CN112367110A - 一种基于空空通信的上下行链路通信方法 - Google Patents

Abstract

为了确保月球轨道交会对接近程导引过程中器地链路的高可靠畅通，本发明提出了一种基于交会对接任务过程中微波雷达空空通信功能的上下行链路通信方法，构建地面站、目标飞行器、追踪器的双中继通信链路平台，解决如轨道器约束条件下地面站无法实现“双站共视”问题、目标飞行器和追踪器相互靠近过程中可能的相互遮挡问题和测控链路故障条件下的测控通信问题，能够有效提高月球轨道交会对接期间航天器与地面站上下行测控链路的鲁棒性。

Description

一种基于空空通信的上下行链路通信方法

技术领域

本发明涉及一种基于空空通信的上下行链路通信方法，属于测控技术领域。

背景技术

我国探月工程的第三阶段将实施月面软着陆和样品采集，并将月壤样品带回地球。为实现这一目标，需要通过月球轨道交会做到样品转移，实现首次无人月球轨道交会对接。与地球轨道交会对接相比，由于其特殊的深空环境和测控难度，无人月球轨道交会对接技术在控制的自主性、快速性以及系统的鲁棒性上都有较高的要求。

在月球轨道交会对接近程导引过程中，确保关键时刻器地链路的畅通是确保交会对接过程顺利完成的重要前提之一。目标飞行器和追踪器在逐步接近的过程中，可能面临的问题包括：

1)当交会对接的目标飞行器、追踪器靠近的过程中，地面站无法实现“双站共视”条件下的可靠、实时跟踪两个飞行器，可能造成目标飞行器或追踪器的上下行链路出现异常；

2)当交会对接的目标飞行器、追踪器靠近的过程中，也可能出现由于目标飞行器和追踪器相互遮挡的原因造成目标飞行器或追踪器的上下行链路出现异常；

3)地面站故障或航天器故障条件下，可能出现目标飞行器或追踪器的上下行链路出现异常，造成目标飞行器或追踪器的上下行链路出现异常。

实现月球轨道自主交会对接任务，通常在实施交会对接任务的目标飞行器和追踪器上配置微波雷达，微波雷达除具备相对位置、角度、速度测量功能以外，还具备空空通讯功能。为了解决前述可能遇到的问题，提高月球轨道交会对接期间航天器与地面站上下行测控链路的鲁棒性，充分利用空空通信功能，从月球轨道交会对接过程中微波雷达建立起的空空通信链路出发，建立一种以空空通信为基础，构建地面站、目标飞行器、追踪器的双中继通信链路平台，能够有效提高月球轨道交会对接期间航天器与地面站上下行测控链路的鲁棒性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了确保月球轨道交会对接近程导引过程中器地链路的高可靠畅通，本发明提出了一种基于交会对接任务过程中微波雷达空空通信功能的上下行链路通信方法，构建地面站、目标飞行器、追踪器的双中继通信链路平台，解决如轨道器约束条件下地面站无法实现“双站共视”问题、目标飞行器和追踪器相互靠近过程中可能的相互遮挡问题和测控链路故障条件下的测控通信问题，能够有效提高月球轨道交会对接期间航天器与地面站上下行测控链路的鲁棒性。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种基于空空通信的上下行链路通信方法，包括如下步骤：

地面站1向目标飞行器发送上行遥控信号TC1，目标飞行器接收到该信号后，解析该信号后判断属于目标飞行器或追踪器，若为目标飞行器遥控信号，则直接译码后转发至执行设备，若为追踪器遥控信号，则转发至追踪器；目标飞行器收集自身的遥测信息，并接收追踪器的遥测信息，目标飞行器将该两部分遥测信息调制后下传至地面站1；

地面站2向追踪器发送上行遥控信号TC2，追踪器接收到该信号后，解析后发至目标飞行器；追踪器收集自身的遥测信息，并接收目标飞行器的遥测信息，追踪器将该两部分遥测信息调制后下传至地面站2。

上述基于空空通信的上下行链路通信方法，优选的，所述目标飞行器通过自身的微波雷达主机与所述追踪器自身的微波雷达应答机通信。

上述基于空空通信的上下行链路通信方法，优选的，所述目标飞行器上还设有目标控制器控制计算机，目标控制器控制计算机采用主动方式工作，控制目标飞行器的数据采集和通信数据传输；微波雷达主机采用被动方式工作，以中断方式响应目标控制器控制计算机发出的命令，与目标控制器控制计算机进行数据交换。

上述基于空空通信的上下行链路通信方法，优选的，所述追踪器上还设有追踪器控制计算机，追踪器控制计算机采用主动方式工作，控制追踪器数据采集和通信数据传输；微波雷达应答机机采用被动方式工作，以中断方式响应追踪器控制计算机发出的命令，与追踪器控制计算机进行数据交换。

上述基于空空通信的上下行链路通信方法，优选的，所述上行遥控信号TC1和上行遥控信号TC2的传输均选用CCSDS分包遥控体制。

上述基于空空通信的上下行链路通信方法，优选的，所述遥测信息的传输均选用分包遥测体制。

上述基于空空通信的上下行链路通信方法，优选的，在遥控传送帧数据格式中，在帧主导头内装有航天器标识。

上述基于空空通信的上下行链路通信方法，优选的，分包遥测体制采用虚拟信道调度和源包调度两级调度机制。

一种基于空空通信的上下行链路通信系统，包括目标飞行器、追踪器、地面站，其中地面站至少包括地面站1和地面站2；

采用上述基于空空通信的上下行链路通信方法进行通信。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明采用对接任务过程中已配置的微波雷达，无需重新配置新的硬件设备；

(2)本发明中目标控制器控制计算机采用主动地工作方式实施数据通信，微波雷达主机采用中断响应的方式进行数据交换，可以实现按需完成数据交换。

(3)本发明采用CCSDS分包遥控和分包遥测体制，符合国际通用标准，灵活的实现国际合作；

(4)本发明采用两级调度机制，与探测器常规上下行链路调度机制一致，可共用相同的软件代码。

附图说明

图1为双中继链路规划的示意图；

图2为交会对接过程中两飞行器通过空空链路通信的示意图；

图3为分包遥控体制中数据格式示意图；

图4为上行遥控注入数据信息流图；

图5为分包遥测体制中数据格式示意图；

图6为下行遥测信息流图。

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的实施方式作进一步详细描述。

一种基于空空通信的上下行链路通信方法，包括如下步骤：

地面站1向目标飞行器发送上行遥控信号TC1，目标飞行器接收到该信号后，解析该信号后判断属于目标飞行器或追踪器，若为目标飞行器遥控信号，则直接译码后转发至执行设备，若为追踪器遥控信号，则转发至追踪器；目标飞行器收集自身的遥测信息，并接收追踪器的遥测信息，目标飞行器将该两部分遥测信息调制后下传至地面站1；

地面站2向追踪器发送上行遥控信号TC2，追踪器接收到该信号后，解析后发至目标飞行器；追踪器收集自身的遥测信息，并接收目标飞行器的遥测信息，追踪器将该两部分遥测信息调制后下传至地面站2。

一种基于空空通信的上下行链路通信系统，包括目标飞行器、追踪器、地面站，其中地面站至少包括地面站1和地面站2；采用基于空空通信的上下行链路通信方法进行通信。

作为本发明的一种优选方案，所述目标飞行器通过自身的微波雷达主机与所述追踪器自身的微波雷达应答机通信；所述目标飞行器上还设有目标控制器控制计算机，目标控制器控制计算机采用主动方式工作，控制目标飞行器的数据采集和通信数据传输；微波雷达主机采用被动方式工作，以中断方式响应目标控制器控制计算机发出的命令，与目标控制器控制计算机进行数据交换。所述追踪器上还设有追踪器控制计算机，追踪器控制计算机采用主动方式工作，控制追踪器数据采集和通信数据传输；微波雷达应答机机采用被动方式工作，以中断方式响应追踪器控制计算机发出的命令，与追踪器控制计算机进行数据交换。

作为本发明的一种优选方案，所述上行遥控信号TC1和上行遥控信号TC2的传输均选用CCSDS分包遥控体制。在遥控传送帧数据格式中，在帧主导头内装有航天器标识。

作为本发明的一种优选方案，所述遥测信息的传输均选用分包遥测体制。分包遥测体制采用虚拟信道调度和源包调度两级调度机制。

实施例：

一种基于空空通信的上下行链路通信方法，涉及如下4个部分：

a)空空双中继通信链路

为提高天地链路测控通路的可靠性和鲁棒性，以空空链路建立的两飞行器通信链路为基础，搭建了地面站、目标飞行器、追踪器之间的双中继通信链路，具体双中继链路规划的示意图详见图1。

其中，地面站对目标飞行器、追踪器发送遥控信号定义为上行链路，目标飞行器、追踪器向地面站发送遥测信号定义为下行链路；任一飞行器(目标飞行器或追踪器)向另一飞行器发送遥控信号定义为前向链路，任一飞行器(目标飞行器或追踪器)向另一飞行器发送遥测信号定义为返向链路。

地面站1向目标飞行器发送上行遥控信号TC1(OA/TA)，目标飞行器接收到该信号后，解析该信号属于自身飞行器或追踪器，若为自身飞行器遥控信号TC1(OA)，则直接译码后转发至相应设备执行，若为追踪器遥控信号TC1(TA)，则通过前向遥控链路转发至追踪器；目标飞行器收集自身的下行遥测信息TM1(OA)的同时，通过返向遥测链路接收追踪器的遥测信息TM1(TA)，目标飞行器将两部分遥测信息按照协议进行组织，经调制后形成下行遥测信号TM1(OA/TA)下传至地面站1。在此通信过程中，可认为目标飞行器作为中继，实现了地面站与追踪器之间的通信。

同理，地面站2向追踪器发送上行遥控信号TC2(TA/OA)，追踪器可解析出目标飞行器遥控信号TC2(OA)，通过前向链路转发至目标飞行器；同时，追踪器可收集目标飞行器的遥测信息TM2(OA)，与自身遥测信息一起经调制形成下行遥测信号TM2(TA/OA)下传至地面站2。在此通信过程中，可认为追踪器作为中继，实现了地面站与目标飞行器之间的通信。

b)空空链路通信

空空链路是以航天器上交会对接所使用的微波雷达主机及其应答机通过各自天线端向外发射微波信号所建立起的一种信息通路。由于微波雷达主要用于交会对接过程的跟踪、测量，因此其对外接口主要为飞行器进行制导、导航控制的控制计算机(CenterControl Unit，CCU)。微波雷达主机与目标控制器控制计算机(OA_CCU)、微波雷达应答机与追踪器控制计算机(TA_CCU)之间均采用RS422接口进行数据传输。交会对接过程中两飞行器通过空空链路通信的示意图详见图2。

目标飞行器侧CCU与微波雷达主机的通信体系结构分为上下两层，上层为CCU主叫方，发送目标飞行器侧CCU取数和通信数据传输命令，以主动方式工作；下层为微波雷达主机被叫方，以中断方式响应CCU发出的命令，与CCU进行数据交换，将自身的测量数据以及追踪器端的通信数据回送给CCU，并将目标飞行器侧的通信数据信息经空空链路由微波雷达应答机发送给追踪器侧CCU，以被动方式工作。

追踪器侧CCU与微波雷达应答机的通信体系结构也为上行两层，上层为CCU主叫方，发送追踪器侧CCU通信数据传输命令；下层为微波雷达应答机被叫方，以中断方式响应CCU发出的命令，与CCU进行数据交换，将目标飞行器端的通信数据回送给CCU，并将追踪器侧的通信数据经空空链路由微波雷达发送给目标飞行器侧CCU。

根据上述通信原则，即可完成目标飞行器与追踪器两侧CCU之间通信数据的交换工作。在两飞行器空空链路构建完成后，即可以此为基础，搭建地面站、目标飞行器、追踪器之间的双中继通信链路。

由于以目标飞行器为中继，构建地面站与追踪器之间的上下行链路通信过程与追踪器为中继，进行地面站与目标飞行器之间的上下行链路通信过程相似。本实施例以目标飞行器为中继，构建地面站与追踪器之间的上下行链路通信过程为例进行基于空空通信的上行遥控信息流和下行遥测信息流的介绍。

c)基于空空通信的上行遥控信息流

上行遥控信息流用于上行和前向链路。由于上行遥控涉及多个地面站信源及多个航天器用户端，因此遥控方式选用CCSDS分包遥控体制。

1)分包遥控注入数据格式

分包遥控方案中，数据注入的数据结构、格式采用分层结构，各层的数据结构及其关系图3所示。其中，在遥控传送帧数据格式中，通过在帧主导头中定义航天器标识，以确定当前该遥控传送帧应发往的航天器；在遥控包数据格式中，通过在包主导头中定义标识分配号，以区分该遥控包发送当前航天器所在的设备。因此，可以看出，对于一条数据注入指令，通过遥控传送帧和遥控包的主导头可唯一确定该条数据注入指令最终输出端口。

2)上行遥控注入数据信息流设计

目标飞行器上行遥控注入数据应实现两个功能，第一，接收目标飞行器的遥控注入数据，分发至目标飞行器各设备端执行；第二，接收追踪器的遥控注入数据，通过空空链路，将数据转发至追踪器，进而分发至各设备执行端。

由图4可知，上行链路基于中继的上行遥控注入数据转发功能主要在于前向链路的数据处理方面。主要流程包括：

目标飞行器侧数管计算机接收到一个通信链路传输单元(CLTU)后，首先对该CLTU进行验证，确认正确后，从中解析出各个遥控传送帧，依次处理各个遥控传送帧；

数管计算机判定该遥控传送帧归属地为目标飞行器(OA)或追踪器(TA)，若两者皆不是，则丢弃该遥控传送帧，继续处理下一遥测传送帧；

若为目标飞行器的遥控传送帧，则数管计算机解析出该遥控传送帧的各个遥控包，通过1553B总线发送至各个RT设备端执行；

若为追踪器的遥控传送帧，则数管计算机直接将该遥控传送帧发送至RT设备端的CCU特定接收缓冲区，等待CCU取走；

目标飞行器侧CCU周期性轮询该接收缓冲区，当查询到数据后，将该数据转发至微波雷达主机；

微波雷达主机通过空空链路将数据发送至微波雷达应答机；

追踪器侧CCU周期性轮询微波雷达应答机接收数据缓冲区，当查询到数据后，将该数据放置总线发送缓冲区，并向追踪器端SMU提出服务请求；

追踪器侧数管计算机周期性查询各RT终端服务请求，当接收到追踪器侧CCU提出的该服务请求后，立即从其发送缓冲区接受该遥控指令帧，并清除其服务请求位；

追踪器侧数管计算机接收到该遥控指令帧后，则对其进行解析得到各个遥控包，通过1553B总线发送至各个RT设备端执行。

d)基于空空通信的下行遥测信息流设计

下行遥测信息流用于下行和返向链路。选用分包遥测体制作为面向传输的一种动态调度机制，能够根据用户需要灵活调动不同的源包，更适用于以空空链路为基础构建的双中继通信链路。

1)分包遥测数据格式

分包遥测体制中其数据格式如图5所示。

各设备根据需要动态生成自身的遥测源包(E-PDU)并发送至数管计算机，数管计算机接收到多路E-PDU后，根据源包调度策略生成多路协议数据单元(M-PDU)，填充入虚拟信道数据单元(CVCDU)数据域中。数管计算机则根据虚拟信道调度策略对各CVCDU进行调度下传。通过该过程可以看出，分包遥测具备虚拟信道调度和源包调度两级调度机制，通过这两种调度机制，以满足地面根据不同的应用过程将各个源包分发到不同的数据宿。

要实现源包调度，需要在E-PDU数据格式中，通过包主导头中定义应用过程标识符，以区分该遥测源包对应设备端的第几路源包；要实现虚拟信道调度，则需要在CVCDU数据格式中，通过VCDU主导头中定义VC-ID号，以区分当前使用的VC信道。

因此，当一个信道访问数据单元(CADU)形成以后，也就唯一确定了当前数据域各源包的下传调度周期。

2)下行遥测信息流设计

目标飞行器下行遥测应实现两个功能，第一，具备接收目标飞行器各设备的遥测源包数据，经打包送测控设备下行；第二，具备通过空空链路接收追踪器发送的遥测数据帧信息，通过虚拟信道调度策略将追踪器和目标飞行器的遥测数据帧送测控设备下行。以下给出了下行遥测的信息流图设计方案。

由图6可以看出，基于中继的下行遥测数据转发功能主要在于返向链路的数据处理方面。主要流程包括：

追踪器侧数管计算机周期性通过1553B总线接收来自各个RT设备端的遥测源包(E-PDU)后，按遥测源包调度周期完成遥测源包的调度及其封装，形成虚拟信道访问单元CVCDU-TA，其中CVCDU-TA中的VC-ID标识设置为追踪器常规遥测源包；

追踪器侧数管计算机将形成后的CVCDU-TA通过1553B总线发送至RT设备端的CCU特定接收缓冲区，等待CCU取走；

追踪器侧CCU周期性轮询该接收缓冲区，当查询到数据后，将该数据转发至微波雷达应答机；

微波雷达应答机通过空空链路将数据发送至微波雷达主机；

目标飞行器侧CCU周期性轮询微波雷达主机接收数据缓冲区，当查询到数据后，将该数据放置总线发送缓冲区，等待数管计算机取走；

目标飞行器侧数管计算机周期性查询各RT终端发送缓冲区数据，取走各RT终端的遥测源包以及CCU特定发送缓冲区的CVCDU-TA数据；

目标飞行器侧数管计算机接收到数据后，将各RT终端的遥测源包按照遥测源包调度周期进行调度和封装，形成虚拟信道访问单元CVCDU-OA，其中VC-ID标识设置为目标飞行器常规遥测源包；

目标飞行器侧数管计算机按照虚拟信号调度策略分时调度CVCDU-OA和CVCDU-TA，完成目标飞行器和追踪器两个飞行器的遥测源包下传。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

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。

Claims (9)

1.一种基于空空通信的上下行链路通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

地面站1向目标飞行器发送上行遥控信号TC1，目标飞行器接收到该信号后，解析该信号后判断属于目标飞行器或追踪器，若为目标飞行器遥控信号，则直接译码后转发至执行设备，若为追踪器遥控信号，则转发至追踪器；目标飞行器收集自身的遥测信息，并接收追踪器的遥测信息，目标飞行器将该两部分遥测信息调制后下传至地面站1；

地面站2向追踪器发送上行遥控信号TC2，追踪器接收到该信号后，解析后发至目标飞行器；追踪器收集自身的遥测信息，并接收目标飞行器的遥测信息，追踪器将该两部分遥测信息调制后下传至地面站2。

2.根据权利要求1所述的一种基于空空通信的上下行链路通信方法，其特征在于，所述目标飞行器通过自身的微波雷达主机与所述追踪器自身的微波雷达应答机通信。

3.根据权利要求2所述的一种基于空空通信的上下行链路通信方法，其特征在于，所述目标飞行器上还设有目标控制器控制计算机，目标控制器控制计算机采用主动方式工作，控制目标飞行器的数据采集和通信数据传输；微波雷达主机采用被动方式工作，以中断方式响应目标控制器控制计算机发出的命令，与目标控制器控制计算机进行数据交换。

4.根据权利要求2所述的一种基于空空通信的上下行链路通信方法，其特征在于，所述追踪器上还设有追踪器控制计算机，追踪器控制计算机采用主动方式工作，控制追踪器数据采集和通信数据传输；微波雷达应答机机采用被动方式工作，以中断方式响应追踪器控制计算机发出的命令，与追踪器控制计算机进行数据交换。

5.根据权利要求1所述的一种基于空空通信的上下行链路通信方法，其特征在于，所述上行遥控信号TC1和上行遥控信号TC2的传输均选用CCSDS分包遥控体制。

6.根据权利要求1所述的一种基于空空通信的上下行链路通信方法，其特征在于，所述遥测信息的传输均选用分包遥测体制。

7.根据权利要求5所述的一种基于空空通信的上下行链路通信方法，其特征在于，在遥控传送帧数据格式中，在帧主导头内装有航天器标识。

8.根据权利要求6所述的一种基于空空通信的上下行链路通信方法，其特征在于，分包遥测体制采用虚拟信道调度和源包调度两级调度机制。

9.一种基于空空通信的上下行链路通信系统，其特征在于，包括目标飞行器、追踪器、地面站，其中地面站至少包括地面站1和地面站2；

采用权利要求1～8之一所述的方法进行通信。

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