CN111698674A - 基于中继卫星的运行监视及应急处理系统及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于中继卫星的运行监视及应急处理系统及设计方法，系统包括：星载数据处理计算机，用于与中继卫星相连的中继SMA终端，航天员显控终端、航天员话音交互终端，用于与所述中继卫星相连的地面支持系统；所述星载数据处理计算机分别与所述航天员显控和所述中继SMA终端相连；所述航天员话音交互终端与所述中继SMA终端相连。支持航天员主动呼叫地面测控通信支持，解决了传统按计划进出测站模式带来的应急支持能力不足的问题。

Description

基于中继卫星的运行监视及应急处理系统及设计方法
技术领域
本发明涉及航天领域，尤其涉及一种基于中继卫星的运行监视及应急处理系统及设计方法。
背景技术
载人航天器在轨运行以中继卫星天基测控通信为主，实行跟踪测轨、遥测遥控和高速数据通信。受中继卫星多目标支持能力的约束，航天员出舱、机械臂载荷设备照料等关键任务期间，中继卫星系统多星、连续接力跟踪航天器，提供实时、宽覆盖、高速测控通信支持；而在非关键任务期间，以航天器自主运行为主，中继卫星按测控计划进行短时跟踪、下行整器遥测数据进行判读、下行试验数据进行分析。因此，非关键任务无中继支持期间，地面无法监视站上状态，当出现重大异常或航天员出现健康等问题时，航天员无法主动呼叫地面处理，这一直是地面管理航天器的安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于中继卫星的运行监视及应急处理系统及设计方法，针对现有载人航天器长期运管期间，中继卫星窄波束支持能力不足，平台故障或航天员应急时无法主动呼叫地面、地面无法快速响应的问题，提供一种长期连续运行、支持主动呼叫地面、可靠简单的天地一体化监视和应急处理系统。
为实现上述发明目的，本发明提供一种基于中继卫星的运行监视及应急处理系统，其特征在于，包括：星载数据处理计算机，用于与中继卫星相连的中继SMA终端，航天员显控终端、航天员话音交互终端，用于与所述中继卫星相连的地面支持系统；
所述星载数据处理计算机分别与所述航天员显控和所述中继SMA终端相连；
所述航天员话音交互终端与所述中继SMA终端相连。
根据本发明的一个方面，所述星载数据处理计算机用于数据组帧并输送至所述中继SMA终端，以及支持所述航天员显控终端与所述中继SMA终端之间指令和状态显示数据的交互；
所述中继SMA终端接收所述载数据处理计算机组帧后的数据，并进行编码调制后发送至所述中继卫星；
所述航天员显控终端用于向中继SMA终端发送指令调整其工作模式；
所述航天员话音交互终端通过中继SMA终端进行天地话音通信；
所述地面支持系统用于监视和自动判读通过所述中继SMA终端传输的通信请求。
根据本发明的一个方面，所述星载数据处理计算机进行数据组帧后获取的数据帧包括数据区和链路标识区；
所述数据区用于填充下行的关键遥测和双向话音数据；
所述标识区包括链路状态标识、工作模式标识、帧计数标识，其中，工作模式标识采用不同的编码对应不同模式，所述帧计数标识采用循环码计数传输帧数量。
根据本发明的一个方面，所述通信请求包括双向应急语音通信请求和下行关键遥测及故障检测数据。
为实现上述发明目的，本发明提供一种设计方法，包括以下步骤：
S1.构建载人航天器上的运行监视及应急处理系统的任务方案，其中所述任务方案中包括载人航天器长期运行监视任务和关键任务；
S2.基于所述任务方案中的任务构建所述运行监视及应急处理系统与中继卫星和地面支持系统之间的通信链路，其中，若所述任务为关键任务，则采用所述中继卫星上的窄波束KSA、SSA链路建立通信链路，若所述任务为载人航天器长期运行监视任务，则采用所述中继卫星上的SMA天线和所述中继卫星上的宽波束SMA链路建立通信链路。
根据本发明的一个方面，所述通信链路为双向通信链路，用于进行双向高速通信遥控注入、遥测、图像传输和音视频通话。
根据本发明的一个方面，步骤S2中，若所述任务为载人航天器长期运行监视任务，则所述中继卫星接收所述载人航天器发出的通信请求并传输至所述地面支持系统，所述地面支持系统对所述通信请求是否执行应急处置进行判断，若执行应急处置，则所述所述窄波束KSA、SSA链路接通。
根据本发明的一个方面，所述地面支持系统接收到所述通信请求后对所述通信请求的类型进行自主判断，完成自主判断后，所述地面支持系统对所述通信请求是否执行应急处置进行判断。
根据本发明的一个方面，所述地面支持系统对所述通信请求的类型进行自主判断的步骤中，若所述通信请求为双向应急语音通信请求，则所述地面支持系统发出报警信号。
根据本发明的一种方案，支持航天员主动呼叫地面测控通信支持，解决了传统按计划进出测站模式带来的应急支持能力不足的问题。
根据本发明的一种方案，具备连续、实时监视平台关键遥测和故检结果的能力，相较传统长管所采用的按测控计划集中短时下行遥测判读的模式，对平台突发故障响应更及时、处理更迅速。
根据本发明的一种方案，使用中继卫星的S频段多址(SMA)有源相控阵链路，减少对单址抛物面转动天线的使用，释放中继卫星资源。
根据本发明的一种方案，采用宽波束天线，覆盖率高，建链简单，对航天器姿态等保障条件要求简单。
附图说明
图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的运行监视及应急处理系统结构图；
图2示意性表示根据本发明的一种实施方式的运行监视及应急处理系统的信息流传输图；
图3示意性表示根据本发明的一种实施方式的数据帧的结构图；
图4示意性表示根据本发明的一种实施方式的工作流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种基于中继卫星的运行监视及应急处理系统，包括：星载数据处理计算机，用于与中继卫星相连的中继SMA终端，航天员显控终端、航天员话音交互终端，用于与所述中继卫星相连的地面支持系统。在本实施方式中，星载数据处理计算机分别与航天员显控和所述中继SMA终端相连；航天员话音交互终端与中继SMA终端相连。
结合图1和图2所示，根据本发明的一种实施方式，星载数据处理计算机用于数据组帧并输送至中继SMA终端下行地面，以及支持航天员显控终端与中继SMA终端之间指令和状态显示数据的交互。在本实施方式中，中继SMA终端接收载数据处理计算机组帧后的数据，并进行编码调制后通过天线发送至中继卫星。中继卫星将接收的数据发送至地面支持系统。
在本实施方式中，航天员显控终端用于向中继SMA终端发送指令调整其工作模式；航天员话音交互终端通过中继SMA终端进行天地话音通信；地面支持系统用于监视和自动判读通过中继SMA终端传输的通信请求。在本实施方式中，通信请求包括双向应急语音通信请求和下行关键遥测及故障检测数据。当地面支持系统对发送的通信请求完成自动判断后，若根据请求类型切换至上下行话音通信模式，则建立航天员与地面间双向话音通信链路。在本实施方式中，采用宽波束天线，覆盖率高，且不需要天线转动跟踪中继卫星。
根据本发明的一种实施方式，航天员显控终端可以为触摸式智能显控设备，航天员话音交互终端可以为话音处理单元、通话耳机等。在本实施方式中，航天员通过智能显控设备向中继SMA终端发送指令调整其工作模式，采用话音处理单元和耳机通过中继SMA终端进行天地话音通信。
如图3所示，根据本发明的一种实施方式，星载数据处理计算机进行数据组帧后获取的数据帧包括数据区和链路标识区；数据区用于填充下行的关键遥测和双向话音数据；标识区包括链路状态标识、工作模式标识、帧计数标识，其中，工作模式标识采用不同的编码对应不同模式，航天员发送指令可以切换模式。帧计数标识采用循环码计数传输帧数量。
根据本发明的一种实施方式，中继卫星可同时提供一条前向链路和六条返向链路，为多目标提供S频段多址(SMA)数据中继和测控服务。
根据本发明，通过该系统，在非关键任务无单址天线支持期间，经中继卫星SMA链路建立一条返向链路，将整站关键状态以及自主故障检测结果周期下行地面，由地面系统自动监视判断并根据应急预案进行处置；同时，支持航天员主动呼叫地面，地面收到后立即建立前向SMA链路与航天员进行话音通信，根据航天员反馈情况可进一步调用单址天线进行指向跟踪，建立测控通信链路进行处理。
根据本发明，通过该系统，在不占用中继卫星单址天线服务资源的基础下，提供了一种地面长期跟踪监视空间站、应急情况下航天员紧急呼叫并调用测控支持的能力，确保了空间站长期运行的可靠性和安全性。
根据本发明的一种实施方式，本发明的一种用于运行监视及应急处理系统的设计方法，包括以下步骤：
S1.构建载人航天器上的运行监视及应急处理系统的任务方案，其中任务方案中包括载人航天器长期运行监视任务和关键任务；
S2.基于任务方案中的任务构建运行监视及应急处理系统与中继卫星和地面支持系统之间的通信链路，其中，若任务为关键任务，则采用中继卫星上的窄波束KSA、SSA链路建立通信链路，若任务为载人航天器长期运行监视任务，则采用中继卫星上的SMA天线和中继卫星上的宽波束SMA链路建立通信链路。
根据本发明的一种实施方式，通信链路为双向通信链路，用于进行双向高速通信遥控注入、遥测、图像传输和音视频通话。
根据本发明的一种实施方式，步骤S2中，若任务为载人航天器长期运行监视任务，则中继卫星接收载人航天器发出的通信请求并传输至地面支持系统，地面支持系统对通信请求是否执行应急处置进行判断，若执行应急处置，则所述窄波束KSA、SSA链路接通。在本实施方式中，地面支持系统接收到通信请求后对通信请求的类型进行自主判断，完成自主判断后，地面支持系统对通信请求是否执行应急处置进行判断。在本实施方式中，地面支持系统对通信请求的类型进行自主判断的步骤中，若通信请求为双向应急语音通信请求，则地面支持系统发出报警信号。参见图1和图2所示，任务为载人航天器长期运行监视任务期间，星载数据处理计算机采集和组帧关键遥测和故检结果数据，经1553B总线送中继SMA终端。中继SMA终端与地面之间通过中继卫星建立SMA链路，连续、实时下行关键遥测和故检结果数据，地面进行自动监视判读。当平台运行出现故障、或航天员自身出现紧急情况，需要地面干预时，航天员通过智能显控设备，向中继SMA终端发送“切换至双向应急话音模式”手控编码指令(即双向应急语音通信请求)，中继SMA终端与地面间通信切换至双向话音模式，航天员可通过话音处理单元和耳机与地面进行双向话音沟通。
为进一步说明本发明，结合说明书附图中的流程图作进一步阐述。
如图4所示，在本实施方式中，载人航天器长期运行以中继卫星天基测控通信为主，实行跟踪测轨、遥测遥控和高速数据通信。
如图4所示，在本实施方式中，任务方案中根据关键任务(如航天员出舱、机械臂照料载荷设备等)的需求，中继卫星系统使用窄波束KSA(Ka频段单址)、SSA(S频段单址)链路多星、连续接力跟踪空间站，提供实时、高覆盖、高速测控通信支持。在此关键任务的执行期间，此时载人航天器上的运行监视及应急处理系统对中继卫星是独占模式。
如图4所示，在长期运行监视任务(即非关键任务)期间，载人航天器按程序自主运行，进入长管运行模式。此时，载人航天器上的通信请求是使用中继卫星SMA天线的1路返向波束，在SMA覆盖区内持续跟踪空间站。当通信请求为正常状态，中继卫星的SMA天线返向链路以2.56kbps速率传输航天器运行关键遥测和自主故检结果数据；当通信请求为双向应急语音通信请求，此时航天员自身或者平台出现紧急情况需要地面配合处理时，航天员可以通过显控终端主动申请、接通下行SMA话音链路，地面判断下行为话音模式时，进行声光报警。声光报警后，地面监听下行SMA话音的同时快速调用中继卫星系统建立SMA前向链路，进行双向话音通信，及时沟通状态。同时，地面可以适情调用窄波束KSA、SSA等链路开展遥测遥控工作。
上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于中继卫星的运行监视及应急处理系统，其特征在于，包括：星载数据处理计算机，用于与中继卫星相连的中继SMA终端，航天员显控终端、航天员话音交互终端，用于与所述中继卫星相连的地面支持系统；
所述星载数据处理计算机分别与所述航天员显控和所述中继SMA终端相连；
所述航天员话音交互终端与所述中继SMA终端相连。
2.根据权利要求1所述的运行监视及应急处理系统，其特征在于，所述星载数据处理计算机用于数据组帧并输送至所述中继SMA终端，以及支持所述航天员显控终端与所述中继SMA终端之间指令和状态显示数据的交互；
所述中继SMA终端接收所述载数据处理计算机组帧后的数据，并进行编码调制后发送至所述中继卫星；
所述航天员显控终端用于向中继SMA终端发送指令调整其工作模式；
所述航天员话音交互终端通过中继SMA终端进行天地话音通信；
所述地面支持系统用于监视和自动判读通过所述中继SMA终端传输的通信请求。
3.根据权利要求2所述的运行监视及应急处理系统，其特征在于，所述星载数据处理计算机进行数据组帧后获取的数据帧包括数据区和链路标识区；
所述数据区用于填充下行的关键遥测和双向话音数据；
所述标识区包括链路状态标识、工作模式标识、帧计数标识，其中，工作模式标识采用不同的编码对应不同模式，所述帧计数标识采用循环码计数传输帧数量。
4.根据权利要求3所述的运行监视及应急处理系统，其特征在于，所述通信请求包括双向应急语音通信请求和下行关键遥测及故障检测数据。
5.一种用于权利要求1至4任一项所述的运行监视及应急处理系统的设计方法，包括以下步骤：
S1.构建载人航天器上的运行监视及应急处理系统的任务方案，其中所述任务方案中包括载人航天器长期运行监视任务和关键任务；
S2.基于所述任务方案中的任务构建所述运行监视及应急处理系统与中继卫星和地面支持系统之间的通信链路，其中，若所述任务为关键任务，则采用所述中继卫星上的窄波束KSA、SSA链路建立通信链路，若所述任务为载人航天器长期运行监视任务，则采用所述中继卫星上的SMA天线和所述中继卫星上的宽波束SMA链路建立通信链路。
6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述通信链路为双向通信链路，用于进行双向高速通信遥控注入、遥测、图像传输和音视频通话。
7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，步骤S2中，若所述任务为载人航天器长期运行监视任务，则所述中继卫星接收所述载人航天器发出的通信请求并传输至所述地面支持系统，所述地面支持系统对所述通信请求是否执行应急处置进行判断，若执行应急处置，则所述所述窄波束KSA、SSA链路接通。
8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述地面支持系统接收到所述通信请求后对所述通信请求的类型进行自主判断，完成自主判断后，所述地面支持系统对所述通信请求是否执行应急处置进行判断。
9.根据权利要求8所述的设计方法，其特征在于，所述地面支持系统对所述通信请求的类型进行自主判断的步骤中，若所述通信请求为双向应急语音通信请求，则所述地面支持系统发出报警信号。
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