性问题，有效解决了对GNSS掩星接收机的带内干扰问题，保证信标正常工作的同时又不影响GNSS掩星接收机的正常工作。其关键技术指标峰值电子密度反演精度总误差可达到8.63％(用户认定的在轨测试结果)，优于国外已有双频信标产品的指标(国外基本在10％～20％左右)。
附图说明
图1是星载三频信标机中发射机的组成框图；
图2是星载三频信标机中发射天线的结构示意图；
图3是发射机和发射天线之间射频电缆的连接关系示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，本实施例的星载三频信标机从卫星上发射VHF(150.012MHz)、 UHF(400.032MHz)和L(1066.752MHz)三个频段的相干信号，通过地面接收实现对电离层的大范围、高时间分辨率、高水平分辨率的立体扫描，要求三频信标探测系统的电离层峰值电子密度反演精度误差小于10％。星载三频信标机是三频信标探测系统中的星载部分，主要由发射机、发射天线和它们之间的射频连接电缆组成。
星载三频信标机的发射机具有向地面三频信标接收机台站发射VHF/UHF/L三个频率信标信号的功能。发射机分别产生3个频率相干的信标信号，恒温晶振作为参考信号源，为发射机提供高稳定的参考信号。频率源单元完成频率变换，产生VHF、UHF和L频段的相干信号，并由电桥进行正交化。功放单元完成对3个信标频率的合成与放大输出。电源单元完成 DC/DC变化，给其他单元提供需要的直流电压；同时，电源单元还具备接收开关机指令、浪涌抑制、EMI滤波、过流保护和加电时序控制功能。下位机管理电路通过CAN总线和卫星星务接口，接收星务发送的遥控指令、卫星时间等星务数据，控制三频信标机其它单元主备状态切换(OC指令)，并完成三频信标机遥测量化、采集、分包和通过总线回传给星务。三频信标发射机的组成框图如图1所示，发射机由恒温晶振、频率源单元、电源单元、功放单元和下位机管理电路组成。
发射机产生的I/Q信号输入到发射天线，由发射天线向地面辐射具有I、Q正交的两路单载波三频信标信号，并在空间形成圆极化波。发射天线采用背射型正交偶极子天线形式，可以单频或任意频段组合工作。L频段与UHF频段每路振子均为半波长偶极子，正交振子所在平面平行于星体安装面。各频段振子与星体安装面间距为相应频段1/4波长。L频段与UHF 频段振子直径为10mm。VHF频段振子总体形式与L、UHF频段相同，仍为正交偶极子，振子末端下折加载方式起到了消除电抗，同时实现了天线小型化。振子弯折加载部分下端通过介质支撑与星体表面固定，提高了结构强度。在空间合成右旋圆极化波，穿透电离层到达地面接收机。发射天线的结构如图2所示。
如图3所示，射频连接电缆将发射机与发射天线的六路信号(每个频段I/Q两路)连接起来。
卫星发射入轨后，三频信标机按照卫星指令进行工作。具体实施步骤如下：
步骤1，三频信标机主份开机，接收到该条指令后，三频信标机的恒温晶振主份和电源主份加电，其余没有主备份的单元均加电；
步骤2，VHF发射开，接收到该条指令后，三频信标机开启VHF信标信号发射，此时地面接收机可以接收到VHF信标发射的信号；
步骤3，UHF发射开，接收到该条指令后，三频信标机开启UHF信标信号发射，此时地面接收机可以接收到UHF信标发射的信号；
步骤4，L发射开，接收到该条指令后，三频信标机开启L信标信号发射，此时地面接收机可以接收到L信标发射的信号；
上述4步骤完成后，三频信标机即进入三个频率信标信号全部发射正常工作的状态，此时接收机可以接收到三频信号；
同理，可以使用备份电路进行同样的操作，只需在步骤1中发送“三频信标机备份开机”指令。

Claims (6)

1.一种星载三频信标机，其特征在于：包括发射机、发射天线和它们之间的射频连接电缆，其中发射机包括恒温晶振，与恒温晶振电连接的频率源单元，频率源单元产生的VHF、UHF和L频段的相干信号先由电桥进行正交化，再经功放单元完成合成并放大输出I/Q信号，控制发射机内各部件工作的下位机管理电路通过CAN总线和卫星星务通信，电源单元为发射机内的各部件供电。
2.根据权利要求1所述星载三频信标机，其特征在于：恒温晶振包括主份和备份；电源单元包括主份和备份。
3.根据权利要求1所述星载三频信标机，其特征在于：恒温晶振通过功分器与频率源单元电连接。
4.根据权利要求1所述星载三频信标机，其特征在于：发射天线采用背射型正交偶极子天线；L频段与UHF频段每路振子均为半波长偶极子，正交振子所在平面平行于星体安装面；各频段振子与星体安装面间距为相应频段的1/4波长；L频段与UHF频段振子直径为10mm；VHF频段振子为正交偶极子，振子弯折加载部分下端通过介质支撑与星体表面固定。
5.根据权利要求1所述星载三频信标机，其特征在于：发射天线安装在卫星+Z方向，发射机安装在天线后面的星体舱内。
6.一种工作方法，适用于权利要求1所述星载三频信标机，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，三频信标机主份开机，接收到该条指令后，三频信标机的恒温晶振主份和电源主份加电，其余没有主备份的单元均加电；
步骤2，VHF发射开，接收到该条指令后，三频信标机开启VHF信标信号发射，此时地面接收机可以接收到VHF信标发射的信号；
步骤3，UHF发射开，接收到该条指令后，三频信标机开启UHF信标信号发射，此时地面接收机可以接收到UHF信标发射的信号；
步骤4，L发射开，接收到该条指令后，三频信标机开启L信标信号发射，此时地面接收机可以接收到L信标发射的信号；
上述4步骤完成后，三频信标机即进入三个频率信标信号全部发射正常工作的状态，此时接收机可以接收到三频信号；
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