CN113655275B - 空间无线电环境测控装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种空间无线电环境测控装置及系统，所述装置设置在空间飞行器，所述装置包括：天线模块，增益可编程放大模块，模数转换模块，处理模块，用于根据各个第一空间位置的数字天线信号得到各个第一空间位置的功率谱数据；根据各个第一空间位置的功率谱数据、各个第一空间位置与第二空间位置的距离或各个第一空间位置之间的距离得到所述第二空间位置的功率谱数据；根据各个第一空间位置的功率谱数据及对应的位置信息、各个第二空间位置的功率谱数据及对应的位置信息、及到达各个空间位置的时间信息得到观测数据。本公开实施例可以得到各个时间、各个地点的频率数据，以实现对空间飞行器全轨道的低频无线电环境的监测。

Description

空间无线电环境测控装置及系统
技术领域
本公开涉及空间射电天文观测技术领域，尤其涉及一种空间无线电环境测控装置及系统。
背景技术
低于15MHz的射电源辐射信号在射电天文观测中占有重要地位，例如，低于15MHz太阳射电爆发信号是追踪日冕抛射物CME和预警地磁暴等空间天气事件的主要手段，对于大红移的中性氢观测反演宇宙早期结构及其演化都有着重要的作用。但是来自地球以外的低于15MHz电磁波由于受到电离层影响不能传播到地面天线。
超过500KM的以上空间轨道，地面低于15MHz的低频无线电干扰信号受到电离层屏蔽，逐渐减弱，而来自外太空的射电天文信号由于没有电离层屏蔽，在此空间轨道上能够进行接收。但是无线电干扰对射电天文观测影响甚大，强的无线电干扰信号会造成射电天文接收机饱和。
低于1000Km的低轨空间无线电环境目前还没得到很好的测量，在该轨道空间上除了我们已知的AKR波辐射，电离层不稳定产生的地面干扰逃逸信号外，尚不清楚在全球低轨空间中还存在哪些小于15MHz的无线电干扰信号，以及其在全球分布下的各地差异。
综上，对全球轨道的低频无线电环境进行监测，对空间低频观测具有重要意义。
发明内容
根据本公开的一方面，提供了一种空间无线电环境测控装置，所述装置设置在空间飞行器，所述装置包括：
天线模块，所述天线模块包括天线及天线匹配电路，所述天线匹配电路用于进行阻抗匹配；
增益可编程放大模块，连接于所述天线模块，用于对天线模块传来的天线信号进行增益放大，得到放大后的天线信号；
模数转换模块，连接于所述增益可编程放大模块，用于对所述放大后的天线信号进行模数转换，得到数字天线信号；
处理模块，连接于所述模数转换模块，用于：
根据各个第一空间位置的数字天线信号得到各个第一空间位置的功率谱数据；
根据各个第一空间位置的功率谱数据、各个第一空间位置与第二空间位置的距离或各个第一空间位置之间的距离得到所述第二空间位置的功率谱数据；
根据各个第一空间位置的功率谱数据及对应的位置信息、各个第二空间位置的功率谱数据及对应的位置信息、及到达各个空间位置的时间信息得到观测数据，并发送所述观测数据到所述空间飞行器。
在一种可能的实施方式中，所述根据各个第一空间位置的功率谱数据、各个第一空间位置与第二空间位置的距离或各个第一空间位置之间的距离得到所述第二空间位置的功率谱数据，包括：
根据各个第一空间位置与所述第二空间位置的距离得到各个第一空间位置对应的第一权重值；
根据各个第一空间位置的功率谱数据及对应的第一权重值得到所述第二空间位置的功率谱数据。
在一种可能的实施方式中，所述根据各个第一空间位置的功率谱数据、各个第一空间位置与第二空间位置的距离或各个第一空间位置之间的距离得到所述第二空间位置的功率谱数据，包括：
根据所述第二空间位置邻域中的第一空间位置与第三空间位置的距离及所述第一空间位置的影响半径确定第二权重值，其中，所述第三空间位置在根据所述影响半径确定的所述第一空间位置的影响范围之内；
根据所述第一空间位置的功率值及所述第二权重值确定所述第一空间位置的功率值在第三空间位置上的折算功率值；
根据多个所述折算功率值得到所述第二空间位置的功率谱数据。
在一种可能的实施方式中，所述根据所述第二空间位置邻域中的第一空间位置与第三空间位置的距离及所述第一空间位置的影响半径确定第二权重值，包括：
根据所述第一空间位置与第三空间位置的距离的倒数与所述第一空间位置的影响半径的倒数之差的p次幂确定所述第二权重值，其中，p为整数。
在一种可能的实施方式中，所述根据多个所述折算功率值得到所述第二空间位置的功率谱数据，包括：
确定各个折算功率值与对应的第二权重值的积，并求和，得到求和结果；
根据所述求和结果及多个所述第二权重值的和得到所述第二空间位置的功率谱数据。
在一种可能的实施方式中，所述根据各个第一空间位置的功率谱数据、各个第一空间位置与第二空间位置的距离或各个第一空间位置之间的距离得到所述第二空间位置的功率谱数据，包括：
对与所述第二空间位置临近的多个第一空间位置的功率谱数据进行拟合，得到拟合结果；
根据所述拟合结果得到与空间位置的各个维度关联的各个回归系数；
根据各个第一空间位置的功率值、第一空间位置与第二空间位置的各个维度的参数之差、各个回归系数及第二空间位置与各个第一空间位置的距离得到所述第二空间位置的功率谱数据。
在一种可能的实施方式中，所述处理模块还连接于所述增益可编程放大模块，还用于根据所述空间飞行器传来的增益调整参数对所述增益可编程放大模块进行增益调整。
在一种可能的实施方式中，所述处理模块还用于通过生存时间TTL电平对所述增益可编程放大模块进行增益调整，
其中，对所述增益可编程放大模块进行增益调整的最小增益为20dB、最大增益为60dB、步进调整增益为1dB。
在一种可能的实施方式中，所述处理模块与所述空间飞行器通过控制器局域网络CAN总线连接，以接收控制命令，所述控制命令包括频谱分辨率、积分时间、增益参数；和/或
所述处理模块与所述空间飞行器通过串行总线连接，以获取卫星地理位置信息、时间信息；和/或
所述处理模块与所述空间飞行器通过低电压差分信号LVDS总线连接，以发送所述观测数据到所述空间飞行器。
在一种可能的实施方式中，所述模数转换器的转换速率大于30MSPS，转换精度为12-18bit，所述天线包括单极子天线或偶极子天线。
根据本公开的一方面，提供了一种空间无线电环境测控系统，所述系统包括：
所述的空间无线电环境测控装置；
空间飞行器。
本公开实施例通过天线匹配电路对天线及接收机进行阻抗匹配，减少驻波，并利用增益可编程放大模块对天线信号进行放大，降低无线电干扰造成放大器内部饱和的可能性，利用模数转换模块进行数字天线信号后，利用处理模块根据各个第一空间位置的数字天线信号得到各个第一空间位置的功率谱数据；根据各个第一空间位置的功率谱数据、各个第一空间位置与第二空间位置的距离或各个第一空间位置之间的距离得到所述第二空间位置的功率谱数据；根据各个第一空间位置的功率谱数据及对应的位置信息、各个第二空间位置的功率谱数据及对应的位置信息、及到达各个空间位置的时间信息得到观测数据，并发送所述观测数据到所述空间飞行器，可以得到各个时间、各个地点的频谱数据，以实现对空间飞行器全轨道的多点低频无线电环境的监测。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，而非限制本公开。根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，这些附图示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于说明本公开的技术方案。
图1示出了根据本公开一实施例的空间无线电环境测控装置的框图。
图2示出了根据本公开一实施例的空间位置分布示意图。
图3示出了根据本公开一实施例的空间位置分布示意图。
图4示出了根据本公开一实施例的观测数据的示意图。
图5示出了根据本公开一实施例的空间无线电环境测控装置的运行示意图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在本公开的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中术语“至少一种”表示多种中的任意一种或多种中的至少两种的任意组合，例如，包括A、B、C中的至少一种，可以表示包括从A、B和C构成的集合中选择的任意一个或多个元素。
另外，为了更好地说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
请参阅图1，图1示出了根据本公开一实施例的空间无线电环境测控装置的框图。
所述装置1设置在空间飞行器2，如图1所示，包括：
天线模块10，所述天线模块10包括天线110及天线匹配电路120，所述天线匹配电路120用于进行阻抗匹配；
增益可编程放大模块20，连接于所述天线模块10，用于对天线模块10传来的天线信号进行增益放大，得到放大后的天线信号；
模数转换模块30，连接于所述增益可编程放大模块20，用于对所述放大后的天线信号进行模数转换，得到数字天线信号；
处理模块40，连接于所述模数转换模块30，用于：
根据各个第一空间位置的数字天线信号得到各个第一空间位置的功率谱数据；
根据各个第一空间位置的功率谱数据、各个第一空间位置与第二空间位置的距离或各个第一空间位置之间的距离得到所述第二空间位置的功率谱数据；
根据各个第一空间位置的功率谱数据及对应的位置信息、各个第二空间位置的功率谱数据及对应的位置信息、及到达各个空间位置的时间信息得到观测数据，并发送所述观测数据到所述空间飞行器。
本公开实施例通过天线匹配电路对天线及接收机进行阻抗匹配，减少驻波，并利用增益可编程放大模块对天线信号进行放大，降低无线电干扰造成放大器内部饱和的可能性，利用模数转换模块进行数字天线信号后，利用处理模块根据各个第一空间位置的数字天线信号得到各个第一空间位置的功率谱数据；根据各个第一空间位置的功率谱数据、各个第一空间位置与第二空间位置的距离或各个第一空间位置之间的距离得到所述第二空间位置的功率谱数据；根据各个第一空间位置的功率谱数据及对应的位置信息、各个第二空间位置的功率谱数据及对应的位置信息、及到达各个空间位置的时间信息得到观测数据，并发送所述观测数据到所述空间飞行器，可以得到各个时间、各个地点的频谱数据，以实现对空间飞行器全轨道的多点低频无线电环境的全面、准确、高效监测。
在一种可能的实施方式中，本公开实施例的第一空间位置，可以是空间飞行器在轨道上移动的任意采集信号的位置，第一空间位置可以提前设定，也可以根据实际情况确定，对此，本公开实施例不做限定。
在一种可能的实施方式中，本公开实施例的第二空间位置，可以是第一空间位置以外的其他位置，本公开实施例根据已知的第一空间位置及功率谱数据可以得到其他空间位置的功率谱数据，以实现全轨道的多点低频无线电环境的监测。
在一种可能的实施方式中，空间飞行器可以包括卫星、飞船等。
本公开实施例通过将空间无线电环境测控装置设置在空间飞行器中，空间飞行器在离地轨道上飞行，空间无线电环境测控装置可以得到轨道的各个位置在各个时间的频谱数据，通过将频谱数据与位置信息、时间信息进行打包处理，得到的观测数据具有时间、经纬度、高度、频谱数据等信息，以实现对30MHz一下的空间无线电环境的测试。
本公开实施例对空间无线电环境测控装置中各个模块的实现方式不做限定，本领域技术人员可以根据实际情况及需要实现各个模块，下面对各个模块的实现进行示例性介绍。
首先对处理模块进行示例性介绍。
示例性的，本公开实施例的处理模块40可以包括处理组件，在一个示例中，处理组件包括但不限于单独的处理器，或者分立元器件，或者处理器与分立元器件的组合。所述处理器可以包括电子设备中具有执行指令功能的控制器，所述处理器可以按任何适当的方式实现，例如，被一个或多个应用专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现。在所述处理器内部，可以通过逻辑门、开关、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等硬件电路执行所述可执行指令。优选地，本公开实施例的处理模块40可以采用数字信号处理器DSP或现场可编程门阵列(FPGA)。
本公开实施例对处理模块根据各个第一空间位置的数字天线信号得到各个第一空间位置的功率谱数据的具体实现方式不做限定，本领域技术人员可以根据实际情况及需要实现。示例性的，处理模块可以对ADC采集数据进行功率谱分析，得到带内功率谱数据，在一个示例中，处理模块40在接收到数字天线信号的情况下，可以根据接收到的运算参数(如FFT的点数N、积分时间t等)进行相关运算，以完成功率谱计算。
在一个示例中，空间飞行器在一个轨道上可以进行多次采集运算，例如，可以对轨道上的多个点的每个点进行多次功率谱计算，以根据多次计算得到的功率谱得到各个点的均值，提高测量的准确、平滑性，这样，可以得到该条轨道上的多个第一空间位置的功率谱数据，当然，在对该条轨道进行测量后，也可以切换轨道，或利用其他空间飞行器在其他轨道上进行测量，以实现对整个空间(如地球)的整体的无线电环境的测量。
请参阅图2，图2示出了根据本公开一实施例的空间位置分布示意图。
在一个示例中，如图2所示，本公开实施例通过在空间飞行器运行过程中不停的进行频谱采集分析，可以得到多个第一空间位置Pi的功率谱Psi，由于两次频谱采集点之间相隔很远，可以视为稀疏采样，为此在完成一组全球环境扫描以后空间中多个区域的无线电环境可以近似等于该空间二维平面中心的功率谱数据(如图2所示)。
本公开实施例可以利用多种可能的实现方式得到所述第二空间位置的功率谱数据，对此，本公开实施例不做限定，下面对根据各个第一空间位置的功率谱数据、各个第一空间位置与第二空间位置的距离或各个第一空间位置之间的距离得到所述第二空间位置的功率谱数据的可能实现方式进行示例性介绍。
在一种可能的实施方式中，所述根据各个第一空间位置的功率谱数据、各个第一空间位置与第二空间位置的距离或各个第一空间位置之间的距离得到所述第二空间位置的功率谱数据，可以包括：
根据各个第一空间位置与所述第二空间位置的距离得到各个第一空间位置对应的第一权重值；
根据各个第一空间位置的功率谱数据及对应的第一权重值得到所述第二空间位置的功率谱数据。
本公开实施例根据各个第一空间位置与所述第二空间位置的距离得到各个第一空间位置对应的第一权重值，根据各个第一空间位置的功率谱数据及对应的第一权重值可以快速得到所述第二空间位置的准确的功率谱数据。
在一个示例中，若要确定空间中某一个第二空间位置P0的功率谱数据，本公开实施例可以将对其具有影响的多个第一空间位置的功率谱数据进行叠加处理。
在一个示例中，本公开实施例可以利用公式1得到所述第二空间位置的功率谱数据。
Figure GDA0004186972200000071
其中，Ps0表示第二空间位置P0的功率谱数据，wi表示第i个第一空间位置Pi对第二空间位置P0的功率谱数据的产生影响的第一权重值，Psi表示第i个第一空间位置Pi的功率谱数据，N表示对第二空间位置P0的功率谱数据具有影响的第一空间位置Pi的总数，N为整数。
在一个示例中，本公开实施例可以利用公式2得到第一权重值。
Figure GDA0004186972200000072
其中，di表示各个第一空间位置与第二空间位置的距离，p表示权重随距离变化的衰减率，示例性的，p可以为2或其他整数。
在一个示例中，对于整个空间而言，空间中某一个第二空间位置的功率谱数据可以由其他多个第一空间位置的电磁场信号叠加得到，本公开实施例对用于确定第二空间位置的第一空间位置的数目不做限定，本领域技术人员可以根据实际情况及需要确定。
在一种可能的实施方式中，所述根据各个第一空间位置的功率谱数据、各个第一空间位置与第二空间位置的距离或各个第一空间位置之间的距离得到所述第二空间位置的功率谱数据，可以包括：
根据所述第二空间位置邻域中的第一空间位置与第三空间位置的距离及所述第一空间位置的影响半径确定第二权重值，其中，所述第三空间位置在根据所述影响半径确定的所述第一空间位置的影响范围之内；
根据所述第一空间位置的功率值及所述第二权重值确定所述第一空间位置的功率值在第三空间位置上的折算功率值；
根据多个所述折算功率值得到所述第二空间位置的功率谱数据。
请参阅图3，图3示出了根据本公开一实施例的空间位置分布示意图。
在一个示例中，如图3所示，以第二空间位置S0为例，定义第二空间位置S0(x0,y0)处的邻域影响半径与监测点(空间采样点，也即第一空间位置)Si(i＝1,…,N，N为整数)处的邻域影响半径分别为rw和rq，将以第二空间位置S0为圆心，rw为半径的圆定义为第二空间位置S0的邻域，再将以第二空间位置S0邻域内的某监测点Si(例如S1，S2，S3，Pi，S8的其中之一，如S8)为圆心，rq为半径的圆定义为第一空间位置Si的影响范围，第三空间位置为第二空间位置的邻域中某个第一空间位置的影响范围内的监测点(如第一空间位置Sk)，即为第一空间位置Si影响范围内的某监测点，本公开实施例可以根据所述第二空间位置(如S0)邻域中的第一空间位置(如S8)与第三空间位置(如Sk)的距离及所述第一空间位置(如S8)的影响半径确定第二权重值，根据所述第一空间位置(如S8)的功率值及所述第二权重值确定所述第一空间位置(如S8)的功率值在第三空间位置(如Sk)上的折算功率值，根据多个所述折算功率值得到所述第二空间位置(如S0)的功率谱数据。应该明白的是，第二空间位置的邻域中第一空间位置的数目可以包括多个，对应的第三空间位置也可以包括多个，本公开实施例可以根据第二空间位置邻域中的多个第一空间位置，及对应的多个第三空间位置确定第二空间位置的功率谱数据，并具有较高的准确性。
在一个示例中，所述根据所述第二空间位置邻域中的第一空间位置与第三空间位置的距离及所述第一空间位置的影响半径确定第二权重值，可以包括：
根据所述第一空间位置与第三空间位置的距离的倒数与所述第一空间位置的影响半径的倒数之差的p次幂确定所述第二权重值，其中，p为整数。
在一个示例中，可以根据公式3得到第二权重值。
Figure GDA0004186972200000081
公式3中，wi表示第二权重值，di表示第一空间位置与第三空间位置的距离，p表示权重随距离变化的衰减率，示例性的，p可以为2或其他整数。
在一个示例中，所述根据所述第一空间位置的功率值及所述第二权重值确定所述第一空间位置的功率值在第三空间位置上的折算功率值，可以包括：
利用公式4得到所述折算功率值：
Figure GDA0004186972200000082
其中，Qk表示折算功率值，Psi表示所述第一空间位置的功率值。
在一个示例中，所述根据多个所述折算功率值得到所述第二空间位置的功率谱数据，可以包括：
确定各个折算功率值与对应的第二权重值的积，并求和，得到求和结果；
根据所述求和结果及多个所述第二权重值的和得到所述第二空间位置的功率谱数据。
在一个示例中，可以根据公式5得到功率谱数据。
Figure GDA0004186972200000091
其中，
Figure GDA0004186972200000092
表示所述第二空间位置的功率谱数据。
在一种可能的实施方式中，所述根据各个第一空间位置的功率谱数据、各个第一空间位置与第二空间位置的距离或各个第一空间位置之间的距离得到所述第二空间位置的功率谱数据，可以包括：
对与所述第二空间位置临近的多个第一空间位置的功率谱数据进行拟合，得到拟合结果；
根据所述拟合结果得到与空间位置的各个维度关联的各个回归系数；
根据各个第一空间位置的功率值、第一空间位置与第二空间位置的各个维度的参数之差、各个回归系数及第二空间位置与各个第一空间位置的距离得到所述第二空间位置的功率谱数据。
本公开实施例对对与所述第二空间位置临近的多个第一空间位置的功率谱数据进行拟合，得到拟合结果的具体实现方式不做限定，本领域技术人员可以根据需要实现，并且对根据所述拟合结果得到与空间位置的各个维度关联的各个回归系数的具体实现方式也不做限定，示例性的，可以预先建立线性回归模型，并将拟合结果输入到线性回归模型中，以得到各个回归系数(regression coefficient)。
在一个示例中，本公开实施例可以利用多种可能的实现方式根据各个第一空间位置的功率值、第一空间位置与第二空间位置的各个维度的参数之差、各个回归系数及第二空间位置与各个第一空间位置的距离得到所述第二空间位置的功率谱数据，例如，可以利用公式6实现。
Figure GDA0004186972200000093
其中，
Figure GDA0004186972200000094
表示所述第二空间位置的功率谱数据，Cx,Cy,Cz分别表示空间探测点位置信息三个维度的回归系数，Si(xi,yi,zi)表示第一空间位置，di表示第二空间位置到第一空间位置的距离。
当然，本公开实施例对以上各种实现方式的描述示例性的，对实现各个方式的公式的描述是示例性的，根据本公开实施例公开的确定第二空间位置的功率谱数据的原理，还可以有其他公式实现，对此，本公开实施例不做限定。
通过以上方式，本公开实施例可以示例性的在数字信号处理器中完成对ADC采集数据进行功率谱分析，得到带内功率谱数据，同时通过星上总线获得当前时间、卫星高度、经纬度等信息，将上述信息与带内功率谱数据整体打包形成一帧观测数据，并经星上总线将观测数据发送至卫星平台，并经卫星平台发送至地面。
在一个示例中，处理模块40在接收到数字天线信号的情况下，可以根据接收到的运算参数(如FFT的点数N、积分时间t等)进行相关运算，以完成功率谱计算，同时将获取的卫星的地理位置信息(包括经纬度、高度)以及当时的时间信息和功率谱数据合并成为一帧观测数据后，通过LVDS(Low-Voltage Differential Signaling,低电压差分信号)总线向卫星平台发送观测数据。
请参阅图4，图4示出了根据本公开一实施例的观测数据的示意图。
在一个示例中，每一帧观测数据可以包括时间信息、经纬度及高度信息、多个通道频谱信息。
在一个示例中，如图4所示，一帧观测数据的第1-2字节可以为当前的时间信息，第3-12字节为卫星的地理位置信息(包括经纬度、高度)，从第13字节开始为功率谱数据，其中每两个字节表示一个频谱通道的功率谱信息，根据频谱分辨率(即FFT点数N)与输出数据之间的关系，一共N/2个通道，则一共N个字节完全表示整个输出带内功率谱情况，其中，N为整数。
当然，以上对观测数据的描述是示例性的，不应视为是对本公开实施例的限定，在其他的实施例中，观测数据中各个部分的顺序可以改变，各个部分的数据长度可以改变，并还可以根据需要增加其他的字段，或减少、合并字段，对此，本公开输水了不做限定。
本公开实施例的处理模块40在得到观测数据后，可以将观测数据发送到空间飞行器2，空间飞行器2可以通过自身的天线将观测数据发送到位于地面或其他位置的终端、服务器，以便于用户对观测数据进行观测或进一步处理，例如，可以根据得到的多帧观测数据绘制三维无线电频谱图，以可视化地显示所在轨道各个位置、各个时刻的频谱信息，例如，地面的终端或服务器在地面收到观测数据后将当前时间、卫星高度、经纬度等信息进行解算，将带内功率谱数据录入数据库，最终形成三维空间频谱地图。
本公开实施例对终端、服务器的具体实现方式不做限定，终端又称之为用户设备(User Equipment，UE)、移动台(Mobile Station，MS)、移动终端(Mobile Terminal，MT)等，是一种向用户提供语音和/或数据连通性的设备，例如，具有无线连接功能的手持式设备、车载设备等。目前，一些终端的举例为：手机(Mobile Phone)、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、移动互联网设备(Mobile Internetdevice，MID)、可穿戴设备，虚拟现实(VirtualReality，VR)设备、增强现实(Augmentedreality，AR)设备、工业控制(IndustrialControl)中的无线终端、无人驾驶(Selfdriving)中的无线终端、远程手术(Remotemedical Surgery)中的无线终端、智能电网(Smart Grid)中的无线终端、运输安全(Transportation Safety)中的无线终端、智慧城市(Smart City)中的无线终端、智慧家庭(Smart Home)中的无线终端、车联网中的无线终端等。对于上述装置，在一种可能的实施方式中，所述天线110可以包括单极子天线或偶极子天线。
下面对空间无线电环境测控装置的其他模块进行示例性介绍。
在一个示例中，天线110例如采用单极子方式，一般长度从一米到数十米，采用固定长度、空间中卷尺伸出、火工品展开等多种展开方式，例如采用柔性卷曲设计，在空间展开成原有形状。
在一个示例中，由于天线110长度远小于观测信号的波长，即电小天线尺寸远小于观测信号频率的半波长，增益很低甚至为负，同时输出阻抗起伏较大，天线至接收机(一般50欧姆输入)之间需要进行的阻抗匹配，因此本公开实施例在天线输出端增加一个相应的天线匹配电路，和增益可编程放大器的输入阻抗匹配，减少驻波。
对于上述装置，在一种可能的实施方式中，所述处理模块40还可以连接于所述增益可编程放大模块20，还用于根据所述空间飞行器2传来的增益调整参数对所述增益可编程放大模块20进行增益调整。
对于上述装置，在一种可能的实施方式中，所述处理模块40还用于通过生存时间TTL电平对所述增益可编程放大模块20进行增益调整。
对于上述装置，在一种可能的实施方式中，所述处理模块40与所述空间飞行器2通过CAN(Controller Area Network,控制器局域网络)总线连接，以接收控制命令，所述控制命令包括频谱分辨率(如快速傅里叶变换FFT的点数N)、积分时间、增益参数、载荷健康状况等参数。
本公开实施例的频谱分辨率(如快速傅里叶变换FFT的点数N)、积分时间、增益参数等参数可以是预先存储在飞行器的存储模块中，也可以是地面终端或服务器通过通信网络发送到飞行器上的，对此，本公开实施例不做限定。当然，所述装置本身也可以包括存储模块，存储频谱分辨率(如快速傅里叶变换FFT的点数N)、积分时间、增益参数等参数或中间的运算数据，对此，本公开实施例不做限定。
在一个示例中，存储模块可以包括计算机可读存储介质，计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、可编程只读存储器(PROM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
对于上述装置，在一种可能的实施方式中，对所述增益可编程放大模块20进行增益调整的最小增益可以为20dB、最大增益可以为60dB、步进调整增益为可以1dB。
在一个示例中，增益可编程放大模块20可以包括增益可编程放大器，本公开实施例对增益可编程放大器的具体实现方式不做限定，本领域技术人员可以采用相关技术中的放大器实现。
本公开实施例以增益调整的最小增益可以为20dB、最大增益可以为60dB、步进调整增益为可以1dB进行了示例性描述，但是，应该明白的是，以上描述不应视为是对本公开实施例的限定，在其他的实施方式中，本公开实施例还可以设置增益范围为其他，例如最小增益可以小于20dB，最大增益可以大于60dB，以扩大增益调整范围，当然，也可以设置步进调整增益为其他，例如小于1dB以提高调整精度，或大于1dB以提高调整速度。
本公开实施例的处理模块40，可以采用步进的方式逐步调整增益可编程放大模块20的增益，直到处理模块40得到的数字天线信号具有合适的幅度，且增益可编程放大模块20未发生饱和状况。
由于在低轨空间中，目前还没有确切的无线电环境测量报告，因此为了适应于多变的无线电环境情况，并且为了避免无线电干扰或者本底过强造成放大器饱和，本公开实施例的增益可编程放大器具有增益可编程能力，例如通过后端的处理模块40调整放大器增益。
对于上述装置，在一种可能的实施方式中，所述处理模块40与所述空间飞行器2通过串行总线(如RS422等)连接，以获取所述卫星地理位置信息、时间信息。
对于上述装置，在一种可能的实施方式中，所述处理模块40与所述空间飞行器2通过LVDS(Low-Voltage Differential Signaling,低电压差分信号)总线连接，以发送所述观测数据到所述空间飞行器2。
通过以上连接方式在所述装置与飞行器传输数据，本公开实施例具有稳定的数据传输能力。
当然，以上描述不应视为是对本公开实施例的限定，在其他的实施方式中，本公开实施例也可以采用其他总线协议的通信方式进行数据传输，只要可以保证数据传输的准确性、稳定性及高效性即可。
对于上述装置，在一种可能的实施方式中，所述模数转换器的转换速率(Conversion Rate)大于30MSPS(Million Sampling Per Second，每秒采样百万次)，转换精度为12-18bit。
在一个示例中，本公开实施例的模数转换器的转换速率优选为60MSPS，转换精度优选为14-16bit。
在一个示例中，本公开实施例采用大动态范围模数转换器，可以针对太阳射电爆发时产生的较之于噪底的40dB以上强信号情况，根据量化位数与动态范围之间的关系，选择14到16bit量化的ADC(Analog to Digital Convertor)，动态范围能够达到70dB以上。
下面对本公开实施例的装置的运行进行示例性介绍。
请参阅图5，图5示出了根据本公开一实施例的空间无线电环境测控装置的运行示意图。
在一个示例中，如图5所示，处理模块40可以在开机上电后实现设备自检，即通过调节增益可编程放大器增益并完成相应的功率谱计算，如发现在不同增益条件下功率谱值不同，即可认为设备工作正常；否则，认为设备可能潜在故障，启动检测方案；
在一个示例中，如图5所示，处理模块40可以在开机上电后实现设备自检完成的情况下，进行数据采集，根据FFT计算与采集点数N之间的关系，当达到预设频谱分辨率所需采集点数后，完成一次功率谱计算；
在一个示例中，如图5所示，处理模块40可以执行多次功率谱计算，在达到预设的积分时间t后，将功率谱积分输出，并获取一次卫星的地理位置信息(包括经纬度、高度)以及当时的时间信息，形成一帧观测数据，该帧观测数据可以为第一空间位置的观测数据，在得到足够数据时，可以利用多个第一空间位置的功率谱数据得到其他第二空间位置的功率谱数据，并对应得到第二空间位置的观测数据；
在一个示例中，如图5所示，处理模块40可以将观测数据发送到空间飞行器。
当然，以上对处理模块的处理过程的描述是示例性的，本公开实施例对处理模块根据数字天线信号得到频谱数据的计算过程、计算方式不做限定，本领域技术人员可以根据相关技术实现。
本公开实施例的空间无线电环境测控装置还可以包括其他的组件，例如，可以包括滤波器，实现对天线信号的滤波，以滤除噪声，提高测量精度。
在一个示例中，滤波器可以包括低通滤波器，以滤除高频噪声。
在一个示例中，还可以设置带通滤波器，用于抑制通带外的干扰，防止放大器饱和，当然，对于滤波器的具体实现方式，本公开实施例不做限定，本领域技术人员可以根据实际需要选择相关技术中的滤波器实现，本公开实施例对各个滤波器的通带也不做限定，本领域技术人员可以根据实际情况或需要设置。
本公开实施例通过对空间无线电环境的探测，结合卫星的空间位置和时间信息，完成空间无线电环境情况调研，绘制出全球三维无线电频谱图，在空间摆脱了电离层的影响，可以观测到在地面受电离层吸收低于30MHz的射电天文信号，该频段信号可以实现如前所述的多种科学目标；同时该项技术的实现也是为将来大规模空间低频射电天线阵列的构建提供技术支持和数据依据。
本公开实施例利用低轨卫星快速空间掠过，可以实现一次空间多点无线电的环境的覆盖测量，获取多个地点的无线电环境情况；另外由于对于某地卫星可以实现多次重复掠过，这样可以实现某点多次不同时间的无线电环境状况分析；由于电离层的阻挡，15MHz以下的空间无线电信号难以透过电离层到达电离层抵达地面，被地面天线接收，为此在空间建立小卫星观测平台，可以实现对多种15MHz以下射电天文信号的接收；目前还没有对电离层及其以上高度的全球无线电环境进行过调研，为此，进行不同轨道高度的无线电环境测量是开展大规模空间射电望远镜部署的必要准备手段；由于电离层本身有透过、泄露等情况，对于地面强15MHz以下的发射信号仍有可能透过电离层传递到轨道空间中，但是地面的强发射源分布在时空上都是极其不均匀的，为此采用卫星对上述无线电发射信号的时空分布规律进行摸排，可以为将来空间射电望远镜的观测任务划分、安排提供了很好的数据基础。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种空间无线电环境测控装置，其特征在于，所述装置设置在空间飞行器，所述装置包括：
天线模块，所述天线模块包括天线及天线匹配电路，所述天线匹配电路用于进行阻抗匹配；
增益可编程放大模块，连接于所述天线模块，用于对天线模块传来的天线信号进行增益放大，得到放大后的天线信号；
模数转换模块，连接于所述增益可编程放大模块，用于对所述放大后的天线信号进行模数转换，得到数字天线信号；
处理模块，连接于所述模数转换模块，用于：
根据各个第一空间位置的数字天线信号得到各个第一空间位置的功率谱数据，所述第一空间位置是空间飞行器在轨道上移动的任意采集信号的位置；
根据各个第一空间位置的功率谱数据、各个第一空间位置与第二空间位置的距离或各个第一空间位置之间的距离得到所述第二空间位置的功率谱数据，所述第二空间位置是第一空间位置以外的其他位置；
根据各个第一空间位置的功率谱数据及对应的位置信息、各个第二空间位置的功率谱数据及对应的位置信息、及到达各个空间位置的时间信息得到观测数据，并发送所述观测数据到所述空间飞行器。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述根据各个第一空间位置的功率谱数据、各个第一空间位置与第二空间位置的距离或各个第一空间位置之间的距离得到所述第二空间位置的功率谱数据，包括：
根据各个第一空间位置与所述第二空间位置的距离得到各个第一空间位置对应的第一权重值；
根据各个第一空间位置的功率谱数据及对应的第一权重值得到所述第二空间位置的功率谱数据。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述根据各个第一空间位置的功率谱数据、各个第一空间位置与第二空间位置的距离或各个第一空间位置之间的距离得到所述第二空间位置的功率谱数据，包括：
根据所述第二空间位置邻域中的第一空间位置与第三空间位置的距离及所述第一空间位置的影响半径确定第二权重值，其中，所述第三空间位置在根据所述影响半径确定的所述第一空间位置的影响范围之内；
根据所述第一空间位置的功率值及所述第二权重值确定所述第一空间位置的功率值在第三空间位置上的折算功率值；
根据多个所述折算功率值得到所述第二空间位置的功率谱数据。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述根据所述第二空间位置邻域中的第一空间位置与第三空间位置的距离及所述第一空间位置的影响半径确定第二权重值，包括：
根据所述第一空间位置与第三空间位置的距离的倒数与所述第一空间位置的影响半径的倒数之差的p次幂确定所述第二权重值，其中，p为整数。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述根据多个所述折算功率值得到所述第二空间位置的功率谱数据，包括：
确定各个折算功率值与对应的第二权重值的积，并求和，得到求和结果；
根据所述求和结果及多个所述第二权重值的和得到所述第二空间位置的功率谱数据。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述根据各个第一空间位置的功率谱数据、各个第一空间位置与第二空间位置的距离或各个第一空间位置之间的距离得到所述第二空间位置的功率谱数据，包括：
对与所述第二空间位置临近的多个第一空间位置的功率谱数据进行拟合，得到拟合结果；
根据所述拟合结果得到与空间位置的各个维度关联的各个回归系数；
根据各个第一空间位置的功率值、第一空间位置与第二空间位置的各个维度的参数之差、各个回归系数及第二空间位置与各个第一空间位置的距离得到所述第二空间位置的功率谱数据。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述处理模块还连接于所述增益可编程放大模块，还用于根据所述空间飞行器传来的增益调整参数对所述增益可编程放大模块进行增益调整；或
所述处理模块还用于通过生存时间TTL电平对所述增益可编程放大模块进行增益调整，
其中，对所述增益可编程放大模块进行增益调整的最小增益为20dB、最大增益为60dB、步进调整增益为1dB。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述处理模块与所述空间飞行器通过控制器局域网络CAN总线连接，以接收控制命令，所述控制命令包括频谱分辨率、积分时间、增益参数；和/或
所述处理模块与所述空间飞行器通过串行总线连接，以获取卫星地理位置信息、时间信息；和/或
所述处理模块与所述空间飞行器通过低电压差分信号LVDS总线连接，以发送所述观测数据到所述空间飞行器。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模数转换模块的转换速率大于30MSPS，转换精度为12-18bit，所述天线包括单极子天线或偶极子天线。
10.一种空间无线电环境测控系统，其特征在于，所述系统包括：
如权利要求1-9任一项所述的空间无线电环境测控装置；
空间飞行器。
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