CN112636809A - 一种支持ssa、sma链路的星载中继用户终端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种支持SSA、SMA链路的星载中继用户终端，包括收发处理模块、宽波束天线模块和相控阵天线模块，各模块之间通过高频电缆和低频电缆连接；收发处理模块，接收SSA、SMA链路的前向遥控射频信号，处理形成前向遥控中频信号，进行捕获、跟踪、解调处理，解调出遥控数据送至航天器平台；接收来自于航天器平台的返向遥测信息，进行编码、扩频、调制处理后进行变频发射；通过总线接口接收航天器轨道、姿态信息，结合中继星轨道实时完成波束指向角计算；宽波束天线模块发送SSA、SMA链路的前向遥控射频信号至收发处理模块；相控阵天线模块，接收收发处理模块提供的射频信号和控制信号，完成链路射频信号的功率放大和空间波束合成与指向控制。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种支持SSA、SMA链路的星载中继用户终端。
背景技术
随着天基测控技术的发展，中继用户终端在低轨卫星上得到了广泛的应用。当前，一代中继卫星系统只有SSA链路，二代中继卫星系统除了SSA链路，还包括SMA链路，且SSA、SMA链路对应不同的前向遥控射频信号和返向遥测射频信号。另外二代中继卫星系统等效全向辐射功率(EIRP)、接收G/T值等系统指标相对于一代中继卫星系统也发生变化，尤其是SMA链路，EIRP值和G/T值更低，此时采用一代中继终端的硬件配置无法实现低轨卫星和中继卫星之间天基测控通信。
传统中继用户终端由信号处理模块和两幅测控天线(一收一发)组成，其中信号处理模块内部包括10W的功放单元，接收天线采用左旋圆极化形式，发射天线采用右旋圆极化形式。该配置满足一代中继卫星SSA链路测控需求，无法兼容二代中继卫星SSA、SMA两种链路。
为了实现二代中继卫星系统SSA、SMA链路天基测控，同时满足多颗在轨一代中继卫星SSA链路的测控需求，设计一种兼容SSA、SMA链路的星载中继用户终端，满足一、二代中继卫星测控通信，使天基测控发挥更大的效能。
发明内容
本发明提供了一种支持SSA、SMA链路的星载中继用户终端，该用户终端兼容SSA、SMA两种链路，可以与一、二代中继卫星系统建立天基测控链路，实现两种工作模式的一体化设计。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种支持SSA、SMA链路的星载中继用户终端，包括收发处理模块、宽波束天线模块和相控阵天线模块，各模块之间通过高频电缆和低频电缆连接；所述收发处理模块包括基带模块、射频收发模块和波束指向角分析模块；
基带模块：接收SSA、SMA链路的前向遥控射频信号，处理形成前向遥控中频信号，进行捕获、跟踪、解调处理，解调出遥控数据送至航天器平台；
射频收发模块：接收来自于航天器平台的返向遥测信息，进行编码、扩频、调制处理后进行变频发射；
波束指向角分析模块：通过总线接口接收航天器轨道、姿态信息，结合中继星轨道实时完成波束指向角计算；
宽波束天线模块，发送SSA、SMA链路的前向遥控射频信号至收发处理模块；
相控阵天线模块，接收收发处理模块提供的射频信号和控制信号，完成链路射频信号的功率放大和空间波束合成与指向控制。
进一步的，所述宽波束天线模块采用双绕背射螺旋天线形式，双线螺旋线在锥状天线支撑管的外表面上，馈电点相位相差180°，通过调整天线的螺旋直径、螺距及螺距角产生满足较宽的覆盖范围和较大天线增益。
进一步的，所述波束指向角分析模块在完成波束指向角计算时，具体原理如下：
(1)首先对卫星轨道预处理：包括低轨卫星轨道预处理和中继卫星轨道预处理，以将卫星提供的轨道信息转化到惯性坐标系下的位置矢量；
(2)在地心惯性坐标系下，计算低轨卫星指向中继卫星的位置矢量；
(3)将低轨卫星指向中继卫星的位置矢量由地心惯性坐标系转换为低轨卫星质心轨道坐标系中表示；
(4)将低轨卫星指向中继卫星的位置矢量由低轨卫星质心轨道坐标系转换为低轨卫星本体坐标系表示；
(5)将低轨卫星指向中继卫星的位置矢量由低轨卫星本体坐标系转换为低轨卫星相控阵天线坐标系，最终在相控阵天线坐标系中，根据几何关系，计算出相控阵天线波束指向的俯仰角和方位角。
进一步的，所述射频收发模块实现SSA、SMA链路的辨识，可保证接收机在SSA、SMA链路中，根据当前前向链路接收信号的捕获情况，自识别链路模式并对返向链路的工作模式进行切换，自主实现返向链路发射，具体原理如下：
(1)针对SSA、SMA模式生成2通道4路不同频点本地正交载波；
(2)外部输入AD采样信号分别与2通道本地载波混频；
(3)基于伪码发生器在码时钟驱动下生成复制伪随机码；
(4)4路混频信号分别与复制伪随机码相关解扩处理；
(5)对2通道正交相关处理后数据分别累积合并处理并缓存；
(6)分时对2通道数据进行快速FFT变换，获取变换后平方和；
(7)判断2路平方和最值是否超过预设门限，信号捕获状态；
(8)确定当前工作链路模式，产生链路工作模式；
(9)根据模式切换返向链路工作频点。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
1、本方案设计宽波束天线模块和相控阵天线模块，通过用低增益的S频段无源宽波束天线与高增益的S频段有源相控阵天线相组合的方式，解决对中继卫星宽波束覆盖的难题，满足大范围的高可靠关键遥控信息接收及宽角度遥测信息连续跟踪发射；
2、结合相控阵天线波束指向角计算，在星上资源有限、满足指向精度要求的前提下，简化指向角计算，完成相控阵天线波束指向角的快速计算；结合相控阵天线，仅通过实时接收卫星轨道信息，注入中继卫星轨道信息即可实时的计算出相控阵天线指向角度，兼容性更好；
3、另外，本方案无需外部对链路辨识后的辅助信息或地面发送模式切换指令，即可自适应更换链路工作模式，并切换返向链路的工作模式。规避了指令接收错误或地面指令发送失效以及辅助信息错误等异常情况下，致使模式切换异常现象，同时增加了接收机的自适应能力；满足当前设备一体化多元化设计理念，具有设计简单，可靠性性高等优势。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的支持SSA、SMA链路的星载中继用户终端组成框图；
图2为本发明实施例所述波束指向角计算原理示意图；
图3为本发明实施例所述SSA、SMA链路的辨识原理示意图。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。
实施例，一种支持SSA、SMA链路的星载中继用户终端，如图1所示，包括收发处理模块、宽波束天线模块和相控阵天线模块，各模块之间通过高频电缆和低频电缆连接；
收发处理模块包括基带模块、射频收发模块和波束指向角分析模块；
基带模块：接收SSA、SMA链路的前向遥控射频信号，处理形成前向遥控中频信号，进行捕获、跟踪、解调处理，解调出遥控数据送至航天器平台；
射频收发模块：接收来自于航天器平台的返向遥测信息，进行编码、扩频、调制处理后进行变频发射；
波束指向角分析模块：通过总线接口接收航天器轨道、姿态信息，结合中继星轨道实时完成波束指向角计算；
宽波束天线模块，发送SSA、SMA链路的前向遥控射频信号至收发处理模块，采用双绕背射螺旋天线形式，双线螺旋线在锥状天线支撑管的外表面上，馈电点相位相差180°，通过调整天线的螺旋直径、螺距及螺距角产生满足较宽的覆盖范围和较大天线增益；
相控阵天线模块，接收收发处理模块提供的射频信号和控制信号，完成链路射频信号的功率放大和空间波束合成与指向控制，程序跟踪指定的中继卫星。
其中，所述收发处理模块还包括电源模块和接口模块；电源模块，配置用于连接航天器平台提供的一次电源，将一次电源转换得到二次电源，为接口模块、基带模块、射频收发模块等进行供电；接口模块，配置用于通过CAN总线或1553B总线接收间接指令、航天器轨道参数信息，并将中继用户终端自身工作状态遥测信息送至航天器平台；还配置用于通过串口将波束指向角分析模块计算出的波束指向角度送相控阵天线，接收相控阵天线的遥测状态信息；还配置用于将OC指令输出给相控阵天线；另外，射频收发模块，配置用于接收SSA、SMA链路的前向遥控射频信号，处理形成前向遥控中频信号，发送给基带模块；还配置用于将基带模块提供的零中频信号遥测信号进行变频发射；基带模块，还配置用于接收来自航天器平台的返向遥测信息，进行组帧、编码、扩频得到零中频遥测信号，将零中频遥测信号发送给射频收发模块；还配置用于抗干扰处理软件，提升中继用户终端抗窄带干扰能力。
本方案设计宽波束天线模块和相控阵天线模块，通过用低增益的S频段无源宽波束天线与高增益的S频段有源相控阵天线相组合的方式，解决对中继卫星宽波束覆盖的难题，满足大范围的高可靠关键遥控信息接收及宽角度遥测信息连续跟踪发射。
需要重点说明的是，波束指向角分析模块在完成波束指向角计算时，所述收发处理模块能够兼容两种轨道计算模式，保证在最小资源利用率下，根据卫星的轨道信息(J2000轨道信息或WGS84轨道信息)，计算出卫星相控阵天线指向中继卫星的指向角度信息，通过波束指向角分析模块快速实现相控阵天线波束指向角计算，具体原理如下：
(1)首先对卫星轨道预处理：包括低轨卫星轨道预处理和中继卫星轨道预处理，以将卫星提供的轨道信息转化到惯性坐标系下的位置矢量；(2)在地心惯性坐标系下，计算低轨卫星指向中继卫星的位置矢量；(3)将低轨卫星指向中继卫星的位置矢量由地心惯性坐标系转换为低轨卫星质心轨道坐标系中表示；(4)将低轨卫星指向中继卫星的位置矢量由低轨卫星质心轨道坐标系转换为低轨卫星本体坐标系表示；(5)将低轨卫星指向中继卫星的位置矢量由低轨卫星本体坐标系转换为低轨卫星相控阵天线坐标系，最终在相控阵天线坐标系中，根据几何关系，计算出相控阵天线波束指向的俯仰角和方位角。
在星上资源有限、满足指向精度要求的前提下，使用简化算法，完成相控阵天线波束指向角的快速计算。该计算方式结合相控阵天线，仅通过实时接收卫星轨道信息，注入中继卫星轨道信息即可实时的计算出相控阵天线指向角度，该方法设计简单，兼容性强。
另外，射频收发模块实现SSA、SMA链路的辨识，可保证接收机在SSA、SMA链路中，根据当前前向链路接收信号的捕获情况，自识别链路模式并对返向链路的工作模式进行切换，自主实现返向链路发射，具体的，其原理如下：
(1)针对SSA、SMA模式生成2通道4路不同频点本地正交载波；(2)外部输入AD采样信号分别与2通道本地载波混频；(3)伪码发生器在码时钟驱动下生成复制伪随机码；(4)4路混频信号分别与复制伪随机码相关解扩处理；(5)对2通道正交相关处理后数据分别累积合并处理并缓存；(6)分时对2通道数据进行快速FFT变换，获取变换后平方和；(7)判断2路平方和最值是否超过预设门限，信号捕获状态；(8)确定当前工作链路模式，产生链路工作模式；(9)根据模式切换返向链路工作频点。
无需外部对链路辨识后的辅助信息或地面发送模式切换指令，即可自适应更换链路工作模式，并切换返向链路的工作模式。规避了指令接收错误或地面指令发送失效以及辅助信息错误等异常情况下，致使模式切换异常现象，同时增加了接收机的自适应能力。该辨识方法满足当前设备一体化多元化设计理念，具有设计简单，可靠性性高，研制周期短等优势。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，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、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (4)
1.一种支持SSA、SMA链路的星载中继用户终端，其特征在于，包括收发处理模块、宽波束天线模块和相控阵天线模块，各模块之间通过高频电缆和低频电缆连接；所述收发处理模块包括基带模块、射频收发模块和波束指向角分析模块；
基带模块：接收SSA、SMA链路的前向遥控射频信号，处理形成前向遥控中频信号，进行捕获、跟踪、解调处理，解调出遥控数据送至航天器平台；
射频收发模块：接收来自于航天器平台的返向遥测信息，进行编码、扩频、调制处理后进行变频发射；
波束指向角分析模块：通过总线接口接收航天器轨道、姿态信息，结合中继星轨道实时完成波束指向角计算；
宽波束天线模块，发送SSA、SMA链路的前向遥控射频信号至收发处理模块；
相控阵天线模块，接收收发处理模块提供的射频信号和控制信号，完成链路射频信号的功率放大和空间波束合成与指向控制。
2.根据权利要求1所述的支持SSA、SMA链路的星载中继用户终端，其特征在于：所述宽波束天线模块采用双绕背射螺旋天线形式，双线螺旋线在锥状天线支撑管的外表面上，馈电点相位相差180°。
3.根据权利要求1所述的支持SSA、SMA链路的星载中继用户终端，其特征在于：所述波束指向角分析模块在完成波束指向角计算时，具体原理如下：
(1)首先对卫星轨道预处理：包括低轨卫星轨道预处理和中继卫星轨道预处理；
(2)在地心惯性坐标系下，计算低轨卫星指向中继卫星的位置矢量；
(3)将低轨卫星指向中继卫星的位置矢量由地心惯性坐标系转换为低轨卫星质心轨道坐标系中表示；
(4)将低轨卫星指向中继卫星的位置矢量由低轨卫星质心轨道坐标系转换为低轨卫星本体坐标系表示；
(5)将低轨卫星指向中继卫星的位置矢量由低轨卫星本体坐标系转换为低轨卫星相控阵天线坐标系，最终在相控阵天线坐标系中，根据几何关系，计算出相控阵天线波束指向的俯仰角和方位角。
4.根据权利要求1所述的支持SSA、SMA链路的星载中继用户终端，其特征在于：所述射频收发模块实现SSA、SMA链路的辨识，自主实现返向链路发射，具体原理如下：
(1)针对SSA、SMA模式生成2通道4路不同频点本地正交载波；
(2)外部输入AD采样信号分别与2通道本地载波混频；
(3)基于伪码发生器在码时钟驱动下生成复制伪随机码；
(4)4路混频信号分别与复制伪随机码相关解扩处理；
(5)对2通道正交相关处理后数据分别累积合并处理并缓存；
(6)分时对2通道数据进行快速FFT变换，获取变换后平方和；
(7)判断2路平方和最值是否超过预设门限，信号捕获状态；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210409 |
|
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