CN113676247B - 适应深空探测的近地远地功率放大器切换方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种适应深空探测的近地远地功率放大器切换方法及系统，包括：步骤S1：根据深空探测器的下行发射系统参数和地面站接收系统参数，计算下行测控链路的余量，确定足够链路余量下的功率放大器最佳切换时机；步骤S2：在射前状态至器箭分离前，设置下行固放单1W状态；步骤S3：器箭分离后，星上综合电子分系统或数管分系统通过程控指令将固放备份加电，开启固放双1W状态，实现两条下行固放通道热备份；步骤S4：深空探测器处于近地飞行状态，根据链路需求，切换固放单9W；步骤S5：深空探测器处于远地飞行状态，根据链路需求，切换行放100W。本发明能够结合不同飞行阶段的特点优化探测器下行功率放大器的设计方案，适应深空探测的需求。

Description

适应深空探测的近地远地功率放大器切换方法及系统
技术领域
本发明涉及适应深空探测的近地远地功率放大器设计优化技术领域，具体地，涉及一种适应深空探测的近地远地功率放大器切换方法及系统。
背景技术
传统的近地卫星由于其轨道高度的限制，在近地点和远地点使用较小的发射功率均能满足地面站的信号解调需求。深空探测的飞行程序需要经历上升段、近地段和远地段，其中远地段包括脱离地球引力以后的飞行过程。采用常规的下行功率控制策略无法满足超远距离飞行的测控需求，为了兼顾近地段和远地段的特点，在不同的飞行阶段需要采取不同的下行控制措施，保证深空站对探测器下行遥测和科学数据的正确接收。而上升段器箭分离时刻卫星姿态不稳可能带来的影响和近地段星上大功率发射对深空站接收系统造成饱和等约束条件。
公开号为CN206149219U的实用新型专利，公开了一种Q频段卫星通信100W固态功率放大器链路，包括前级放大模块、驱动功率放大器模块、12路径向波导功率分配器、末级功率放大器、12路径向波导功率合成器、定向耦合器、若干隔离器及波导窗。其中波导输入口连接前级放大模块，前级放大模块对射频输入的小信号进行有限放大并进行增益调节以实现增益均衡；驱动功率放大器模块对链路前端的前级放大模块的输出信号进行放大，使其达到足够的功率电平经过12路径向波导功率分配器以推动链路的末级功率放大器实现射频信号的进一步放大；12路径向波导功率合成器将经过各末级功率放大器放大后的信号进行功率合成并通过波导窗实现射频信号输出；定向耦合器是在链路中耦合一小部分功率以实现功率检测。该实用新型中功率为固定100W功率，不涉及各种放大器和功率模式的切换。
公开号为CN207995043U的实用新型专利，公开了一种小型化KU波段8瓦卫星上行放大器，包括：中频放大电路、本振与混频电路、射频放大电路和控制模块；其中，中频放大电路包括第一滤波芯片、数控衰减器和第一放大芯片；射频放大电路包括第三滤波芯片、第二放大芯片、第四滤波芯片、第三放大芯片、隔离电路、第四放大芯片、第五滤波芯片和功率检波电路；本振与混频电路包括第二滤波芯片、混频电路、第六滤波芯片、第六放大芯片、第七滤波芯片、4倍倍频芯片、CRO电路、低通滤波芯片和锁相环电路；控制模块包括一监测和控制各个元件的单片机。该实用新型中不涉及各种放大器和功率模式的切换。
公开号为CN102457238B的发明专利，公开了一种用于双行波管放大器的功率管理系统，该双行波管放大器至少包括：两个行波管(10，24)，每一个都包括一个阳极零(13)电极；以及电子功率调节装置。该功率管理系统在所述电子功率调节装置中实现并且其特征在于，功率管理系统包括与每个行波管(10，24)相关联的功率管理装置(22)，功率管理装置被配置用于当睡眠模式被激活时设置阳极零(13)电极电压为一确定的最小值，该功率管理装置维持行波管(10，24)操作功率在低于其额定工作范围的值。该发明设计了双行波管的管理机制，不涉及卫星功率放大器切换。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种适应深空探测的近地远地功率放大器切换方法及系统。
根据本发明提供的一种适应深空探测的近地远地功率放大器切换方法及系统，所述方案如下：
第一方面，提供了一种适应深空探测的近地远地功率放大器切换方法，所述方法包括：
步骤S1：根据深空探测器的下行发射系统参数和地面站接收系统参数，计算下行测控链路的余量，确定足够链路余量下的功率放大器最佳切换时机；
步骤S2：深空探测器在射前状态至器箭分离前，设置下行固放单1W状态；
步骤S3：器箭分离后，星上综合电子分系统或数管分系统通过程控指令将固放备份加电，开启固放双1W状态，实现两条下行固放通道热备份；
步骤S4：深空探测器处于近地飞行状态，根据链路需求，切换固放单9W；
步骤S5：深空探测器处于远地飞行状态，根据链路需求，切换行放100W。
优选的，所述步骤S2中在射前状态至器箭分离前，设置下行固放单1W状态，下行通道为应答机输出信号到固态功率放大器进行信号放大，放大后的信号通过低增益发射天线发射到地球的工作模式。
优选的，所述步骤S1中计算链路余量包括：
卫星星上到天线的输出功率P与卫星发射天线净增益G的乘积为卫星有效全向辐射功率EIRP：
[EIRP]＝[P]+[G]
下行信号的载波频点为f，卫星与深空站的最大距离为R，自由空间损耗Loss：
[Loss]＝20lgf+20lgR+32.44
大气损耗La，天线指向和极化损耗L，地面天线接收增益Gr，地面实际接收的信噪比S/N：
[S/N]＝[EIRP]-[Loss]-L-La+Gr
地面站解调信号需要的信噪比S0/N0,下行测控链路余量S：
[S]＝[S/N]-[S0/N0]。
优选的，根据计算的链路余量S大于3dB的原则，确定下行通道由固放双1W切换为固放单9W和固放切换为行放的最远器地距离R1和R2，结合探测器的飞行轨迹和姿态速度，选择相应切换的时机T1和T2。
优选的，所述步骤S4中在T1时刻，探测器处于近地飞行状态，将固放双1W切换为固放单9W，满足对地通信链路需求。
优选的，所述步骤S5中在T2时刻，探测器处于远地飞行状态，关闭固放单9W，开启行放100W，满足对地通信链路需求。
第二方面，提供了一种适应深空探测的近地远地功率放大器切换系统，所述系统包括：
模块M1：根据深空探测器的下行发射系统参数和地面站接收系统参数，计算下行测控链路的余量，确定足够链路余量下的功率放大器最佳切换时机；
模块M2：深空探测器在射前状态至器箭分离前，设置下行固放单1W状态；
模块M3：器箭分离后，星上综合电子分系统或数管分系统通过程控指令将固放备份加电，开启固放双1W状态，实现两条下行固放通道热备份；
模块M4：深空探测器处于近地飞行状态，根据链路需求，切换固放单9W；
模块M5：深空探测器处于远地飞行状态，根据链路需求，切换行放100W。
优选的，所述模块M2中在射前状态至器箭分离前，设置下行固放单1W状态，下行通道为应答机输出信号到固态功率放大器进行信号放大，放大后的信号通过低增益发射天线发射到地球的工作模式。
优选的，所述模块M1中计算链路余量包括：
卫星星上到天线的输出功率P与卫星发射天线净增益G的乘积为卫星有效全向辐射功率EIRP：
[EIRP]＝[P]+[G]
下行信号的载波频点为f，卫星与深空站的最大距离为R，自由空间损耗Loss：
[Loss]＝20lgf+20lgR+32.44
大气损耗La，天线指向和极化损耗L，地面天线接收增益Gr，地面实际接收的信噪比S/N：
[S/N]＝[EIRP]-[Loss]-L-La+Gr
地面站解调信号需要的信噪比S0/N0,下行测控链路余量S：
[S]＝[S/N]-[S0/N0]。
优选的，根据计算的链路余量S大于3dB的原则，确定下行通道由固放双1W切换为固放单9W和固放切换为行放的最远器地距离R1和R2，结合探测器的飞行轨迹和姿态速度，选择相应切换的时机T1和T2。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、发射至器箭分离前，固放双1W全向发射会导致中间干涉区位置处的发射EIRP急剧下降，为保证接收信号效能，此时工作在固放单1W模式下；
2、在上升段器箭分离时刻，卫星姿态无法保证，工作在固放双1W模式下，实现信号对天对地全向发射，保证下行通道的安全性；
3、在近地状态和远地状态，卫星保持巡航姿态，适时切换固放和行放，弥补长时间飞行带来的空间衰减，保持深空站接收信号的稳定性。
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为探测器下行信号发射系统图；
图2为探测器不同飞行阶段的功率控制设计流程图。
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。
本发明实施例提供了一种适应深空探测的近地远地功率放大器切换方法，深空探测器从主动段、入轨、转移段以及环绕等过程中，器上下行通道分别经历发射前固放单1W状态、器箭分离时刻程控切换固放双1W状态、T1时刻进行固放单9W状态和T2时刻进行行放100W状态。本实施例中固放共有A、B机，主备份关系，每个输出功率有1W和9W两种模式，单1W意思是固放A输出功率1W；双1W为固放A和固放B输出各1W。
参照图1所示，探测器的下行发射系统应答机发射端输出信号，经微波开关选择固放或者行放通道，经过功率放大后由开关选择输出至发射天线系统。其中固放分为1W和9W两档，行放为100W。本实施例中固放为固态功率放大器的简称；行放为行波管放大器的简称。参照图1和2所示，具体步骤如下：
步骤S1：根据深空探测器的下行发射系统参数和地面站接收系统参数，计算下行测控链路的余量；
根据星上和地面站的信息接口约定，确定足够链路余量下的功率放大器最佳切换时机：
计算链路余量包括：
卫星星上到天线的输出功率P与卫星发射天线净增益G的乘积为卫星有效全向辐射功率EIRP：
[EIRP]＝[P]+[G]
下行信号的载波频点为f，卫星与深空站的最大距离为R，自由空间损耗Loss：
[Loss]＝20lgf+20lgR+32.44
大气损耗La，天线指向和极化损耗L，地面天线接收增益Gr，地面实际接收的信噪比S/N：
[S/N]＝[EIRP]-[Loss]-L-La+Gr
地面站解调信号需要的信噪比S0/N0,下行测控链路余量S：
[S]＝[S/N]-[S0/N0]。
根据计算的链路余量S大于3dB的原则，确定下行通道由固放双1W切换为固放单9W和固放切换为行放的最远器地距离R1和R2，结合探测器的飞行轨迹和姿态速度，选择相应切换的时机T1(器地距离R1的时刻)和T2(器地距离R2的时刻)。
参照图2所示，根据不同的飞行阶段，星上下行发射系统采用相对应的功率放大器使用方案。
在射前状态至器箭分离前，设置下行固放单1W状态，下行通道为应答机输出信号到固态功率放大器进行信号放大，放大后的信号通过低增益发射天线发射到地球。
步骤S3：器箭分离后，星上综合电子分系统或数管分系统通过程控指令将固放备份加电，开启固放双1W状态，形成下行全向覆盖；
步骤S4：在T1时刻，深空探测器处于近地飞行状态，根据链路需求，将固放双1W切换为固放单9W；
步骤S5：在T2时刻，深空探测器处于远地飞行状态，根据链路需求，关闭固放单9W，开启行放100W。
本发明还提供了一种适应深空探测的近地远地功率放大器切换系统，该系统具体包括：
模块M1：根据深空探测器的下行发射系统参数和地面站接收系统参数，计算下行测控链路的余量，确定足够链路余量下的功率放大器最佳切换时机；
模块M2：深空探测器在射前状态至器箭分离前，设置下行固放单1W状态；
模块M3：器箭分离后，星上综合电子分系统或数管分系统通过程控指令将固放备份加电，开启固放双1W状态，实现两条下行固放通道热备份；
模块M4：深空探测器处于近地飞行状态，根据链路需求，切换固放单9W；
模块M5：深空探测器处于远地飞行状态，根据链路需求，切换行放100W。
在模块M1中，计算链路余量包括：
卫星星上到天线的输出功率P与卫星发射天线净增益G的乘积为卫星有效全向辐射功率EIRP：
[EIRP]＝[P]+[G]
下行信号的载波频点为f，卫星与深空站的最大距离为R，自由空间损耗Loss：
[Loss]＝20lgf+20lgR+32.44
大气损耗La，天线指向和极化损耗L，地面天线接收增益Gr，地面实际接收的信噪比S/N：
[S/N]＝[EIRP]-[Loss]-L-La+Gr
地面站解调信号需要的信噪比S0/N0,下行测控链路余量S：
[S]＝[S/N]-[S0/N0]。
根据计算的链路余量S大于3dB的原则，确定下行通道由固放双1W切换为固放单9W和固放切换为行放的最远器地距离R1和R2，结合探测器的飞行轨迹和姿态速度，选择相应切换的时机T1和T2。
在模块M2中，在射前状态至器箭分离前，设置下行固放单1W状态，下行通道为应答机+固放+对地低增益发射天线的工作模式。
本发明整体工作原理：
本发明提出的一种适应深空探测的近地远地功率放大器切换方法及系统主要为了深空大动态超远距离下的下行链路通信需求。
如图1、图2所示，在射前状态至器箭分离前，设置下行固放单1W状态，下行通道为应答机输出信道到固态功率放大器进行信号放大，放大后的信号通过低增益发射天线发射到地球。
器箭分离后，星上综合电子分系统或数管分系统通过程控指令将固放备份加电，开启固放双1W状态，形成下行对地全向覆盖；
深空探测器处于近地飞行状态，根据链路需求，在固放1W下行链路无法满足通信链路前，将固放双1W切换为固放单9W；
深空探测器处于远地飞行状态，根据链路需求，固放9W下行链路无法满足通信链路前，关闭固放单9W，开启行放100W。
本发明实施例提供了一种适应深空探测的近地远地功率放大器切换方法及系统，结合不同飞行阶段的特点优化了探测器下行功率放大器的设计方案，能够适应深空探测的需求。发射至器箭分离前，固放双1W全向发射会导致中间干涉区位置处的发射EIRP急剧下降，为保证接收信号效能，此时工作在固放单1W模式下；在上升段器箭分离时刻，卫星姿态无法保证，工作在固放双1W模式下，实现信号对天对地全向发射，保证下行通道的安全性；在近地状态和远地状态，卫星保持巡航姿态，适时切换固放和行放，弥补长时间飞行带来的空间衰减，保持深空站接收信号的稳定性。
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)

1.一种适应深空探测的近地远地功率放大器切换方法，其特征在于，包括：
步骤S1：根据深空探测器的下行发射系统参数和地面站接收系统参数，计算下行测控链路的余量，确定足够链路余量下的功率放大器最佳切换时机；
步骤S2：深空探测器在射前状态至器箭分离前，设置下行固放单1W状态；
步骤S3：器箭分离后，星上综合电子分系统或数管分系统通过程控指令将固放备份加电，开启固放双1W状态，实现两条下行固放通道热备份；
步骤S4：深空探测器处于近地飞行状态，根据链路需求，切换为固放单9W；
步骤S5：深空探测器处于远地飞行状态，根据链路需求，切换为行放100W；
其中，固放共有A、B机，主备份关系，每个输出功率有1W和9W两种模式，固放单1W为固放A输出功率1W；固放双1W为固放A和固放B输出功率各1W。
2.根据权利要求1所述的适应深空探测的近地远地功率放大器切换方法，其特征在于，所述步骤S2中在射前状态至器箭分离前，设置下行固放单1W状态，下行通道为应答机+固放+对地低增益发射天线的工作模式。
3.根据权利要求1所述的适应深空探测的近地远地功率放大器切换方法，其特征在于，所述步骤S1中计算链路余量包括：
卫星星上到天线的输出功率P与卫星发射天线净增益G的乘积为卫星有效全向辐射功率EIRP：
[EIRP]＝[P]+[G]
下行信号的载波频点为f，卫星与深空站的最大距离为R，自由空间损耗Loss：
[Loss]＝20lgf+20lgR+32.44
大气损耗La，天线指向和极化损耗L，地面天线接收增益Gr，地面实际接收的信噪比S/N：
[S/N]＝[EIRP]-[Loss]-L-La+Gr
地面站解调信号需要的信噪比S0/N0,下行测控链路余量S：
[S]＝[S/N]-[S0/N0]。
4.根据权利要求3所述的适应深空探测的近地远地功率放大器切换方法，其特征在于，根据计算的链路余量S大于3dB的原则，确定下行通道由固放双1W切换为固放单9W和固放切换为行放100W的最远器地距离R1和R2，结合探测器的飞行轨迹和姿态速度，选择相应切换的时机T1和T2。
5.根据权利要求4所述的适应深空探测的近地远地功率放大器切换方法，其特征在于，所述步骤S4中在T1时刻，探测器处于近地飞行状态，将固放双1W切换为固放单9W，满足对地通信链路需求。
6.根据权利要求4所述的适应深空探测的近地远地功率放大器切换方法，其特征在于，所述步骤S5中在T2时刻，探测器处于远地飞行状态，关闭固放单9W，开启行放100W，满足对地通信链路需求。
7.一种适应深空探测的近地远地功率放大器切换系统，其特征在于，包括：
模块M1：根据深空探测器的下行发射系统参数和地面站接收系统参数，计算下行测控链路的余量，确定足够链路余量下的功率放大器最佳切换时机；
模块M2：深空探测器在射前状态至器箭分离前，设置下行固放单1W状态；
模块M3：器箭分离后，星上综合电子分系统或数管分系统通过程控指令将固放备份加电，开启固放双1W状态，实现两条下行固放通道热备份；
模块M4：深空探测器处于近地飞行状态，根据链路需求，切换为固放单9W；
模块M5：深空探测器处于远地飞行状态，根据链路需求，切换为行放100W；
其中，固放共有A、B机，主备份关系，每个输出功率有1W和9W两种模式，固放单1W为固放A输出功率1W；固放双1W为固放A和固放B输出功率各1W。
8.根据权利要求7所述的适应深空探测的近地远地功率放大器切换系统，其特征在于，所述模块M2中在射前状态至器箭分离前，设置下行固放单1W状态，下行通道为应答机输出信号到固态功率放大器进行信号放大，放大后的信号通过低增益发射天线发射到地球的工作模式。
9.根据权利要求7所述的适应深空探测的近地远地功率放大器切换系统，其特征在于，所述模块M1中计算链路余量包括：
卫星星上到天线的输出功率P与卫星发射天线净增益G的乘积为卫星有效全向辐射功率EIRP：
[EIRP]＝[P]+[G]
下行信号的载波频点为f，卫星与深空站的最大距离为R，自由空间损耗Loss：
[Loss]＝20lgf+20lgR+32.44
大气损耗La，天线指向和极化损耗L，地面天线接收增益Gr，地面实际接收的信噪比S/N：
[S/N]＝[EIRP]-[Loss]-L-La+Gr
地面站解调信号需要的信噪比S0/N0,下行测控链路余量S：
[S]＝[S/N]-[S0/N0]。
10.根据权利要求9所述的适应深空探测的近地远地功率放大器切换系统，其特征在于，根据计算的链路余量S大于3dB的原则，确定下行通道由固放双1W切换为固放单9W和固放切换为行放的最远器地距离R1和R2，结合探测器的飞行轨迹和姿态速度，选择相应切换的时机T1和T2。
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