发明内容
为解决上述技术问题,本申请提供一种可切换式遥测天馈系统设计方法及遥测天馈系统,能够提高火箭箭体的信号传输质量,避免数据丢失或无法正常传输的情况,从而提高遥测数据的可靠性。
一种可切换式遥测天馈系统设计方法,包括:
根据设计要求并依据双天线设计策略确定遥测天馈系统的技术指标;
根据技术指标确定合适的天线和切换器;
设计切换控制逻辑和算法来实现天线的动态调整和切换;
对双天线的位置进行布局和优化,避免天线之间的相互干扰和影响,确定双天线之间采用“背对背”的布局方式;
对可切换式遥测天馈系统进行验证和测试,并依据验证和测试结构进行优化和改进,确保可切换式遥测天馈系统的性能和可行性达到最佳状态。
优选的,所述遥测天馈系统的技术指标包括:工作点频、发射频率公差、传输体制、传输码型、码率、副帧类型、字长、子帧长、子帧同步码、副帧长、副帧同步码、发射调制度、寄生频偏、输出功率、有效全向辐射功率和箭载天线极化方式。
优选的,所述设计切换控制逻辑和算法来实现天线的动态调整和切换包括:
根据信号信息,计算信噪比;
设定信噪比阈值,将信噪比与信噪比阈值比较,确定信号决策以及天线配置策略;
依据天线配置情况,并根据需要确定信号重调策略;
获取信号重调策略下的信号质量反馈数据,根据信号重调策略进行调整和优化。
优选的,所述依据天线配置情况,并根据需要确定信号重调策略中,信号重调策略包括:天线增益调整策略、天线方向性调整策略、信号频率调整策略和信号码率调整策略中的一种或几种组合。
优选的,所述对双天线的位置进行布局和优化,避免天线之间的相互干扰和影响包括:
对第一天线和第二天线之间的相互干扰情况进行干扰评估;
根据干扰评估结果,对第一天线和第二天线之间的位置和方向进行优化,使第一天线和第二天线之间的干扰最小化;
在第一天线和第二天线之间增加抗干扰装置;
使用滤波器和信号调整技术对第一天线和/或第二天线进行调整。
优选的,所述对第一天线和第二天线之间的相互干扰情况进行干扰评估包括:使用电磁场模拟方法和实测分析方法进行干扰评估;其中,电磁场模拟方法包括:
使用电磁场模拟软件,对第一天线和第二天线之间的电磁相互作用进行模拟和分析;
通过模拟计算,评估第一天线和第二天线之间的电磁耦合、相互辐射和干扰程度。
优选的,对可切换式遥测天馈系统进行验证和测试,并依据验证和测试结构进行优化和改进,确保可切换式遥测天馈系统的性能和可行性达到最佳状态中,对可切换式遥测天馈系统进行验证和测试包括:
根据设计的天线配置和切换逻辑,进行多个模拟测试场景的仿真,收集并分析模拟结果;
在实际场景中进行可切换式遥测天馈系统的实地测试,以验证系统的性能和可行性;
根据分析模拟测试和实地测试的结果,评估系统在不同场景下的性能表现,根据性能表现情况,进行系统的优化和改进。
根据本申请的另一方面,还提供一种遥测天馈系统,所述遥测天馈系统固设于火箭的仪器舱倒锥上;利用所述的可切换式遥测天馈系统设计方法设计得出,包括:第一天线和第二天线;所述第一天线和所述第二天线相对地设置于所述仪器舱倒锥的同一径向平面上;所述第一天线与所述第二天线的主瓣方向相互背离;所述遥测天馈系统配置成依靠切换器在所述第一天线和所述第二天线之间进行信号切换。
优选的,所述第一天线和所述第二天线之间具有用于阻隔电磁波传播的隔离材料;所述隔离材料为金属屏蔽板或电磁屏蔽材料。
优选的,所述第一天线与所述第二天线均包括天基天线模块、卫导天线模块与遥测天线模块;所述天基天线、所述卫导天线与所述遥测天线均处在不同频段。
与现有技术相比,本申请至少具有以下有益效果:
1、依靠本发明的可切换式遥测天馈系统设计方法,能够设计出能够进行天线切换的遥测天馈系统,可切换式的天线配置实现了更灵活、适应性更强的遥测系统,提高了信号接收和传输的质量,满足了不同工作模式和通信需求的要求。
2、本发明的遥测天馈系统能够提高火箭箭体的信号传输质量,避免数据丢失或无法正常传输的情况,从而提高遥测数据的可靠性。
3、本发明的遥测天馈系统能够通过动态切换天线配置,根据不同工作模式和通信需求进行调整,提高系统的适应性。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
如图1所示,一种可切换式遥测天馈系统设计方法,包括以下步骤:
步骤S1、根据设计要求并依据双天线设计策略确定遥测天馈系统的技术指标。
具体的,需确定遥测天馈系统的技术指标包括:工作点频、发射频率公差、传输体制、传输码型、码率、副帧类型、字长、子帧长、子帧同步码、副帧长、副帧同步码、发射调制度、寄生频偏、输出功率、有效全向辐射功率和箭载天线极化方式。
在本实施例中,遥测天馈系统的技术指标为:
a)工作点频:根据实际任务需求进行配置;
b)发射频率公差(含稳定度):优于±1.0×10-5;
c)传输体制:PCM-FM;
d)传输码型:NRZ-L;
e)码率为4.9152Mbps;
f)副帧类型:反码副帧;
g)字长:8bit;
h)子帧长:240字;
i)子帧同步码:FAF320;
j)副帧长:64;
k)副帧同步码:050CDF;
l)发射调制度:0.7±0.025(带TPC编码);
m)寄生频偏:≤20kHz;
n)输出功率:全温度范围≥8W;
o)EIRP:4dBW(@2300MHz);
p)箭载天线极化方式:全向线极化;
q)箭载天线数量:双天线。
其中,确定使用双天线的决策主要基于以下考虑:
信号多径效应抑制:使用双天线可以利用空间分集技术,通过同时接收多个天线接收到的信号,并对其进行合并处理,从而抑制信号在多径传播环境中产生的干扰和衰减。
天线切换灵活性:通过设计双天线的切换机制,可以根据实时信号情况动态切换使用的天线,选择接收质量较好的天线,以提高在黑障区中的信号接收能力和传输质量。
空间多样性增强:通过将两个天线分布在不同位置或方向,可以增强系统对不同角度和方向的信号接收能力,提高系统的适应性和覆盖范围。
确定使用双天线后,可以根据系统需求选择适当的天线类型和切换器。天线的选择应考虑频率范围、增益、方向性以及天线尺寸等因素。切换器的选择应考虑切换速度、信号损耗以及切换稳定性等因素。
根据本发明的设计思路,使用双天线是为了克服固定遥测天馈系统在火箭箭体发生滚转、俯仰、偏航时以及面对黑障区时的局限性。这种双天线的设计方案可以提供更好的信号接收和传输能力,并通过切换机制和空间分集技术来提高系统的适应性和覆盖范围。
步骤S2、根据技术指标确定合适的天线和切换器。
根据系统需求中的相应技术指标,选择适当的天线类型和切换器。天线的选择应考虑频率范围、增益、方向性以及天线尺寸等因素。切换器的选择应考虑切换速度、信号损耗以及切换稳定性等因素。
步骤S3、设计切换控制逻辑和算法来实现天线的动态调整和切换。
在此步骤中,需要考虑信号强度、干扰情况、通信需求等因素。在本发明的实施例中,使用实时的信号检测和处理技术,根据实时信号情况自动调整天线配置。确保系统能够快速、准确地选择合适的天线配置来提供最佳的信号接收和传输质量。
本发明中有两个天线,分别为第一天线和第二天线。
具体的,设计切换控制逻辑和算法来实现天线的动态调整和切换包括以下步骤:
步骤S31、根据信号信息,计算信噪比。
设定第一天线接收到的信号强度为S_A,第二天线接收到的信号强度为S_B。
假设第一天线和第二天线的噪声功率分别为P_noise_A和P_noise_B。
第一天线和第二天线的信噪比分别:
SNR_A=S_A-P_noise_A;
SNR_B=S_B-P_noise_B。
步骤S32、设定信噪比阈值,将信噪比与信噪比阈值比较,确定信号决策以及天线配置策略。
假设设定的信噪比阈值为SNR_threshold,将第一天线的信噪比SNR_A和第二天线的信噪比SNR_B分别与信噪比阈值SNR_threshold进行比较,根据比较结果确定信号决策。
在利用第一天线进行信号传输的情况下,如果SNR_A大于SNR_threshold,则第一天线的信号质量高于阈值,信号决策设定为无需进行信号切换。
在利用第二天线进行信号传输的情况下,如果SNR_B大于SNR_threshold,则第二天线的信号质量高于阈值,信号决策设定为无需进行信号切换。
相反的,在利用第一天线进行信号传输的情况下,如果SNR_A不大于SNR_threshold,则信号决策设定为进行信号切换,利用第二天线替代第一天线进行信号传输。如果当前使用的为第一天线配置,则切换到第二天线配置。
在利用第二天线进行信号传输的情况下,如果SNR_B不大于SNR_threshold,则信号决策设定为进行信号切换,利用第一天线替代第二天线进行信号传输。如果当前使用的为第二天线配置,则切换到第一天线配置。
步骤S34、依据天线配置情况,并根据需要确定信号重调策略。
依据天线配置情况,根据需要确定信号重调策略,该信号重调策略包括天线增益调整策略、天线方向性调整策略、信号频率调整策略和信号码率调整策略中的一种或几种组合。
具体的,天线增益为:如果切换到的天线接收到的信号较弱,可以考虑增加天线的增益,以提高信号接收强度。相反,如果切换到的天线接收到的信号过强,可能需要降低天线的增益,以避免信号过载和失真。
天线方向性调整为:根据信号源的位置和天线的布局,可能需要调整天线的方向性,以获得最佳的信号接收效果。通过调整天线的方向或角度,可以最大程度地接收到目标信号,并减小不必要的干扰。
信号频率调整为:根据实际的信号频率需求,可能需要调整天线的接收频率范围。如果目标信号在特定频率范围内,可以调整天线的频率响应,以匹配目标信号的频率范围,并优化信号接收效果。
信号码率调整为:对于数字信号传输,可能需要调整信号的码率,以适应不同的传输速率要求。根据实际的应用场景和系统要求,可以调整信号的传输速率,以提高传输效率或适应不同的数据传输需求。
针对上述需求,相应的调整策略可以包括:
信号检测和分析:在切换后,对接收到的信号进行检测和分析,包括信号强度、频率、码率等相关参数的测量和分析。
根据信号分析结果,确定是否需要进行进一步的信号调整。
增益控制和调节策略为:根据信号强度和要求,通过增益控制器或调节器对天线的增益进行调整,以优化信号接收效果。
根据实时反馈信息,动态调整增益,确保信号的接收质量达到最佳状态。
方向性调整策略为:根据目标信号的方向和位置信息,通过调整天线的方向或角度,最大程度地接收到目标信号,并减小不必要的干扰。
频率和码率调整策略为:根据实际的频率和码率需求,通过调整天线和信号处理器的参数,使其能够适应不同的频率范围和传输速率。
综上所述,进行信号重调的需求包括天线增益调整、天线方向性调整、信号频率调整和信号码率调整。相应的调整策略可以根据实际需求和系统要求进行优化和实施,以最大限度地提高信号接收和传输的质量和效率。
步骤S35、获取信号重调策略下的信号质量反馈数据,根据信号重调策略进行调整和优化。
在具体实施时,如果新配置下的信号质量仍不理想,可能需要重新评估第一天线和第二天线的信号质量,并重新执行切换决策和天线切换操作。
步骤S4、对双天线的位置进行布局和优化,避免天线之间的相互干扰和影响,确定双天线之间采用“背对背”的布局方式。
具体的,通过系统需求和目标,并基于天线的辐射图和辐射特性分析,考虑信号覆盖范围和系统性能来确定双天线的位置。
在本实施例中,经过对各天线的信号覆盖范围和系统性能进行评估计算,得出第一天线和第二天线采用“背对背”布局方式具有最佳的信号覆盖范围和系统性能。
其中,“背对背”布局方式具体为:第一天线和第二天线相对置于仪器舱倒锥上,使两天线的主瓣方向相互背离。
在确定第一天线和第二天线之间采用“背对背”安装方式时,使用的数据包括天线的辐射图数据,通过天线的辐射图数据,可以分析和比较不同天线安装方式下的辐射特性和方向性。选择具有适当辐射特性的天线,并确保在“背对背”安装方式下能够达到所需的覆盖范围和接收性能。
在确定第一天线和第二天线之间采用“背对背”安装方式时,使用的方法包括:
使用电磁场模拟软件,可以模拟和计算天线之间的电磁相互作用,包括互相辐射、耦合和干扰等效应。通过模拟计算,分析不同安装方式下的电磁场分布和干扰情况,从而确定“背对背”安装方式的适用性和优势。
基于模拟数据或实测数据,进行天线之间的互相干扰评估。通过计算和分析,确定“背对背”安装方式下的干扰效应较小,能够最大程度地减少天线之间的相互影响。
基于场景需求和系统设计要求,进行信号覆盖范围和接收性能的计算和模拟。通过比较不同安装方式下的信号覆盖和接收性能,确定“背对背”安装方式能够满足要求,并提供更好的覆盖范围和性能表现。
综合以上方法,可以确定“背对背”安装方式的选择。通过分析天线辐射图、进行电磁场模拟、评估互相干扰效应以及计算信号覆盖和接收性能,可以确保“背对背”安装方式能够在同一频段下提供最佳的信号接收和传输性能,同时最小化天线之间的干扰效应。
在对双天线的位置进行优化时,包括以下步骤:
步骤S41、对第一天线和第二天线之间的相互干扰情况进行干扰评估。
具体的,首先,使用电磁场模拟软件,对天线之间的电磁相互作用进行模拟和分析。通过模拟计算,评估天线之间的电磁耦合、相互辐射和干扰程度。然后,通过实际测试,在实际环境中测量和记录天线之间的干扰现象。使用合适的测量设备和技术,对天线之间的信号传播和干扰进行分析和评估。
步骤S42、根据干扰评估结果,对第一天线和第二天线之间的位置和方向进行优化,使第一天线和第二天线之间的干扰最小化。
根据干扰评估结果,进行布局优化和干扰减小的措施包括:调整天线位置和方向:根据干扰评估结果,优化天线的位置和方向,使得天线之间的干扰最小化。通过调整天线的距离和方向,减少电磁相互作用和辐射干扰。
步骤S43、在第一天线和第二天线之间增加抗干扰装置。
其中,在本实施例中,在第一天线和第二天线之间增加隔离材料,以阻隔电磁波的传播,减少干扰的影响。所述隔离材料为金属屏蔽板或电磁屏蔽材料。
步骤S44、使用滤波器和信号调整技术对第一天线和/或第二天线进行调整。
在第一天线和/或第二天线的输入端或输出端使用适当的滤波器和信号调整技术,限制特定频率范围的信号传输,减少干扰的影响。其中,滤波器可以使用现有航天领域的货柜商品。信号调整可以使用现有航天领域的常用信号调整技术。
通过上述计算、模拟和分析方法,可以确定天线之间的布局方式,并进行干扰评估。根据评估结果,采取适当的优化措施来减小两天线之间的干扰效应,提高系统的性能和稳定性。
步骤S5、进行验证和测试,并依据验证和测试结构进行优化和改进,确保可切换式遥测天馈系统的性能和可行性达到最佳状态。
具体包括以下步骤:
步骤S51、根据设计的天线配置和切换逻辑,进行多个模拟测试场景的仿真,收集并分析模拟结果。
可以使用电磁场模拟软件,对设计的可切换式遥测天馈系统进行模拟测试。模拟测试可以评估系统在不同场景和信号环境下的性能,包括信号接收质量、切换速度、干扰抑制等方面。
步骤S52、在实际场景中进行可切换式遥测天馈系统的实地测试,以验证系统的性能和可行性。
在不同地点、不同环境下进行测试,包括有无黑障区的情况,以评估系统在实际应用中的表现。其中,测试参数包括信号接收强度、切换速度、传输质量等,根据系统设计的要求进行收集和分析。
步骤S53、根据分析模拟测试和实地测试的结果,评估系统在不同场景下的性能表现,根据性能表现情况,进行系统的优化和改进。
进行多次实地测试,收集更多的数据和反馈,针对发现的问题或性能短板,采取相应的措施进行调整和改进,以不断优化和改进系统的性能和可行性。
通过验证和测试,可以确保本发明的可行性和性能达到预期,并根据测试结果进行必要的优化和改进,使系统能够在实际应用中更好地应对不同场景和信号环境的要求。
如图2所示,一种遥测天馈系统,固设于火箭的仪器舱倒锥1上,利用上述可切换式遥测天馈系统设计方法设计得出,包括:第一天线2和第二天线3。第一天线2和第二天线3相对地设置于仪器舱倒锥1的同一径向平面上。第一天线2与第二天线3的主瓣方向相互背离;所述遥测天馈系统配置成依靠切换器在第一天线2和第二天线3之间进行信号切换。
将两个天线布置为背对背的方式,即第一天线2和第二天线3相对而置,使它们的主瓣方向相互背离。这种布局可以降低天线之间的互相干扰,减少天线的直接耦合效应。通过合理的物理间距和方向设置,减小天线之间的干扰,提高系统的性能和稳定性。
作为本发明的另一个实施例,第一天线2和第二天线3之间具有用于阻隔电磁波传播的隔离材料;隔离材料为金属屏蔽板或电磁屏蔽材料。
在天线之间使用适当的隔离材料,能够减少天线之间的电磁相互作用。这些隔离材料能够有效地阻隔天线之间的电磁波传播,降低互相干扰的可能性,从而提高系统的性能和抗干扰能力。
作为本发明的另一个实施例,第一天线2与第二天线3均包括天基天线模块、卫导天线模块与遥测天线模块;天基天线、卫导天线与遥测天线均处在不同频段。
通过在每个天线输入端或输出端安装适当的滤波器,可以限制特定频率范围内的信号传输,减少相邻频带之间的互相干扰。滤波器可以根据系统的频率需求和工作范围来选择现有货柜商品,具体设计参数包括中心频率、带宽和滤波特性等。
使用信号调整技术,如信号放大器、相移器等,对天线接收到的信号进行调整和优化。这些技术可以校正信号的幅度、相位、频率等参数,以确保天线之间的信号传输准确无误,并降低互相干扰的影响。
通过以上的优化措施,可以实现天线之间的互相干扰和影响的最小化。通过背对背布局、隔离材料、滤波器和信号调整技术的应用,可以有效提高系统的性能、稳定性和抗干扰能力。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是,本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,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。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保护范围之内。