CN113382364B - 一种基于北斗短报文的返回式飞行器轨迹测量与通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于北斗短报文的返回式飞行器轨迹测量与通信装置，属于卫星导航通信技术领域，该装置集成了一体化天线、多天线射频处理单元、RN/RD一体化单元和解析法轨道预报单元，为了适应返回式飞行器小型化、高动态、高旋转的需求，将多路一体化天线输入信号进行融合处理，既可以减少后端硬件模块数量，又可以保证返回过程中的RNSS与RDSS信号持续可见，同时节省了返回器的舱内空间；解析法轨道预报单元可以利用已知返回器位置速度的情况下利用较多的测量数据确定在一定范围下的预报数据；采用RNSS与RDSS一体化设计方案，将RNSS定位和预报数据通过内总线接口发送至RDSS模块，后者通过多普勒补偿后，将入站信息通过北斗短报文系统发送至地面回收系统。

Description

一种基于北斗短报文的返回式飞行器轨迹测量与通信装置

技术领域

本发明涉及一种集成了一体化天线、多天线射频处理单元、RN/RD一体化单元、解析法轨道预报单元的返回式卫星轨迹测量与预报装置，属卫星导航通信技术领域。

背景技术

2010年，“隼鸟”号探测器在完成既定任务后，携带返回舱开始返回地球，当“隼鸟”号返回舱进入地球大气层后，航天机构使用地面雷达系统便立即追踪到了返回舱并对其进行拍照，随后乘坐直升机负责在空中进行观察的测试人员对返回舱预先设定的下落轨迹进行跟踪观测。在返回舱成功在预计靶场着陆后，其内部搭载的定位设备确认了当前落点并将这些信息发送给了地面搜寻人员，搜寻人员根据这些信息成功地在澳大利亚内陆的沙漠地区找到了“隼鸟”号返回舱。

返回式卫星作为整个卫星家族中的重要一员，在国土普查、摄影测绘、空间育种等方面取得了越来越多的应用，卫星返回是一个复杂的过程，需要解决调姿、制动、放热、软着陆、标位及寻找等一系列问题，其中传统的标位回收方式往往依赖无线电信标机，地面收到信号后测定卫星的方位和距离，这种回收方式往往需要大规模地面搜索部队，耗费大量的人力、物力、财力；高动态短报文通信技术使返回式卫星及时精确标位成为可能，地面回收系统通过地面北斗终端可以实现卫星下传数据的实时显示和处理，以此实现在返回过程中的精确定位，供地面搜索队快速完成对卫星的准确定位，缩短回收时间，从而提高返回式卫星的灵活性、应急性和回收能力，具有极其重要的工程实用价值和军事战略意义。

中国专利申请号为201710499800.6，发明名称为“应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统”公开了一种单天线、基于DSP+FPGA架构、含电池的定位通报接收机。这种单天线的设计在姿态多变过程中很容易造成天线被设备本体或安装载体遮挡，导致RNSS和RDSS信号中断，导致定位和短报文通信功能中断，无法连续提供服务，且不具备位置、速度预报功能。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，给出了一种多天线的、具备轨迹预报功能的返回式飞行器轨迹测量与通信装置。

本发明的技术解决方案是：

一种基于北斗短报文的返回式飞行器轨迹测量与通信装置，包括：一体化天线、多路天线射频处理单元、RN/RD一体化单元以及解析法轨道预报单元；

一体化天线，完成RNSS L波段射频信号接收、RDSS S波段射频信号接收和RDSS L波段射频信号发射；

多路天线射频处理单元，用于接收多个一体化天线提供的RNSS及RDSS多路射频信号，进行同时滤波、放大，对放大后的信号进行混频、滤波和模数转换处理，输出数字中频信号给RN/RD一体化单元；对RDSS入站基带信号进行数模转换、BPSK调制和上变频处理，通过功率放大器进行放大、滤波和功分发送至多路一体化天线；

RN/RD一体化单元，其基于SoC芯片架构，包括RNSS基带处理模块、RDSS基带处理模块和CPU处理模块，RNSS/RDSS基带处理模块用于同时对多路RNSS与RDSS导航信号进行捕获、跟踪、解调和解扩，对RDSS基带电文信息进行编帧、调制、编码、滤波；CPU处理模块一方面完成多路RNSS导航电文处理、定位解算，输出伪距、噪比相位、载波多普勒、秒脉冲、时间位置速度信息，另外一方面对RDSS业务电文信息进行提取，并将与用户相关的电文根据协议组帧发送至上层用户，同时接收来自用户的待发送的数据进行缓存，并根据卫星信号锁定状态以及各业务发送频度，通信容量要求，自主选择合适BDS卫星将用户数据发送出去；

解析法轨道预报单元，其完成接收RN/RD一体化单元输出的位置、速度、时间参数，进行轨道改进、预报，将预报结果反馈至RN/RD一体化单元，RN/RD一体化单元通过短报文链路将预报信息传送至地面回收系统。

进一步的，所述的多天线射频处理单元包括多路信号滤波单元、信号放大单元、射频信号处理单元、功率放大单元、入站信号滤波单元和入站信号分路单元，其中：

多路信号滤波单元，接收RNSS及RDSS多路射频信号，对带外噪声进行抑制；

信号放大单元，将多路信号滤波单元输出的射频信号进行低噪声放大，满足后端射频模块最低射频信号功率处理门限；

射频信号处理单元，具备多个中频接收通道和一个射频发射通道，中频接收通道完成RNSS及RDSS射频信号的混频、滤波、增益控制、数模转换；发射通道完成BPSK调制、射频放大和频率综合；

功率放大单元，将入站射频信号进行功率10dB放大；

入站信号滤波单元，将功率放大后的入站射频信号进行滤波；

入站信号分路单元，将滤波后的入站射频信号进行等功率、等相位分配。

进一步的，所述的多路信号滤波单元包括壳体、上盖板和谐振杆，其中：

盒体，提供射频信号梳状型滤波空间，提供射频信号输出输出接插件固定载体，提供内部谐振杆固定载体；

上盖板，当多路信号滤波单元完成调试后，安装在盒体顶端，形成密闭射频空间，实现信号滤波；

谐振杆，根据射频信号输出的频率变化范围进行滤波器控制；当RNSS及RDSS射频信号输入时，完成频率控制，令有用信号通过，无用干扰信号被滤除。

进一步的，所述的信号放大单元包括两级放大器管芯、匹配电路和供配电电路，其中：

两级放大器管芯，前级放大器管芯在电路匹配以及晶体管的直流工作点上使放大器工作在最佳噪声和增益状态，后级放大器管芯使放大器满足要求的增益同时保证一定的输出功率；

匹配电路，采用源反馈方式，在场效应晶体管的源级和微波地之间串联一个阻抗元件；

供配电电路，从外部外电源模块获取二次电源，并利用Ldo芯片输出，供给信号放大单元各器件使用。

进一步的，所述的射频信号处理单元包括IQ混频器、可配置中频滤波器、可变增益放大器、模数转换器、BPSK调制器、射频放大器以及频率合成器，其中：

IQ混频器，完成输入RNSS及RDSS射频信号的下变频处理，从L波段射频信号下变频为低中频信号，之后送入可配置中频滤波器进行滤波，再通过可变增益放大器进行放大；

可配置中频滤波器，采用RC有源滤波器，增益为0dB，有低通和带通两种模式；带通模式工作时，中心频率20MHz可配置，低通模式工作时，-3dB带宽30MHz可配置；

模数转换器，完成可配置中频滤波器输出的经放大的模拟信号到数字信号的转换，转换生成的数字信号送入RN/RD一体化单元；

BPSK调制器，对RN/RD一体化单元输出的入站基带信号进行BPSK调制；

频率合成器，将调制后的BPSK基带信号直接调制到入站载波频率，射频放大器对入站载波频率进行放大。

进一步的，所述的功率放大单元包含前级放大器、驱动放大器、功率放大器及输入、输出功率检波电路，其中：

前级放大器，用于对入站射频信号进行放大；

驱动放大器，用于对放大后的入站射频信号进行功率驱动，增益18dB；

功率放大器，用于对功率驱动后的入站射频信号进行功率放大；

输入、输出功率检波电路，用于通过从耦合器中耦合的方式对功率放大后的信号进行检波，把射频模拟信号变成电压信号，输入、输出功率检波电路采用微带耦合的方式进行输入信号的耦合检波。

进一步的，其特征在于：所述解析法轨道预报单元包括轨道改进模块、轨道预报模块和摄动计算模块，其中：

轨道改进模块，在已知卫星状态初值的情况下，利用测量数据确定卫星最佳状态估值；

轨道预报模块，即基于轨道预报模型进行轨道外推，计算所需要时刻的坐标和速度；

摄动计算模块，建立返回器的返回轨道的轨道预报模型。

进一步的，所述的RNSS基带处理模块、RDSS基带处理模块集成在一片SoC芯片中；RNSS基带处理模块和RDSS基带处理模块融合处理多路天线输入的射频信号，使得所述返回式飞行器轨迹测量与通信装置随返回器旋转最大速度15rpm过程中获得360°的全方位覆盖方向图。

进一步的，使用所述返回式飞行器轨迹测量与通信装置进行通信时，使用北斗导航卫星用户卡进行身份认证和授权，实现1Hz发送频度，将返回式飞行器的时间、位置、速度信息通过北斗短报文系统发送至地面回收系统；北斗导航卫星用户卡采用软核的方式集成到所述RDSS基带处理模块中。

进一步的，所述入站信号滤波单元对射频信号带外抑制＞40dB，带内杂散抑制优于-90dBm，多路信号滤波单元对射频信号带外抑制＞60dB，保证在系统工作时，大功率北斗短报文发射杂散信号不干扰接收电路，即不能使所述RN/RD一体化单元的灵敏度降低。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、充分利用了我国北斗三代RNSS(卫星无线电导航业务)导航定位功能和RDSS(卫星无线电测定业务)短报文通信功能，大幅度提升了自主可控能力，还在不增加其他通信手段的情况下将自身时间、位置、速度信息发送至地面，具有灵活性高、应急性强、可靠性高的特点；

2、使用多天线融合处理技术，解决了返回式飞行器返回过程中高速旋转带来的天线视场被遮挡，无法连续稳定锁定RN/RD信号，导航定位与短报文通信会频繁中断的问题；

3、使用解析法轨道预算技术进行轨道预报，一方面可以解决轨迹测量和预报装置由于外部或内部因素带来的导航定位位置、速度信息异常中断问题，另外一方面通过指定时刻位置、速度信息预报，发送至地面，可以辅助地面搜救系统完成返回式飞行器的快速回收。

4、使用1Hz频度IC卡，可以将尽可能的当前位置和预报位置信息传送至地面，进一步提升返回式飞行器回收效率；

5、使用软核IC卡，可以将IC卡以库函数的方式封装至软件内部，可以避免在轨空间环境带来的总剂量、单粒子翻转、单粒子锁定问题，提升装置在轨飞行可靠性；

6、使用输入滤波单元与多路信号滤波单元并用的方式，可以避免一体化天线空间隔离度不足带来RDSS射频信号空间干扰问题。

附图说明

图1为本发明的功能组成示意图；

图2为本发明的解析法轨道预报流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出一种基于北斗短报文的返回式飞行器轨迹测量与通信装置，该装置包括：一体化天线、多路天线射频处理单元、RN/RD一体化单元以及解析法轨道预报单元；

一体化天线，完成RNSS L波段射频信号接收、RDSS S波段射频信号接收和RDSS L波段射频信号发射；

多路天线射频处理单元，用于接收多个一体化天线提供的RNSS及RDSS多路射频信号，进行同时滤波、放大，对放大后的信号进行混频、滤波和模数转换处理，输出数字中频信号给RN/RD一体化单元；对RDSS入站基带信号进行数模转换、BPSK调制和上变频处理，通过功率放大器进行放大、滤波和功分发送至多路一体化天线；

RN/RD一体化单元，其基于SoC芯片架构，包括RNSS基带处理模块、RDSS基带处理模块和CPU处理模块，RNSS/RDSS基带处理模块用于同时对多路RNSS与RDSS导航信号进行捕获、跟踪、解调和解扩，对RDSS基带电文信息进行编帧、调制、编码、滤波；CPU处理模块一方面完成多路RNSS导航电文处理、定位解算，输出伪距、噪比相位、载波多普勒、秒脉冲、时间位置速度信息，另外一方面对RDSS业务电文信息进行提取，并将与用户相关的电文根据协议组帧发送至上层用户，同时接收来自用户的待发送的数据进行缓存，并根据卫星信号锁定状态以及各业务发送频度，通信容量要求，自主选择合适BDS卫星将用户数据发送出去；

解析法轨道预报单元，其完成接收RN/RD一体化单元输出的位置、速度、时间参数，进行轨道改进、预报，将预报结果反馈至RN/RD一体化单元，RN/RD一体化单元通过短报文链路将预报信息传送至地面回收系统。

本发明中，多天线射频处理单元包括多路信号滤波单元、信号放大单元、射频信号处理单元、功率放大单元、入站信号滤波单元和入站信号分路单元，其中：

多路信号滤波单元，接收RNSS及RDSS多路射频信号，对带外噪声进行抑制；

信号放大单元，将多路信号滤波单元输出的射频信号进行低噪声放大，满足后端射频模块最低射频信号功率处理门限；

射频信号处理单元，具备多个中频接收通道和一个射频发射通道，中频接收通道完成RNSS及RDSS射频信号的混频、滤波、增益控制、数模转换；发射通道完成BPSK调制、射频放大和频率综合；

功率放大单元，将入站射频信号进行功率10dB放大；

入站信号滤波单元，将功率放大后的入站射频信号进行滤波；

入站信号分路单元，将滤波后的入站射频信号进行等功率、等相位分配。

本发明中，多路信号滤波单元包括壳体、上盖板和谐振杆，其中：

盒体，提供射频信号梳状型滤波空间，提供射频信号输出输出接插件固定载体，提供内部谐振杆固定载体；

上盖板，当多路信号滤波单元完成调试后，安装在盒体顶端，形成密闭射频空间，实现信号滤波；

谐振杆，根据射频信号输出的频率变化范围进行滤波器控制；当RNSS及RDSS射频信号输入时，完成频率控制，令有用信号通过，无用干扰信号被滤除。

本发明中，信号放大单元包括两级放大器管芯、匹配电路和供配电电路，其中：

两级放大器管芯，前级放大器管芯在电路匹配以及晶体管的直流工作点上使放大器工作在最佳噪声和增益状态，后级放大器管芯使放大器满足要求的增益同时保证一定的输出功率；

匹配电路，采用源反馈方式，在场效应晶体管的源级和微波地之间串联一个阻抗元件；

供配电电路，从外部外电源模块获取二次电源，并利用Ldo芯片输出，供给信号放大单元各器件使用。

本发明中，射频信号处理单元包括IQ混频器、可配置中频滤波器、可变增益放大器、模数转换器、BPSK调制器、射频放大器以及频率合成器，其中：

IQ混频器，完成输入RNSS及RDSS射频信号的下变频处理，从L波段射频信号下变频为低中频信号，之后送入可配置中频滤波器进行滤波，再通过可变增益放大器进行放大；

可配置中频滤波器，采用RC有源滤波器，增益为0dB，有低通和带通两种模式；带通模式工作时，中心频率20MHz可配置，低通模式工作时，-3dB带宽30MHz可配置；

模数转换器，完成可配置中频滤波器输出的经放大的模拟信号到数字信号的转换，转换生成的数字信号送入RN/RD一体化单元；

BPSK调制器，对RN/RD一体化单元输出的入站基带信号进行BPSK调制；射频放大器对BPSK调制后的基带信号进行放大；

频率合成器，对放大后的BPSK基带信号直接调制到入站载波频率。

本发明中，功率放大单元包含前级放大器、驱动放大器、功率放大器及输入、输出功率检波电路，其中：

前级放大器，用于对入站射频信号进行放大；

驱动放大器，用于对放大后的入站射频信号进行功率驱动，增益18dB；

功率放大器，用于对功率驱动后的入站射频信号进行功率放大；

输入、输出功率检波电路，用于通过从耦合器中耦合的方式对功率放大后的信号进行检波，把射频模拟信号变成电压信号，输入、输出功率检波电路采用微带耦合的方式进行输入信号的耦合检波。

本发明中，解析法轨道预报单元包括轨道改进模块、轨道预报模块和摄动计算模块，其中：

摄动计算模块，建立返回器的返回轨道的轨道预报模型。由于卫星返回的轨道一方面受地球形状不规则、质量不均匀影响，另外，还受到大气阻力、日月引力、太阳光压等多种力的作用。由于除了主要的中心引力以外，其余的作用力都相对较小，我们可以把实际的卫星运动处理成受摄二体问题，即一个简单可积的二体问题加上摄动改正两个部分，通过上述方式建立返回器的返回轨道的轨道预报模型。

轨道改进模块，在已知卫星状态初值的情况下，利用测量数据确定卫星最佳状态估值；本发明在轨道改进方案中采用了经典的微分轨道改进方法。返回式飞行器返回地球运动所涉及的数学模型是一个非常复杂的非线性动力系统，在数学模型及相应的初始条件都是完全准确的情况下对运动方程进行积分可得到运动方程的解，由于数学模型无法完全准确，而且在实际工作中也得不到准确的初值，因此需要通过RNSS基带处理模块计算的测量数据来修正各物理参数和初值，最终通过最小二乘方法对方程进行解析。

轨道预报模块，即基于轨道预报模型进行轨道外推，计算所需要时刻的坐标和速度。

本发明中，RNSS基带处理模块、RDSS基带处理模块集成在一片SoC芯片中；RNSS基带处理模块和RDSS基带处理模块融合处理多路天线输入的射频信号，使得所述返回式飞行器轨迹测量与通信装置随返回器旋转最大速度15rpm过程中获得360°的全方位覆盖方向图。

本发明中，使用所述返回式飞行器轨迹测量与通信装置进行通信时，使用北斗导航卫星用户卡进行身份认证和授权，实现1Hz发送频度，将返回式飞行器的时间、位置、速度信息通过北斗短报文系统发送至地面回收系统；北斗导航卫星用户卡质量等级较低，受低轨空间环境影响，容易出现失效的现象，因此，本发明将用户卡认证信息读出，封装成软件动态链接库，与应用程序一同固化到所述RDSS基础处理模块中。

本发明中，入站信号滤波单元对射频信号带外抑制＞40dB，带内杂散抑制优于-90dBm，多路信号滤波单元对射频信号带外抑制＞60dB，保证在系统工作时，大功率北斗短报文发射杂散信号不干扰接收电路，即不能使所述RN/RD一体化单元的灵敏度降低。

实施例：

如图1所示：本发明的返回式飞行器轨迹测量与通信装置，包括一体化天线、多路天线射频处理单元、RN/RD一体化单元和解析法轨道预报单元。

一体化天线接收BDS系统S2C频段短报文信号、B1C导航信号、GPSL1导航信号，将无线导航信号转换成电信号，转发至多路天线射频处理单元，多路天线射频处理单元完成最多3路RN/RD射频信号滤波、放大、下变频、AD转换处理，输出数字中频信号至RN/RD一体化单元，RN/RD一体化单元一方面完成RN信号捕获跟踪、BDS和GPS导航电文解析、计算各可用星的位置速度等信息、获取通道测量量并进行最小二乘定位，另一方面完成短报文出站信号S2C的跟踪和测量处理，用户卡模块完成业务信息的读取/写入，解析业务电文，最后接收来自用户的待发送的数据进行缓存，并根据卫星信号锁定状态以及各业务发送频度，通信容量要求，自主选择合适GEO卫星将当前位置信息和预报位置信息进行组帧、调制后发送至多路天线射频处理单元，多路天线射频处理单元对定位数据进行BPSK信号调制、DA转换、上变频至L波段后发送至功放模块，功放模块进行功率放大后发送至功分模块，功分后的入站信号经过一体化天线辐射发出。

一、一体化天线

一体化天线的主要功能是接收BDS系统S2C短报文信号、B1C导航信号、GPSL1导航信号，将无线导航信号转换成电信号，接收L频段入站信号并辐射发出。

二、多路天线射频处理单元

多路天线射频处理单元由多路信号滤波单元、信号放大单元、射频信号处理单元、功率放大单元、入站信号滤波单元和入站信号分路单元，通过单向信号连接。

1.多路信号滤波单元多路信号滤波单元，接收RNSS及RDSS多路射频信号，对带外噪声进行抑制，抑制能力大于40dB，插入损耗＜1dB，防止外部干扰信号进入后端射频模块，影响有用信号信噪比，出现环路失锁现象，本发明采用多通道滤波器，对输入进行同时滤波，保证每一路射频信号的相位一致性，相位平衡度优于4°。

2.信号放大单元，将多路信号滤波单元输出的射频信号进行低噪声放大，保证射频链路具有足够的增益和较低的噪声系数，增益值大于30dB，噪声系数小于1.3，满足后端射频模块最低射频信号功率处理门限。

3.射频信号处理单元，一款多通道导航通信射频收发电路，支持BDS、GPS卫星导航系统RNSS信号的接收，具备多个中频接收通道和一个射频发射通道，接收通道完成RN/RD射频信号的混频、滤波、增益控制、数模转换器；发射通道完成BPSK调制、射频放大和频率综合，其中发射通道频率调整步进10Hz。

4.功率放大单元，将所述入站0dBm L波段射频信号进行功率10dB放大。

5.入站信号滤波单元，将所述功率放大后的入站射频信号进行滤波，驻波：<1.5，带外抑制：>60dBc@DC-1574MHz，>60dBc@1668-4000MHz

6.将所述滤波后的入站射频信号进行等功率、等相位分配，隔离度Iso≥30dB插入损耗Li≤1.5dB，幅度平衡度≤0.2dB，相位平衡度≤4°。

三、RN/RD一体化单元

1.RNSS基带处理模块

利用SoC基带芯片，在数字域完成导航信号的捕获、跟踪与测量，实现对导航信号的解扩、解调、导航解算功能；

处理GPS L1频点和BDS新体制信号B1C频点。

采集10Hz原始观测数据，具备1Hz、2Hz、5Hz定位解算功能，输出WGS84坐标系下X、Y、Z、Vx、Vy、Vz位置信息，可以通过外部指令切换。

控制通道对导航星信号进行捕获与跟踪，BDS 12通道、GPS 12通道。

2.RDSS基带处理模块利用基带芯片完成短报文入站基带电文信号编帧、调制、编码、滤波等逻辑功能，生成的基带信号经过DA转换后输出至射频信号处理单元的发射通道，同时还完成短报文出站信号的跟踪、电文解析；

上电时读取SIM的参数并保存(频度、支持的业务、发射参数)。

控制通道对导航星信号进行捕获与跟踪，BDS S2C 12通道。

调用IC卡管理模块提供的接口对业务电文进行解析。

根据通道控制信息选择发送通道，并对发射模块进行配置本振(多普勒)。

数据输入输出格式支持标准2.2协议和用户自定义格式协议，支持1次/s入站发送频度，通信成功率≥95％。

四、解析法轨道预报单元

如图2所示，解析法轨道预报单元的主要流程是一个从测量数据到轨道根数的测轨过程和一个从轨道根数外推到指定时刻的卫星位置和速度的预报过程，包含轨道改进、轨道预报和摄动计算三个过程。

1.轨道改进

轨道改进是在已知卫星状态初值的情况下，利用较多的测量数据确定在一定意义下的最佳状态估值。由于航天系统的特殊要求，在轨道改进方案中采用了经典的微分轨道改进方法，轨道改进结果为指定历元时刻的轨道根数和卫星角速度的一阶变化率。

2.摄动计算

返回器的返回轨道是一个抛物线。但实际的地球形状不规则、质量也不均匀，卫星的运动不仅受地球引力场作用，还受到大气阻力、日月引力、太阳光压等多种力的作用。由于除了主要的中心引力以外，其余的作用力都相对较小，可以把实际的卫星运动处理成受摄二体问题，即一个简单可积的二体问题加上摄动改正两个部分。

如果地球是一个质量均匀的球体，则人造卫星在地球引力场中的运动方程可表示为：

在人造卫星的摄动计算中，根据摄动计算的量级，若以地球中心引力为1，则通常把地球形状扁率项项作为一阶小量(10^－3)，其余摄动，例如带谐项、田谐项、大气阻力、太阳光压、日月引力、潮汐摄动以及由于坐标系本身运动产生的附加摄动均作为二阶小量(10^－6)。

3.轨道预报

轨道预报其实质就是一个摄动外推的过程，计算所需要时刻的坐标和速度，过程与轨道改进类似。

五、总线接口

装置通过CAN总线与返回式卫星飞行器其他设备进行数据交互。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于北斗短报文的返回式飞行器轨迹测量与通信装置，其特征在于包括：一体化天线、多路天线射频处理单元、RN/RD一体化单元以及解析法轨道预报单元；

一体化天线，完成RNSS L波段射频信号接收、RDSS S波段射频信号接收和RDSS L波段射频信号发射；

多路天线射频处理单元，用于接收多个一体化天线提供的RNSS及RDSS多路射频信号，进行同时滤波、放大，对放大后的信号进行混频、滤波和模数转换处理，输出数字中频信号给RN/RD一体化单元；对RDSS入站基带信号进行数模转换、BPSK调制和上变频处理，通过功率放大器进行放大、滤波和功分发送至多路一体化天线；

RN/RD一体化单元，其基于SoC芯片架构，包括RNSS基带处理模块、RDSS基带处理模块和CPU处理模块，RNSS/RDSS基带处理模块用于同时对多路RNSS与RDSS导航信号进行捕获、跟踪、解调和解扩，对RDSS基带电文信息进行编帧、调制、编码、滤波；CPU处理模块一方面完成多路RNSS导航电文处理、定位解算，输出伪距、信 噪比相位、载波多普勒、秒脉冲、时间位置速度信息，另外一方面对RDSS业务电文信息进行提取，并将与用户相关的电文根据协议组帧发送至上层用户，同时接收来自用户的待发送的数据进行缓存，并根据卫星信号锁定状态以及各业务发送频度，通信容量要求，自主选择合适BDS卫星将用户数据发送出去；

解析法轨道预报单元，其完成接收RN/RD一体化单元输出的位置、速度、时间参数，进行轨道改进、预报，将预报结果反馈至RN/RD一体化单元，RN/RD一体化单元通过短报文链路将预报信息传送至地面回收系统。

2.根据权利要求1所述的基于北斗短报文的返回式飞行器轨迹测量与通信装置，其特征在于：所述的多路 天线射频处理单元包括多路信号滤波单元、信号放大单元、射频信号处理单元、功率放大单元、入站信号滤波单元和入站信号分路单元，其中：

多路信号滤波单元，接收RNSS及RDSS多路射频信号，对带外噪声进行抑制；

信号放大单元，将多路信号滤波单元输出的射频信号进行低噪声放大，满足后端射频模块最低射频信号功率处理门限；

射频信号处理单元，具备多个中频接收通道和一个射频发射通道，中频接收通道完成RNSS及RDSS射频信号的混频、滤波、增益控制、数模转换；发射通道完成BPSK调制、射频放大和频率综合；

功率放大单元，将入站射频信号进行功率10dB放大；

入站信号滤波单元，将功率放大后的入站射频信号进行滤波；

入站信号分路单元，将滤波后的入站射频信号进行等功率、等相位分配。

3.根据权利要求2所述的基于北斗短报文的返回式飞行器轨迹测量与通信装置，其特征在于：所述的多路信号滤波单元包括壳体、上盖板和谐振杆，其中：

盒体，提供射频信号梳状型滤波空间，提供射频信号输出接插件固定载体，提供内部谐振杆固定载体；

上盖板，当多路信号滤波单元完成调试后，安装在盒体顶端，形成密闭射频空间，实现信号滤波；

谐振杆，根据射频信号输出的频率变化范围进行滤波器控制；当RNSS及RDSS射频信号输入时，完成频率控制，令有用信号通过，无用干扰信号被滤除。

4.根据权利要求2所述的基于北斗短报文的返回式飞行器轨迹测量与通信装置，其特征在于：所述的信号放大单元包括两级放大器管芯、匹配电路和供配电电路，其中：

两级放大器管芯，前级放大器管芯在电路匹配以及晶体管的直流工作点上使放大器工作在最佳噪声和增益状态，后级放大器管芯使放大器满足要求的增益同时保证一定的输出功率；

匹配电路，采用源反馈方式，在场效应晶体管的源级和微波地之间串联一个阻抗元件；

供配电电路，从外部外电源模块获取二次电源，并利用Ldo芯片输出，供给信号放大单元各器件使用。

5.根据权利要求2所述的基于北斗短报文的返回式飞行器轨迹测量与通信装置，其特征在于：所述的射频信号处理单元包括IQ混频器、可配置中频滤波器、可变增益放大器、模数转换器、BPSK调制器、射频放大器以及频率合成器，其中：

IQ混频器，完成输入RNSS及RDSS射频信号的下变频处理，从L波段射频信号下变频为低中频信号，之后送入可配置中频滤波器进行滤波，再通过可变增益放大器进行放大；

可配置中频滤波器，采用RC有源滤波器，增益为0dB，有低通和带通两种模式；带通模式工作时，中心频率20MHz可配置，低通模式工作时，-3dB带宽30MHz可配置；

模数转换器，完成可配置中频滤波器输出的经放大的模拟信号到数字信号的转换，转换生成的数字信号送入RN/RD一体化单元；

BPSK调制器，对RN/RD一体化单元输出的入站基带信号进行BPSK调制；

频率合成器，将调制后的BPSK基带信号直接调制到入站载波频率，射频放大器对入站载波频率进行放大。

6.根据权利要求2所述的基于北斗短报文的返回式飞行器轨迹测量与通信装置，其特征在于：所述的功率放大单元包含前级放大器、驱动放大器、功率放大器及输入、输出功率检波电路，其中：

前级放大器，用于对入站射频信号进行放大；

驱动放大器，用于对放大后的入站射频信号进行功率驱动，增益18dB；

功率放大器，用于对功率驱动后的入站射频信号进行功率放大；

输入、输出功率检波电路，用于通过从耦合器中耦合的方式对功率放大后的信号进行检波，把射频模拟信号变成电压信号，输入、输出功率检波电路采用微带耦合的方式进行输入信号的耦合检波。

7.根据权利要求1所述的基于北斗短报文的返回式飞行器轨迹测量与通信装置，其特征在于：其特征在于：所述解析法轨道预报单元包括轨道改进模块、轨道预报模块和摄动计算模块，其中：

轨道改进模块，在已知卫星状态初值的情况下，利用测量数据确定卫星最佳状态估值；

轨道预报模块，即基于轨道预报模型进行轨道外推，计算所需要时刻的坐标和速度；

摄动计算模块，建立返回器的返回轨道的轨道预报模型。

8.根据权利要求1所述的基于北斗短报文的返回式飞行器轨迹测量与通信装置，其特征在于：所述的RNSS基带处理模块、RDSS基带处理模块集成在一片SoC芯片中；RNSS基带处理模块和RDSS基带处理模块融合处理多路天线输入的射频信号，使得所述返回式飞行器轨迹测量与通信装置随返回器旋转最大速度15rpm过程中获得360°的全方位覆盖方向图。

9.根据权利要求1所述的基于北斗短报文的返回式飞行器轨迹测量与通信装置，其特征在于：使用所述返回式飞行器轨迹测量与通信装置进行通信时，使用北斗导航卫星用户卡进行身份认证和授权，实现1Hz发送频度，将返回式飞行器的时间、位置、速度信息通过北斗短报文系统发送至地面回收系统；北斗导航卫星用户卡采用软核的方式集成到所述RDSS基带处理模块中。

10.根据权利要求2所述的基于北斗短报文的返回式飞行器轨迹测量与通信装置，其特征在于：所述入站信号滤波单元对射频信号带外抑制＞40dB，带内杂散抑制优于-90dBm，多路信号滤波单元对射频信号带外抑制＞60dB。

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