CN115208488B - 一种基于特殊链路故障特性评估的自主恢复系统 - Google Patents

一种基于特殊链路故障特性评估的自主恢复系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于特殊链路故障特性评估的自主恢复系统，包括收发信机A和收发信机B；收发信机A包括：第一帧接收模块、第一帧发射模块、第一综合电子模块、AGC跳变评估模块和自主恢复决策模块；收发信机B包括：指令解析及执行模块、第二帧接收模块、第二帧发射模块和第二综合电子模块。本发明实现了在火星等深空探测活动中，可以实时评估通信弧段中由于微放电造成低噪电平异常抬高现象发生的严重程度，并按需采取相关措施，若严重程度较低，则通过物理层处理机制增加数据的恢复能力，若严重程度较高，则通过体制协议降低此现象的影响，使得系统具备在此类异常影响下的自主恢复能力，最大限度的保障了在特殊链路故障下通信的连续性和可靠性。

Description

一种基于特殊链路故障特性评估的自主恢复系统
技术领域
本发明公开了一种基于特殊链路故障特性评估的自主恢复系统，本系统属于深空探测中继通信领域。
背景技术
在火星探测任务中，由于通信距离远，地面的遥控指令有较大时延(光行时约22分钟)，而且因为和地球可见弧段时间有限，不能实时控制，因此主要依靠环绕器和着陆巡视器之间的自主通信，前向链路一般传输地面通过环绕器转发给着陆巡视器的遥控指令，返向链路一般传输着陆巡视器的关键遥测信息及其采集到的图像等其他信息。但是，在火星探测任务中，相较于其他深空探测任务，有其特殊的特性，首先是火星表面的低气压特性，其次由于资源的极度受限，热控分系统为有源单机提供的温度范围仅为-55℃～+70℃，对于无源部件则不采用任何热控措施，也就是说微波/馈电网络需要在极致优化的基础上适应低气压、大温度变化范围及大功率的影响。因此由于内部微放电造成的低噪电平异常抬高现象很难彻底根除，由于此现象的存在，会造成AGC的异常抬高从而丢帧，进而影响通信效率，造成可见弧段内传输数据量的下降，影响任务的质量。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于特殊链路故障特性评估的自主恢复系统，其可以实时评估通信弧段中由于微放电造成低噪电平异常抬高现象发生的严重程度，并按需采取相关措施，使得系统具备在此类异常影响下的自主恢复能力。
本发明的技术方案为：一种基于特殊链路故障特性评估的自主恢复系统，其特征在于包括：收发信机A和收发信机B；
所述收发信机A包括：第一帧接收模块、第一帧发射模块、第一综合电子模块、AGC跳变评估模块和自主恢复决策模块；
所述收发信机B包括：指令解析及执行模块、第二帧接收模块、第二帧发射模块和第二综合电子模块；
收发信机B开机后，第二帧发射模块从第二综合电子模块接收SDU有效帧，并将SDU有效帧调制至射频信号发出至收发信机A，经过物理信道后，收发信机A的第一帧接收模块将SDU有效帧发送至第一综合电子模块，同时第一帧接收模块对本地射频接收通道的AGC遥测进行采样，并将采样后的AGC遥测采样幅值发送至AGC跳变评估模块；AGC跳变评估模块根据当前弧段的AGC标称值以及AGC遥测采样幅值，计算得到AGC跳变评估值η，并将其发送至自主恢复决策模块；
所述AGC跳变评估模块根据当前弧段的AGC标称值以及AGC遥测采样幅值，计算得到AGC跳变评估值η包括：AGC跳变评估模块从第一综合电子模块接收当前弧段的AGC标称值，随后开始计时，在计时期间内统计AGC遥测采样幅值超过标称值A％的次数，记为Nnum1，统计AGC遥测采样幅值超过标称值B％的次数，记为Nnum2，统计AGC遥测采样幅值超过标称值C％的次数，记为Nnum3，其中2A≤B≤3A，3A≤C≤4A，通过加权评估算法，得到AGC跳变评估值η；
自主恢复决策模块接收到AGC跳变评估值η后，将其和门限阀值1和门限阀值2进行比较，其中门限阀值2大于门限阀值1；若η<门限阀值1，说明微放电造成低噪电平异常抬高干扰整体可控，以目前物理层加扰和编译码措施可基本对所发生的错误进行纠正，流程结束；若门限阀值1≤η≤门限阀值2，说明微放电造成低噪电平异常抬高干扰已开始造成零星丢帧，需要额外的措施提升通信的可靠性，此时自主恢复决策模块生成扩频SPDU帧，并将其发送至第一帧发射模块；若η>门限阀值2，说明微放电造成低噪电平异常抬高干扰已经影响到正常通信，需要从体制协议层面降低此干扰的影响，此时自主恢复决策模块生成体制切换SPDU帧，并将其发送至第一帧发射模块；
第一帧发射模块从第一综合电子模块接收SDU有效帧，从自主恢复决策模块接收SPDU帧，将SDU有效帧和SPDU帧调制至射频信号发出，经过物理信道后，收发信机B的第二帧接收模块将接收的SDU有效帧发送至第二综合电子模块，同时将接收到的SPDU帧转发至指令解析及执行模块；
指令解析及执行模块接收到SPDU帧后，判断其类型，若为扩频SPDU帧，则将其解析为扩频指令，并发送至第二帧发射模块；若为体制切换SPDU帧，则将其解析为体制切换指令，并发送至第二帧发射模块；
第二帧发射模块若接收到扩频指令，则将从第二综合电子模块接收的SDU有效帧按照默认扩频因子进行扩频操作，并将扩频后的数据调制至射频信号发送至收发信机A；第二帧发射模块若接收到体制切换指令，则查找当前支持各信道中，前向接收和返向发射相差频率范围最大的信道，生成Hail指令，并调制至射频信号发送至收发信机A，收发信机A收到后会同收发信机B在前向接收和返向发射相差频率范围最大的信道上重新建立通信。
所述SDU有效帧包括ASM头，Header参数、数据域及CRC校验。
所述AGC标称值指当前弧段条件下本地射频接收通道带宽内的理论信号电平值。
通过加权评估算法，得到AGC跳变评估值η，具体包括：
记AGC遥测采样幅值超过标称幅度值A％的权值为1，AGC遥测采样幅值超过标称幅度值B％的权值为2，AGC遥测采样幅值超过标称幅度值C％的权值为5，AGC跳变评估值
门限阀值1，其取值同编译码增益相关，编译码增益越高，门限阀值1越大。一般为若编译码增益小于等于4，门限阀值1取值1.2～1.5，否则门限阀值1取值1.5～1.8。
门限阀值2，门限阀值2同系统可采取的扩频因子相关，扩频因子越大，门限阀值2越大。一般为若扩频因子小于等于10，门限阀值2取值2～2.5，否则门限阀值2取值2.5～3。
所述扩频SPDU帧，用于将对方收发信机通信模式切换为扩频模式的数据帧。
所述体制切换SPDU帧，用于将对方收发信机通信模式切换为抗强干扰模式的数据帧。
所述Hail指令，用于告知对方收发信机前向接收和返向发射相差频率范围最大的信道。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明根据接收到的AGC跳变情况，实时将加权平均结果和门限阀进行比较，自主评估特殊链路故障特性的严重程度，避免了通信中断和可靠性降低的风险。
(2)本发明根据当前特殊链路故障特性的严重程度，自主生成扩频SPDU帧或体制切换SPDU帧，自适应调整当前通信模式，使得系统具备在此类现象影响下的自主恢复能力。
(3)本发明可应用以火星为代表的深空探测中，体现了深空探测任务中系统最优、可靠性最高的设计理念。
附图说明
图1为基于特殊链路故障特性评估的自主恢复系统原理框图；
具体实施方式
本发明一种基于特殊链路故障特性评估的自主恢复系统，包括：收发信机A和收发信机B；
所述收发信机A包括：第一帧接收模块1、第一帧发射模块2、第一综合电子模块3、AGC跳变评估模块4和自主恢复决策模块5；
所述收发信机B包括：指令解析及执行模块6、第二帧接收模块7、第二帧发射模块8和第二综合电子模块9；
收发信机B开机后，第二帧发射模块8从第二综合电子模块9接收SDU有效帧，并将SDU有效帧调制至射频信号发出至收发信机A，经过物理信道后，收发信机A的第一帧接收模块1将SDU有效帧发送至第一综合电子模块3，同时第一帧接收模块1对本地射频接收通道的AGC遥测进行采样，并将采样后的AGC遥测采样幅值发送至AGC跳变评估模块4；AGC跳变评估模块4根据当前弧段的AGC标称值以及AGC遥测采样幅值，计算得到AGC跳变评估值η，并将其发送至自主恢复决策模块5；
所述AGC跳变评估模块4根据当前弧段的AGC标称值以及AGC遥测采样幅值，计算得到AGC跳变评估值η包括：AGC跳变评估模块4从第一综合电子模块3接收当前弧段的AGC标称值，随后开始计时，在计时期间内统计AGC遥测采样幅值超过标称值A％的次数，记为Nnum1，统计AGC遥测采样幅值超过标称值B％的次数，记为Nnum2，统计AGC遥测采样幅值超过标称值C％的次数，记为Nnum3，其中2A≤B≤3A，3A≤C≤4A，通过加权评估算法，得到AGC跳变评估值η；
自主恢复决策模块5接收到AGC跳变评估值η后，将其和门限阀值1和门限阀值2进行比较，其中门限阀值2大于门限阀值1；若η<门限阀值1，说明微放电造成低噪电平异常抬高干扰整体可控，以目前物理层加扰和编译码措施可基本对所发生的错误进行纠正，流程结束；若门限阀值1<η<门限阀值2，说明微放电造成低噪电平异常抬高干扰已开始造成零星丢帧，需要额外的措施提升通信的可靠性，此时自主恢复决策模块5生成扩频SPDU帧，并将其发送至第一帧发射模块2；若η>门限阀值2，说明微放电造成低噪电平异常抬高干扰已经影响到正常通信，需要从体制协议层面降低此干扰的影响，此时自主恢复决策模块5生成体制切换SPDU帧，并将其发送至第一帧发射模块2；
第一帧发射模块2从第一综合电子模块3接收SDU有效帧，从自主恢复决策模块5接收SPDU帧，将SDU有效帧和SPDU帧调制至射频信号发出，经过物理信道后，收发信机B的第二帧接收模块7将接收的SDU有效帧发送至第二综合电子模块9，同时将接收到的SPDU帧转发至指令解析及执行模块6；
指令解析及执行模块6接收到SPDU帧后，判断其类型，若为扩频SPDU帧，则将其解析为扩频指令，并发送至第二帧发射模块8；若为体制切换SPDU帧，则将其解析为体制切换指令，并发送至第二帧发射模块8；
第二帧发射模块8若接收到扩频指令，则将从第二综合电子模块9接收的SDU有效帧按照默认扩频因子进行扩频操作，并将扩频后的数据调制至射频信号发送至收发信机A；第二帧发射模块8若接收到体制切换指令，则查找当前支持各信道中，前向接收和返向发射相差频率范围最大的信道，生成Hail指令，并调制至射频信号发送至收发信机A，收发信机A收到后会同收发信机B在前向接收和返向发射相差频率范围最大的信道上重新建立通信。
所述SDU有效帧包括ASM头，Header参数、数据域及CRC校验。
所述AGC标称值指当前弧段条件下本地射频接收通道带宽内的理论信号电平值。
通过加权评估算法，得到AGC跳变评估值η，具体包括：
记AGC遥测采样幅值超过标称幅度值A％的权值为1，AGC遥测采样幅值超过标称幅度值B％的权值为2，AGC遥测采样幅值超过标称幅度值C％的权值为5，AGC跳变评估值
门限阀值1，其取值同编译码增益相关，编译码增益越高，门限阀值1越大。一般为若编译码增益小于等于4，门限阀值1取值1.2～1.5，否则门限阀值1取值1.5～1.8。
门限阀值2，门限阀值2同系统可采取的扩频因子相关，扩频因子越大，门限阀值2越大。一般为若扩频因子小于等于10，门限阀值2取值2～2.5，否则门限阀值2取值2.5～3。
所述扩频SPDU帧，用于将对方收发信机通信模式切换为扩频模式的数据帧。
所述体制切换SPDU帧，用于将对方收发信机通信模式切换为抗强干扰模式的数据帧。
所述Hail指令，用于告知对方收发信机前向接收和返向发射相差频率范围最大的信道。
下面结合图1和具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明一种基于特殊链路故障特性评估的自主恢复系统，其可以自主实时评估通信弧段中微放电造成低噪电平异常抬高现象发生的严重程度，并按需采取相关措施，保障了通信的连续性和高可靠性，体现了深空探测任务中系统最优、可靠性最高的设计理念。具体包括：收发信机A和收发信机B；所述收发信机A包括：第一帧接收模块1、第一帧发射模块2、第一综合电子模块3、AGC跳变评估模块4和自主恢复决策模块5；所述收发信机B包括：指令解析及执行模块6、第二帧接收模块7、第二帧发射模块8和第二综合电子模块9。
收发信机B开机后，第二帧发射模块8从第二综合电子模块9接收SDU有效帧，并将SDU有效帧调制至射频信号发出。SDU有效帧为Service Data Unit，作为CCSDS协议规定的标准数据帧，其内容包括ASM头，Header参数、数据域及CRC校验。射频信号经过物理信道的传输，第一帧接收模块1将SDU有效帧发送至第一综合电子模块3，同时第一帧接收模块1对本地射频接收通道的AGC遥测进行采样，并将采样后的AGC遥测采样幅值发送至AGC跳变评估模块4；此AGCAutomatic Gain Control遥测主要反映收发信机A射频接收通道带宽内的真实信号电平值。
AGC跳变评估模块4在进行评估之前，首先从第一综合电子模块3接收当前弧段的AGC标称值，此AGC标称值反映当前弧段条件下收发信机A射频接收通道带宽内的理论信号电平值，随后开始计时，在计时期间内统计AGC遥测采样幅值超过标称幅度值20％的次数，记为Nnum1，统计AGC遥测采样幅值超过标称幅度值50％的次数，记为Nnum2，统计AGC遥测采样幅值超过标称幅度值70％的次数，记为Nnum3，通过加权评估算法，得到AGC跳变评估值η，具体如下：
记AGC遥测采样幅值超过标称幅度值20％的权值为1，AGC遥测采样幅值超过标称幅度值50％的权值为2，AGC遥测采样幅值超过标称幅度值70％的权值为5，AGC跳变评估值
随后AGC跳变评估模块4将AGC跳变评估值η发送至自主恢复决策模块5。自主恢复决策模块5接收到AGC跳变评估值η后，将其和门限阀值1和门限阀值2进行比较，其中门限阀值2大于门限阀值1。在本系统中，由于编码方式为LDPC编码编码增益为5dB，扩频因子为20，因此门限阀值1取值为1.6，门限阀值2取值为2.6。
若η<1.6，说明微放电造成低噪电平异常抬高干扰整体可控，以目前物理层加扰和编译码措施可基本对所发生的错误进行纠正，流程结束；若1.6≤η≤2.6，说明微放电造成低噪电平异常抬高干扰已开始造成零星丢帧，需要额外的措施提升通信的可靠性，此时自主恢复决策模块5生成扩频SPDU帧，并将其发送至第一帧发射模块2；若η>2.6，说明微放电造成低噪电平异常抬高干扰已经影响到正常通信，需要从体制协议层面降低此干扰的影响，此时自主恢复决策模块5生成体制切换SPDU帧，并将其发送至第一帧发射模块2。
第一帧发射模块2从第一综合电子模块3接收SDU有效帧，从自主恢复决策模块5接收SPDU帧，将SDU有效帧和SPDU帧调制至射频信号发出，经过物理信道后，收发信机B的第二帧接收模块7将接收的SDU有效帧发送至第二综合电子模块9，同时将接收到的SPDU帧转发至指令解析及执行模块6；
指令解析及执行模块6接收到SPDU帧后，判断其类型，若为扩频SPDU帧，则将其解析为扩频指令，并发送至第二帧发射模块8；若为体制切换SPDU帧，则将其解析为体制切换指令，并发送至第二帧发射模块8；
第二帧发射模块8若接收到扩频指令，则将从第二综合电子模块9接收的SDU有效帧按照默认扩频因子进行扩频操作，并将扩频后的数据调制至射频信号发送至收发信机A；第二帧发射模块8若接收到体制切换指令，则查找当前支持各信道中，前向接收和返向发射相差频率范围最大的信道，生成Hail指令，并调制至射频信号发送至收发信机A，收发信机A收到后会解析出前返向信道的参数，并同收发信机B重新建立通信。
本发明在火星着陆巡视器测控数传分系统UHF频段收发信机及进入舱UHF频段收发信机上经过了实现与验证。当由于内部微放电造成的低噪电平异常抬高时，会造成大量丢帧，甚至通信中断，采用本方法后，系统实时自主评估低噪电平异常抬高的严重程度，并自适应采取相应措施，保证了通信的连续性和可靠性。
该发明复杂度低，实现灵活，可以广泛的应用在以火星为代表的深空探测中，为以后高可靠火星中继通信的建立提供强有力的技术支持，有着很好的技术价值和经济价值。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种基于特殊链路故障特性评估的自主恢复系统，应用于深空探测中继通信领域，其特征在于包括：收发信机A和收发信机B；所述收发信机A包括：第一帧接收模块(1)、第一帧发射模块(2)、第一综合电子模块(3)、AGC跳变评估模块(4)和自主恢复决策模块(5)；所述收发信机B包括：指令解析及执行模块(6)、第二帧接收模块(7)、第二帧发射模块(8)和第二综合电子模块(9)；
收发信机B开机后，第二帧发射模块(8)从第二综合电子模块(9)接收SDU有效帧，并将SDU有效帧调制至射频信号发出至收发信机A，收发信机A的第一帧接收模块(1)将SDU有效帧发送至第一综合电子模块(3)，同时第一帧接收模块(1)对本地射频接收通道的AGC遥测进行采样，并将采样后的AGC遥测采样幅值发送至AGC跳变评估模块(4)；AGC跳变评估模块(4)根据当前弧段的AGC标称值以及AGC遥测采样幅值，计算得到AGC跳变评估值η，并将其发送至自主恢复决策模块(5)；自主恢复决策模块(5)接收到AGC跳变评估值η后，将AGC跳变评估值η和门限阀值进行比较，根据比较结果生成相应的SPDU帧并发送给第一帧发射模块(2)；第一帧发射模块(2)从第一综合电子模块(3)接收SDU有效帧，从自主恢复决策模块(5)接收SPDU帧，将SDU有效帧和SPDU帧调制至射频信号发出至收发信机B；收发信机B的第二帧接收模块(7)将接收的SDU有效帧发送至第二综合电子模块(9)，同时将接收到的SPDU帧转发至指令解析及执行模块(6)；指令解析及执行模块(6)接收到SPDU帧后，根据其类型进行解析后得到相应解析指令，并发送至第二帧发射模块(8)；第二帧发射模块(8)根据接收到的指令，根据链路故障状态进行自主恢复；
所述将AGC跳变评估值η和门限阀值进行比较，根据比较结果生成相应的SPDU帧并发送给第一帧发射模块(2)，包括：自主恢复决策模块(5)接收到AGC跳变评估值η后，将其和门限阀值1和门限阀值2进行比较，其中门限阀值2大于门限阀值1；若η<门限阀值1，以目前物理层加扰和编译码措施对所发生的错误进行纠正，完成自主恢复过程；若门限阀值1≤η≤门限阀值2，则自主恢复决策模块(5)生成扩频SPDU帧，并将扩频SPDU帧发送至第一帧发射模块(2)；若η>门限阀值2，则自主恢复决策模块(5)生成体制切换SPDU帧，并将体制切换SPDU帧发送至第一帧发射模块(2)；
所述扩频SPDU帧用于将对方收发信机通信模式切换为扩频模式的数据帧；
所述体制切换SPDU帧用于将对方收发信机通信模式切换为抗强干扰模式的数据帧；
所述指令解析及执行模块(6)接收到SPDU帧后，根据其类型进行解析后得到相应解析指令，并发送至第二帧发射模块(8)，包括：指令解析及执行模块(6)接收到SPDU帧后，判断其类型，若为扩频SPDU帧，则将其解析为扩频指令，并发送至第二帧发射模块(8)；若为体制切换SPDU帧，则将其解析为体制切换指令，并发送至第二帧发射模块(8)；
所述第二帧发射模块(8)根据接收到的指令，根据链路故障状态进行自主恢复，包括：第二帧发射模块(8)若接收到扩频指令，则将从第二综合电子模块(9)接收的SDU有效帧按照默认的系统扩频因子进行扩频操作，并将扩频后的数据调制至射频信号发送至收发信机A，收发信机A对扩频后的信号进行解扩；第二帧发射模块(8)若接收到体制切换指令，则查找当前各信道中，前向接收和返向发射相差频率范围最大的信道，生成Hail指令，并调制至射频信号发送至收发信机A，收发信机A收到后会同收发信机B在前向接收和返向发射相差频率范围最大的信道上重新建立通信。
2.根据权利要求1所述一种基于特殊链路故障特性评估的自主恢复系统，其特征在于：所述AGC跳变评估模块(4)根据当前弧段的AGC标称值以及AGC遥测采样幅值，计算得到AGC跳变评估值η包括：AGC跳变评估模块(4)从第一综合电子模块(3)接收当前弧段的AGC标称值，随后开始计时，在计时期间内统计AGC遥测采样幅值超过标称值A％的次数，记为Nnum1，统计AGC遥测采样幅值超过标称值B％的次数，记为Nnum2，统计AGC遥测采样幅值超过标称值C％的次数，记为Nnum3，通过加权评估算法，得到AGC跳变评估值η。
3.根据权利要求2所述一种基于特殊链路故障特性评估的自主恢复系统，其特征在于：2A≤B≤3A且3A≤C≤4A。
4.根据权利要求2所述一种基于特殊链路故障特性评估的自主恢复系统，其特征在于：通过加权评估算法，得到AGC跳变评估值η，具体包括：
记AGC遥测采样幅值超过标称幅度值A％的权值为1，AGC遥测采样幅值超过标称幅度值B％的权值为2，AGC遥测采样幅值超过标称幅度值C％的权值为5，AGC跳变评估值
5.根据权利要求1所述一种基于特殊链路故障特性评估的自主恢复系统，其特征在于：所述门限阀值1，其取值同编译系统码增益相关，系统编译码增益越高，门限阀值1越大。
6.根据权利要求5所述一种基于特殊链路故障特性评估的自主恢复系统，其特征在于：门限阀值1的取值过程具体为：若系统编译码增益小于等于4，则门限阀值1取值1.2～1.5，否则门限阀值1取值1.5～1.8。
7.根据权利要求1所述一种基于特殊链路故障特性评估的自主恢复系统，其特征在于：门限阀值2，其取值与系统的扩频因子相关，扩频因子越大，门限阀值2越大。
8.根据权利要求7所述一种基于特殊链路故障特性评估的自主恢复系统，其特征在于：门限阀值2的取值过程具体为：若扩频因子小于等于10，门限阀值2取值2～2.5，否则门限阀值2取值2.5～3。
9.根据权利要求1所述一种基于特殊链路故障特性评估的自主恢复系统，其特征在于：所述AGC标称值为当前弧段条件下本地射频接收通道带宽内的理论信号电平值。
10.根据权利要求1所述一种基于特殊链路故障特性评估的自主恢复系统，其特征在于：所述Hail指令用于告知对方收发信机前向接收和返向发射相差频率范围最大的信道。
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