CN114050859B - 基于感知接入模式的全空域测控系统 - Google Patents

基于感知接入模式的全空域测控系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开的基于感知接入模式的全空域测控系统，可以实现空天目标灵活接入测控通信网络。本发明通过下述技术方案实现：阵列天线及射频分系统完成目标信号不间断全空域搜索，将合成后的信号送至信号检测识别分系统和基带分系统；信号检测识别分系统完成目标信号快速检测；监控分系统协同各整机工作，依据信号检测结果实现全空域多目标快速定位，下发波束分配指令至阵列天线及射频分系统，形成扫描波束、识别波束、跟踪波束；信号检测识别分系统完成信号参数估计，上报监控分系统；监控分系统下发信号参数至基带分系统；基带分系统完成目标信号解调；监控分系统根据解调后的测控数据，对合法用户分配业务资源，实现全空域多目标感知接入测控系统。

Description

基于感知接入模式的全空域测控系统
技术领域
本发明涉及一种航天测控通信领域，具备全空域快速检测定位、空天动态多目标灵活接入能力的全空域测控系统。
背景技术
借鉴地面移动通信思想，NASA空间通信与导航(SpaceCommunicationsandNavigations，SCaN)制定了2025年及以后的下一代近地通信与导航架构，提供距地球2M公里以内的通信与导航服务，即空间移动网络(SpaceMobileNetwork，SMN)。SMN利用地面移动无线网技术，将航天器通信从静态的、预先计划的通信方法向动态、任务驱动、面向服务的基于网络的通信方法转变，实现网络用户拥有类似于地球移动无线智能手机用户的服务体验。其中涉及到的用户发起服务(UIS)是一种新型调度服务，允许任务航天器直接通过一种自动化资源分配系统发起资产分配请求；航天器不仅可以请求服务时间窗口，还可以请求定制带宽，从而提高网络和系统的效能；航天器通过信令通道和数据通道进行UIS握手完成服务获取。
随着低轨卫星星座的发展，空间操控管理对象急剧增多，对传统的计划接入测控模式产生巨大压力，传统的计划测控手段已无法适应未来航天系统的测控需求。暴露出工作效率低、实时性不强、故障发现和应急抢救不及时等方面的问题，严重影响到网络的运行效率。为了减轻测控中心及各测控站的人力、物力的运营管理成本，提升天地一体化测控通信网络的运行效率，测控通信系统需具备自主随遇接入功能，建立一种适应大航天时代的灵活接入模式，以提升测控通信网络运行效率。
近几年我国积极开展了空天飞行器快速接入技术相关研究。一种方式是控制信道接入模式，即借鉴地面蜂窝移动通信思想，空天目标与接入节点之间在业务信道的基础上，额外建立一种低码率、同时全空域覆盖的专用控制信道，使航天器始终处于网络在线状态；这种接入模式需额外设计控制信道体制，且空天目标应搭载专用的接入应答机。另一种方式是感知接入模式，即接入节点通过搜索、识别、跟踪方式接入目标；这种接入模式与控制信道接入模式相比，不改变现有测控通信体制，空天目标无需作任何改动，只需接入节点做适应性改造。
发明内容
本发明的目的是针对大航天时代灵活接入、天地协同任务驱动、突发事件快速响应等需求，提出一种具备全空域快速检测定位能力、空天动态目标灵活接入能力，基于感知接入模式的全空域测控系统，以实现空天目标高效率灵活接入测控通信网络。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种基于感知接入模式的全空域测控系统，包括：阵列天线及射频分系统、信号检测识别分系统、基带分系统和监控分系统，其特征在于：阵列天线及射频分系统通过天线子系统、波控子系统和DBF子系统完成信号滤波、放大、AD/DA转换、变频及波束形成，形成搜索波束，完成空天目标信号不间断全空域搜索，形成全空域无缝覆盖，将波束合成后的信号送至信号检测识别分系统和基带分系统；信号检测识别分系统完成空天动态目标信号的检测，将信号检测结果上报至监控分系统；监控分系统监控各分系统的状态信息，协同各整机工作，依据信号检测识别分系统上报的检测结果及波控子系统提供的状态信息，实现全空域多目标快速定位，下发波束分配指令给波控子系统，通过波控子系统下发波控参数到DBF子系统，控制天线及射频分系统形成扫描波束、识别波束、跟踪波束；信号检测识别分系统完成测控/数传信号调制方式、频点、扩频码序列、符号速率和编码方式的参数估计，上报监控分系统，监控分系统将信号检测识别分系统上报的信号参数下发至基带分系统；基带分系统加载工作参数，基于DBF子系统输送的数字中频信号完成空天目标信号的解调，以解调码流的方式送入信号识别检测分系统；监控分系统根据基带分系统上报的测控数据，对合法用户分配业务资源，基于感知接入模式，多信道协作实时感知频谱信息，进行测控服务，实现全空域多目标感知接入测控系统。
本发明相比于现有的全空域测控系统具有以下有益效果：
本发明通过阵列天线与射频分系统、信号检测识别分系统、监控分系统等各整机协同工作，利用搜索波束，形成全空域无缝覆盖，完成空天目标信号不间断全空域搜索，利用信号检测与识别分系统完成空天目标信号实时检测，监控分系统基于实时检测值进行多目标定位，实现全空域快速检测定位功能。具备全空域快速检测定位能力。
本发明针对大航天时代灵活接入、天地协同任务驱动、突发事件快速响应等需求，通过监控分系统监控各分系统的状态信息，协同各整机工作，依据信号检测识别分系统上报的检测结果及波控子系统提供的状态信息，实现全空域多目标快速定位，基于感知接入模式，设计全空域测控系统，通过识别波束与跟踪波束相互配合，实现空天动态目标信号参数估计，全空域测控系统完成对空天目标信号接收解调，获取卫星ID，进行身份鉴权，同时全空域测控系统对合法用户分配业务资源，进行测控服务，完成目标快速接入。具备空天动态目标灵活接入能力。
本发明可应用于空天信息系统，适用于相控阵测控通信设备，具备全空域快速检测定位、空天动态目标灵活接入能力的全空域测控系统。
附图说明
图1是本发明基于感知接入模式的全空域测控系统组成示意图。
图2是图1的跟踪流程和识别流程示意图。
图3是本发明全空域波束搜索图案的俯视图。
图4是图3的跟踪波束图案示意图。
图5是本发明的跟踪流程示意图。
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述示意性优选实施例中，一种基于感知接入模式的全空域测控系统，包括：阵列天线及射频分系统、信号检测识别分系统、基带分系统和监控分系统，其特征在于：阵列天线及射频分系统通过天线子系统、波控子系统和DBF子系统完成信号滤波、放大、AD/DA转换、变频及波束形成，形成搜索波束，完成空天目标信号不间断全空域搜索，形成全空域无缝覆盖，将波束合成后的信号送至信号检测识别分系统和基带分系统；信号检测识别分系统完成空天动态目标信号的检测，将信号检测结果上报至监控分系统；监控分系统监控各分系统的状态信息，协同各整机工作，依据信号检测识别分系统上报的检测结果及波控子系统提供的状态信息，实现全空域多目标快速定位，下发波束分配指令给波控子系统，通过波控子系统下发波控参数到DBF子系统，控制天线及射频分系统形成扫描波束、识别波束、跟踪波束；信号检测识别分系统完成测控/数传信号调制方式、频点、扩频码序列、符号速率和编码方式的参数估计，上报监控分系统，监控分系统将信号检测识别分系统上报的信号参数下发至基带分系统；基带分系统加载工作参数，基于DBF子系统输送的数字中频信号完成空天目标信号的解调，以解调码流的方式送入信号识别检测分系统；监控分系统根据基带分系统上报的测控数据，对合法用户分配业务资源，基于感知接入模式，多信道协作实时感知频谱信息，进行测控服务，实现全空域多目标感知接入测控系统。
参阅图2。监控分系统根据预先存储的全空域波束搜索图案，调用搜索波束资源，向波控子系统发送波束空域搜索指令，基于全空域波束搜索图案，定期向波控子系统发送搜索波束指向命令，波控子系统基于波束空域搜索指令，启动搜索波束，根据搜索波束指向命令，定时计算搜索波束DBF权值，并发送至DBF子系统。
DBF子系统利用波控子系统下发的搜索波束DBF权值，合成搜索波束，并将合成后的信号发送给信号检测识别分系统；信号检测识别分系统接收合成后的信号，首先进行信号检测，判断是否有发现目标，若检测到目标，生成包括目标有无、信号电平，以及波束位置信息的发现目标标识，并发送至监控分系统，若未检测到目标，则持续进行信号检测。
监控分系统基于信号电平、波束位置信息等特征量，判断是否为待识别的新接入目标信号，若为接入新目标，则调用识别波束资源，基于波束位置信息，向波控子系统发送识别波束指向命令，若为已识别目标，则不做任何操作。然后判断是否有波束资源剩余，否则显示资源不足警告，是则根据当前波位，发送识别波束指向命令，波控子系统基于识别波束指向命令，生成识别波束的DBF权值，合成识别波束，并将合成后的信号一路发送给信号检测识别分系统，另一路发送给基带分系统，监控分系统根据判断得到有波束资源剩余后，向信号检测识别分系统发送开始识别指令，信号检测识别分系统接收监控分系统下发的开始识别指令，对识别波束信号进行体制分类及特征参数估计。
鉴于扩频信号识别时间较长，动态接入目标很可能在识别完成之前，已离开识别波束覆盖范围，因此在识别过程中，利用跟踪波束配合识别波束，完成目标信号参数估计。监控分系统按照跟踪图案，定时计算跟踪波束指向，向波控子系统发送跟踪波束指向命令，波控子系统基于跟踪波束指向命令生成跟踪波束的DBF权值，DBF子系统合成跟踪波束，并将合成后的信号发送给信号检测识别分系统，检测跟踪波束信号电平，并将跟踪波束信号电平发送给监控分系统，基于跟踪算法计算识别波束指向，然后，判断是否更新识别波束指向，是则，发送识别波束指向指令，更新波控子系统识别波束指向，指令DBF子系统合成跟踪波束，否则判断是否识别是否完成，是则，退出跟踪释放当前的跟踪波束和识别波束，否则，继续按照跟踪图案，发送跟踪波束指向指令。
检测识别分系统对识别波束信号进行体制分类及特征参数识别，判断识别是否完成，是则，监控分系统获取识别结果，基于识别结果装订基带信号工作参数，向基带分系统下发任务参数宏；基带分系统配置任务参数，完成识别波束信号的接收解调，获取目标下发的测控数据并上传至监控分系统。
监控分系统接收测控数据，对获取目标标识号进行身份认证，判断是否是合法目标，若为合法目标，则调用业务波束资源，向波控子系统发送业务波束指向命令，同时向波控子系统发送释放识别波束及释放跟踪波束指令，若为非法目标，则直接向波控子系统发送释放识别波束及释放跟踪波束指令，波控子系统释放识别波束和跟踪波束。
DBF子系统计算业务波束的DBF权值，合成业务波束，并将合成后的信号发送给基带分系统，基带分系统接收解调信号，全空域测控系统进入业务工作模式，完成接入，否则不做处理。
参阅图3。监控分系统预先存储的全空域波束搜索图案，满足以下设计：在该设计中可以有68个波位，用于实现对全空域动目标俯仰角15°～90°无缝覆盖，自天顶往下，可以分为6圈次，若波束个数为6个，则需要11次检测，即可完成全空域扫描。其中，天顶1个波位，波束指向俯仰角90°，天顶最低覆盖俯仰角78°；第二圈7个波位，波束指向俯仰角70.1°，第二圈最低覆盖俯仰角64.3°；第三圈12个波位，波束指向俯仰角58.2°，第三圈最低覆盖俯仰角50.3°；第四圈14个波位，波束指向俯仰角44.8°，第四圈最低覆盖俯仰角38.0°；第五圈16个波位，波束指向俯仰角33.3°，第五圈最低覆盖俯仰角26.6°；第六圈18个波位，波束指向俯仰角20.9°，第六圈最低覆盖俯仰角13.8°。
参阅图4。鉴于扩频信号识别时间较长，动态接入目标很可能在识别完成之前，已离开识别波束覆盖范围，因此在识别过程中，全空域测控系统利用跟踪波束配合识别波束，完成目标信号参数估计。监控分系统根据跟踪图案，定时计算跟踪波束指向，向波控子系统发送跟踪波束指向命令，其中跟踪图案满足图4设计结果，即跟踪图案采用等效为一个28度圆波束的覆盖范围的3个波位覆盖俯仰角76度以上范围，并且交叠区范围有12度，各波位方位角和俯仰角指向分别为(0°,84°)、(120°,84°)和(240°,84°)，计算目标方向对上述波位进行旋转，定时更新3个跟踪波位指向。
参阅图5。跟踪过程采用采样+并行检测的方式实现目标的跟踪，整个跟踪流程包括以下步骤：
启动跟踪：由监控分系统发起，并以全空域检测阶段对目标方位角、俯仰角的估计结果作为跟踪初始值，发起跟踪流程；
监控分系统根据目标方向计算跟踪波位指向和跟踪初始值，将跟踪波束的指向0,84、120,84和240,84波位旋转到以目标为中心的方向，调用跟踪波束先后指向各跟踪波位并分别进行采样，向波控子系统发送跟踪波束指向命令，控制跟踪波束对准设计方向，并将完成的采样数据送到基带分系统；
信号检测识别分系统利用各跟踪波位数据进行并行检测：根据采集数据完成并行检测，将检测结果发送到监控分系统，根据检测量的大小判断目标运动方向，若波位1、波位2和波位3对应的检测量大小关系为大、大、小，则判定目标往天顶方向运动，若波位1、波位2和波位3对应的检测量大小关系为大、小、小，则判定目标往往与天顶方向顺时针夹角60度方向运动，若波位1、波位2和波位3对应的检测量大小关系为大、小、大，则判定目标往往与天顶方向顺时针夹角120度方向运动，若波位1、波位2和波位3对应的检测量大小关系为小、小、大，则判定目标往往与天顶方向顺时针夹角180度方向运动，若波位1、波位2和波位3对应的检测量大小关系为小、大、大，则判定目标往与天顶方向顺时针夹角240度方向运动，若波位1、波位2和波位3对应的检测量大小关系为小、大、小，，则判定目标往与天顶方向顺时针夹角300度方向运动。
监控分系统计算目标运动的最大步进：
Figure GDA0004135397100000061
用目标运动的最大步进和目标运动方向计算目标方位角俯仰角，在对目标的方位角和俯仰角进行更新之后，实现对目标的实时跟踪，
式中，μ为开普勒常数，r为地球半径，
Figure GDA0004135397100000062
为俯仰角，h为轨道高度，τ为数据采集和处理时间。
以上结合附图对本发明进行了详细描述，但需要指出的是，上述实例所描述的是仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，比如可以结合具体的实现改变处理流程和处理顺序、可以选设识别过程中的不同参数来实现本发明的技术方法、可根据实际情况选择机箱预留槽位。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种基于感知接入模式的全空域测控系统，包括：阵列天线及射频分系统、信号检测识别分系统、基带分系统和监控分系统，其特征在于：阵列天线及射频分系统通过天线子系统、波控子系统和DBF子系统完成信号滤波、放大、AD/DA转换、变频及波束形成，形成搜索波束，完成空天目标信号不间断全空域搜索，形成全空域无缝覆盖，将波束合成后的信号送至信号检测识别分系统和基带分系统；信号检测识别分系统完成空天动态目标信号的检测，将信号检测结果上报至监控分系统；监控分系统监控各分系统的状态信息，协同各整机工作，依据信号检测识别分系统上报的检测结果及波控子系统提供的状态信息，实现全空域多目标快速定位，下发波束分配指令给波控子系统，通过波控子系统下发波控参数到DBF子系统，控制天线及射频分系统形成扫描波束、识别波束、跟踪波束；信号检测识别分系统完成测控/数传信号调制方式、频点、扩频码序列、符号速率和编码方式的参数估计，上报监控分系统，监控分系统将信号检测识别分系统上报的信号参数下发至基带分系统；基带分系统加载工作参数，基于DBF子系统输送的数字中频信号完成空天目标信号的解调，以解调码流的方式送入信号识别检测分系统；监控分系统根据基带分系统上报的测控数据，对合法用户分配业务资源，基于感知接入模式，多信道协作实时感知频谱信息，进行测控服务，实现全空域多目标感知接入测控系统；
监控分系统根据预先存储的全空域波束搜索图案，调用搜索波束资源，向波控子系统发送波束空域搜索指令，基于全空域波束搜索图案，定期向波控子系统发送搜索波束指向命令，波控子系统基于波束空域搜索指令，启动搜索波束，根据搜索波束指向命令，定时计算搜索波束DBF权值，并发送至DBF子系统；
DBF子系统利用波控子系统下发的搜索波束DBF权值，合成搜索波束，并将合成后的信号发送给信号检测识别分系统；信号检测识别分系统接收合成后的信号，首先进行信号检测，判断是否有发现目标，若检测到目标，生成包括目标有无、信号电平，以及波束位置信息的发现目标标识，并发送至监控分系统，若未检测到目标，则持续进行信号检测；
监控分系统基于信号电平、波束位置信息特征量，判断是否为待识别的新接入目标信号，若为接入新目标，则调用识别波束资源，基于波束位置信息，向波控子系统发送识别波束指向命令，若为已识别目标，则不做任何操作，然后判断是否有波束资源剩余，否则显示资源不足警告，是则根据当前波位，发送识别波束指向命令，波控子系统基于识别波束指向命令，生成识别波束的DBF权值，合成识别波束，并将合成后的信号一路发送给信号检测识别分系统；
监控分系统根据判断得到有波束资源剩余后，向信号检测识别分系统发送开始识别指令，信号检测识别分系统接收监控分系统下发的开始识别指令，对识别波束信号进行体制分类及特征参数估计；
监控分系统按照跟踪图案，定时计算跟踪波束指向，向波控子系统发送跟踪波束指向命令，波控子系统基于跟踪波束指向命令生成跟踪波束的DBF权值，DBF子系统合成跟踪波束，将合成后的信号发送给信号检测识别分系统，检测跟踪波束信号电平，并将跟踪波束信号电平发送给监控分系统，基于跟踪算法计算识别波束指向，然后，判断是否更新识别波束指向，是则，发送识别波束指向指令，更新波控子系统识别波束指向，指令DBF子系统合成跟踪波束，否则判断识别是否完成，是则，退出跟踪，释放当前的跟踪波束和识别波束，否则，继续按照跟踪图案，发送跟踪波束指向指令；
监控分系统以全空域检测阶段对目标方位角、俯仰角的估计结果作为跟踪初始值，发起跟踪流程；根据目标方向计算跟踪波位指向和跟踪初始值，将跟踪波束的指向(0°,84°)、(120°,84°)和(240°,84°)波位旋转到以目标为中心的方向，调用跟踪波束先后指向各跟踪波位并分别进行采样，向波控子系统发送跟踪波束指向命令，控制跟踪波束对准设计方向，并将完成的采样数据送到基带分系统；信号检测识别分系统利用各跟踪波位数据进行并行检测：根据采集数据完成并行检测，将检测结果发送到监控分系统，根据检测量的大小判断目标运动方向，若波位1、波位2和波位3对应的检测量大小关系为大、大、小，则判定目标往天顶方向运动，若波位1、波位2和波位3对应的检测量大小关系为大、小、小，则判定目标往往与天顶方向顺时针夹角60度方向运动，若波位1、波位2和波位3对应的检测量大小关系为大、小、大，则判定目标往往与天顶方向顺时针夹角120度方向运动，若波位1、波位2和波位3对应的检测量大小关系为小、小、大，则判定目标往往与天顶方向顺时针夹角180度方向运动，若波位1、波位2和波位3对应的检测量大小关系为小、大、大，则判定目标往与天顶方向顺时针夹角240度方向运动，若波位1、波位2和波位3对应的检测量大小关系为小、大、小，则判定目标往与天顶方向顺时针夹角300度方向运动，监控分系统计算目标运动的最大步进：
Figure QLYQS_1
用目标运动的最大步进和目标运动方向计算目标方位角俯仰角，在对目标的方位角和俯仰角进行更新之后，实现对目标的实时跟踪，式中，μ为开普勒常数，r为地球半径，
Figure QLYQS_2
为俯仰角，h为轨道高度，τ为数据采集和处理时间；
检测识别分系统对识别波束信号进行体制分类及特征参数识别，判断识别是否完成，是则，监控分系统获取识别结果，基于识别结果装订基带信号工作参数，向基带分系统下发任务参数宏；基带分系统配置任务参数，完成识别波束信号的接收解调，获取目标下发的测控数据并上传至监控分系统；监控分系统接收测控数据，对获取目标标识号进行身份认证，判断是否是合法目标，若为合法目标，则调用业务波束资源，向波控子系统发送业务波束指向命令，同时向波控子系统发送释放识别波束及释放跟踪波束指令，若为非法目标，则直接向波控子系统发送释放识别波束及释放跟踪波束指令，波控子系统释放识别波束和跟踪波束。
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