CN113148228A - 适用于微纳卫星的无源定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于微纳卫星的无源定位系统，包括：二维正交干涉仪天线阵模块、吸波蜂窝模块和多功能接收处理模块；其中，二维正交干涉仪天线阵模块安装在卫星对地面及可展开天线板上；吸波蜂窝模块安装在卫星对地面及可展开天线板上；二维正交干涉仪天线阵模块与多功能接收处理模块连接；二维正交干涉仪天线阵模块完成辐射源信号的二维接收，多功能接收处理模块完成对辐射源信号的处理；吸波蜂窝模块用于降低二维正交干涉仪天线阵模块中的各通道系统的相位误差。本发明通过二维正交干涉仪天线阵模块与多功能接收处理模块的配合，能够实现低成本、高重访、弹性化的无源定位系统，能够解决轻小型、高功能密度和小安装包络的技术问题。

Description

适用于微纳卫星的无源定位系统
技术领域
本发明涉及微纳卫星无源定位技术领域，具体地，涉及一种适用于微纳卫星的无源定位系统。
背景技术
微纳卫星具有体积小、重量轻、研制周期短、功能密度高、成本低、发射方式灵活等优势，现已在通信、遥感、导航、科学探索等领域获得了广泛应用，通过组批生产快速完成星座组网运行，可大幅缩短卫星系统对地重返周期，快速提升全球覆盖能力，微纳卫星已成为当前航天器发展的重要方向之一，具有良好的经济和社会效益。
无源定位是指在观测站自身不发射任何电磁波的情况下，完全被动的接收辐射源发射的电磁波并测量其参数，最终实现对目标位置的准确估计。无源定位技术由于其定位精度高、作用范围广、隐蔽性高、环境适应性强等特点被广泛应用于航空、航天、电磁频谱普查等应用领域，无源定位技术从观测站的数量上可分为单站无源定位技术和多站无源定位技术，单站相较于多站有着系统简单、信号适应性强、无需多站数据交互等优势。
经过检索，专利文献CN105259536A公开了一种基于L型天线阵列的相位干涉仪测向装置及解算方法，利用L型五元天线阵1接收来自辐射源的射频平面波信号，分别以方位角和俯仰角的形式入射到微波前端2，微波前端2输出5个通道的中频信号到中频采样单元3中的5个通道的中频采样模块，5个通道的中频采样模块输出的数字量送到基带处理单元4中的FPGA处理器，FPGA处理器与DSP处理器之间通过地址线和数据线实现通信、控制与数字信号处理。虽然该现有技术可实现辐射源信号的快速定位，但其未提出轻小型、高功能密度、小安装包络等问题的解决方案，无法适应微纳卫星平台。
因此，为实现低成本、高重访、弹性化的天基无源定位系统，微纳卫星星座是有效的技术途径，需提出一种适用于微纳卫星的高功能密度、小型轻量化的无源定位系统。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于微纳卫星的无源定位系统，能够实现低成本、高重访、弹性化的天基无源定位系统。
根据本发明提供的适用于微纳卫星的无源定位系统，包括：二维正交干涉仪天线阵模块、吸波蜂窝模块和多功能接收处理模块；其中，二维正交干涉仪天线阵模块安装在卫星对地面及可展开天线板上；吸波蜂窝模块安装在卫星对地面及可展开天线板上；二维正交干涉仪天线阵模块与多功能接收处理模块电连接；二维正交干涉仪天线阵模块接收辐射源信号的二维接收，经过多功能接收处理模块完成对辐射源信号的处理；吸波蜂窝模块用于降低二维正交干涉仪天线阵模块中的各通道系统的相位误差。
优选地，二维正交干涉仪天线阵模块包括多个低剖面小型化单元天线，通过可展开天线板完成二维正交干涉仪天线阵的收拢，减小发射状态下星体包络尺寸。
优选地，多个低剖面小型化单元天线按照基线设计长度安装组成方位维基线和俯仰维基线，方位维基线与俯仰维基线正交，方位维、俯仰维共用至多1个天线。
优选地，二维正交干涉仪天线阵模块安装的可展开天线板在发射阶段利用柔性压紧释放机构折叠收拢于星体上，卫星入轨之后通过热刀解除压紧释放机构的约束，利用展开锁定机构将天线板展开并锁定。
优选地，多功能接收处理模块能够完成对二维正交干涉仪天线阵模块接收到的辐射源信号进行放大、变频、AD采集、信号检测、参数测量及测向定位，同时输出辐射源位置。
优选地，多功能接收处理模块包括变频子模块、采集处理子模块和IO控制子模块；变频子模块接收二维正交干涉仪天线阵模块传输的辐射源信号进行变频处理后成中频信号；采集处理子模块接收中频信号后计算得出辐射源相对于卫星天线阵的方位角和俯仰角将测向结果送至IO控制子模块进行处理。
优选地，多功能接收处理模块还包括频综子模块，通过频综子模块输出变频子模块两次变频所需的本振信号，同时，频综子模块产生采集处理子模块进行数字信号处理的时钟信号。
优选地，多功能接收处理模块还包括频综子模块和二次电源子模块；
通过频综子模块输出变频子模块两次变频所需的本振信号，同时，频综子模块产生采集处理子模块进行数字信号处理的时钟信号；
通过二次电源子模块将卫星平台输入的一次母线转换为各子模块所需的电压不等的二次供电。
优选地，IO控制子模块完成对辐射源的定位，其他子模块的控制以及与卫星平台间遥控、遥测、数据、秒脉冲接口的交互。
优选地，吸波蜂窝模块是将导电吸收剂吸附在芳纶纸蜂窝，表面包覆聚酰亚胺薄膜制成轻量化吸波蜂窝模块。
优选地，吸波蜂窝模块外形需按卫星实际对地面、天线板构型及对地面测控、数传天线安装情况进行匹配设计，能够将吸波蜂窝分成若干小块进行制造及安装。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过二维正交干涉仪天线阵模块与多功能接收处理模块的配合，能够实现低成本、高重访、弹性化的无源定位系统，能够解决轻小型、高功能密度和小安装包络的技术问题。
2、本发明通过可展开的二维干涉仪天线阵实现辐射源信号的接收，有效减小天线阵发射状态包络，适应微纳卫星包络约束。
3、本发明通过多功能接收处理模块在一个模块内可完成多通道信号的接收、处理、对外交互功能，功能密度高，适应微纳卫星重量、尺寸约束。
4、本发明通过在卫星对地面及天线展开板上安装具备吸波性能的轻量化纸蜂窝吸波材料，减小微纳卫星紧凑布局带来的对各单元天线相位一致性的影响，提高对辐射源的定位精度，提升系统效能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中的适用于微纳卫星的无源定位系统的示意图；
图2为本发明中的可展开二维正交干涉仪天线阵模块示意图；
图3为本发明中的多功能接收处理模块示意图；
图4为本发明中的吸波蜂窝模块示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供了一种适用于微纳卫星的无源定位系统，包括二维正交干涉仪天线阵模块、吸波蜂窝模块和多功能接收处理模块；其中，二维正交干涉仪天线阵模块安装在卫星对地面及可展开天线板上；吸波蜂窝模块安装在卫星对地面及可展开天线板上；二维正交干涉仪天线阵模块与多功能接收处理模块连接；二维正交干涉仪天线阵模块完成辐射源信号的二维接收，功能接收处理模块完成对辐射源信号的处理；吸波蜂窝模块用于降低二维正交干涉仪天线阵模块中的各通道系统的相位误差。
进一步来说，二维正交干涉仪天线阵模块包括多个低剖面小型化单元天线，根据基线设计安装在卫星对地面及可展开天线板上组成二维正交干涉仪天线阵，实现辐射源信号的二维接收，通过展开机构完成天线阵紧凑化收拢，减小发射状态下星体包络尺寸。
具体地，N个低剖面小型化单元天线按照基线设计长度安装组成方位维基线，N个低剖面小型化单元天线按照基线设计长度安装组成俯仰维基线，方位维基线与俯仰维基线正交，方位维、俯仰维有1个天线可以共用，天线阵总计(2*N-1)个单元天线。二维正交干涉仪天线阵所在的可展开天线板在发射阶段利用柔性压紧释放机构折叠收拢于星体上，入轨后通过热刀解除压紧释放机构的约束，利用展开锁定机构将天线板展开并锁定。
继续进一步来说，多功能接收处理模块：运用小型化集成化设计思路，采用高集成微波部组件和高性能数字器件进行产品实现，能够完成对二维正交干涉仪天线阵模块接收到的辐射源信号进行放大、变频、AD采集、信号检测、参数测量及测向定位，同时进行输出辐射源位置。
具体地，多功能接收处理模块包括频综子模块、变频子模块、采集处理子模块、IO控制子模块和二次电源子模块，频综子模块可产生信号变频所需的本振及数字采样时钟信号；变频子模块完成多路射频信号的放大、变频，将信号变换到中频；采集处理子模块完成多路中频信号的采集、信号检测、参数测量及测向；IO控制子模块完成对辐射源的定位、其他子模块的控制及与卫星平台间遥控、遥测、数据、秒脉冲等接口的交互；二次电源子模块完成将卫星平台输入的一次母线转换为各子模块所需的电压不等的二次供电。
又进一步来说，吸波蜂窝模块采用具备吸波性能的纸蜂窝吸波材料，安装在卫星对地面及天线展开板上，减小卫星本体对各单元天线在大角度下相位一致性的影响，降低干涉仪各通道系统相位误差，提升对辐射源的定位精度。吸波蜂窝模块外形需按卫星实际对地面、天线板构型及对地面测控、数传天线安装情况进行匹配设计，能够将吸波蜂窝分成若干小块进行制造及安装。
下面按照具体实施例来看，如图2所示，小型可展开二维正交干涉仪天线阵模块，单元天线选择低剖面、重量轻的背腔天线，编号1、2、3、4、5号单元天线按基线L1、L2、L3、L4的安装组成方位维基线，编号2、6、7、8、9号单元天线按基线L1、L2、L3、L4的安装组成俯仰维基线，方位、俯仰维基线垂直正交，天线阵由9个单元天线组成。
编号1、2、6号单元天线安装于卫星对地面，编号3、4、5号单元天线安装于天线展开板1，编号7、8、9号单元天线安装于天线展开板2，天线展开板1、2均采用可展开设计，发射阶段折叠收拢于星体上，入轨后展开。
如图3所示，多功能接收处理模块中的频综子模块采用100MHz晶振作为内部参考信号，输出变频子模块两次变频所需的本振信号，同时产生1000MHz信号作为采集处理子模块进行数字信号处理的时钟信号。
变频子模块接收天线阵接收的9路射频信号，对9路射频信号进行放大、滤波、二次变频处理，将信号变至750MHz的中频信号，送至采集处理子模块进行处理；采集处理子模块接收9路中频信号，完成对9路信号的采样、参数测量、相位采集，同时依据方位维5路信号的相位差计算出辐射源相对于卫星天线阵的方位角，依据俯仰维5路信号的相位差计算出辐射源相对于卫星天线阵的俯仰角，将测向结果送至IO控制子模块进行处理；IO控制子模块根据辐射源信号的相位、俯仰角结合卫星GPS位置完成对辐射源定位，负责对其他模块的控制，采用LVDS接口向卫星平台数传系统传输业务数据，通过RS422接口完成与卫星平台间的遥测、遥控，通过RS422接口接收平台送出的秒脉冲。
如图4所示的吸波蜂窝模块，采用高导电石墨烯作为导电吸收剂吸附在芳纶纸蜂窝上，表面包覆聚酰亚胺薄膜制成轻量化吸波蜂窝模块，吸波材料正面设计放气孔来适应在轨真空环境，吸波材料厚度为15mm。吸波蜂窝模块安装于卫星对地面及天线展开板上，减小卫星本体对各单元天线在大角度下相位一致性的影响，降低干涉仪各通道系统相位误差，提升对辐射源的定位精度。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种适用于微纳卫星的无源定位系统，其特征在于，包括：二维正交干涉仪天线阵模块、吸波蜂窝模块和多功能接收处理模块；
所述二维正交干涉仪天线阵模块安装在卫星对地面及可展开天线板上；
所述吸波蜂窝模块安装在卫星对地面及可展开天线板上；
所述二维正交干涉仪天线阵模块与所述多功能接收处理模块连接；
利用二维正交干涉仪天线阵模块完成辐射源信号的二维接收，多功能接收处理模块完成对辐射源信号的处理；
所述吸波蜂窝模块用于降低二维正交干涉仪天线阵模块中的各通道系统的相位误差。
2.根据权利要求1所述的适用于微纳卫星的无源定位系统，其特征在于，所述二维正交干涉仪天线阵模块包括多个低剖面小型化单元天线，通过可展开天线板完成二维正交干涉仪天线阵的收拢，减小发射状态下星体包络尺寸。
3.根据权利要求2所述的适用于微纳卫星的无源定位系统，其特征在于，所述多个低剖面小型化单元天线按照基线设计长度安装组成方位维基线和俯仰维基线，所述方位维基线与俯仰维基线正交，方位维、俯仰维共用至多1个天线。
4.根据权利要求1所述的适用于微纳卫星的无源定位系统，其特征在于，所述二维正交干涉仪天线阵模块安装的可展开天线板在发射阶段利用柔性压紧释放机构折叠收拢于星体上，卫星入轨之后通过热刀解除压紧释放机构的约束，利用展开锁定机构将天线板展开并锁定。
5.根据权利要求1所述的适用于微纳卫星的无源定位系统，其特征在于，所述多功能接收处理模块能够完成对二维正交干涉仪天线阵模块接收到的辐射源信号进行放大、变频、AD采集、信号检测、参数测量及测向定位，同时输出辐射源位置。
6.根据权利要求1所述的适用于微纳卫星的无源定位系统，其特征在于，多功能接收处理模块包括变频子模块、采集处理子模块和IO控制子模块；
所述变频子模块接收二维正交干涉仪天线阵模块传输的辐射源信号进行变频处理后成中频信号；
所述采集处理子模块接收中频信号后可采用多基线解模糊的方法得到辐射源相对卫星天线阵的方位角和俯仰角，并将测向结果送至IO控制子模块进行处理。
7.根据权利要求6所述的适用于微纳卫星的无源定位系统，其特征在于，所述多功能接收处理模块还包括频综子模块和二次电源子模块；
通过所述频综子模块输出变频子模块两次变频所需的本振信号，同时，所述频综子模块产生采集处理子模块进行数字信号处理的时钟信号；
通过所述二次电源子模块将卫星平台输入的一次母线转换为各子模块所需的电压不等的二次供电。
8.根据权利要求6所述的适用于微纳卫星的无源定位系统，其特征在于，所述IO控制子模块完成对辐射源的定位，其他子模块的控制以及与卫星平台间遥控、遥测、数据、秒脉冲接口的交互。
9.根据权利要求1所述的适用于微纳卫星的无源定位系统，其特征在于，所述吸波蜂窝模块是将导电吸收剂吸附在芳纶纸蜂窝，表面包覆聚酰亚胺薄膜制成轻量化吸波蜂窝模块。
10.根据权利要求1所述的适用于微纳卫星的无源定位系统，其特征在于，所述吸波蜂窝模块外形需按卫星实际对地面、天线板构型及对地面测控、数传天线安装情况进行匹配设计，能够将吸波蜂窝分成若干小块进行制造及安装。
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