CN112350764B - 一种适合平流层升空平台的综合通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应平流层升空平台的综合通信系统，所述的综合通信系统设置在平流层升空平台上；所述的综合通信系统包括N个射频环控舱、1个资源池环控舱；所述的射频环控舱通过数字光纤总线与资源池环控舱通信连接，实现射频信号收发与数字信号处理控制的分离；相邻的两个射频环控舱之间通过数字光纤总线相互通信连接。本发明能实现接入控制组网、卫星定位导航等功能，载荷有效利用率高，支持硬件分布式布置、电磁信号空间隔离、信号控制集中的配重设计。

Description

一种适合平流层升空平台的综合通信系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更具体的，涉及一种适合平流层升空平台的综合通信系统。

背景技术

平流层离地表17公里至22公里。通信设备可搭载在太阳能无人机、飞艇、浮空气球、其它高空飞行器等平台上，在高空可作为一个网络节点，与地面其它通信设备组成通信网络，通过微波或激光宽带无线传输链路回程，为远程低空和地面用户提供常态化、远距离、高带宽、随遇接入的通信服务。

除通信任务载荷外，平流层升空平台自身必须搭载飞行控制、定位导航、遥控遥测等特定功能载荷。平流层升空平台通信任务载荷的设计，受到高空环境、巡航飞控、平衡配重、有效载荷和电磁兼容等因素的制约。

用于接入地面用户的平流层高空网络节点，搭载了可同时工作的多种制式信号通信载荷。从通信载荷的能力上分析，包括无线传输、接入交换、路由中继、组网控制等接入和中继功能。从通信载荷的硬件组成上分析，包括通信载荷功能的电路处理单元。从通信任务载荷电子信号频谱上分析，工作的无线频率多种制式信号，升空平台自有定位导航和遥控遥测的信号。升空平台的安全浮空和载荷有效工作，需要这些电子信号兼容性设计保障。从有效载荷上分析，为了提供长时间续航和为负荷供电，升空平台需要搭载大容量电池，总载荷不变时，对通信任务载荷也提出了轻质要求。从工作环境上分析，环境温度低且小于-60度，大气密度低、风速慢，低压慢风不利于对流散热，机载的电子装备要求能低温工作和可靠散热，而机体并不为任务载荷提供适应温度气压环境的保护措施。

升空平台工作信号的电磁兼容设计，要求在物理上分散通信载荷的信号，通过空间隔离减少相互影响。因而，各硬件电路宜采用分散部署方式。但是在升空平台这样的高空低温低压环境中，每个物理分散部署的硬件电路还需要环境控制保护舱(以下简称环控舱)为其提供适当的工作温度保护，保障硬件电路电子处理单元的正常工作。分散部署的硬件电路，也会额外增加连接接口线缆、结构体和供电线缆等重量。升空平台的配重设计，通常需要将通信载荷的硬件电路物理集中。硬件电路的空间分散，可能影响到重心和配重平衡，制约升空平台工作载荷的效能发挥。

目前，基于平流层平台的通信系统，如中国专利公开号CN106788667A，公开日2017-05-31，公开了一种基于平流层平台及船载中继站的海地一体化通信系统，该技术方案保护的是利用LTE标准构建的海地一体化通信系统，升空平台搭载的是3GPP LTE标准的基站设备。

如中国专利公开号CN108111218A，公开日2018-06-01，公开了一种基于平流层飞艇的网络信号覆盖系统，所述的网络信号覆盖系统由发射装置、中继装置和接收装置组成，飞艇搭载中继装置，同样对LTE标准的网络信号进行中继。

然后这两个专利文献搭载的通信载荷是单一的LTE标准信号及系统，不涉及升空平台搭载的通信载荷组成结构和实现方法。且为实现多手段宽频段升空通信，基于平流层平台通信系统现有专利技术存在以下的不足:

1)升空平台搭载的通信设备基于LTE标准的基站或中继转发器，不支持多种制式的信号处理。

2)接入控制、中继路由等功能由地面设备负责，没有上装到平流层升空平台上，无法实现空空、空地组网。

目前，传统多信道的通信设备，其通常采用综合射频单元和统一基带单元架构的技术方案，能够达到集约设计和通用性要求。如图1所示，综合射频单元由一系列分段覆盖的射频模块组成，统一基带单元基于CPCI、VME等板卡、背板及总线架构，由多个基带处理板，或包括控制板、网络协议板；基带处理板内部的电路主要由射频基带接口、控制接口、CPU(中央处理器)、DSP(数字信号处理器)和FPGA(现场可编程阵列)组成，多个基带板插在CPCI/VME背板总线上，通过背板总线汇聚各基带处理板的数据。射频模块到基带单元的射频基带接口一般有中频、专用控制、时钟等信号线。

然而为实现多手段宽频段升空通信，传统多信道通信设备存在以下的不足：

1)架构基于集中部署方式设计，每个专用控制线时钟信号线都与其它射频模块的定义不同。每个射频模块分段覆盖，射频电路功能和性能专用，射频电路的可重构性差。射频与基带的接口是中频信号，模数/数模在基带一侧，对射频的拉远部署使用不友好，从而对平台的电磁兼容带来影响。

2)装置中的电子芯片等器件未针对超低温可靠工作进行专项设计，缺少温度控制电路，难以在温度低至-60度以下的环境中工作。

3)射频模块针对特定工作频段不支持宽覆盖，不具备可重构手段。

4)没有组网控制和中继能力需求，缺乏相应的硬件电路和软件协议栈框架。

发明内容

本发明为了解决现有技术载荷有效利用率低，无法实现组网控制和中继能力的问题，提供了一种适合平流层升空平台的综合通信系统，其能实现接入控制组网、卫星定位导航等功能，载荷有效利用率高，支持硬件分布式布置、电磁信号空间隔离、信号控制集中的配重设计。

为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种适应平流层升空平台的综合通信系统，所述的综合通信系统设置在平流层升空平台上；所述的综合通信系统包括N个射频环控舱、1个资源池环控舱；

所述的射频环控舱通过数字光纤总线与资源池环控舱通信连接，实现射频信号收发与数字信号处理控制的分离；相邻两个所述的射频环控舱之间通过数字光纤总线相互通信连接，所述的射频环控舱可根据平流层升空平台的尺寸结构特征并联或串联拉远部署在不同的位置。

优选地，所述的射频环控舱包括天线接口、射频收发电路、ADDA器、时钟电路、第一电源管理电路、第一光电接口；所述的第一光电接口通过数字光纤总线与资源池环控舱通信连接，相邻的2个所述的射频环控舱的第一光电接口通过数字光纤总线相互通信连接；

所述的第一电源管理电路分别向天线接口、射频收发电路、ADDA器、时钟电路、第一光电接口提供工作所需的电源；

所述的天线接口收发30MHz-6GHz的宽频带无线信号；

所述的射频收发电路与天线接口连接，用于完成射频信号的接收和发射；

所述的ADDA器负责将模拟信号转换为数字信号，同时也负责将数字信号转换为模拟信号；

所述的时钟电路基于基准时钟信息进行倍频、分频和移相处理，为射频收发电路提供工作时钟；

所述的第一光电接口负责将数字光纤总线传输的光电信号转换、解析出控制协议、基准时钟信息和收发工作的数据流，且支持链状的5级光信号中继。

进一步地，所述的射频收发电路包括射频前端、混频器、宽带收发通道和本地振荡器；

所述的射频前端，接收时，从天线接口接收射频信号，经过放大滤波处理后送混频器；发送时，将混频器输出的信号进行功率放大，通过天线接口辐射出去。

所述的混频器，进行射频信号和中频信号的混频处理；所述的本地振荡器用于向混频器提供本振信号；

所述的宽带收发通道，用于中频信号接收或发送进行的放大滤波处理。

再进一步地，所述的射频环控舱还包括第一温度控制电路，用于升温控制，确保射频环控舱的内部环境温度在-40度以上；所述的时钟电路为第一温度控制电路分配工作时钟。

再进一步地，在N个所述的射频环控舱中，有N-1个所述的射频环控舱中的射频收发电路为宽频段射频收发电路，1个所述的射频环控舱中的射频收发电路为C波段射频收发电路。

再进一步地，所述的资源池环控舱包括CPU处理器阵列、DSP处理器阵列、FPGA处理器阵列、用于FPGA处理器阵列提供计时的主时钟、存储器、第二光电接口、机载电子总线、第二电源管理电路；

所述的CPU处理器阵列、DSP处理器阵列、FPGA处理器阵列、存储器、第三光电接口均与在机载电子总线通信连接；

所述的第二电源管理电路分别向CPU处理器阵列、DSP处理器阵列、FPGA处理器阵列、存储器、第三光电接口提供所需的工作电源；

所述的第二光电接口通过数字光纤总线与射频环控舱中的第一光纤接口通信连接；

所述的CPU处理器阵列包括主CPU处理器、其他CPU处理器；所述的主CPU处理器阵列上配置有资源管理器，用于分配各处理器资源，定义各资源的工作参数，且所述的主CPU处理器阵列还负责读写功能配置库、DSP处理器阵列和FPGA处理器阵列处理的信息流；其它CPU处理器用于信号处理、协议处理、信息处理和信号控制；

所述的FPGA处理器包括主FPGA处理器、其他FPGA处理器；其中所述的主FPGA处理器阵列连接主时钟并负责时钟管理，为CPU处理器阵列、DSP处理器阵列、第二光电接口分配工作时钟；其他FPGA处理器用于信号处理、协议处理、信息处理和信号控制；

所述的DSP处理器阵列，用于信号处理、协议处理、信息处理和信号控制；

所述的机载电子总线基于4组LVDS对的协议规范实现CPU处理器阵列、DSP处理器阵列、存储器、FPGA处理器阵列、第二光电接口信息传输。

再进一步地，所述的存储器上配置有功能配置库，所述的功能配置库包括网络功能库、卫星定位导航功能库、飞行控制算法库。

再进一步地，所述的资源池环控舱还包括第二温度控制电路，用于升温控制，确保资源池环控舱的内部环境温度在-40度以上，所述的主时钟为主时钟分配工作时钟。

再进一步地，所述的数字光纤总线，用于传递数字化的光信号，所述的光信号包括控制信息、时钟信息、射频数据信息；所述的数字光纤总线采用链状或环形中继方式，支持远端的射频环控舱经近端的射频环控舱将光信号中继到资源池环控舱。

再进一步地，所述的平流层升空平台包括飞行控制系统机电装置、供电系统；

所述的飞行控制系统机电装置通过CAN总线与资源池环控舱的机载电子总线通信连接；

所述的供电系统分别通过第一电源管理电路、第二电源管理电路输出不同电压不同电流的电源支路，供于射频环控舱、资源池环控舱的工作电路。

本发明的有益效果如下：

本发明将射频环控舱和资源池环控舱分离，满足基于平流层升空平台的外形尺寸结构的、综合通信功能电磁兼容的、机载装置配重设计的信号分散部署和功能集中处理特征要求。

附图说明

图1是现有技术传统多信道通信设备组成结构的示意图。

图2是实施例1所述的适应平流层升空平台的综合通信系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。

实施例1

如图2所示，一种适应平流层升空平台的综合通信系统，所述的综合通信系统设置在平流层升空平台上；所述的综合通信系统实现多个任务功能，需要采用集约化设计方法，高效利用上装的电子硬件资源。具体地，所述的综合通信系统包括N个射频环控舱、1个资源池环控舱；

所述的射频环控舱通过数字光纤总线与资源池环控舱通信连接，实现射频信号收发与数字信号处理控制的分离；N个所述的射频环控舱之间通过数字光纤总线相互通信连接，所述的射频环控舱可根据平流层升空平台的尺寸结构特征并联或串联拉远部署在不同的位置。

在一个具体的实施例中，所述的射频环控舱包括天线接口、射频收发电路、ADDA器、时钟电路、第一电源管理电路、第一光电接口；所述的第一光电接口通过数字光纤总线与资源池环控舱通信连接，相邻的2个所述的射频环控舱的第一光电接口通过数字光纤总线相互通信连接；

所述的第一电源管理电路分别向天线接口、射频收发电路、ADDA器、时钟电路、第一光电接口提供工作所需的电源；

所述的天线接口用于收发30MHz-6GHz的宽频带无线信号；

所述的射频收发电路与天线接口连接，用于完成射频信号的接收和发射；

所述的AD转换器负责将模拟信号转换为数字信号，同时也负责将数字信号转换为模拟信号；

所述的时钟电路基于基准时钟信息进行倍频、分频和移相处理，为射频收发电路提供工作时钟；

所述的第一光电接口负责将数字光纤总线传输的光电信号转换、解析出控制协议、基准时钟信息和收发工作的数据流，且支持链状的5级光信号中继。

在一个具体的实施例中，所述的射频收发电路包括射频前端、混频器、宽带收发通道和本地振荡器；

所述的射频前端，接收时，从天线接口接收射频信号，经过放大滤波处理后送混频器；发送时，将混频器输出的信号进行功率放大，通过天线接口辐射出去。

所述的混频器，进行射频信号和中频信号的混频处理；所述的本地振荡器用于向混频器提供本振信号；

所述的宽带收发通道，用于中频信号接收或发送进行的放大滤波处理。

在一个具体的实施例中，所述的射频环控舱还包括第一温度控制电路，用于升温控制，确保射频环控舱的内部环境温度在-40度以上；所述的时钟电路为第一温度控制电路分配工作时钟。本实施例将射频环控舱的环境温度控制在-40度以上，有利的保障射频环控舱的其它电路的电子器件正常工作。

在一个具体的实施例中，在N个所述的射频环控舱中，有N-1个所述的射频环控舱中的射频收发电路为宽频段射频收发电路，1个所述的射频环控舱中的射频收发电路为C波段射频收发电路。

在一个具体的实施例中，所述的资源池环控舱包括CPU处理器阵列、DSP处理器阵列、FPGA处理器阵列、用于FPGA处理器阵列提供计时的主时钟、存储器、第二光电接口、机载电子总线、第二电源管理电路；

所述的CPU处理器阵列、DSP处理器阵列、FPGA处理器阵列、存储器、第三光电接口均与在机载电子总线通信连接；

所述的第二电源管理电路分别向CPU处理器阵列、DSP处理器阵列、FPGA处理器阵列、存储器、第三光电接口提供所需的工作电源；

所述的第二光电接口通过数字光纤总线与射频环控舱中的第一光纤接口通信连接；

其中CPU处理器阵列包括主CPU处理器、其他CPU处理器，所述的主CPU处理器上配置有资源管理器，用于分配各处理器资源，定义各资源的工作参数，其中所述的主CPU处理器还负责读写功能配置库、DSP处理器阵列和FPGA处理器阵列处理的信息流；其他CPU处理器用于信号处理、协议处理、信息处理和信号控制。

其中所述的FPGA处理器包括主FPGA处理器、其他FPGA处理器；所述的主FPGA处理器连接主时钟并负责时钟管理，为CPU处理器阵列、DSP处理器阵列、第二光电接口分配工作时钟；其它FPGA处理器用于信号处理、协议处理、信息处理和信号控制。

所述的DSP处理器阵列，用于信号处理、协议处理、信息处理和信号控制；

所述的机载电子总线基于4组LVDS对的协议规范实现CPU处理器阵列、DSP处理器阵列、存储器、FPGA处理器阵列、第二光电接口信息传输。

在一个具体的实施例中，所述的存储器上配置有功能配置库，所述的功能配置库包括网络功能库、卫星定位导航功能库、飞行控制算法库。所述的功能配置库支持在线更新升级，实现根据任务编程处理器资源。

a)网络功能库

所述的网络功能库包括多个无线通信制式网络的工作参数，所述的工作参数包括无线网络的调制解调、信道编解码、多址接入、链路自适应、组网控制和路由等技术体制的工作参数定义；多个无线通信制式网络构成的异构网络的组网与交换路由的工作参数；建立的端到端网络连接工作参数。

b)卫星定位导航功能库

所述的卫星定位导航功能库包括卫星定位系统信号的捕获跟踪同步算法、卫星定位系统的位置解算算法和卫星定位导航系统的导航路线规划算法。

c)飞行控制算法库

所述的飞行控制算法库存储飞行控制各种算法，以便资源管理器将算法加载到飞控单元硬件上，支持平流层升空平台的推进动力和姿态舵机的工作。

所述的资源管理器软件工作在CPU处理器阵列的主CPU处理器上，负责所有硬件资源的重构、定义与配置。工作时，将网络功能库、卫星定位导航功能库和飞行控制算法分配到可重构射频电路、CPU处理器阵列、DSP处理器阵列和FPGA处理器阵列上运行工作。

在一个具体的实施例中，所述的资源池环控舱还包括第二温度控制电路，用于升温控制，确保资源池环控舱的内部环境温度在-40度以上，所述的主时钟为主时钟分配工作时钟。本实施例将资源池环控舱的环境温度控制在-40度以上，有利的保障射频环控舱的其它电路的电子器件正常工作。

在一个具体的实施例中，所述的数字光纤总线，用于传递数字化的光信号，所述的光信号包括控制信息、时钟信息、射频数据信息；所述的数字光纤总线采用链状或环形中继方式，支持远端的射频环控舱经近端的射频环控舱将光信号中继到资源池环控舱。

在一个具体的实施例中，所述的平流层升空平台包括供电系统、飞行控制系统机电装置；

所述的飞行控制系统机电装置通过CAN总线与资源池环控舱的机载电子总线通信连接；

所述的供电系统分别通过第一电源管理电路、第二电源管理电路输出不同电压不同电流的电源支路，供于射频环控舱、资源池环控舱的工作电路。本实施例所述的平流层升空平台降低了通信等任务的有效载荷能力。

本实施例所述的综合通信系统的优点如下：

1)如图2所示，本实施例所述的平流层升空平台的综合通信装置的设计方法，由多个射频环控舱、资源池环控舱、数字光线总线和CAN总线构成的硬件架构，可配置定义综合电子硬件电路的功能配置库，以及实现资源管理的软件。

2)本实施例所述的射频环控舱和资源池环控舱分离，满足基于平流层升空平台的外形尺寸结构的、综合通信功能电磁兼容的、机载装置配重设计的信号分散部署和功能集中处理特征要求。

3)本实施例采用功能配置库存储通信载荷制式、测控链路制式和卫星定位导航功能库的工作参数、飞行控制算法库的软件框架；

4)本实施例通过资源管理器实现平流层升空平台综合通信装置硬件的功能复用，配置工作参数的方法，以灵活实现综合通信装置的通信功能。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适应平流层升空平台的综合通信系统，所述的综合通信系统设置在平流层升空平台上；其特征在于：所述的综合通信系统包括N个射频环控舱、1个资源池环控舱；

所述的射频环控舱通过数字光纤总线与资源池环控舱通信连接，实现射频信号收发与数字信号处理控制的分离；相邻的两个所述的射频环控舱之间通过数字光纤总线相互通信连接；

所述的射频环控舱包括天线接口、射频收发电路、ADDA器、时钟电路、第一电源管理电路、第一光电接口；所述的第一光电接口通过数字光纤总线与资源池环控舱通信连接，相邻的2个所述的射频环控舱的第一光电接口通过数字光纤总线相互通信连接；

所述的第一电源管理电路分别向天线接口、射频收发电路、ADDA器、时钟电路、第一光电接口提供工作所需的电源；

所述的天线接口收发30MHz-6GHz的宽频带无线信号；

所述的射频收发电路与天线接口连接，用于完成射频信号的接收和发射；

所述的ADDA器负责将模拟信号转换为数字信号，同时也负责将数字信号转换为模拟信号；

所述的时钟电路基于基准时钟信息进行倍频、分频和移相处理，为射频收发电路提供工作时钟；

所述的第一光电接口负责将数字光纤总线传输的光电信号转换、解析出控制协议、基准时钟信息和收发工作的数据流，且支持链状的5级光信号中继；

所述的资源池环控舱包括CPU处理器阵列、DSP处理器阵列、FPGA处理器阵列、用于FPGA处理器阵列提供计时的主时钟、存储器、第二光电接口、机载电子总线、第二电源管理电路；

所述的CPU处理器阵列、DSP处理器阵列、FPGA处理器阵列、存储器、第三光电接口均与在机载电子总线通信连接；

所述的第二电源管理电路分别向CPU处理器阵列、DSP处理器阵列、FPGA处理器阵列、存储器、第三光电接口提供所需的工作电源；

所述的第二光电接口通过数字光纤总线与射频环控舱中的第一光纤接口通信连接；

所述的CPU处理器阵列包括主CPU处理器、其他CPU处理器；所述的主CPU处理器阵列上配置有资源管理器，用于分配各处理器资源，定义各资源的工作参数，且所述的主CPU处理器阵列还负责读写功能配置库、DSP处理器阵列和FPGA处理器阵列处理的信息流；其它CPU处理器用于信号处理、协议处理、信息处理和信号控制；

所述的FPGA处理器包括主FPGA处理器、其他FPGA处理器；其中所述的主FPGA处理器阵列连接主时钟并负责时钟管理，为CPU处理器阵列、DSP处理器阵列、第二光电接口分配工作时钟；其他FPGA处理器用于信号处理、协议处理、信息处理和信号控制；

所述的DSP处理器阵列，用于信号处理、协议处理、信息处理和信号控制；

所述的机载电子总线基于4组LVDS对的协议规范实现CPU处理器阵列、DSP处理器阵列、存储器、FPGA处理器阵列、第二光电接口信息传输。

2.根据权利要求1所述的适应平流层升空平台的综合通信系统，其特征在于：所述的射频收发电路包括射频前端、混频器、宽带收发通道和本地振荡器；

所述的射频前端，接收时，从天线接口接收射频信号，经过放大滤波处理后送混频器；发送时，将混频器输出的信号进行功率放大，通过天线接口辐射出去；

所述的混频器，进行射频信号和中频信号的混频处理；所述的本地振荡器用于向混频器提供本振信号；

所述的宽带收发通道，用于中频信号接收或发送进行的放大滤波处理。

3.根据权利要求2所述的适应平流层升空平台的综合通信系统，其特征在于：所述的射频环控舱还包括第一温度控制电路，用于升温控制，确保射频环控舱的内部环境温度在-40度以上；所述的时钟电路为第一温度控制电路分配工作时钟。

4.根据权利要求3所述的适应平流层升空平台的综合通信系统，其特征在于：在N个所述的射频环控舱中，有N-1个所述的射频环控舱中的射频收发电路为宽频段射频收发电路，1个所述的射频环控舱中的射频收发电路为C波段射频收发电路。

5.根据权利要求4所述的适应平流层升空平台的综合通信系统，其特征在于：所述的资源池环控舱还包括第二温度控制电路，用于升温控制，确保资源池环控舱的内部环境温度在-40度以上，所述的主时钟为主时钟分配工作时钟。

6.根据权利要求5所述的适应平流层升空平台的综合通信系统，其特征在于：所述的存储器上配置有功能配置库，所述的功能配置库包括网络功能库、卫星定位导航功能库、飞行控制算法库。

7.根据权利要求1～6任一项所述的适应平流层升空平台的综合通信系统，其特征在于：所述的数字光纤总线，用于传递数字化的光信号，所述的光信号包括控制信息、时钟信息、射频数据信息；所述的数字光纤总线采用链状或环形中继方式，支持远端的射频环控舱经近端的射频环控舱将光信号中继到资源池环控舱。

8.根据权利要求7所述的适应平流层升空平台的综合通信系统，其特征在于：所述的平流层升空平台包括飞行控制系统机电装置、供电系统；

所述的飞行控制系统机电装置通过CAN总线与资源池环控舱的机载电子总线通信连接；

所述的供电系统分别通过第一电源管理电路、第二电源管理电路输出不同电压不同电流的电源支路，供于射频环控舱、资源池环控舱的工作电路。

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