CN114710192B - 一种应用于低轨卫星上的星载天海中继通信系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于低轨卫星上的星载天海中继通信系统及方法，所述系统包括：相控阵天线单元、接收放大单元、发射放大单元、零中频解调电路、信号处理单元、电源变换单元和遥控遥测单元。当未接收到海面通信系统发送的QPSK调制信号时，系统处于初始发送模式：接收卫星的星历数据，并将星历数据调制在指定频率的载波上，码速率512kbps，经放大后发送到海面；当接收到海面通信系统发送的QPSK调制信号时，系统处于高码率发送模式：接收海面通信系统发送的QPSK调制信号，码速率8Mbps，经解调后，一路调制到指定频率的载波上发送到地面，另一路则输出到卫星平台载荷数据管理器，由卫星发送到地面。本发明实现了完成海上浮标‑卫星‑船端链路8Mbps数据实时传输任务。
Description
技术领域
本发明涉及卫星中继通信领域，特别涉及一种应用于低轨卫星上的星载天海中继通信系统及方法。
背景技术
目前在海洋研究领域，通信卫星网络能为深远海的海洋观测浮标与岸基站/船基站之间提供实时数据通信。美国铱星系统(Iridium Satellite)、法国Argos系统等低轨通信卫星网络最大能实现128kb/s的双向数据传输；我国天通一号通信卫星网络能够实现384kb/s速率的数据通信，但是数据率均未超过1Mb/s。随着海洋水下载荷获取的数据量不断增加，水面通信浮标到船基或岸基数据中心间需要实现高数据传输速率链路。
发明内容
本发明研制了一台应用于低轨卫星上的天海中继通信系统，用于实现海面到船端间高速率中继通信，实现了海面浮标端与岸基站之间高速率的可靠通信。为了实现海面浮标端与岸基站之间高速率的可靠通信，研制了一种天海中继通信系统及方法，搭载在低轨卫星上，用于验证海面到船端间高速率中继通信链路试验，实现水面到数据中心间8Mb/s速率的数据通信链路。本发明完成了天海中继通信的系统方案设计和功能实现。
本发明的目的在于，克服海洋观测浮标与岸基站/船基站之间提供实时数据通信传播速率小的问题，从而提供一种应用于低轨卫星上的天海中继通信系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案所提供的应用于低轨卫星上的天海中继通信系统，所述系统包括：相控阵天线单元、接收放大单元、零中频解调电路、信号处理单元、发射放大单元、电源变换单元和遥控遥测单元；
所述相控阵天线单元，用于接收和发射L波段的QPSK调制信号；
所述接收放大单元，由至少10路以上波束控制器件和低噪声放大器组成，用于放大合成接收的海面射频信号，输出到零中频解调电路；
所述零中频解调电路，用于接收海上浮标端发送的信号，进行信号捕获、跟踪、解调后输出基带数据信号数据；
所述信号处理单元，用于对接收到的信号完成解调后输出基带数据信息，同时实现将解调的数据信号调制到下行发射载波频率上，输出到所述发射放大单元；
所述发射放大单元，包括滤波器和功率放大器，用于放大所述信号处理单元输送的QPSK调制信号，输出到发射天线阵子单元；
所述电源变换单元，用于对来自卫星的输入电压进行转换，以支持所述系统中各单元工作；
所述遥控遥测单元，用于将测量的电流电压参数发射给卫星，以监测设备功能是否正常工作；
所述系统通电后，当所述相控阵天线单元未接收到海面通信系统发送的QPSK调制信号时，所述系统处于初始发送模式：所述信号处理单元接收卫星的星历数据，并通过所述信号处理单元将星历数据调制在指定频率的载波上，经所述接收放大单元放大后由所述相控阵天线单元发送到海面；当所述相控阵天线单元接收到海面通信系统发送的QPSK调制信号时，所述系统切换到高码率发送模式：接收到的海面通信系统发送的QPSK调制信号经所述零中频解调电路解调后，一路经所述信号处理单元重新调制到指定频率的载波上发送到地面，另一路则输出到卫星平台载荷数据管理器，由卫星X波段数传通道发送到地面。
作为上述技术方案的一种改进，所述系统整体结构为一体化结构，采用层叠方式装配；相控阵天线单元和接收放大单元在最上层，滤波器组件在中间层；零中频调解电路、信号处理单元、发射放大单元、遥控遥测单元和电源变换单元放置在最下层；三层结构采用紧固件对接连接；最下层与卫星舱板紧密安装。
作为上述技术方案的又一种改进，所述电源变换单元的电路包括：熔断器、浪涌抑制器、滤波器、DC/DC转换器；
所述熔断器和浪涌抑制器，用于保护电路；所述熔断器，在电路中电流超过设定值时，断开电路；所述浪涌抑制器，在电路中突然产生尖峰电流或者电压时在极短的时间内分压分流；
所述滤波器，用于对电源中特定频率的频点进行有效滤除；
所述DC/DC转换器包括+30V转±5V、+30V转+8.5V两种模式，依次输出±5V/2A、+8.5V/2A的电源，分别用于供给相控阵天线单元、调频和发射放大单元进行工作。
作为上述技术方案的另一种改进，所述发射放大单元的固体功率放大器输出功率大于30W，具体包括两个GaAs放大器和一个GaN放大器，并将GaN器件作为末级放大器，同时，在级间设计滤波器，在输入输出端口设计隔离器。
作为上述技术方案的再一种改进，所述相控阵天线单元采用阵列单元设计，包括16个天线阵子，其中，L接收放大单元包括15个天线阵子，一个天线阵子为一路组件链路，每路组件链路包括滤波器、低噪放、移相器、幅度衰减器和增益补偿放大器；L频段接收前端组件对外包括：2个射频接收输出接口、1个与信号处理单元连接的RS422串口、1个电源接口；L波段发射组件包括1个天线阵子。
作为上述技术方案的还一种改进，所述信号处理单元具体包括：时钟管理模块、正交调制模块、电源模块、数据接口以及直接下变频模块，并在FPGA内部实现与外部数据的交换；
所述电源模块，用于为信号处理单元提供所需要的稳定电压；
所述时钟管理模块，用于对晶振产生的时钟信号进行分频处理后传输到FPGA，以保证信号处理单元的数据同步处理；
所述数据接口，用于将信号处理单元接收到的数据信号传输到FPGA；直接下变频模块，用于将经数模转换器处理的射频信号直接变频到基带信号，再经模数转换器对I、Q两路采样后输出到FPGA，并在FPGA内进行差分编码再进行输出；
所述正交调制模块，用于将FPGA输出的I、Q两路信号分别调制后一起发射。
本发明提供了一种基于应用于低轨卫星上的星载天海中继通信系统的通信方法，所述通信方法包括以下步骤：
1)通过在FPGA内设置计数器来控制所述通信系统两种工作模式的切换；
2)当所述通信系统处于初始发送模式时，包括以下步骤：
所述通信方法通过设置星历数据接口接收卫星星历数据；并通过设置调制解调电路将接收到的卫星星历数据调制到一定频率的载波上；然后再通过设置放大单元对调制好的载波信号进行放大处理；最后通过设置发射天线将放大后的信号发送到海面；
当所述通信系统处于高码率模式时，包括以下步骤：
所述通信方法通过设置GNSS接收器接收来自海面通信系统的调制信号；再通过设置解调电路对调制信号进行解调，然后通过设置放大单元对解调信号进行放大处理；最后将解调放大后的信号传输到两路，具体分别为：一路通过设置解调电路将信号调制到一定频率的载波上，通过发射天线发送给地面；另一路通过设置LVDS接口将信号传输到卫星，通过卫星发送到地面。
作为上述技术方案的一种改进，在FPGA内使用计数器来进行判断所述系统的两种工作模式的切换的具体步骤为：当系统接收到来自海面通信系统的调制信号时，其帧同步信号为单脉冲信号，检测到帧头时输出一个脉冲信号；以32kHz的时钟作为计数器的驱动时钟，在检测到每个帧同步脉冲时将计数器复位，同时将指示信号拉高，工作模式切换为高码率模式，高码率工作模式下传输数据的速率为8Mb/s；若接收不到帧同步信号时则在时钟的驱动下开始计数，计数器若计到设定的值时仍未检测到帧同步信号则认为已失去同步，此时将指示信号拉低，工作模式切换成初始发送模式，初始发送工作模式下传输数据的速率为512kb/s。
作为上述技术方案的另一种改进，所述系统处于初始发送模式发送星历数据时使用级联的RS(223,255)外码，速率适配的(2,1,7)卷积内码实现交织编码；系统时钟为100MHz外部晶振输入，在FPGA内完成分倍频后产生所需要的工作时钟；星历数据编码调制后速率为512kb/s，FPGA内部所需时钟分别为32kHz、256kHz以及512KHz；同时，时钟产生功能模块输出8MHz和1MHz时钟，作为LDPC编码以及后续的调制模块的参考时钟；
所述系统将接收到的数据送入编码调制模块，使用异步FIFO对数据进行缓存，使用状态机控制FIFO的读写状态。
作为上述技术方案的又一种改进，所述系统在两种工作模式下的调制部分采用DQPSK调制，利用前后相邻两个码元的相位差传递数据；在FPGA内将原始绝对码经过差分编码后变成相对码，再将差分编码后的I、Q两路基带信号送入正交调制模块完成载波调制；在FPGA内通过SPI通信配置射频调制芯片内部寄存器，使输出增益达1dBm，载波中心频率为1521.5MHz；
模拟部分中MAX2112对载波下变频后输出16MHz中频信号，经模数转换芯片采样后得到I、Q两路信号，送入FPGA进行非相干解调；数字解调模块中的延时处理使用移位寄存器实现，对滤波后的输出信号延时一个符号周期16个采样点；将AD采集的输入信号I路经Hillbert滤波器后变为相位差π/2的两路信号I与Q，分别与延时一个符号周期后的信号相乘，相乘后的信号经低通滤波器后再进行后续位同步判决过程，完成非相干解调；
接收前端采用反馈环路进行修正的算法对多普勒频偏实现补偿。
本发明所述应用于低轨卫星上的天海中继通信系统及方法的优点在于，
1.本发明完成了完成海上-卫星-船端链路8Mbps数据实时传输任务，这种低轨卫星中继链路时延小，可实现海面端到端系统间实时数据通信。
2.本发明高度集成，实现了接收单元和发射单元一体化设计，完成了低功耗低成本小型化设计。
3.天线设计采用阵列单元，提高天线增益；使用滤波器隔离设计，隔离发射端的大信号和频率相近的其他干扰信号，提高抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明所述天海中继通信系统电路组成框图；
图2为本发明所述天海中继通信系统结构的截面示意图；
图3为本发明所述天海中继通信系统结构的三维模型图；
图4为本发明所述天海中继通信系统的机械特性图；
图5为本发明的电源变换电路设计方案图；
图6为本发明的电源变换电路图；
图7为本发明的发射放大单元组成框图；
图8为本发明的相控阵天线单元组成示意图；
图9为本发明的接收组件射频方案组成示意图；
图10为本发明的信号处理单元实现框图；
图11为本发明的信号处理FPGA功能分解图；
图12为本发明的工作模式切换示意图；
图13为本发明的星历数据编码流程图；
图14为本发明的零中频解调电路图。
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
1.方案设计
本发明所述天海中继通信系统完成如图1所示的数据中继通信功能，主要由L波段返向链路(海面-卫星)的L波段相控阵前端(包括15路相控阵天线、15个腔体滤波器以及15路接收组件)、变频单元、滤波放大单元、发射天线阵子等组成；也包括接收1671.5MHz的QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，正交相移键控)调制信号零中频解调电路、信号处理单元(包括调制解调电路、数据组帧、模式切换等功能单元)、DC/DC电压转换电路等。
本发明所述系统加电后，信号处理单元通过RS422星历数据接口接收卫星的星历数据，将星历数据调制在1521.5MHz载波上，码速率512kbps；在调制和小信号放大滤波模块中经过调制器调制、放大器放大、滤波器滤波后，又依次经过两次GaAs放大器放大、滤波器滤波、GaN放大器放大、隔离器后，再次经过滤波器后到达发射天线，最后由发射天线发送到海面。在区域内海面，通信浮标端接收到来自卫星天海中继通信系统发送的星历数据信号，本发明所述系统将控制天线波束精确指向卫星接收天线波束，浮标端通信系统发送载波频率为1671.5MHz的DQPSK(Differential Quadrature Reference Phase Shift Keying，四相相对相移键控)调制信号，码速率8Mbps。天海中继通信系统的接收前端接收到返向链路的L波段的QPSK调制信号后，信号处理单元同步后，在FPGA(Field Programmable GateArray，可编程逻辑门阵列)内切换本发明所述系统的发送模式。同时，相控阵接收天线将接收的频率为1671.5MHz的调制信号经过滤波器滤波后，信号传送射频接收前端，并经过滤波以及低噪放大后到达零中频解调模块；调制信号由零中频电路接收后，经信号处理单元中FPGA进行非相干解调后，一路在FPGA内重新调制到1521.5MHz载波上发送给地面端，另一路与GNSS数据组帧后由LVDS接口输出到卫星平台系统的数据管理器，卫星过站我国境内或三亚站时，由卫星X波段数传通道发送到地面。
2.结构设计
天海中继通信系统的整体结构为一体化结构，采用层叠方式装配。如图2所示，组成相控阵天线单元的天线阵子(包括接收天线15个，发射天线1个)和15路L波段接收放大单元在最上层，腔体L波段滤波器组件在中间层，L波段接收组件在L波段滤波器的下层；天线阵子和L波段滤波器中间有一层天线赋型板；另外，零中频调解电路、信号处理单元、L波段功放(功率放大)发射单元、波束控制单元、遥控遥测和电源变换单元均放置在最下层。三层结构采用紧固件对接连接。最下层与卫星舱板紧密安装，便于热控。
如图3所示，为天海中继通信系统三维示意图；
如图4所示，为本发明的系统载荷的机械特征二维图；实施例中，整体长为402mm，宽为400mm，高为190mm；载荷(不包括热管)长为340mm、长度方向两个外侧安装法兰中心孔间距为315mm、在长度方向的正中间还有一个中心法兰，外侧和中心法兰中心间距为157.5mm、接收组件和功放部分高度为48mm、宽度方向两个外侧安装法兰中心孔间距为375mm、热管长为350mm，L波段滤波器和天线高度为124.5mm。
3.硬件设计
3.1供电设计
天海中继通信系统的供电接口电路方案如图5所示，电源变换单元的电路包括：熔断器、浪涌抑制器、滤波器、DC/DC转换器；DC/DC转换器包括+30转±5V、+30V转+8.5V 2种模式，依次输出±5V/2A、+8.5V/2A、±30V/3A的电压，具体电路如图6所示。
3.2发射功率放大器设计
根据链路计算，星上L波段前向发射链路需研制一个输出功率大于30W的固体功率放大器，放大器组成如图7所示，包括型号为SBB5089的GaAs放大器、型号为NC31158S-1516P2的GaAs放大器、滤波器、型号为CGH4005F的GaN放大器和隔离器。GaN放大器件选用的是可靠性较高的美国CREE公司生产的CGH4005F型陶瓷封装器件，其工作结温可到200℃，效率大于48％。驱动级为中国电子科技集团公司第十三研究所研制的GaAs器件NC31158s-1515P2，工作温度范围-45℃～+100℃。增益级选用温度特性好的HBT MMIC器件SBB5089，工作温度范围-45℃～+120℃。这两种器件的增益和输出功率均已在第十三研究所为其它低轨互联网卫星研制的功率放大器上得到验证。根据分析和设计选型，采用GaN器件实现末级功率放大，级间设计滤波器进一步保证放大器输出信号的带外抑制。为了保证放大器温度工作，输入输出端口设计了隔离器。
3.3相控阵天线设计
星载L频段接收前端组件是相控阵天线单元的一部分，由15路包含低噪放、幅度衰减器、移相器和增益补偿放大器和滤波器构成的接收组件、合成网络、波束控制电路构成，对外包含2个射频接收输出接口、1个与信号处理单元相连的RS422串口、1个电源接口。相控阵接收前端继承成熟设计，采用天线、组件、网络叠层架构，设计充分考虑了通信系统收发射频兼容问题。接收组件可实现偏离法线±60度扫描角内的动态扫描。接收天线、滤波器和接收组件构成示意图如图8所示。波束控制模块根据目标状态信息解算出波束俯仰角和方位角，并换算成相应的波束控制字传输至数控移相器和数控衰减器，控制各通道信号的相位和幅度发生改变，实现空间波束合成。
单个组件链路部分使用的射频器件均满足工作频段：1668-1675MHz。单组件元器件构成信号链路如图9所示，依次包括腔体滤波器、NCE201D放大器、衰减器、NCE201D放大器、移相器、数控衰减器、十五合一合路器、两个TQL9092放大器、两个二合一合路器、温补器、声表滤波器、衰减器。
由于链路射频信号带宽较窄，而前级腔体滤波器带宽较宽，为保证有效的滤除带外干扰信号，在接收链路输出端增加声表滤波器进一步对有用信号进行限带滤波。整个链路在放大移相衰减之后进行十五合路，十五合一合路器选取15个二合一合路器进行合路，二合一合路器选取插损小、隔离度高的器件。
相控阵天线阵列由16个天线单元组成，其中接收天线15个，发射天线1个，组成4×4方形阵列。阵元布局采用二次圆极化排列方式，以四个阵元为一组，阵元依次旋转90°，使四个阵元相位依次为0°、90°、180°、270°，从而提高轴比。天线阵元由正交对称阵子、开槽同轴巴伦和矩形金属腔体组成。正交对称阵子天线由两对具有方位正交、幅度相等、相位差90°的偶极子天线组成。可通过调整正交振子长度获得较好的圆极化特性，这种自相移结构是在同一副交叉阵子天线上实现不同的谐振模式来实现圆极化，不需要移相网络和多馈点。改变振子平面与底板的间距可以调节天线的波束特性，当间距接近四分之一波长时可获得最强的定向性，随着高度的在增加，天线定向性减弱，即波束宽度增大。天线阵子末端弯折可实现天线的小型化，也可以改善天线的波束特性。
4.基带信号处理单元设计
L频段天海通信系统的数字基带电路模块由V5系列FPGA芯片和相关的外围电路组成，实现框图如图10所示。电路包括时钟管理模块、正交调制模块、电源模块、数据接口以及直接下变频等模块。在FPGA内部实现与外部数据的交换，RS编码、加扰、组帧、调制解调、模式切换等功能。基带板集成了射频正交调制发射模块，基带信号在FPGA内进行差分编码后在调制模块实现L波段QPSK直接调制，即完成数据的DQPSK调制输出到功率放大器。解调模块使用ADI公司生产的具备直接变频功能的MAX2112芯片实现将射频信号直接变频到基带信号的零中频方案。相比于超外差结构，零中频结构的接收前端没有中频电路，可以减少接收端电路的体积和电路复杂度。零中频输出信号经ADI公司生产的模数转换芯片AD9284采样后输出到FPGA，该芯片双通道差分输入口可以实现对IQ两路同时采样。为了实现零中频接收端一定动态范围，利用数模转换芯片AD9744与MAX2112形成回路，用于实现自动电平增益控制(Automatic Gain Control，AGC)。
基带单元主要实现通信链路编码调制一体化的技术方案。在FPGA为主的平台上不仅实现RS+CC编码功能，且可自动切换2种编码调制方式；反向链路接收方案采用零中频解调完成将来自水面浮标端的载荷数据进行解调并使用反馈环路校正了链路多普勒频移的影响。信号处理单元主要功能组成如图11所示。
星务计算机将星历数据通过RS422接口传入信号处理单元的FPGA芯片，在芯片中对星历数据处理；GNSS天线将导航数据通过RS422接口传到信号处理单元的FPGA芯片，再与解调数据进行组帧。
天海中继通信系统的前向链路有两种工作模式，初始模式是对海面发送512kb/s的星历数据；高码率模式发送8Mb/s的数据，该数据来自系统接收的浮标端发送的信息。系统工作模式的切换过程如图12所示。
解调模块是否检测到帧同步信号作为系统模式切换的依据。系统开机后没有收到来自海面浮标端数据，即反向链路没有建立，初始发送模式选择RS+CC编码进行DQPSK调制，对卫星波束覆盖海面发送512kb/s星历数据。如果系统收到浮标端的载荷数据信号，解调模块检测到帧同步信号，本发明解调后同步信号处理单元，并切换工作模式：FPGA内部将切换到高码率模式；高码率发送模式选择LDPC编码进行DQPSK调制，将收到的载荷数据以8Mb/s的速率下发至地面端系统。帧同步信号失锁后切换回低码率初始模式。ADI公司生产的工业级正交调制芯片ADRF6720实现将I、Q基带数据直接调制到所需的载波频率。因此，FPGA内实现数据切换只需要将完成编码调制处理后输出I、Q两路基带信号进行切换，即可实现发射的工作模式切换。
为了确定载荷数据是否发完，在FPGA内使用计数器来进行判断。帧同步信号为单脉冲信号，检测到帧头时输出一个脉冲信号。以32kHz的时钟作为计数器的驱动时钟，在检测到每个帧同步脉冲时将计数器复位，同时将指示信号拉高，工作模式切换为高码率模式；若接收不到帧同步信号时则在时钟的驱动下开始计数，计数器若计到设定的值时仍未检测到帧同步信号则认为已失去同步，此时将指示信号拉低，工作模式切换成初始发送模式。本设计中计数器值设定为96000，即在3s内未检测到帧同步信号时切换工作模式。
4.1低码率数据编码
初始模式发送星历数据时使用级联的RS(223,255)外码，速率适配的(2,1,7)卷积内码实现交织编码。由于星历数据量较小，采用这种实现简单且延时较小的编码技术，能够在满足编码增益需求和带宽限制的同时节省星上资源。
系统时钟为100MHz外部晶振输入，在FPGA内使用DCM ip核完成分倍频后产生系统功能模块所需要的工作时钟。星历数据编码调制后速率为512kb/s，FPGA内部所需时钟分别为32kHz、256kHz以及512KHz；同时，时钟产生功能模块输出8MHz和1MHz时钟，作为LDPC编码以及后续的调制模块的参考时钟。
星务计算机通过异步串口RS422以1Hz速率，115200波特率将83字节长度的一帧星历数据发送给系统的数字处理单元，系统将接收到的数据送入编码调制模块。由于数据接收时钟和后一级RS编码模块的时钟速率不同，使用异步FIFO(First Input First Output)对数据进行缓存，以解决跨时钟域可能产生的亚稳态问题。输入数据长度和编码所需的255字节长度不一致，故使用状态机控制FIFO的读写状态，确保在一帧星历数据写入FIFO后再进入读数据状态。
星历数据具体编码流程如图13所示，具体包括以下步骤：接收到星历数据后，串口数据输入到FIFO存储器，经RS编码后、添加帧头、进行加扰、最后进行CC卷积编码后，输出I路比特流和Q路比特流。
编码后完整的数据帧包含4字节帧头，共259字节，以8bit并行传送，同时输出帧头指示信号。加扰模块根据帧头指示信号选择性加扰，对除同步帧头以外的传输帧数据加扰。卷积编码模块对加扰后的信号进行卷积操作，将其码率倍增到512kb/s。
4.2 DQPSK调制解调
调制部分采用DQPSK调制，利用前后相邻两个码元的相位差传递数据，以解决解调过程中的相位模糊相位翻转的问题。在FPGA内将原始绝对码经过差分编码后变成相对码，再将差分编码后的IQ两路基带信号送入正交调制单元完成载波调制。在FPGA内通过SPI通信配置射频调制芯片ADRF6720内部寄存器，使输出增益达s1dBm，载波中心频率为1521.5MHz。
解调部分采用非相干解调以克服信号衰落变化大，频移特性变化大的缺陷。零中频解调的结构如图14所示。
模拟部分在MAX2112芯片内部的直接下变频模块中实现，数字部分在FPGA芯片内部实现。模拟部分中调谐器MAX2112对载波进行下变频，将s(t)与本地载波相乘后得到Si(t)、Sq(t)两路信号，再送入低通滤波器滤波，后输出16MHz中频信号，经模数转换芯片采样后得到I、Q两路信号，再送入FPGA内进行非相干解调。数字解调模块中的延时处理使用移位寄存器实现，对滤波后的输出信号延时一个符号周期16个采样点。将AD采集的输入信号I路经Hillbert滤波器后变为相位差π/2的两路信号I(m)与Q(m)，分别与延时Tb后的信号相乘，相乘后的信号经低通滤波器后再进行后续位同步判决过程，完成非相干解调。
低轨卫星与地面之间存在高速的相对运动，因此在解调时需要考虑多普勒效应导致的频率相位偏移的影响。根据计算，可得500km处该卫星过境时，多普勒频移约为±50kHz,为了避免多普勒效应导致的接收信号相位差的错判，接收端采用反馈环路进行修正的算法对多普勒频偏实现补偿。
如图14的数字部分结构图所示，该方法能够消除的最大频偏由硬判决估计值精度决定，实际测试表明，完成修正后解调模块能够正确解调±100kHz频偏的信号。
本发明最终实现了将卫星星历数据调制在L波段载波后下发给浮标端或船端通信系统，便于海面通信终端快速跟踪上卫星波束；接收来自海面浮标端L波段8Mbps调制数据信号，再转发到间隔距离大于500海里的船端或陆基端数据中心。这种低轨卫星中继链路时延小，实现了海面端到端系统间实时数据通信。
根据卫星轨道高度500km(太阳同步轨道)，星上天线波束角范围±60°，卫星理论星下点覆盖范围的半径为1500km。因此卫星在三亚区域时，天海中继通信系统的信号波束覆盖区域不小于1000km半径范围。
整个收发系统有较高集成度，基带板采用整板SMT的封装结构。射频接收与发射模块采用介电常数稳定的微波板材制成独立模块再焊接到信号处理单元母板上，以隔离射频模拟电路和数字电路之间的干扰。
从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明最终实现了，将卫星星历数据调制在L波段载波后下发给浮标端或船端通信系统，便于海面通信终端快速跟踪上卫星波束；接收来自海面浮标端L波段8Mbps调制数据信号，再转发到间隔距离大于500海里的船端或陆基端数据中心；这种低轨卫星中继链路时延小，实现了海面端到端系统间实时数据通信。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种应用于低轨卫星上的星载天海中继通信系统，其特征在于，所述系统包括：相控阵天线单元、接收放大单元、零中频解调电路、信号处理单元、发射放大单元、电源变换单元和遥控遥测单元，
所述相控阵天线单元，用于接收和发射L波段的QPSK调制信号；
所述接收放大单元，由至少10路以上波束控制器件和低噪声放大器组成，用于放大合成接收的海面射频信号，输出到零中频解调电路；
所述零中频解调电路，用于接收海上浮标端发送的信号，进行信号捕获、跟踪、解调后输出基带数据信号数据；
所述信号处理单元，用于对接收到的信号完成解调后输出基带数据信息，同时实现将解调的数据信号调制到下行发射载波频率上，输出到所述发射放大单元；
所述发射放大单元，包括滤波器和功率放大器，用于放大所述信号处理单元输送的QPSK调制信号，输出到发射天线阵子单元；
所述电源变换单元，用于对来自卫星的输入电压进行转换，以支持所述系统中各单元工作；
所述遥控遥测单元，用于将测量的电流电压参数发射给卫星，以监测设备功能是否正常工作；
所述系统通电后，当所述相控阵天线单元未接收到海面通信系统发送的QPSK调制信号时，所述系统处于初始发送模式：所述信号处理单元接收卫星的星历数据，并通过信号处理单元将星历数据调制在指定频率的载波上，经所述发射放大单元放大后由所述相控阵天线单元发送到海面；当所述相控阵天线单元接收到海面通信系统发送的QPSK调制信号时，所述系统切换到高码率发送模式：接收到的海面通信系统发送的QPSK调制信号经所述零中频解调电路解调后，一路经所述信号处理单元重新调制到指定频率的载波上发送到地面，另一路则输出到卫星平台载荷数据管理器，由卫星X波段数传通道发送到地面。
2.根据权利要求1所述的应用于低轨卫星上的星载天海中继通信系统，其特征在于，所述系统整体结构为一体化结构，采用层叠方式装配；相控阵天线单元和接收放大单元在最上层，滤波器组件在中间层；零中频调解电路、信号处理单元、发射放大单元、遥控遥测单元和电源变换单元放置在最下层；三层结构采用紧固件对接连接；最下层与卫星舱板紧密安装。
3.根据权利要求1所述的应用于低轨卫星上的星载天海中继通信系统，其特征在于，所述电源变换单元的电路包括：熔断器、浪涌抑制器、滤波器、DC/DC转换器；
所述熔断器和浪涌抑制器，用于保护电路；所述熔断器，在电路中电流超过设定值时，断开电路；所述浪涌抑制器，在电路中突然产生尖峰电流或者电压时在极短的时间内分压分流；
所述滤波器，用于对电源中特定频率的频点进行有效滤除；
所述DC/DC转换器包括+30V转±5V、+30V转+8.5V两种模式，依次输出±5V/2A、+8.5V/2A的电源，分别用于供给相控阵天线单元、发射放大单元进行工作。
4.根据权利要求1所述的应用于低轨卫星上的星载天海中继通信系统，其特征在于，所述发射放大单元的固态功率放大器输出功率大于30W，具体包括两个GaAs放大器和一个GaN放大器，并将GaN器件作为末级放大器；同时在级间设计滤波器，在输入输出端口设计隔离器。
5.根据权利要求1所述的应用于低轨卫星上的星载天海中继通信系统，其特征在于，所述相控阵天线单元采用阵列单元设计，包括16个天线阵子，其中，接收放大单元包括15个天线阵子，一个天线阵子为一路组件链路，每路组件链路包括滤波器、低噪放、移相器、幅度衰减器和增益补偿放大器；L频段接收前端组件对外包括：2个射频接收输出接口、1个与信号处理单元连接的RS422串口、1个电源接口；L波段发射组件包括1个天线阵子。
6.根据权利要求1所述的应用于低轨卫星上的星载天海中继通信系统，其特征在于，所述信号处理单元具体包括：时钟管理模块、正交调制模块、电源模块、数据接口以及直接下变频模块，并在FPGA内部实现与外部数据的交换；
所述电源模块，用于为信号处理单元提供所需要的稳定电压；
所述时钟管理模块，用于对晶振产生的时钟信号进行分频处理后传输到FPGA，以保证信号处理单元的数据同步处理；
所述数据接口，用于将信号处理单元接收到的数据信号传输到FPGA；
直接下变频模块，用于将经数模转换器处理的射频信号直接变频到基带信号，再经模数转换器对I、Q两路采样后输出到FPGA，并在FPGA内进行差分编码再进行输出；
所述正交调制模块，用于将FPGA输出的I、Q两路信号分别调制后一起发射。
7.一种基于权利要求1所述的应用于低轨卫星上的星载天海中继通信系统的通信方法，其特征在于，所述通信方法包括以下步骤：
1）通过在FPGA内设置计数器来控制所述通信系统两种工作模式的切换；
2）当所述通信系统处于初始发送模式时，包括以下步骤：
所述通信方法通过设置星历数据接口接收卫星星历数据；并通过设置调制解调电路将接收到的卫星星历数据调制到一定频率的载波上；然后再通过设置放大单元对调制好的载波信号进行放大处理；最后通过设置发射天线将放大后的信号发送到海面；
当所述通信系统处于高码率模式时，包括以下步骤：
所述通信方法通过设置GNSS接收器接收来自海面通信系统的调制信号；再通过设置解调电路对调制信号进行解调，然后通过设置放大单元对解调信号进行放大处理；最后将解调放大后的信号传输到两路，具体分别为：一路通过设置解调电路将信号调制到一定频率的载波上，通过发射天线发送给地面；另一路通过设置LVDS接口将信号传输到卫星，通过卫星发送到地面。
8.根据权利要求7所述的通信方法，其特征在于，在FPGA内使用计数器来进行判断所述系统的两种工作模式的切换的具体步骤为：当系统接收到来自海面通信系统的调制信号时，其帧同步信号为单脉冲信号，检测到帧头时输出一个脉冲信号；以32kHz的时钟作为计数器的驱动时钟，在检测到每个帧同步脉冲时将计数器复位，同时将指示信号拉高，工作模式切换为高码率模式，高码率工作模式下传输数据的速率为8Mb/s；若接收不到帧同步信号时则在时钟的驱动下开始计数，计数器若计到设定的值时仍未检测到帧同步信号则认为已失去同步，此时将指示信号拉低，工作模式切换成初始发送模式，初始发送工作模式下传输数据的速率为512kb/s。
9.根据权利要求7所述的通信方法，其特征在于，所述系统处于初始发送模式发送星历数据时，使用级联的RS（223,255）外码，速率适配的（2,1,7）卷积内码实现交织编码；系统时钟为100MHz外部晶振输入，在FPGA内完成分倍频后产生所需要的工作时钟；星历数据编码调制后速率为512kb/s，FPGA内部所需时钟分别为32kHz、256kHz以及512KHz；同时，时钟产生功能模块输出8MHz和1MHz时钟，作为LDPC编码以及后续的调制模块的参考时钟；
所述系统将接收到的数据送入编码调制模块，使用异步FIFO对数据进行缓存，使用状态机控制FIFO的读写状态。
10.根据权利要求7所述的通信方法，其特征在于，所述系统在两种工作模式下的调制部分采用DQPSK调制，利用前后相邻两个码元的相位差传递数据；在FPGA内将原始绝对码经过差分编码后变成相对码，再将差分编码后的I、Q两路基带信号送入正交调制模块完成载波调制；在FPGA内通过SPI通信配置射频调制芯片内部寄存器，使输出增益达1dBm，载波中心频率为1521.5MHz；
模拟部分中MAX2112对载波下变频后输出16MHz中频信号，经模数转换芯片采样后得到I、Q两路信号，送入FPGA进行非相干解调；数字解调模块中的延时处理使用移位寄存器实现，对滤波后的输出信号延时一个符号周期16个采样点；将AD采集的输入信号I路经Hillbert滤波器后变为相位差的两路信号I与Q，分别与延时一个符号周期后的信号相乘，相乘后的信号经低通滤波器后再进行后续位同步判决过程，完成非相干解调；
接收端采用反馈环路进行修正的算法对多普勒频偏实现补偿。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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