CN112118022A - 一种箭上集成化综合射频系统 - Google Patents

Abstract

一种箭上集成化综合射频系统，包括：综合测量模块、综合射频前端以及综合测量天线，综合测量模块通过VPX总线接口与综合射频前端连接，综合射频前端与综合测量天线连接；综合测量模块用于采编多路模拟量、处理遥测数据、外测上下行通信、安控上行及自毁控制和第三方监测；综合射频前端用于遥测下行放大及滤波、外测上行放大及滤波、外测下行方法及滤波、安控上行放大及滤波；综合测量天线集成有遥/外测下行天线、外测上行天线和安控上行天线。采用本申请中的方案，集成了采编、遥测、外测、安控功能，将分散独立单机产品集成设计成一个3U VPX模块、一个功率放大器和一个天线，降低了体积和系统复杂度，同时提高了计算资源利用率。

Description

一种箭上集成化综合射频系统

技术领域

本申请涉及火箭射频技术，具体地，涉及一种箭上集成化综合射频系统。

背景技术

随着商业运载火箭的兴起，面对越加严峻的市场竞争，低成本设计成为提高运载火箭市场竞争力的有效手段。在面向低成本设计的各种解决方法中，箭上电气系统集成化、小型化设计成为一个重要途径。运载火箭射频系统涵盖遥测、外测、安控等功能，承担飞行过程中数据通信、管道安控等重要任务，目前多采用遥测、外测、安控各自独立单机产品的形式，对比集成化、小型化设计，传统方案的缺陷是：

1.产品独立分散，集成化程度不够，单个体积较大，互联关系复杂，仅考虑局部单机可靠性设计从而造成对系统的较大影响，具体表现为：第一，分散产品体积大、重量大、价格高，导致电气系统总体重量难以减轻，对运载火箭有效载荷造成影响，经济性低；第二，产品互联关系复杂，每个子系统具备独立的天线、功放、控制器，导致电缆连接复杂、装配难度大进而导致总装速度受阻、系统复杂度提升而可靠性降低。

2.产品功能单一，接口固定，无法满足商业航天大数据监测、单一总线约束设计，与综合电子系统产品匹配性不高，具体表现为：第一，传统遥测、外测、安控单机产品功能单一，常发生对于额外的功能要求无法满足的情况；第二，产品接口形式固定，速率不高，对于目前以以太网为核心的综合电子系统来说，其无法直接接入系统总线，相关遥外安功能设计复杂；第三，不具备第三方数据监测功能，对于单机内部运行状态无法得知，在故障发生时导致排故、数据分析工作困难。

3.资源利用率低下，箭上电磁兼容设计欠佳，导致系统层面设计难度较大，具体表现为：第一，传统方案中，遥测、外测、安控各自具备独立控制器、功放、天线，容易造成计算资源浪费、射频信道资源重复浪费；第二，各单机产品仅考虑自身电磁兼容性设计，导致系统集成时对全系统电磁兼容造成影响，造成全系统电磁兼容设计复杂或者难以解决部分电磁兼容问题。

现有技术中存在的问题：

运载火箭射频系统的遥测、外测、安控等功能产品各自独立，复杂度高、且资源利用率较低。

发明内容

本申请实施例中提供了一种箭上集成化综合射频系统，以解决上述技术问题。

本申请实施例提供了一种箭上集成化综合射频系统，包括：综合测量模块、综合射频前端以及综合测量天线，

所述综合测量模块通过VPX总线接口与综合射频前端连接，所述综合射频前端与综合测量天线连接；

所述综合测量模块用于采编多路模拟量、处理遥测数据、外测上下行通信、安控上行及自毁控制、和第三方监测；

所述综合射频前端用于遥测下行放大及滤波、外测上行放大及滤波、外测下行方法及滤波、安控上行放大及滤波；

所述综合测量天线集成有遥/外测下行天线、外测上行天线和安控上行天线。

采用本申请实施例中提供的箭上集成化综合射频系统，集成了采编、遥测、外测、安控功能，将传统的分散独立单机产品集成化设计成了一个3U VPX模块、一个功率放大器和一个天线，显著降低了其体积、成本和系统复杂度，同时相比传统单机产品，监测数据更多、产品通用性更好；通过集成化设计，单一箭上计算机进行射频相关多功能处理，提高了计算资源利用率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了本申请实施例中箭上集成化综合射频系统的结构示意图；

图2示出了本申请实施例中综合测量模块的结构示意图；

图3示出了本申请实施例中综合测量模块的原理框图；

图4示出了本申请实施例中综合射频前端结构示意图；

图5示出了本申请实施例中遥测功放电路的结构示意图；

图6示出了本申请实施例中外测功放电路的结构示意图；

图7示出了本申请实施例中外测上行接收电路的结构示意图；

图8示出了本申请实施例中安控上行接收电路的结构示意图；

图9示出了本申请实施例中综合测量天线的结构示意图。

具体实施方式

本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1示出了本申请实施例中箭上集成化综合射频系统的结构示意图。

如图所示，所述箭上集成化综合射频系统，包括：综合测量模块、综合射频前端以及综合测量天线，

所述综合测量模块通过VPX总线接口与综合射频前端连接，所述综合射频前端与综合测量天线连接；

所述综合测量模块用于采编多路模拟量、处理遥测数据、外测上下行通信、安控上行及自毁控制、和第三方监测；

所述综合射频前端用于遥测下行放大及滤波、外测上行放大及滤波、外测下行方法及滤波、安控上行放大及滤波；

所述综合测量天线集成有遥/外测下行天线、外测上行天线和安控上行天线。

采用本申请实施例中提供的箭上集成化综合射频系统，集成了采编、遥测、外测、安控功能，将传统的分散独立单机产品集成化设计成了一个3U VPX模块、一个功率放大器和一个天线，显著降低了其体积、成本和系统复杂度，同时相比传统单机产品，监测数据更多、产品通用性更好；通过集成化设计，单一箭上计算机进行射频相关多功能处理，提高了计算资源利用率。

图2示出了本申请实施例中综合测量模块的结构示意图。

如图所示，各代号表示的含义如下表：

代号	定义	尺寸要求(mm)
			A	电路板正面至导热面	10±0.1
B	电路板正面至锁紧条(松弛状态)外侧面	2.6±0.2
			C	模块厚度	≤24.6
D	电路板正面至模块上表面	≤16.7
			E	电路板正面至模块下表面	≤7.8
F	模块上下凸起部分距离电路板外围(两侧)	≥9.3

图3示出了本申请实施例中综合测量模块的原理框图。

如图所示，在一种实施方式中，所述综合测量模块，包括：中心处理与控制单元、时钟系统管理单元、射频资源管理接口、模拟信号采集单元、时统信号采集单元、安控指令输出单元、存储单元、接口处理单元、基带信号处理单元、宽带信号处理单元、健康管理单元和电源管理单元，

所述中心处理与控制单元分别与存储单元、模拟信号采集单元、时统信号采集单元、安控指令输出单元、接口单元、基带信号处理单元、时钟系统管理单元以及射频资源管理接口相连；所述时钟系统管理单元分别与所述基带信号处理单元、宽带信号处理单元相连，所述基带信号处理单元与宽带信号处理单元相连，所述健康管理单元与所述接口处理单元相连；

所述中心处理与控制单元用于根据所述模拟信号采集单元通过80路AD数据采集对外接口采集的模拟信号采集0-5V模拟量并进行模数转换、根据时统信号采集单元通过时统信号接收对外接口采集的时统信号进行遥测数据时统清零、根据安控指令输出单元通过安控时序控制对外接口输出安控指令信号实现安控自毁时序控制、控制接口处理单元对接收到的任务指令、状态信息进行处理、控制时钟系统管理单元产生时钟信号；

所述基带信号处理单元和所述宽带信号处理单元在时钟信号的控制下与所述综合射频前端交互射频信号，所述射频资源管理接口在所述中心处理与控制单元的控制下与所述综合射频前端交互控制指令及状态信息；所述存储单元用于在所述中心处理与控制单元的控制下存储数据；所述健康管理单元用于对接口处理单元处理的任务指令和状态信息进行健康管理；所述电源管理单元为所述综合测量模块内各单元供电。

在一种实施方式中，所述接口处理单元包括两路以太网主备对外接口、I²C健康监测对外接口、RS422内部接口，

以太网对外接口，用于与综合控制模块传输控制指令、飞控数据、监听数据和图像数据；

I²C健康监测对外接口，用于从所述综合控制模块接收自检信息；

RS422内部接口，用于发送挑路后遥测数据。

图4示出了本申请实施例中综合射频前端结构示意图。

如图所示，图中各结构尺寸的单位为mm，T表示设备安装面切向，R表示设备安装面法向，X表示指向箭头。

在一种实施方式中，所述综合射频前端，包括：遥测功放电路、外测功放电路、外测上行接收电路、以及安控上行接收电路，其中，

所述遥测功放电路用于接收遥测输入数据并输出信号至综合测量天线；所述外测功放电路用于接收外测下行输入数据并输出信号至综合测量天线，所述外测上行接收电路用于处理外测上行接收信号，所述安控上行接收电路用于处理安控上行接收信号。

图5示出了本申请实施例中遥测功放电路的结构示意图。

如图所示，在一种实施方式中，所述遥测功放电路，包括：依次串联连接的一级驱动放大器、压控衰减器、二级驱动放大器、第一滤波器、三级驱动放大器、第一隔离器、功率放大器、第二隔离器、第二滤波器、第一耦合器、第一分路器，所述一级驱动放大器用于接收遥测输入数据，所述第一分路器的多个输出端分别连接至多个综合测量天线。

图6示出了本申请实施例中外测功放电路的结构示意图。

如图所示，在一种实施方式中，所述外测功放电路，包括：依次串联的通用放大器、电源衰减器、中间滤波器、第一放大器、第三隔离器、第三滤波器、第二耦合器、第二分路器，所述通用放大器用于接收外测下行输入数据，所述第二分路器的多个输出端分别连接至多个综合测量天线。

图7示出了本申请实施例中外测上行接收电路的结构示意图。

如图所示，在一种实施方式中，所述外测上行接收电路，包括：第一支路、第二支路、第一合路器、第二放大器、第四滤波器和第三放大器，第一支路和第二支路分别与第一合路器相连，用于接收外测上行接收信号并传输至合路器；所述第一合路器、第二放大器、第四滤波器和第三放大器依次串联。

具体实施时，所述外测上行接收电路在综合射频前端内部，外测上行接收电路的输入连接两个综合测量天线(图1右侧所示)，外测上行接收电路输出外测上行射频信号(图1所示综合射频前端输出至VPX总线接口)。

图8示出了本申请实施例中安控上行接收电路的结构示意图。

如图所示，在一种实施方式中，所述安控上行接收电路，包括：第三支路、第四支路、第二合路器、第五滤波器、第四放大器和第六滤波器，第三支路和第四支路分别与第二合路器相连，用于接收安控接收信号并传输至合路器；所述第二合路器、第五滤波器、第四放大器和第六滤波器依次串联。

具体实施时，所述安控上行接收电路在综合射频前端内部，所述安控上行接收电路的两个输入分别连接两个综合测量天线(图1右侧所示)，所述安控上行接收电路输出安控上行射频信号(图1所示综合射频前端输出至VPX总线接口)。

在一种实施方式中，所述综合测量模块为3U VPX结构，上下盖板均通过螺钉紧固、侧面为楔形结构紧固条，通过螺钉紧固实现楔形条与安装槽锁紧。

在一种实施方式中，所述综合射频前端通过螺钉与安装平台固定，纵向分布有信号输入接口和信号输出接口。

图9示出了本申请实施例中综合测量天线的结构示意图。

如图所示，图中为综合测量天线的结构尺寸，单位为mm，T为设备安装面切向，R为设备安装面法向，X为指向箭头。

在一种实施方式中，所述综合测量天线为方形结构，材质为玻璃钢。

实施例二

本申请实施例所提供的综合射频系统，包括综合测量模块、综合射频前端以及综合测量天线。综合测量模块以VPX架构为基础，集成设计了多路模拟量采编、遥测数据处理、外测上下行通信、安控上行及自毁控制、第三方监测电路，上述各电路均在一块PCB板实现；综合射频前端集成了遥测下行放大及滤波、外测上行放大及滤波、外测下行放大及滤波、安控上行放大及滤波电路部件，上述部件共同组成了一个综合射频放大及滤波模块；综合测量天线集成了遥/外测下行天线、外测上行天线和安控上行天线，形成一个综合宽带天线。

此外，本申请实施例所提供的综合射频系统，结合产品化需求和通用化设计要求，设计了其结构外形约束。

其中，综合测量模块为3U VPX结构，上下盖板均用8颗螺钉紧固，侧面为楔形结构禁锢条，通过螺钉紧固实现楔形条与安装槽锁紧通过锁紧条和紧固螺钉实现在电气系统结构中的紧固，通过8个紧固螺钉与承载框架连接，实现密封和模块电磁屏蔽；综合测量模块具备以太网总总线接口，以VPX连接器与箭上综合电子系统互联互通，并具备总线数据监听和处理能力；

综合射频前端通过4颗螺钉与安装平台固定，纵向分布信号输入和信号输出接口；综合射频前端内部，由遥测下行放大及滤波电路板、外测上行放大及滤波电路板、外测下行放大及滤波电路板、安控上行放大及滤波电路板、电源及控制电路板通过导线互联并集成到前端产品内部；

综合测量天线为方形结构，材质为玻璃钢，对外具备遥/外测下行、外测上行和安控上行信号接口，宽带综合测量天线通过三个同口径不同功能天线的集成化设计实现。

在综合射频系统连接关系设计中，考虑同频段的信道复用、增加监测量、增加控制接口、安控对外时序控制等需求，对综合射频系统内外部连接关系进行设计，具体如下：

a)设计两路以太网主备对外接口，负责总线数据监听、图像数据接收、射频系统控制交互、飞控数据接收；

b)设计I2C健康监测对外接口，负责综合射频内部数据与总节点数据交互；

c)设计时统硬信号接收对外接口，实现遥测数据时统清零操作；

d)设计安控时序控制对外接口，实现安控自毁时序控制；

e)设计80路AD数据采集对外接口，实现0-5V模拟量采集与模数转换；

f)设计RS422内部接口，负责综合测量模块与综合射频前端的控制指令交互；

g)综合测量模块与综合射频前端之间设计遥测下行、外测下行、外测上行、安控上行内部接口，实现射频信号传递；

h)综合射频前端与两个综合测量天线之间设计遥测/外测下行、外测上行、安控上行内部接口，实现射频信号传递。

在信道与通信链路设计中，采用可自定义信道实现信道备份和信道复用，具体如下：

a)综合测量模块内部共设计2路接收通道和2路发射通道(图1所示综合测量模块的四个射频输出到VPX总线接口)，同时工作也可以单独工作，具有较高的使用灵活性。同时，通用化的设计使得这些信道可以互为备份，提高了系统的可靠性。四个通道同时工作，每个接收通道都可以配置成外测上行接收或安控功能，每个发射通道可以配置成遥测或外测下行功能，如图3所示；

b)综合射频前端与两个综合测量天线之间设计遥测下行与外测下行同频段射频链路信道复用，可以有效节省通信信道资源。

在综合射频前端放大电路设计中，采用多级放大与滤波的形式实现射频信号处理，具体如下：

a)如图5所示，遥测信号下行采用四级放大及滤波形式。并具备连续可调衰减器实现输出功率可调；

b)如图6所示，外测信号下行采用三级放大及滤波形式。与遥测下行前三级设计相同，提高产品通用性；

c)如图7所示，外测信号上行采用二级放大及滤波形式；

d)如图8所示，安控信号上行采用二级放大及滤波形式。

本申请实施例所提供的综合射频系统集成了采编、遥测、外测、安控功能，将传统的分散独立单机产品集成化设计成了一个3U VPX模块、一个功率放大器和一个天线，显著降低了其体积、成本和系统复杂度，同时相比传统单机产品，监测数据更多、产品通用性更好；在完成传统功能基础上，通过增加第三方监测功能，实现了对系统的更多维数据监测和状态感知，增强系统可靠性和测试性；通过集成化设计，单一箭上计算机进行射频相关多功能处理，提高了计算资源利用率，同时射频链路上同频段射频信道的合并利用，显著提升了射频信道资源利用率。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种箭上集成化综合射频系统，其特征在于，包括：综合测量模块、综合射频前端以及综合测量天线，

所述综合测量模块通过VPX总线接口与综合射频前端连接，所述综合射频前端与综合测量天线连接；

所述综合测量模块用于采编多路模拟量、处理遥测数据、外测上下行通信、安控上行及自毁控制、和第三方监测；

所述综合射频前端用于遥测下行放大及滤波、外测上行放大及滤波、外测下行方法及滤波、安控上行放大及滤波；

所述综合测量天线集成有遥/外测下行天线、外测上行天线和安控上行天线。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述综合测量模块，包括：中心处理与控制单元、时钟系统管理单元、射频资源管理接口、模拟信号采集单元、时统信号采集单元、安控指令输出单元、存储单元、接口处理单元、基带信号处理单元、宽带信号处理单元、健康管理单元和电源管理单元，

所述中心处理与控制单元分别与存储单元、模拟信号采集单元、时统信号采集单元、安控指令输出单元、接口单元、基带信号处理单元、时钟系统管理单元以及射频资源管理接口相连；所述时钟系统管理单元分别与所述基带信号处理单元、宽带信号处理单元相连，所述基带信号处理单元与宽带信号处理单元相连，所述健康管理单元与所述接口处理单元相连；

所述中心处理与控制单元用于根据所述模拟信号采集单元通过80路AD数据采集对外接口采集的模拟信号采集模拟量并进行模数转换、根据时统信号采集单元通过时统信号接收对外接口采集的时统信号进行遥测数据时统清零、根据安控指令输出单元通过安控时序控制对外接口输出安控指令信号实现安控自毁时序控制、控制接口处理单元对接收到的任务指令、状态信息进行处理、控制时钟系统管理单元产生时钟信号；

所述基带信号处理单元和所述宽带信号处理单元在时钟信号的控制下与所述综合射频前端交互射频信号，所述射频资源管理接口在所述中心处理与控制单元的控制下与所述综合射频前端交互控制指令及状态信息；所述存储单元用于在所述中心处理与控制单元的控制下存储数据；所述健康管理单元用于对接口处理单元处理的任务指令和状态信息进行健康管理；所述电源管理单元为所述综合测量模块内各单元供电。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述接口处理单元包括两路以太网主备对外接口、I²C健康监测对外接口、RS422内部接口，

以太网对外接口，用于与综合控制模块传输控制指令、飞控数据、监听数据和图像数据；

I²C健康监测对外接口，用于从所述综合控制模块接收自检信息；

RS422内部接口，用于发送挑路后遥测数据。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述综合射频前端，包括：遥测功放电路、外测功放电路、外测上行接收电路、以及安控上行接收电路，其中，所述遥测功放电路用于接收遥测输入数据并输出信号至综合测量天线；所述外测功放电路用于接收外测下行输入数据并输出信号至综合测量天线，所述外测上行接收电路用于处理外测上行接收信号，所述安控上行接收电路用于处理安控上行接收信号。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述遥测功放电路，包括：依次串联连接的一级驱动放大器、压控衰减器、二级驱动放大器、第一滤波器、三级驱动放大器、第一隔离器、功率放大器、第二隔离器、第二滤波器、第一耦合器、第一分路器，所述一级驱动放大器用于接收遥测输入数据，所述第一分路器的多个输出端分别连接至多个综合测量天线。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述外测功放电路，包括：依次串联的通用放大器、电源衰减器、中间滤波器、第一放大器、第三隔离器、第三滤波器、第二耦合器、第二分路器，所述通用放大器用于接收外测下行输入数据，所述第二分路器的多个输出端分别连接至多个综合测量天线。

7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述外测上行接收电路，包括：第一支路、第二支路、第一合路器、第二放大器、第四滤波器和第三放大器，第一支路和第二支路分别与第一合路器相连，用于接收外测上行接收信号并传输至合路器；所述第一合路器、第二放大器、第四滤波器和第三放大器依次串联。

8.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述安控上行接收电路，包括：第三支路、第四支路、第二合路器、第五滤波器、第四放大器和第六滤波器，第三支路和第四支路分别与第二合路器相连，用于接收安控接收信号并传输至合路器；所述第二合路器、第五滤波器、第四放大器和第六滤波器依次串联。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述综合测量模块为3U VPX结构，上下盖板均通过螺钉紧固、侧面为楔形结构紧固条，通过螺钉紧固实现楔形条与安装槽锁紧。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述综合射频前端通过螺钉与安装平台固定，纵向分布有信号输入接口和信号输出接口。

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