CN112953617B - 一种空中、地面应急通信系统及平流层飞艇应急通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及浮空器领域，具体为一种空中、地面应急通信系统及平流层飞艇应急通信系统。该系统包括：空中应急通信系统1和地面应急通信系统3。该系统是一种新型的、双余度、自主可控、覆盖范围广、安全保密的应急通信系统，并且兼顾应急搜救功能的应急通信系统。
Description
技术领域
本发明涉及浮空器领域，具体为一种空中、地面应急通信系统及平流层飞艇应急通信系统。
背景技术
平流层飞艇是一种新型的航空飞行器，普遍认为平流层飞艇填补了飞机和卫星之间的空白，从飞行高度来看，平流层飞艇飞行在20km高度左右，该高度高于普通飞机的巡航高度，低于卫星的运行高度，从飞行时间来看，未来的平流层飞艇留空时间可达数年时间，远大于飞机的留空时间,和卫星不同，卫星的运行高度超过国家的领空高度，卫星寿命到期后重返大气层会烧毁，平流层飞艇一般在一个国家领空范围内飞行，如果飞艇控制系统失效也不会立即坠毁，反而可能在高空西风带的作用下飞越本国的领空，影响飞机航线或造成国际争端。
平流层飞艇应急通信系统主要用来解决在飞艇主测控链路失效时，应急通信作为主测控链路的重要补充及时接管飞艇的测控通信，使飞艇处于安全可控的状态，等待主测控链路的恢复。如果飞艇出现重大故障，应急通信系统能及时控制飞艇自毁，使飞艇降落在安全地带。
一般地，平流层飞艇主要使用L波段、S波段、C波段等进行测控通信，上述波段都属于视距链路，受地球曲率的影响，当地面测控站距离飞艇较远时，可能造成信号传输中断，地面站无法获得飞艇的状态信息。为了获得超视距数据传输能力，目前平流层飞艇一般都配置卫星通信数据终端。
一般地，目前常用的卫星通信数据终端有北斗数据终端、铱星数据终端、海事卫星数据终端、宽带卫星数据终端。卫星数据终端如果使用全向天线，一般只能进行窄带数据传输，当需要进行视频等宽带数据传输时，需要在机载端使用伺服云台和定向天线，使定向天线一直对准通信卫星。
目前用于平流层飞艇的应急通信主要有：北斗数据终端、铱星数据终端、海事卫星数据终端。其中铱星卫星通信系统和海事卫星通信系统受国外控制，在使用过程中存在信息泄露的风险。北斗数据终端主要使用北斗卫星导航系统中的静止卫星进行数据包转发，由于北斗数据终端主要用于导航定位，当用于数据通信时，存在发送频率低、存在优先级排队等情况，在应急通信过程中实时性得不到保证。
另外，上述平流层飞艇应急通信未考虑飞艇的应急搜救功能，目前在民航领域主要使用应急定位发射机，应急定位发射机发射的信号由全球卫星搜救系统的卫星接收，该卫星系统由国外控制，在使用时需要注册飞行器的各种信息，在使用时存在大量信息泄露的风险。
发明内容
发明目的：针对目前平流层飞艇应急通信方面的问题，提出一种新型的、双余度、自主可控、覆盖范围广、安全保密的应急通信系统，并且兼顾应急搜救功能的平流层飞艇应急通信系统。
技术方案：
一种空中应急通信系统1，其特征在于，包括：
空中北斗数据终端天线11、空中北斗数据终端12、空中天通卫星数据终端天线13、空中天通卫星数据终端14、GNSS接收机天线15、GNSS接收机16、航姿仪17、空中综合数据处理终端18；
其中，空中北斗数据终端天线11通过空中北斗数据终端12与空中综合数据处理终端18通信连接；空中天通卫星数据终端天线13通过空中天通卫星数据终端14与空中综合数据处理终端18通信连接；GNSS接收机天线15通过GNSS接收机16与空中综合数据处理终端18通信连接；航姿仪17与空中综合数据处理终端18通信连接；空中综合数据处理终端18与平流层飞艇的飞控系统2通信连接；
空中综合数据处理终端18从飞控系统2获取飞控信息，从姿态仪17获取姿态信息，通过北斗数据终端天线11和天通卫星数据终端天线13发送飞控信息和姿态信息；空中北斗数据终端天线11和空中天通卫星数据终端天线13接收地面应急通信系统2发送的控制信息，并向飞控系统2发送控制信息。
进一步的，空中北斗数据终端天线11、空中北斗数据终端12组成的通信通道与空中天通卫星数据终端天线13和空中天通卫星数据终端14组成的通信通道为双余度通道；
空中综合数据处理终端18对接收到两通信通道的信息进行余度选择，并发送给飞控系统2。
进一步的，空中应急通信系统1还包括：带有阀门的环控箱19；环控箱19安装着上述所有设备；环控箱顶部采用透波材料，四周敷设铝箔。
进一步的，环控箱19壁上安装穿墙连接器和外部进行供电和通信。
进一步的，空中应急通信系统1还包括：用于为上述各设备供电的备用电源10。
进一步的，空中综合数据处理终端18在平流层飞艇上的电源系统或其他重要系统故障并且不可恢复时，开始工作。
一种地面应急通信系统3，包括：
地面北斗数据终端天线31、地面北斗数据终端32、地面天通卫星数据终端天线33、地面天通卫星数据终端34、地面综合数据处理终端35、地面控制站36；
其中，地面北斗数据终端天线31通过地面北斗数据终端32与地面综合数据处理终端35通信连接；地面控制站36与地面综合数据处理终端35通信连接；
地面综合数据处理终端35通过地面北斗数据终端天线31和地面天通卫星数据终端天线33接收空中的飞控信息和姿态信息，并向地面控制站36发送飞控信息和姿态信息，地面控制站36根据飞控信息和姿态信息生成用于控制平流层飞艇的控制指令。
一种平流层飞艇应急通信系统，包括：
上述的空中应急通信系统1；
上述的地面应急通信系统3。
有益效果：使用该系统，使平流层飞艇在主测控链路失效的情况下，代替主测控链路的功能，对飞艇进行不间断的遥测和遥控。当飞艇由于重大故障时，及时对飞艇进行可控降落并连续不断的发送飞艇的位置等信息，使地面站终端能时刻跟踪飞艇的运行轨迹，便于及时搜救，提高飞艇的运行安全。
附图说明
图1为一种平流层飞艇应急通信系统组成框图。
具体实施方式
本发明为一种平流层飞艇应急通信系统，其应急通信系统成本低、热备份双余度、自主可控、覆盖范围广、安全保密的特点，应急定位系统含有导航模块及姿态模块，在应急通信的数据中包含飞艇自身的位置数据和姿态数据，能显示飞艇的当前运行轨迹，应急通信系统具有自己独立的电源系统，能在主电源系统故障时正常工作，该应急通信系统不仅能起到应急通信的功能，还可以在飞艇故障时起到应急定位发射的功能。
该平流层飞艇的应急通信系统设计有北斗数据终端、天通卫星数据终端、综合数据处理终端、卫星定位模块、姿态模块、温控箱、独立电源等。应急通信链路主要有两条，分别是北斗卫星通信链路和天通卫星通信链路，两条链路互为备份，互相补充。北斗卫星链路利用北斗静止卫星进行通信，由于受容量限制，北斗短报文发送频率较低，发送数据长度受到限制。天通卫星链路利用天通静止卫星进行通信转发，具有传输速率高、延迟小等特点，该两种卫星通信系统都属于中国自主研发的系统，不受国外限制，具有安全保密的特点。
北斗数据终端主要包含艇载北斗数据终端和地面北斗数据终端，同样，天通卫星数据终端主要包含艇载天通卫星数据终端和地面天通卫星数据终端。相比常规通信技术而言，卫星通信技术不受自然灾害的影响，也不受地球曲率的影响，理论上只要有卫星波束覆盖的地方，都能进行通信，目前北斗卫星链路和天通卫星链路都可以覆盖整个亚太地区。
该应急通信系统有两种工作模式，第一种是应急通信模式。该模式主要发生在如果主数据链路中断或受到干扰时，起到应急通信的作用，通过应急链路将地面控制站的数据发送给飞艇的飞控计算机，使飞艇处于一个受控的状态，并且能传输飞艇的遥测信息，等待飞艇主数据链路恢复正常后，自动切换到主数据链路进行测控信息的传输。第二种是应急定位发射模式。当飞艇上的电源系统或其他重要系统故障并且不可恢复时，由应急通信系统不停的发射飞艇的位置信息，地面接收终端可以接收到飞艇的位置信息并进行搜救。
平流层高度环境温度最低可达-65℃，大气压力大概在5kPa左右，该环境温度指标一般的电子设备很难达到，一般的工业级产品最低温度在-40℃左右，为保证应急通信系统能正常工作，在应急通信系统中专门设计针对平流层环境的环控箱，用于调节电子设备所处周围的环境温度。环控箱采用聚氨酯泡沫用于减缓和外界环境的热量交换，起到保持环控箱内温度的作用，环控箱内的热量来自于设备工作时的散热，在环控箱的四周包裹铝箔用于反射平流层环境下太阳的热辐射，为防止环控箱内热量聚集导致温度过高，引起设备高温损坏，在环控箱的底部设计有一个散热阀门，阀门的控制通过镍钛记忆合金进行控制，当温度超过40℃时，记忆合金伸展打开阀门，通过外界的冷空气对环控箱进行热对流交换，降低环控箱的温度，当环控箱温度低于40℃时，记忆合金收缩使阀门关闭。
如图1所示，平流层飞艇应急通信系统包括空中应急通信系统1和地面应急通信系统3。
空中应急通信系统1包括空中北斗数据终端天线11、空中北斗数据终端12、空中天通卫星数据终端天线13、空中天通卫星数据终端14、GNSS接收机天线15、GNSS接收机16、航姿仪17、空中综合数据处理终端18、备用电源19、环控箱10。这些设备安装在平流层飞艇的吊舱中，北斗数据终端和天通卫星数据终端通过天线直接和北斗卫星和天通卫星进行通信。综合数据处理终端将接收到的数据进行余度选择并发送给飞控系统。综合数据处理终端接收来自GNSS接收机、航姿仪、飞控系统的数据，对上述数据进行组合并通过北斗卫星数据终端和天通卫星数据终端发送。
地面应急通信系统包括：地面北斗数据终端天线31、地面北斗数据终端32、地面天通卫星数据终端天线33、地面天通卫星数据终端34、地面综合数据处理终端35、地面控制站36。地面控制站显示下行的遥测信息，并且生成控制指令进行上传，最后通过卫星数据链发送给艇载数据终端。
该应急通信系统不依赖艇载其他系统可以独立运行。在其他系统完全故障时，应急通信系统能不停的发射飞艇的定位信息供地面人员及时搜救。
如图1所示，构建整个应急通信系统，设备安装在环控箱内，环控箱顶部采用透波材料，四周敷设铝箔，在底部设计通风阀门101。环控箱壁上安装穿墙连接器和外部进行供电和通信。
飞艇主电源单向供电给备用电源，备用电源在有主电源供电的情况下，给备用电源充电并给整个应急通信系统各个设备供电，当主电源故障时，备用电源自动继续给各个设备供电，保证应急通信系统正常运行。
在飞艇整个升空、飞行、定点、下降阶段，应急通信系统保持在开启状态。当飞艇主数据链路中断或受到干扰时，飞控系统接收来自于应急通信系统发送的指令，使飞艇处于一个受控的状态，并且能传输飞艇的遥测信息，等待飞艇主数据链路恢复正常后，自动切换到主数据链路进行测控信息的传输。
当飞艇上的电源系统或其他重要系统故障并且不可恢复时，由应急通信系统不停的发射飞艇的位置信息，地面接收终端可以接收到飞艇的位置信息并进行搜救。
该发明提出一种新型的、双余度、自主可控、覆盖范围广、安全保密的应急通信系统，并且兼顾应急搜救功能。
Claims (5)
1.一种空中应急通信系统(1)，其特征在于，包括如下设备：
空中北斗数据终端天线(11)、空中北斗数据终端(12)、空中天通卫星数据终端天线(13)、空中天通卫星数据终端(14)、GNSS接收机天线(15)、GNSS接收机(16)、航姿仪(17)、空中综合数据处理终端(18)；
其中，空中北斗数据终端天线(11)通过空中北斗数据终端(12)与空中综合数据处理终端(18)通信连接；空中天通卫星数据终端天线(13)通过空中天通卫星数据终端(14)与空中综合数据处理终端(18)通信连接；GNSS接收机天线(15)通过GNSS接收机(16)与空中综合数据处理终端(18)通信连接；航姿仪(17)与空中综合数据处理终端(18)通信连接；空中综合数据处理终端(18)与平流层飞艇的飞控系统(2)通信连接；
空中综合数据处理终端(18)从飞控系统(2)获取飞控信息，从航姿仪(17)获取姿态信息，通过北斗数据终端天线(11)和天通卫星数据终端天线(13)发送飞控信息和姿态信息；空中北斗数据终端天线(11)和空中天通卫星数据终端天线(13)接收地面应急通信系统(3)发送的控制信息，并向飞控系统(2)发送控制信息；
空中应急通信系统(1)还包括：带有阀门的环控箱(19)；环控箱(19)安装着所有上述设备；环控箱顶部采用透波材料，四周敷设铝箔；
空中综合数据处理终端(18)在平流层飞艇上的电源系统故障并且不可恢复时，开始工作。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，空中北斗数据终端天线(11)、空中北斗数据终端(12)组成的通信通道与空中天通卫星数据终端天线(13)和空中天通卫星数据终端(14)组成的通信通道为双余度通道；
空中综合数据处理终端(18)对接收到两通信通道的信息进行余度选择，并发送给飞控系统(2)。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，环控箱(19)壁上安装穿墙连接器和外部进行供电和通信。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，空中应急通信系统(1)还包括：用于为所有设备供电的备用电源(10)。
5.一种平流层飞艇应急通信系统，其特征在于，包括：权利要求1-4任一项所述的空中应急通信系统(1)和地面应急通信系统(3)；
地面应急通信系统(3)包括：地面北斗数据终端天线(31)、地面北斗数据终端(32)、地面天通卫星数据终端天线(33)、地面天通卫星数据终端(34)、地面综合数据处理终端(35)、地面控制站(36)；其中，地面北斗数据终端天线(31)通过地面北斗数据终端(32)与地面综合数据处理终端(35)通信连接；地面控制站(36)与地面综合数据处理终端(35)通信连接；地面综合数据处理终端(35)通过地面北斗数据终端天线(31)和地面天通卫星数据终端天线(33)接收空中的飞控信息和姿态信息，并向地面控制站(36)发送飞控信息和姿态信息，地面控制站(36)根据飞控信息和姿态信息生成用于控制平流层飞艇的控制指令。
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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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| GR01 | Patent grant | ||
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