CN209400690U - 基于无人机的遥感卫星接收系统的远程标校装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于无人机的遥感卫星接收系统的远程标校装置，向遥感卫星接收系统发送标校测试信号，包括无人机、标校设备和远程控制装置，无人机用于搭载所述标校设备；标校设备包括信标机和信标天线，所述信标机产生符合标校频率要求的标校测试信号，通过信标天线发送给遥感卫星接收系统；远程控制装置用于设置标校频率，控制无人机放飞到设定高度，并悬停设定时间。上述标校装置可以满足各种不同需求的系统标校任务、部署灵活、简捷实用。

Description

基于无人机的遥感卫星接收系统的远程标校装置

技术领域

本实用新型涉及卫星数据接收技术领域，更具体地，涉及一种基于无人机的遥感卫星接收系统的远程标校装置。

背景技术

随着对地球资源和环境的认识的深化以及对地观测技术的进步，遥感卫星星地链路需要的信息传输速率越来越高，例如，遥感卫星从现在的利用S频段(实际应用主要为2.2GHz到2.3GHz)、X频段(实际应用主要为8GHz-9GHz)转变为利用Ka频段进行星地数据传输正成为航天工作的发展方向。我国也将在低轨遥感卫星上采用Ka频段(实际应用主要集中在25GHz-27.5GHz)下传数据。

遥感卫星数据接收系统的标校测试是系统研制及测试过程中必不可少的技术环节，现有的标校方法是，在距离遥感卫星天线视场开阔，不存在遮挡的地方建立标校塔，在标校塔上架设标校信号源。通过所述天线和标校信号源之间的信号传输，对天线进行标校测试。

当前，遥感卫星数据接收系统主要为X、S频段，其标校塔也均为针对X、S频段进行设计，因此当地面接收系统工作频段提升至Ka频段之后，其面临两个方面的问题：

(1)利用既有的X、S频段固定的标校塔在距离上不能满足Ka频段的远场需求，Ka频段频率远高于X、S频段，需要设置标校塔的距离远大于用于X、S频段的标校塔的距离；

(2)如新建固定的Ka频段标校塔也面临诸多困难：

首先，在满足距离要求基础上，在标校源和和天线之间的传输路径不能存在遮挡，视场开阔，这就决定了工程实施过程中标校塔建设的选址难度很大。

第二，如果新建Ka频段标校塔，还会面临工程建设难度大，建设成本高的问题，而且建成后还需要投入不低的维护成本(例如建设供电线路、日常设备维护等)。

因此，综合各方面因素，实际工程建设几乎没有新建Ka频段标校塔的可能。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型提供一种能够对X/S/Ka频段的遥感卫星进行标校，特别是对低轨卫星Ka频段数据接收系统远程标校的基于无人机的遥感卫星接收系统远程标校装置。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种基于无人机的遥感卫星接收系统的远程标校装置，向遥感卫星接收系统发送标校测试信号，包括无人机、标校设备和远程控制装置，其中：无人机，用于搭载所述标校设备；标校设备，包括信标机和信标天线，所述信标机产生符合标校频率要求的标校测试信号，通过信标天线发送给遥感卫星接收系统；远程控制装置，设置标校频率，控制无人机放飞到设定高度，并悬停设定时间。

优选地，所述信标机包括射频信号发生器、电源和信号处理器，所述射频信号发生器包括两级锁相环。

此外，优选地，所述信标机中电源和信号处理器同层设置或不同层设置，当所述电源和信号处理器同层设置时，固定电源的电路板和固定信号处理器的电路板对板连接器进行连接。

另外，优选地，所述信标机中用于固定射频信号发生器、电源和信号处理器的多块电路板为多层电路板，固定射频信号的电路板采用复合多层电路板，上层为低损耗的阻抗板，用于传输射频信号，下层为玻纤板，用于排布电源线和数据线。

优选地，所述信标机的壳体采用两面空腔中间隔层的结构，一面的空腔用于布置射频信号发生器，另一面的空腔用于布置电源和信号处理器。

优选地，所述信标天线由收发微波信号的微带和基板组成。

另外，优选地，所述遥感卫星接收系统包括天馈分系统、天线座架控制分系统以及跟踪接收分系统，所述天馈分系统包括抛物面天线和天线馈源；所述天线座架控制分系统包括天线座架、天线控制单元和天线驱动单元；所述跟踪接收分系统包括合路信号放大器、差路信号放大器、通道合成网络、第一下变频器、第二下变频器、跟踪接收机和解调器，其中，抛物面天线对卫星发射的电磁波信号进行反射并将其会聚到抛物面的焦点上，天线馈源设置在抛物面天线的焦点处，用于将会聚到抛物面焦点的信号能量全部收集起来，天线馈源合路通道产生合路信号，其差路通道产生差路信号，所述合路信号包含数据信息，该信号送入合路信号放大器中进行放大，经第二下变频器送入解调器输出得到解调后的卫星数据，所述差路信号包含天线偏离接收方向的信息，该信号送入差路信号放大器中进行放大，放大了的合路信号和差路信号在通道合成网络中通过相位合成调制为一路信号，该路信号送入第一下变频器中进行变频，变为中频信号，变频后的信号送入跟踪接收机中，由跟踪接收机进行解调以恢复出误差信号，误差信号送入天线控制单元，天线控制单元根据该误差信号产生角度偏差指令，角度偏差指令送入天线驱动单元，天线驱动单元根据该指令调节天线座架转动，使天线对准接收方向，从而实现天线对卫星的自动跟踪和数据接收。

有益效果

上述基于无人机的遥感卫星接收系统的远程标校装置为可移动式标校设备，架设信标地点灵活，可以满足各种不同需求的系统标校任务，部署灵活，简捷实用，实际标校测试的效果好，并避免了设置Ka频段远程固定标校装置所必须解决的一系列难题，降低了研制建设成本。

附图说明

通过参考以下具体实施方式及权利要求书的内容并且结合附图，本实用新型的其它目的及结果将更加明白且易于理解。在附图中：

图1是本实用新型基于无人机的遥感卫星接收系统的远程标校装置的示意图；

图2是本实用新型基于无人机的遥感卫星参数远程标校方法的示意图；

图3是本实用新型射频信号发生器的示意图；

图4是本实用新型信标机的外壳的示意图；

图5是本实用新型信标天线的示意图；

图6是本实用新型遥感卫星接收系统的示意图。

在附图中，相同的附图标记指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

下面将参照附图来对根据本实用新型的各个实施例进行详细描述。

图1是本实用新型基于无人机的遥感卫星接收系统的远程标校装置的示意图，如图1所示，所述标校装置1向遥感卫星接收系统100(图2示出)发送标校测试信号，包括无人机10、标校设备20和远程控制装置30，其中：

无人机10，用于搭载所述标校设备20；

标校设备20，包括信标机21和信标天线22，所述信标机21产生符合标校频率要求的标校测试信号，通过信标天线22发送给遥感卫星接收系统

远程控制装置30，设置标校频率，控制无人机10放飞到设定高度，并悬停设定时间。

利用上述标校装置对遥感卫星接收系统进行标校测试的方法，如图2所示，包括：

确定无人机的放飞点B与遥感卫星接收系统100的位置A的距离，所述距离不小于0.25R，其中

R＝2×D²÷λ

其中：R为是天线到远场区边界的距离，D为天线的物理口径，λ为工作波长，优选地，所述距离在0.25R～0.5R范围内；

确定无人机的放飞高度，如图2所示，C为满足一定距离与高度要求无人机悬停点，无人机悬停点C的确定包括：根据至少覆盖S、X、Ka不同频段遥感卫星接收系统天线的主瓣及第一副瓣波束宽度确定信标机的俯仰角度，根据无人机的放飞点与遥感卫星接收系统的距离和俯仰角度确定无人机放飞的高度，如下表1所示

表1

其中，R指12米口径天线在相应频段的远场工作距离，L1为在实际工程中采用的1/4远场，当信标与被测天线间距离大于此值，可以视为接近远场条件，具备相关测试的要求，L2为在实际工程中采用的1/2远场，∠A为被测天线的俯仰角需求，为避免天线副瓣照射到地面后反射产生影响，因此需要将被测天线抬高一定的角度，H为相应仰角要求在一定距离L(在0.25R～0.5R范围内)所对应的信标高度；

设置信标机的标校频率，将信标机和信标天线固定到无人机上，无人机到达放飞点，通过远程控制装置将无人机放飞到测试所需要的高度，并悬停在所述高度的位置点；

信标机通过信标天线发送所述标校频率标校测试信号。

由表1所示，遥感卫星接收系统100的天线口径为12米，X工作频率按8GHz计算，Ka工作频率按26GHz计算，天线8GHz频段远场标校源的架设需求为最小距离为1.92公里，最低高度为33.5米。而在26GHz频段时，标校源的架距离大于6公里，高度则至少大于100米。因此现有的X、S固定标校塔无法满足架设Ka频段标校源的要求。

上述远程标校装置1及标校方法利用了民用商业无人机部署灵活，使用便捷的特点，通过合理改装并搭载小型化、轻量化设计的标校信标机及信标天线，通过无线的方式对无人机进行远程控制(远程控制装置)，控制及管理无人机的飞行、并获取无人机的位置信息，满足了遥感卫星数据接收系统的标校测试功能。本实用新型在满足传统标校塔的功能需求基础上还具备了多角度的标校能力，同时避免了新建固定标校塔所面临的诸多困难，特别对于Ka频段遥感卫星数据接收系统的研制及标校测试非常有益。

在本实用新型的一个实施例中，所述信标机21包括射频信号发生器211、电源和信号处理器，如图3所示，所述射频信号发生器211包括两级锁相环2111和2112，作为独立本振源，能够实现1MHz的频率步进，也就是说采用PLL+PLL方式，即第一个PLL作为第二个PLL的可变参考，不仅可以有效地避开整数边界杂散，而且很少产生无用的杂波分量，杂散和相噪性能指标都比较优异，优选地，锁相环包括鉴相器、VCO(压控振荡器)和环路滤波器等。将鉴相器和VCO做成一个器件，在外部采用多个电阻电容构成环路滤波器，进一步优选地，所述锁相环的尺寸为6mm×6mm×1mm(长*宽*厚度)。

现有技术中单个PLL(锁相环)是无法实现1MHz的频率步进，因为其整数边界杂散很难滤除，所以信标模块必须使用多环方式。对于多环有很多种组合方式，以往较多的是使用混频环，但因为混频器，滤波器和放大器会占用很大的体积，很难实现小型化。

在本实用新型的一个实施例中，所述信标机21中用于固定射频信号发生器、电源和信号处理器的多块电路板为多层电路板，固定射频信号的电路板采用复合多层电路板，上层为低损耗的阻抗板(例如RO4350等)，用于传输射频信号，下层为玻纤板(例如FR4)，用于排布电源线和数据线，两层板压合在一起形成复合四层板。

在上述各实施例中，如图4所示，所述信标机的壳体优选地采用两面空腔中间隔层的结构，一面的空腔用于布置射频信号发生器，另一面的空腔用于布置电源和信号处理器(MCU等)，中间使用隔层隔开，这样可以减小各种干扰，合理地利用高度空间。

优选地，可以采用三层设计，射频信号发生器为第一层并且有金属隔层隔开，电源为第二层，作为控制器件的信号处理器为第三层。

进一步，优选地，所述信标机21中电源和信号处理器可以同层设置和不同层设置，为了使得信标机小型化，信标机外壳的两个腔体的高度在每一面20mm内，因此将所述电源和信号处理器同层设置，固定电源的电路板和固定信号处理器的电路板对板连接器进行连接，这样不仅方便维护，也可以最大限度地利用空间。

在本实用新型的一个实施例中，如图5所示，信标天线22将通常所需要的天线支架和结构件都省去，只保留收发微波信号所必需的微带221及基板222，也就是说，所述信标天线22由收发微波信号的微带221和基板222组成，使得信标天线轻型化。

优选地，信标天线22的尺寸约50mm×50mm×5mm(长*宽*厚度)，使得信标天线包含接插件的重量仅在20g以内。

图6是本实用新型遥感卫星接收系统的构成框图，如图6所示，所述遥感卫星接收系统100包括天馈分系统110、天线座架控制分系统120以及跟踪接收分系统130，其中：

所述天馈分系统110包括抛物面天线111和天线馈源112；

所述天线座架控制分系统120包括天线座架121、天线驱动单元122和天线控制单元123；

所述跟踪接收分系统130包括合路信号放大器131、差路信号放大器132、通道合成网络133、第一下变频器134、第二下变频器135、跟踪接收机136和解调器137，

其中，抛物面天线111对卫星发射的电磁波信号进行反射并将其会聚到抛物面的焦点上，天线馈源112设置在抛物面天线的焦点处，用于将会聚到抛物面焦点的信号能量全部收集起来，天线馈源合路通道产生合路信号，其差路通道产生差路信号，所述合路信号包含数据信息，该信号送入合路信号放大器131中进行放大，经第二下变频器135送入解调器137输出得到解调后的卫星数据，所述差路信号包含天线偏离接收方向的信息，该信号送入差路信号放大器132中进行放大，放大了的合路信号和差路信号在通道合成网络133中通过相位合成调制为一路信号，该路信号送入第一下变频器134中进行变频，变为中频信号，变频后的信号送入跟踪接收机136中，由跟踪接收机136进行解调以恢复出误差信号，误差信号送入天线控制单元123，天线控制单元123根据该误差信号产生角度偏差指令，角度偏差指令送入天线驱动单122元，天线驱动单元根据该指令调节天线座架121转动，使天线对准接收方向，从而实现天线对卫星的自动跟踪和数据接收。

上述遥感卫星接收系统100接收标校天线的标校测试信号，对天线进行对准的方法包括：

遥感卫星接收系统远程获取无人机的GPS定位数据，计算遥感卫星接收系统的天线与无人机的相对方位角与俯仰角；

遥感卫星接收系统的天线搜到标校测试信号，完成天线对标校测试信号的初步对准；

调整遥感卫星接收系统的天线的方位角与俯仰角，确保接收到的信号达到最大值，完成精确对准信标天线。

跟踪接收分系统130的跟踪通道和差通通道合成需要进行相位调制，而和路和差路信号因各种原因产生相位不一致性会在相位调制前产生一定的相位偏差。此相位偏差会引起方位/俯仰的交叉耦合恶化，即跟踪接收分系统130差通道俯仰信号和方位信号相互叠加，导致系统无法正常实现自动跟踪。因此调整遥感卫星接收系统的天线精确对准信标天线后，进行遥感卫星接收系统的合路信号通道和差路信号通道相位标校，包括：控制通道合成网络进行相位扫描，获得合路信号通道和差路信号通道的相位偏差，设置移相合成网络中的移相值，将合路信号通道和差路信号通道的相位对齐。

天线方向图是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强(归一化模值)随方向变化的图形，通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。通过方向图测试可以得出天线一系列的重要指标，例如：天线主瓣宽度、第一旁瓣电平、差波瓣零深，通过3dB10dB带宽法计算得出天线增益等。因此，调整遥感卫星接收系统的天线精确对准信标天线后，进行远场方向图测试，包括：控制遥感卫星接收系统的天线在方位和俯仰方向对接收到的标校测试信号在设定角度范围内进行扫描，检测在合路信号放大器和差路信号放大器的输出信号的幅度随时间变化的图形，通过时间与天线扫描角速度的关系得出标校测试信号幅度随角度变化的图形即为天线方向图，其中，所述设定范围至少覆盖不同频段天线的主瓣及第一副瓣波束宽度。

在上述各实施例中，标校装置1中无人机10作为具备定位功能的搭载平台，搭载轻量化设计的S/X/Ka频段信标机21及信标天线11，优选地，采用商业通用小型旋翼式无人机，例如专业级摄影摄像无人机等。从适用性角度考虑，无人机需要满足中国民用航空局飞行标准司制订的《民用无人机驾驶员管理规定》所规定的第II类无人机要求(起飞重量≤7kg，根据民航总局的相关规定第II类无人机在野外非人口稠密区飞行不需要飞行证照管理)；对于无人机的功能与性能，结合实际使用需求，无人机平台要具备GPS定位功能，并满足一定的飞行高度，悬停精度和续航时间。对于一般的专业无人机来说GPS定位功能一般都是其基本功能且飞行高度一般都能达到1千米以上，因此后续内容不再具体描述。无人机的悬停精度将直接决定无人机悬停位置的稳定度，并间接影响接收天线所接收到信号的稳定度。对于本实用新型所需要解决的位置标校，相位标校和方向图测试过程中都需要标校装置在测试过程中保持位置和信号稳定。另外，无人机的单次的续航时间则需要保证至少完成一组测试。

本实用新型采用旋翼式无人机，便于悬停在某指定位置以代替固定式标校源的作用。因此，这就对无人机的悬停精度有一定的技术要求，优选地，根据天线的波束宽度以及标校设备的距离来确定在不同条件下对无人机悬停的精度要求，其中，波束宽度为70*λ/D，例如，无人机的悬停精度在天线波束的照射范围的设定比例范围内，具体地，如下表2所示：

表2

天线直径(m)	频点GHz	R(km)	L(km)	波束宽度(°)	照射宽度(m)
						12	2.25	2.16	0.54	0.78	7.3
12	8	7.68	1.92	0.22	7.3
						12	26	24.96	6.24	0.07	7.3

根据上表计算结果，以12米天线为例，在L＝1/4R时天线波束的照射范围小于8米，如果只考虑在主波束宽度的一半范围内，照射范围也将近4米，也就是对信标信号摆动范围要求在直径为4米的圆内，即：对无人机悬停精度要求±2m。

对于无人机的续航时间，由于单次标校或测试时间一般为20分钟左右，所以满足实际使用需求并结合无人机的搭载能力，要求无人机单次续航时间≥30分钟。另外，通过更换电池的方式，可以达到延长总工作时间，以便完成多组测试。

在本实用新型的一个实施例中，对标校装置1进行测试，其中：

工作频段：2200～2300MHz(S)；7750～9000MHz(X)；25GHz～27.5GHz(Ka)

标校信号发射功率：

S频段：≥0dBm

X频段：≥﹢5dBm

Ka频段：≥﹢15dBm

频率步进：1MHz

标校装置1向遥感卫星接收系统发送标校测试信号的单载波标校信号强度如下表3

表3

本标校装置1的标校测试信号到达天线场放入口处电平可以≥-62dBm，使得卫星信号到达系统时信号较强，在接收系统场放入口处电平范围可以在-62.2dBm～-78.1dBm。同时标校装置1发射功率至少能满足1/2远场条件。

尽管前面公开的内容示出了本实用新型的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。此外，尽管本实用新型的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想具有多个元素，除非明确限制为单个元素。

Claims (7)

1.一种基于无人机的遥感卫星接收系统的远程标校装置，包括标校设备，其特征在于，还包括无人机和远程控制装置，其中：

无人机，用于搭载所述标校设备；

标校设备，包括信标机和信标天线，所述信标机产生符合标校频率要求的标校测试信号，通过信标天线发送给遥感卫星接收系统；

远程控制装置，设置标校频率，控制无人机放飞到设定高度，并悬停设定时间。

2.根据权利要求1所述的标校装置，其特征在于，所述信标机包括射频信号发生器、电源和信号处理器，所述射频信号发生器包括两级锁相环。

3.根据权利要求2所述的标校装置，其特征在于，所述信标机中电源和信号处理器同层设置或不同层设置，当所述电源和信号处理器同层设置时，固定电源的电路板和固定信号处理器的电路板对板连接器进行连接。

4.根据权利要求2所述的标校装置，其特征在于，所述信标机中用于固定射频信号发生器、电源和信号处理器的多块电路板为多层电路板，固定射频信号的电路板采用复合多层电路板，上层为低损耗的阻抗板，用于传输射频信号，下层为玻纤板，用于排布电源线和数据线。

5.根据权利要求2～4中任一权利要求所述的标校装置，其特征在于，所述信标机的壳体采用两面空腔中间隔层的结构，一面的空腔用于布置射频信号发生器，另一面的空腔用于布置电源和信号处理器。

6.根据权利要求1所述的标校装置，其特征在于，所述信标天线由收发微波信号的微带和基板组成。

7.根据权利要求1所述的标校装置，其特征在于，所述遥感卫星接收系统包括天馈分系统、天线座架控制分系统以及跟踪接收分系统，所述天馈分系统包括抛物面天线和天线馈源；所述天线座架控制分系统包括天线座架、天线控制单元和天线驱动单元；所述跟踪接收分系统包括合路信号放大器、差路信号放大器、通道合成网络、第一下变频器、第二下变频器、跟踪接收机和解调器，其中，抛物面天线对卫星发射的电磁波信号进行反射并将其会聚到抛物面的焦点上，天线馈源设置在抛物面天线的焦点处，用于将会聚到抛物面焦点的信号能量全部收集起来，天线馈源合路通道产生合路信号，其差路通道产生差路信号，所述合路信号包含数据信息，该信号送入合路信号放大器中进行放大，经第二下变频器送入解调器输出得到解调后的卫星数据，所述差路信号包含天线偏离接收方向的信息，该信号送入差路信号放大器中进行放大，放大了的合路信号和差路信号在通道合成网络中通过相位合成调制为一路信号，该路信号送入第一下变频器中进行变频，变为中频信号，变频后的信号送入跟踪接收机中，由跟踪接收机进行解调以恢复出误差信号，误差信号送入天线控制单元，天线控制单元根据该误差信号产生角度偏差指令，角度偏差指令送入天线驱动单元，天线驱动单元根据该指令调节天线座架转动，使天线对准接收方向，从而实现天线对卫星的自动跟踪和数据接收。