CN117221971B - 一种中继浮标高速双模卫星通信装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中继浮标高速双模卫星通信装置，本发明属于海上浮标高速卫星通信领域，包括：伺服系统，用于控制双频共面天线的俯仰角、方位角；双模卫星信号处理单元，安装在伺服系统固定平台的背面，与所述伺服系统连接，用于基于所述俯仰角、方位角，自适应切换通信卫星；双频共面天线，安装在伺服系统固定平台的正面，用于跟踪不同卫星的卫星波束；多功能AP单元，安装在伺服系统固定底座下方，用于控制所述双模卫星信号处理单元选择某一卫星链路，同时控制所述双频共面天线伺服跟踪目标的对应卫星波束，并搜索对应卫星信号。本发明具有较高的通信稳定性以及传输可靠性，还具备防水、耐压的特性，便于安装在各种浮标平台。
Description
技术领域
本发明属于海上浮标高速卫星通信技术领域，尤其涉及一种中继浮标高速双模卫星通信装置。
背景技术
在离岸20海里以外的远海区域，没有任何陆地无线信号的覆盖，有使用无人机、无人艇等海上航空器为浮标提供通信服务，然而这些海上航空器没有持续提供数据传输服务的能力。
采用卫星通信的远海浮标可以提供可持续、实时的数据传输服务。但在海况较差的情况下，浮标载体会随着海浪的起伏而摆动，会导致天线偏离卫星，从而使得通信中断。当前绝大多数远海浮标为了通信的稳定性，采用了全向天线，这样的天线在各个方向都有相同的增益，从而使得天线在任何角度下都可以与卫星建立链路。但在浮标总体功耗的限制下，使用全向天线无法实现更高的链路增益，从而导致通信速率无法提高。
FZF3-1型海洋资料浮标系统搭载的通信单元，仅能提供600bps的数据传输能力【卜照蓬,刘岩.FZF3-1型海洋资料浮标系统[J].海洋技术,2003(02):59-61+65.】；采用北斗通信终端的浮标仅有77B/min的通信能力。
在【饶浩,张岩,张津舟等.一种应用于海上浮标的卫星中继通信终端[J].电讯技术,2019,59(10):1145-1150.】中，采用定向天线搭载机械伺服系统，配合IMU器件实现卫星波束闭环跟踪，使浮标达到了2Mb/s的通信速率，但其可靠性较低，当卫星所在的方向受到遮蔽或者干扰时，便无法进行通信，造成浮标失联。
可见，现有技术中卫星通信的远海浮标，通信能力差，同时可靠性较低，容易造成浮标失联。
发明内容
本发明提出了一种中继浮标高速双模卫星通信装置，以解决上述现有技术中存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种中继浮标高速双模卫星通信装置，包括：
伺服系统，用于控制双频共面天线的俯仰角、方位角；
双模卫星信号处理单元，安装在伺服系统固定平台的背面，与所述伺服系统连接，用于基于所述俯仰角、方位角，自适应切换通信卫星；
双频共面天线，安装在伺服系统固定平台的正面，用于跟踪不同卫星的卫星波束；
多功能AP单元，安装在伺服系统固定底座下方，用于控制所述双模卫星信号处理单元选择某一卫星链路，同时控制所述双频共面天线伺服跟踪目标的对应卫星波束，并搜索对应卫星信号。
优选地，所述伺服系统包括：伺服控制单元、惯性测量单元、电机驱动器和固定平台；
其中所述伺服控制单元通过所述惯性测量单元获取中继浮标的姿态角，基于所述姿态角控制电机驱动器，基于电机驱动器驱动俯仰电机、方位电机，基于所述俯仰电机、方位电机驱动所述固定平台的俯仰轴、方位轴。
优选地，所述双模卫星信号处理单元包括：射频前端、基带处理单元和通信链路控制电路；
所述通信链路控制电路，用于控制所述射频前端选择不同卫星的通信链路。
优选地，所述射频前端包括：天通天链返向链路射频电路和天通天链前向链路模块；
所述天通天链返向链路射频电路包括：射频开关、第一压控衰减器、第一驱动放大器、末级功率放大器、第一滤波器和隔离器；
所述天通天链前向链路模块包括：第一滤波器、限幅器、第二低噪声放大器、压控衰减器、第二驱动放大器。
优选地，所述基带处理单元包括：天通CP电路和天链CP电路；
所述天通CP电路包括：射频单元、基带单元、电源处理和接口功能单元；
所述天链CP电路包括：信号处理电路、时钟电路和电源接口电路。
优选地，所述通信链路控制电路，用于采集所述射频前端的功率检波，基于所述功率检波的链路质量评估，发送控制指令，通过所述控制指令切换通信链路。
优选地，所述多功能AP单元向所述通信链路控制电路发送控制指令，基于所述控制指令得到不同卫星前向链路信号的接收功率，并控制所述射频前端的通信链路。
优选地，所述多功能AP单元与所述伺服控制单元进行通信，通过驱动伺服电机控制双频共面天线，基于双频共面天线跟踪卫星波束。
优选地，所述多功能AP单元的软件包括：链路状态检测与通信模式自适应切换服务、天通一号网络接入服务、浮标数据组帧转发服务。
优选地，还包括：温控单元和电源变换单元；
温控单元，用于控制所述双模卫星通信装置的温度；
电源变换单元，用于为所述双模卫星通信装置供电。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明提供了一种中继浮标高速双模卫星通信装置，具有较高的通信稳定性以及传输可靠性，当某颗卫星所在的方向受到干扰或者信号质量较差时，可自动切换跟踪另一颗卫星进行通信；中继浮标双模卫星通信装置使用伺服机构闭环控制定向天线搜索和跟踪卫星波束，最高可达到384kbps的通信速率，同时可在四级海况下进行工作；中继浮标双模卫星通信装置具备防水、耐压的特性，便于安装在各种浮标平台。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的系统框图；
图2为本发明实施例的水密罩体结构外形图；
图3为本发明实施例的水密罩体构成示意图；
图4为本发明实施例的双模卫星信号处理单元、双工器、天线连接关系示意图；
图5为本发明实施例的通信链路控制电路原理框图；
图6为本发明实施例的天通卫星返向链路射频电路；
图7为本发明实施例的天链卫星返向链路射频电路；
图8为本发明实施例的天通卫星前向链路射频电路；
图9为本发明实施例的天链卫星前向链路射频电路；
图10为本发明实施例的天通卫星CP电路；
图11为本发明实施例的天链卫星CP电路；
图12为本发明实施例的多功能AP单元外部连接关系示意图；
图13为本发明实施例的多功能AP单元原理框图；
图14为本发明实施例的多功能AP单元软件系统框图；
图15为本发明实施例的多功能AP单元软件功能框图；
图16为本发明实施例的搜星过程流程图；
图17为本发明实施例的系统工作流程图；
图18为本发明实施例的天通模式与天链模式工作流程图；
图19为本发明实施例的机械结构图；
图20为本发明实施例的伺服机构俯仰轴机械结构图；
图21为本发明实施例的伺服机构方位轴机械结构图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一
本实施例中提供一种中继浮标高速双模卫星通信装置，通信装置整体集成在尺寸为Φ540mm×650mm圆柱形耐压、透波的水密罩体内。如图2和图3所示，水密罩由上罩体和底座构成。上罩体分为透波部分和装配部分，透波部分主要材料为玻璃纤维，具有一定的耐压能力和良好的透射电磁波的能力；装配部分上罩体下部与底座连接的部分，材料为TC-4钛合金，透波部分与装配部分的过渡区域为碳纤维材料。底座材料同样是TC-4钛合金，与上罩进行密封连接，同时在底座引出散热水管和13芯水密电缆。
水密罩内的通信装置为功能实现的主体，如图1所示，其构成包括伺服系统、双频共面天线、双工器、双模卫星信号处理单元、温控单元、多功能AP(Application Processor，应用处理器)单元与电源变换单元。
伺服系统由伺服控制单元、IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)、电机驱动器、固定平台构成，其中固定平台的俯仰轴和方位轴分别由俯仰电机和方位电机驱动，伺服控制单元通过IMU获取载体姿态角，控制电机驱动器驱动俯仰电机和方位电机，实现对固定平台俯仰角和方位角的闭环控制。
如图20所示，俯仰轴由俯仰电机通过同步轮和皮带进行传动，主动同步轮安装在电机输出轴，被动同步轮安装在俯仰轴，主动同步轮通过皮带将动力传到被动同步轮，从而带动俯仰轴运动，同时俯仰轴张紧机构可用于调节皮带松紧，防止皮带打滑。其中俯仰电机减速比为n12＝3；
如图21所示，方位轴同样由同步带进行传动，但方位同步轮为定轮，由主动轮绕被定轮进行公转，实现方位角的改变。其中方位轴电机减速比为n12＝5。
双频共面天线安装在伺服系统固定平台的正面，双工器和双模卫星信号处理单元安装在伺服系统固定平台的背面，其连接关系如图4所示。
双模卫星信号处理单元由射频前端、基带处理单元(CP,CommunicationProcessor)和通信链路控制电路构成。射频前端包括天通一号前/返向链路射频电路和天链二号前/返向链路射频电路。
如图6和图7所示，天通天链返向链路射频电路主要由射频开关、压控衰减器、驱动放大器、末级功率放大器、滤波器及隔离器等器件组成。
如图8和图9所示，天通天链前向链路模块主要由滤波器、限幅器、低噪声放大器、压控衰减器、驱动放大器等器件组成。
如图10所示，天通CP电路包括射频单元、基带单元、电源处理和接口功能单元。其中，射频单元由收/发端SAW滤波器、射频收发芯片(MSR01B1)与26M压控振荡器组成；基带单元包括基带处理芯片(MSC02A)与MCP内存芯片(NAND和SDRAM)；电源处理和接口单元包括PMU芯片内部集成电源管理单元和CODEC单元、应用接口50pins B2B接口与射频接口天线连接器(IPEX连接器)。
如图11所示，天链CP包括三部分电路，分别为信号处理电路、时钟电路和电源接口电路。
如图5所示，通信链路控制电路用于控制前端选择天通一号或者天链二号卫星通信链路。其工作原理为MCU(Micro Controller Unit,微控制器)利用内部ADC采集天通前端和天链前端的功率检波输出，用于链路质量评估，控制串口收到指令后，通过输出控制信号，打开或者关闭对应链路的电源实现链路切换。其中，链路评估依据如表1所示；
表1
评估等级分为0-5级，共计6级；
(1)评估等级在4-5，表明链路质量较好，可以满足当前模式的数据速率传输，不需要切换链路；
(2)评估等级在2-3表明当前链路余量较小，有丢失连接的风险，优先选择评级更高的链路；
(3)评估等级≤1表明该链路质量很差，无法建立或者很难建立连接；链路切换电路通过MCU输出电源控制信号(PWR_CTL[1:0])，控制DCDC(直流电源变换器)电源输出实现的，控制定义如表2所示。
表2
| PWR_CTL[1:0] | 功能 |
| 0 0 | 关断天通一号链路CP供电，同时关端天链二号链路CP供电 |
| 0 1 | 关断天链二号链路CP供电，开启天通一号链路CP供电 |
| 1 0 | 关断天通一号链路CP供电，开启天链二号链路CP供电 |
| 1 1 | 保持上一个状态，不执行任何操作 |
其控制串口允许通过指令控制前端的通信链路、增益和查询前端状态。
其中天通一号CP通信串口和天链二号CP通信串口复用一路RS422接口，当双模卫星通信装置工作在天通一号通信模式下，模拟开关选通TT(天通一号)通信串口；当双模卫星通信装置工作在天链二号通信模式下，模拟开关选通TL(天链二号)通信串口。
温控单元采用水循环散热方式，利用一个安装在水密罩外部的微小温度调节器通过钛合金管道导入到海水接触实现传导散热，控制水密罩体内部的环境温度水密罩钛合金底座作为换热器，一面接触海水，另一面接触罩内空气，利用罩外水循环、罩内风循环进行散热。
多功能AP单元安装在伺服固定底座下方，通过电滑环与双模卫星信号处理单元中的天链2号CP、天通1号CP及通信链路控制电路连接。如图12所示，其主要功能包括：(1)向通信链路控制电路发送指令，实现控制通信的切换；(2)与伺服控制单元通信切换跟踪卫星；(3)复用一路RS422接口与天通一号链路CP和天链二号CP进行数据通信；(4)通过一路RS422接口收发来自浮标平台的数据并完成数据组帧。
如图13所示，多功能AP单元采用LS1028A微处理芯片,板载2GB DDR4内存作为系统运行内存，8GB emmc用于系统固件和数据存储，电源芯片采用MP1471，接口采用J30J-9pin连接器。
多功能AP单元软件基于定制Linux系统开发，Linux定制工作是对物理层、内核层和应用层进行开发适配，如图14所示。
(1)在物理层接口上，启用MUX多路复用串口协议，规定了数据帧的起始位，校验方式和速率；在一个物理串口上建立两路虚拟串口通道，一路为ttymodem，用于链路数据帧转发；一路为ttyATinterface，用于AT指令控制。
(2)在内核层上，配置Linux内核的GSM\CDMA的驱动模块以及PPP协议驱动文件，设置生成设备节点。移植PPP后台服务进程(Point to Point Protocol Daemon,PPPD)程序并配置PPPD启动脚本，实现链路层的PPP协议。
(3)在应用层上，启动PPPD拨号进程，拨号成功后建立PPP0虚拟网卡并自动获得IP地址，然后调用基于socket的Http URL Connection方法把来自用户数据接口的数据包组帧转发到数据交换服务器，同时监听8000端口,接收数据交换服务器的数据帧，解析后转发到用户数据接口。
如图15所示，多功能AP单元软件包括(1)链路状态检测与通信模式自适应切换服务(2)天通一号网络接入服务、(3)浮标数据组帧转发服务。
双模浮标卫星通信装置共有三种通信模式，(1)高速模式(9.6～384kbps)，其通信链路为天通一号卫星链路(2)低速模式(2.4～64kbps)，其通信链路为天链二号卫星SMA数据业务(3)突发模式(1.74kbps)，其通信链路为天链二号卫星链路短报文业务。三种通信模式的切换需要选择不同的卫星通信链路。AP单元通过与前端通信链路控制电路通信，可获得两种卫星前向链路信号的接收功率，并控制前端通信链路，同时与伺服控制单元通信，驱动伺服电机跟踪相应卫星波束。
伺服跟踪依赖电机转角的高精度控制，伺服控制使用直流无刷电机作为执行机构，直流无刷电机采用电子换相技术，没有电刷，其寿命相较于有刷电机更长，可靠性更高。为了提高控制精度和动态性能，采用了转速位置双闭环控制算法，内环为速度控制环，外环为位置控制环。位置控制器和速度控制器采用输出限幅的PID控制器，控制器离散化数学模型如下式：
电机转角实现高精度位置控制后，配合IMU即可实现天线的指向控制，用于卫星波束跟踪。控制系统采用捷联式惯性导航方案来实现载体姿态的实时解算，基本原理是将惯性测量器件直接固连在载体上，测得载体的三轴角速度和三轴角加速度，对角速度积分和角加速度积分并通过卡尔曼滤波算法即可实时解算出载体准确的三轴姿态角。
根据载体三轴姿态角和卫星高度、经纬度信息，通过坐标变换可计算出天线的目标俯仰方位角，再通过编码器反馈控制电机使天线指向目标方位。
中继浮标高速卫星通信单元的水密罩体漂浮于海上时，罩体内的卫星天线需要指向同步轨道卫星的最佳通信区域，必须首先保证卫星天线在初始寻星过程中能够准确高效地寻找到目标卫星，如图16所示，系统搜星过程如下所述。
1)获取GPS卫星数，判断是否获取通信终端经纬度信息；
2)根据通信终端经纬度计算出天线的目标俯仰角；
3)天线系统方位伺服机构旋转360°，记录各个点信号强度；
4)方位伺服机构旋转到信号强度较强区域的中间位置，在俯仰角保持不变的情况下，按照设定的微扫步长以方位角为中心在其左右搜索最大的信号强度方位，确定天线已初步对准目标卫星；
5)在保持天线方位角不变的情况下，俯仰伺服机构控制天线在理论俯仰角上下扫描，以获取最大信号所对应的俯仰角。
6)天线接收和解析卫星所发内容，判断天线是否对准目标卫星，已对准目标卫星则寻星结束；若没有对准目标卫星则重新执行步骤2-5。上述算法流程如图所示。
如图19所示，中继浮标双模卫星通信装置，由水密罩、北斗天线、双频共面天线、无线监测天线、双模卫星信号处理单元、双工器、方位系统、俯仰系统、IMU惯性测量单元、温控单元、多功能AP单元以及电源和数据接口构成。浮标平台通过电源接口给双模卫星通信装置供电，通过数据接口发送、获取数据。如图17与图18所示，双模卫星通信装置加电启动后，默认进入高速模式，多功能AP单元控制双模卫星信号处理单元选择天通链路，同时控制天线伺服跟踪目标为天通卫星波束，开始搜索天通卫星信号，若搜索失败则切换到天链链路，控制天线伺服跟踪目标为天链卫星波束，开始搜索天链卫星信号，搜索失败则进入突发通信模式。进入通信模式后，将持续检测链路，并进行自适应切换。
若成功与卫星建立连接，则启动数据收发服务，AP单元收到来自浮标平台的数据后，经过组帧后发到双模卫星信号处理单元，经过天通CP或者天链CP调制后，经前端放大、滤波后通过共面天线发送到卫星；相反，来自天通一号或者天链二号卫星的信号，经过共面天线接收后，送入射频前端，经放大滤波后送入天通CP或者天链CP，解调后发到AP单元，AP单元收到后，进行解帧后通过数据接口发到浮标平台。
本实施例有益效果：
为解决单一卫星通信可靠性较低的问题，本实施例实现了一种浮标数据可自动经由天通一号移动通信卫星或天链二号中继卫星进行端到端双向数据传输的通信装置，通信装置可根据当前环境自适应切换通信卫星，并自动跟踪对应的卫星波束，建立通信链路。通过使用双频共面天线，使其支持两种卫星的信号频点，同时具备较高的天线增益，以实现较高的通信速率；将天线搭载在二轴伺服机构上，通过IMU获取浮标载体的姿态，实现对卫星的实时对准。
中继浮标双模卫星通信装置使用伺服机构闭环控制定向天线搜索和跟踪卫星波束，最高可达到384kbps的通信速率，同时可在四级海况下进行工作。
射频前端以及信号处理单元集成在一套结构中，不仅避免了使用昂贵的射频滑环，而且减小了射频馈线的损耗，提高了通信的可靠性。
同时，该通信装置集成在水密透波罩体内，可工作在100m水深的区域，也兼顾小型化设计，整体物理尺寸限制在直径Φ540mm×高度700mm的圆柱形区域内，便于搭载在各种大小的浮标平台上。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种中继浮标高速双模卫星通信装置，其特征在于，包括：
伺服系统，用于控制双频共面天线的俯仰角、方位角；
双模卫星信号处理单元，安装在伺服系统固定平台的背面，与所述伺服系统连接，用于基于所述俯仰角、方位角，自适应切换通信卫星；
所述双模卫星信号处理单元包括：射频前端、基带处理单元和通信链路控制电路；
所述通信链路控制电路，用于控制所述射频前端选择不同卫星的通信链路；
所述通信链路控制电路，用于采集所述射频前端的功率检波，基于所述功率检波的链路质量评估，发送控制指令，通过所述控制指令切换通信链路；
双频共面天线，安装在伺服系统固定平台的正面，用于跟踪不同卫星的卫星波束；
多功能AP单元，安装在伺服系统固定底座下方，用于控制所述双模卫星信号处理单元选择某一卫星链路，同时控制所述双频共面天线伺服跟踪目标的对应卫星波束，并搜索对应卫星信号。
2.根据权利要求1所述的中继浮标高速双模卫星通信装置，其特征在于，所述伺服系统包括：伺服控制单元、惯性测量单元、电机驱动器和固定平台；
其中所述伺服控制单元通过所述惯性测量单元获取中继浮标的姿态角，基于所述姿态角控制电机驱动器，基于电机驱动器驱动俯仰电机、方位电机，基于所述俯仰电机、方位电机驱动所述固定平台的俯仰轴、方位轴。
3.根据权利要求1所述的中继浮标高速双模卫星通信装置，其特征在于，所述射频前端包括：天通天链返向链路射频电路和天通天链前向链路模块；
所述天通天链返向链路射频电路包括：射频开关、第一压控衰减器、第一驱动放大器、末级功率放大器、第一滤波器和隔离器；
所述天通天链前向链路模块包括：第一滤波器、限幅器、第二低噪声放大器、压控衰减器、第二驱动放大器。
4.根据权利要求1所述的中继浮标高速双模卫星通信装置，其特征在于，所述基带处理单元包括：天通CP电路和天链CP电路；
所述天通CP电路包括：射频单元、基带单元、电源处理和接口功能单元；
所述天链CP电路包括：信号处理电路、时钟电路和电源接口电路。
5.根据权利要求1所述的中继浮标高速双模卫星通信装置，其特征在于，所述多功能AP单元向所述通信链路控制电路发送控制指令，基于所述控制指令得到不同卫星前向链路信号的接收功率，并控制所述射频前端的通信链路。
6.根据权利要求2所述的中继浮标高速双模卫星通信装置，其特征在于，所述多功能AP单元与所述伺服控制单元进行通信，通过驱动伺服电机控制双频共面天线，基于双频共面天线跟踪卫星波束。
7.根据权利要求1所述的中继浮标高速双模卫星通信装置，其特征在于，所述多功能AP单元的软件包括：链路状态检测与通信模式自适应切换服务、天通一号网络接入服务、浮标数据组帧转发服务。
8.根据权利要求1所述的中继浮标高速双模卫星通信装置，其特征在于，还包括：温控单元和电源变换单元；
温控单元，用于控制所述双模卫星通信装置的温度；
电源变换单元，用于为所述双模卫星通信装置供电。
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