CN111698021B - 一种Ku和Ka双频卫通链路设备 - Google Patents

一种Ku和Ka双频卫通链路设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Ku和Ka双频卫通链路设备，包括：天线组件、功放组件和收发组件；天线组件，用于接收地面遥控信号，对地面遥控信号进行Ku和/或Ka下变频处理，将经过Ku和/或Ka下变频处理后的C中频信号发送给收发组件；以及，将经过Ku和/或Ka上变频处理后的机载遥测信号发送至卫星；收发组件，用于将C中频信号发送给机载任务管理计算机；以及，接收机载任务管理计算机发送的机载遥测信号，将机载遥测信号发送给功放组件；功放组件，用于对机载遥测信号进行Ku和/或Ka上变频处理，将经过Ku和/或Ka上变频处理后的机载遥测信号发送至天线组件。本发明解决了目前中大型无人机单Ku或者单Ka频段链路通信中存在的问题。

Description

一种Ku和Ka双频卫通链路设备
技术领域
本发明属于卫星通讯技术领域，尤其涉及一种Ku和Ka双频卫通链路设备。
背景技术
卫星通信是无人机数据链通信技术的重要组成，随着传统Ku频段轨位和频率资源的日益稀缺，高通量宽带卫星通信技术将成为卫通的的发展方向。目前的通信卫星多数具备Ku和Ka频段的转发器，可以在指向同一卫星的条件下实现Ku和Ka双模同时工作。
目前，无人机上采用的Ku波段(10.7～18.1GHz)卫星通信系统传输的典型数据带宽为2M/4M/8M。受制于带宽容量限制，无人机在执行监视、测量及测绘等大数据量作业时，必须在多种同时运行的载荷中进行切换，将机载光电载荷、测绘相机、雷达等任务设备获取的实时视频或影像数据进行大比率压缩，以实现经由有限数据带宽的实时空地数据互传，并且Ku波段的带宽是频分多址，向卫通公司申请服务即对固定频率的带宽独占服务，占用该频率会造成闲暇时段此带宽的浪费，并且租用费用也会非常高。
无人机上采用的Ka波段(26.5-40GHz)卫星通信系统，通过点波束，频率复用技术，在支持大容量通信服务、提高抗干扰能力、减小卫通终端体积等方面具备得天独厚的优势。但是无人机航程大，而Ka高通量卫通的点波束设计要求跨越大物理范围时支持跨波束切换能力，波束切换的准确性、实时性直接影响了高通量卫星通信系统的通信质量，尤其是针对航空飞行器这种速度快、区域广等的使用模式。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种Ku和Ka双频卫通链路设备，旨在解决目前中大型无人机单Ku或者单Ka频段链路通信中存在的问题。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种Ku和Ka双频卫通链路设备，包括：天线组件、功放组件和收发组件；
天线组件，用于接收地面遥控信号，对地面遥控信号进行Ku和/或Ka下变频处理，将经过Ku和/或Ka下变频处理后的C中频信号发送给收发组件；以及，将经过Ku和/或Ka上变频处理后的机载遥测信号发送至卫星；
收发组件，用于将C中频信号发送给机载任务管理计算机；以及，接收机载任务管理计算机发送的机载遥测信号，将机载遥测信号发送给功放组件；
功放组件，用于对机载遥测信号进行Ku和/或Ka上变频处理，将经过Ku和/或Ka上变频处理后的机载遥测信号发送至天线组件。
在上述Ku和Ka双频卫通链路设备中，天线组件，包括：天线、Ku和Ka馈源、双工器、低噪放、第一切换开关、Ku下变频器、Ka下变频器、分路器和天线伺服系统；
Ku和Ka馈源与天线连接，用于接收卫星转发的地面遥控信号；
双工器与所述Ku和Ka馈源连接，用于将地面遥控信号发送至低噪放；
低噪放与双工器连接，用于对地面遥控信号进行放大处理；
第一切换开关，用于根据地面遥控信号的频段，选择将低噪放与Ku下变频器和/或Ka下变频器接通；
Ku下变频器，用于对经放大处理后的Ku频段的地面遥控信号进行下变频处理，得到C中频信号；
Ka下变频器，用于对经放大处理后的Ka频段的地面遥控信号进行下变频处理，得到C中频信号；
分路器，用于对C中频信号进行分路，一路C中频信号发送至天线伺服系统，一路C中频信号发送至收发组件；
天线伺服系统，用于对一路C中频信号进行解析，得到卫星的信标信号。
在上述Ku和Ka双频卫通链路设备中，天线伺服系统，包括：天线控制单元、转向盘、伺服电机、监控器、轴角编码器、轴驱动执行机构、角速率传感器、角度传感器和天线座架；其中，天线控制单元分别与转向盘、监控器、轴角编码器、轴驱动执行机构、角速率传感器和角度传感器连接，天线座架分别与伺服电机、轴角编码器、轴驱动执行机构、角速率传感器和角度传感器连接。
在上述Ku和Ka双频卫通链路设备中，
转向盘，用于通过天线控制单元控制天线座架的方位向；
伺服电机，用于通过天线控制单元控制天线座架的俯仰向。
在上述Ku和Ka双频卫通链路设备中，
天线控制单元，用于对一路C中频信号进行解析，得到卫星的信标信号；以及，接收由机载任务管理计算机提供的惯导姿态信息，根据惯导姿态信息解算得到无人机的姿态角，控制天线对准卫星。
在上述Ku和Ka双频卫通链路设备中，
轴角编码器，用于将天线组合的各轴角度进行编码输出；
轴驱动执行机构，用于控制天线各轴的旋转角度；
角速率传感器，用于反馈天线组合的角速率；
角度传感器，用于反馈天线各轴角度。
在上述Ku和Ka双频卫通链路设备中，
角度率传感器反馈的天线组合的角速率，以及角度传感器反馈的天线各轴角度经过轴角编码器编码后输入至天线控制单元；天线控制单元根据接收到的天线组合的角速率和天线各轴角度，根据控制单元内部的反馈控制算法解算得到反馈信号；天线控制单元将反馈信号发送到轴驱动执行机构，轴驱动执行机构根据所述反馈信号进行反馈控制，以实现对天线平台的稳定控制。
在上述Ku和Ka双频卫通链路设备中，监控器，用于监控卫通天线的运动状态。
在上述Ku和Ka双频卫通链路设备中，天线伺服系统，还包括：跟踪收发机，用于通过预存的卫星轨位信息，对天线和卫星进行粗定位；然后，追踪卫星的信标信号，对天线和卫星进行精定位，实现天线对卫星的跟踪。
在上述Ku和Ka双频卫通链路设备中，功放组件，包括：Ku上变频器、Ka上变频器和第二切换开关；
第一切换开关，用于根据机载遥测信号的频段，选择将收发组件与Ku上变频器和/或Ka上变频器接通；
Ku上变频器，用于对机载遥测信号进行Ku上变频处理，将经过Ku上变频处理后的机载遥测信号发送至天线组件；
Ka上变频器，用于对机载遥测信号进行Ka上变频处理，将经过Ka上变频处理后的机载遥测信号发送至天线组件。
本发明具有以下优点：
(1)本发明公开了一种Ku和Ka双频卫通链路设备，双频段复用，可以兼备Ku链路的稳定性和Ka链路的高通量；实现了Ku/Ka的冗余以及地面通信站/关口站的冗余；在占用信道资源小的前提下实现高通量数据的传输。
(2)本发明公开了一种Ku和Ka双频卫通链路设备，提高了设备使用率：由于目前的高通量卫星一般都同时具备Ku和Ka的转发器，所以卫星在切换频率时不需要重新对准。这样，同一套Ku和Ka双频卫通链路设备可以同时完成Ku频段和Ka频段的适配，同时，地面设备也可以实现资源的复用，提高了设备使用率。
(3)本发明公开了一种Ku和Ka双频卫通链路设备，增加了传输带宽：无人机Ku频段卫通的典型带宽为2Mbps和4Mbps，对于机载的视频或图像只能同时传输一路，如果需要传输多路，则需要进行压缩率比较大的有损压缩，对质量影响较大；此外Ku频段的卫通服务一般都是通过对带宽的独占完成的，租赁的费用也较为昂贵。而Ka由于其频率高，可用资源更为充沛，借用Ka频段卫通的高通量关口站的特性，可以实现更高的带宽，可以达到16Mbps甚至更高。
(4)本发明公开了一种Ku和Ka双频卫通链路设备，提高了冗余度和可靠性：与视距链路相比，传统的Ku波段卫通缺乏备份链路，飞出视距外后卫通链路如果出现故障则会有很大的安全隐患。本发明中的Ku和Ka双频卫通链路设备可以实现切换，在其中一种链路失效的情况下可以马上切换到另一种链路，无需重复对星，也无需预存卫星信息，可以有效提高卫星通信系统的冗余度和可靠性。
(5)本发明公开了一种Ku和Ka双频卫通链路设备，提高了频带使用率：目前Ku频段的使用，卫星运营商提供的服务以频分复用为主，即给不同的无人机分配不同的频段，当无人机向运营商提出需求时，需要将整个频段划分给无人机，那么在闲暇时就会造成频段资源的浪费。更改为双频段切换的卫通后，主干业务(遥控遥测数据)可以通过Ku频段来收发，而高速数据如载荷数据、视频等可以通过高通量的Ka卫通传输，而Ka是基于频段的自动分配，这样就不会将频段固有地划分给无人机，而是可以灵活配置和使用，大大提高了使用率，降低了成本。
附图说明
图1是本发明实施例中一种Ku和Ka双频卫通链路设备的结构框图；
图2是本发明实施例中一种天线伺服系统的结构框图；
图3是本发明实施例中一种Ku和Ka双频卫通链路设备的部署示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
如图1，在本实施例中，该Ku和Ka双频卫通链路设备，包括：天线组件、功放组件和收发组件。
当处于前向链路的工作模式时，天线组件，用于接收地面遥控信号，对地面遥控信号进行Ku和/或Ka下变频处理，将经过Ku和/或Ka下变频处理后的C中频信号发送给收发组件；收发组件，用于将C中频信号发送给机载任务管理计算机。
当处于返向链路的工作模式时，收发组件，用于接收机载任务管理计算机发送的机载遥测信号，将机载遥测信号发送给功放组件；功放组件，用于对机载遥测信号进行Ku和/或Ka上变频处理，将经过Ku和/或Ka上变频处理后的机载遥测信号发送至天线组件；天线组件，用于将经过Ku和/或Ka上变频处理后的机载遥测信号发送至卫星。
在本发明的一优选实施例中，天线组件具体可以包括：天线、Ku和Ka馈源、双工器、低噪放、第一切换开关、Ku下变频器、Ka下变频器、分路器和天线伺服系统。其中，Ku和Ka馈源与天线连接，用于接收卫星转发的地面遥控信号；双工器与所述Ku和Ka馈源连接，用于将地面遥控信号发送至低噪放；低噪放与双工器连接，用于对地面遥控信号进行放大处理；第一切换开关，用于根据地面遥控信号的频段，选择将低噪放与Ku下变频器和/或Ka下变频器接通；Ku下变频器，用于对经放大处理后的Ku频段的地面遥控信号进行下变频处理，得到C中频信号；Ka下变频器，用于对经放大处理后的Ka频段的地面遥控信号进行下变频处理，得到C中频信号；分路器，用于对C中频信号进行分路，一路C中频信号发送至天线伺服系统，一路C中频信号发送至收发组件；天线伺服系统，用于对一路C中频信号进行解析，得到卫星的信标信号。
在本发明的一优选实施例中，如图2，天线伺服系统具体可以包括：天线控制单元、转向盘、伺服电机、监控器、轴角编码器、轴驱动执行机构、角速率传感器、角度传感器和天线座架。其中，天线控制单元分别与转向盘、监控器、轴角编码器、轴驱动执行机构、角速率传感器和角度传感器连接，天线座架分别与伺服电机、轴角编码器、轴驱动执行机构、角速率传感器和角度传感器连接。
优选的，转向盘，用于通过天线控制单元控制天线座架的方位向。伺服电机，用于通过天线控制单元控制天线座架的俯仰向。天线控制单元，用于对一路C中频信号进行解析，得到卫星的信标信号；以及，接收由机载任务管理计算机提供的惯导姿态信息，根据惯导姿态信息解算得到无人机的姿态角，控制天线对准卫星。监控器，用于监控卫通天线的运动状态。
优选的，轴角编码器，用于将天线组合的各轴角度进行编码输出；轴驱动执行机构，用于控制天线各轴的旋转角度；角速率传感器，用于反馈天线组合的角速率；角度传感器，用于反馈天线各轴角度。基于轴角编码器、轴驱动执行机构、角速率传感器和角度传感器实现的反馈控制过程如下：角度率传感器反馈的天线组合的角速率，以及角度传感器反馈的天线各轴角度经过轴角编码器编码后输入至天线控制单元；天线控制单元根据接收到的天线组合的角速率和天线各轴角度，根据控制单元内部的反馈控制算法解算得到反馈信号；天线控制单元将反馈信号发送到轴驱动执行机构，轴驱动执行机构根据所述反馈信号进行反馈控制，以实现对天线平台的稳定控制。
优选的，如图2，天线伺服系统还可以包括：跟踪收发机，用于通过预存的卫星轨位信息，对天线和卫星进行粗定位；然后，追踪卫星的信标信号，对天线和卫星进行精定位，实现天线对卫星的跟踪。
在本发明的一优选实施例中，功放组件具体可以包括：Ku上变频器、Ka上变频器和第二切换开关。其中，第一切换开关，用于根据机载遥测信号的频段，选择将收发组件与Ku上变频器和/或Ka上变频器接通；Ku上变频器，用于对机载遥测信号进行Ku上变频处理，将经过Ku上变频处理后的机载遥测信号发送至天线组件；Ka上变频器，用于对机载遥测信号进行Ka上变频处理，将经过Ka上变频处理后的机载遥测信号发送至天线组件。
在上述实施例的基础上，下面结合该Ku和Ka双频卫通链路设备的部署情况进行说明。
如图3，无人机的部署主要可以包括：指挥中心、前线基地及起降站、无人机、以及Ka/Ku通信卫星。
无人机上搭载有Ku和Ka双频卫通链路设备，Ku和Ka双频卫通链路设备与Ka/Ku通信卫星实现数据链链接，并将载荷生成的情报数据通过Ka/Ku通信卫星回传给指挥中心；以及，通过Ka/Ku通信卫星接收指挥中心的控制，回传飞控等参数信息。无人机的起降由前线基地及起降站控制。当无人机起飞后，指挥控制权交接给Ku和Ka双频卫通链路设备，发挥Ku和Ka双频卫通链路设备带宽大和控制半径广的优点。，指挥中心在布置时可以采取频分复用的方式，实现同时控制多架无人机。
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。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种Ku和Ka双频卫通链路设备，其特征在于，包括：天线组件、功放组件和收发组件；
天线组件，用于接收地面遥控信号，对地面遥控信号进行Ku和/或Ka下变频处理，将经过Ku和/或Ka下变频处理后的C中频信号发送给收发组件；以及，将经过Ku和/或Ka上变频处理后的机载遥测信号发送至卫星；
收发组件，用于将C中频信号发送给机载任务管理计算机；以及，接收机载任务管理计算机发送的机载遥测信号，将机载遥测信号发送给功放组件；
功放组件，用于对机载遥测信号进行Ku和/或Ka上变频处理，将经过Ku和/或Ka上变频处理后的机载遥测信号发送至天线组件；
其中：
天线组件，包括：天线、Ku和Ka馈源、双工器、低噪放、第一切换开关、Ku下变频器、Ka下变频器、分路器和天线伺服系统；Ku和Ka馈源与天线连接，用于接收卫星转发的地面遥控信号；双工器与所述Ku和Ka馈源连接，用于将地面遥控信号发送至低噪放；低噪放与双工器连接，用于对地面遥控信号进行放大处理；第一切换开关，用于根据地面遥控信号的频段，选择将低噪放与Ku下变频器和/或Ka下变频器接通；Ku下变频器，用于对经放大处理后的Ku频段的地面遥控信号进行下变频处理，得到C中频信号；Ka下变频器，用于对经放大处理后的Ka频段的地面遥控信号进行下变频处理，得到C中频信号；分路器，用于对C中频信号进行分路，一路C中频信号发送至天线伺服系统，一路C中频信号发送至收发组件；天线伺服系统，用于对一路C中频信号进行解析，得到卫星的信标信号；
天线伺服系统，包括：天线控制单元、转向盘、伺服电机、监控器、轴角编码器、轴驱动执行机构、角速率传感器、角度传感器和天线座架；
转向盘，用于通过天线控制单元控制天线座架的方位向；伺服电机，用于通过天线控制单元控制天线座架的俯仰向；轴角编码器，用于将天线组合的各轴角度进行编码输出；轴驱动执行机构，用于控制天线各轴的旋转角度；角速率传感器，用于反馈天线组合的角速率；角度传感器，用于反馈天线各轴角度；天线控制单元，用于对一路C中频信号进行解析，得到卫星的信标信号；以及，接收由机载任务管理计算机提供的惯导姿态信息，根据惯导姿态信息解算得到无人机的姿态角，控制天线对准卫星；监控器，用于监控卫通天线的运动状态。
2.根据权利要求1所述的Ku和Ka双频卫通链路设备，其特征在于，天线控制单元分别与转向盘、监控器、轴角编码器、轴驱动执行机构、角速率传感器和角度传感器连接，天线座架分别与伺服电机、轴角编码器、轴驱动执行机构、角速率传感器和角度传感器连接。
3.根据权利要求1所述的Ku和Ka双频卫通链路设备，其特征在于，角度率传感器反馈的天线组合的角速率，以及角度传感器反馈的天线各轴角度经过轴角编码器编码后输入至天线控制单元；天线控制单元根据接收到的天线组合的角速率和天线各轴角度，根据控制单元内部的反馈控制算法解算得到反馈信号；天线控制单元将反馈信号发送到轴驱动执行机构，轴驱动执行机构根据所述反馈信号进行反馈控制，以实现对天线平台的稳定控制。
4.根据权利要求1所述的Ku和Ka双频卫通链路设备，其特征在于，天线伺服系统，还包括：跟踪收发机，用于通过预存的卫星轨位信息，对天线和卫星进行粗定位；然后，追踪卫星的信标信号，对天线和卫星进行精定位，实现天线对卫星的跟踪。
5.根据权利要求1所述的Ku和Ka双频卫通链路设备，其特征在于，功放组件，包括：Ku上变频器、Ka上变频器和第二切换开关；
第一切换开关，用于根据机载遥测信号的频段，选择将收发组件与Ku上变频器和/或Ka上变频器接通；
Ku上变频器，用于对机载遥测信号进行Ku上变频处理，将经过Ku上变频处理后的机载遥测信号发送至天线组件；
Ka上变频器，用于对机载遥测信号进行Ka上变频处理，将经过Ka上变频处理后的机载遥测信号发送至天线组件。
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