CN214101379U - 一种用于低轨微纳卫星的星间通信系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于低轨微纳卫星的星间通信系统，主控模块分别与高速空间数据路由模块、星间微波通信模块总线连接，主控模块用于输出控制命令控制总线上的各个模块；高速空间数据路由模块与星间微波通信模块信号连接，高速空间数据路由模块用于实现星间数据交换和处理；星间微波通信模块与星间相控阵天线模块信号连接，星间微波通信模块用于对经星间相控阵天线模块发射或接收的星间数据进行通信处理。本实用新型星间链路传输速率高、可适应的传输范围宽、带宽可配置、数据能够进行高速路由交换的技术效果，且低轨微纳卫星体积小、重量轻、功耗低，可广泛应用于低轨商业卫星星座建设项目。

Description

一种用于低轨微纳卫星的星间通信系统

技术领域

本实用新型属于低轨微纳卫星通信领域，尤其涉及一种用于低轨微纳卫星的星间通信系统。

背景技术

近年来，基于低轨商业微纳卫星的天基互联网系统及其应用在日益受到关注，国际、国内多家航天机构和商业航天公司均提出了低轨互联网卫星星座的建设计划，低轨商业卫星验证周期短、成本低廉，可通过多个卫星快速组网完成传统大卫星的功能。但商业微纳通信卫星的通信系统验证受研制周期、成本、功耗、重量、包络尺寸的强约束，目前现有技术的低轨商业微纳卫星领域，低成本、低功耗、高可靠、轻小设计的星间通信系统，缺少成熟的设计案例，限制了低轨商业卫星在天地一体化信息网络中的应用。

目前在国内天基互联网领域，100kg以下的商业微纳卫星，载荷系统功能单一，性能和可靠性较差，难以支持天地组网长期稳定的应用需求。此外，现有商业微纳卫星的星间通信链路传输速率较低，带宽不足、发射功率小、波束窄、不具备动态调整能力，难以支持商业卫星多星组网通信能力；且星间通信系统不具备大容量业务数据高速路由、交换的能力，难以支持多种业务的应用。

实用新型内容

本实用新型的技术目的是提供一种用于低轨微纳卫星的星间通信系统，以解决低轨商业微纳卫星载荷普遍存在功能单一、性能难以满足应用需求、可靠性不高的技术问题。

为解决上述问题，本实用新型的技术方案为：

一种用于低轨微纳卫星的星间通信系统，包括：主控模块、高速空间数据路由模块、星间微波通信模块和星间相控阵天线模块；

主控模块分别与高速空间数据路由模块、星间微波通信模块总线连接，主控模块用于输出控制命令控制总线上的各个模块；

高速空间数据路由模块与星间微波通信模块信号连接，高速空间数据路由模块用于实现星间数据交换和处理；

星间微波通信模块与星间相控阵天线模块信号连接，星间微波通信模块用于对经星间相控阵天线模块发射或接收的星间数据进行通信处理。

具体地，主控模块包括星务计算子模块和姿态计算子模块，星务计算子模块用于通过总线控制总线上的各个模块，姿态计算子模块用于更新卫星星历并传输至星间微波通信模块。

进一步优选地，星间相控阵天线模块还用于受控于星间微波通信模块基于卫星星历实时调整波束指向、传输速率。

其中，若干星间通信系统之间用于构建星间链路，星间链路的频段带宽为ka，星间链路的运输带宽在250kbps至5Mbps之间自适应动态调整。

其中，高速空间数据路由模块为双机设计，用于实现冷备份以提高系统稳定性，还用于充当两个路由接点以支持至少两个低轨微纳卫星之间进行高速数据路由和交换。

具体地，星间微波通信模块用于对发射的星间数据进行格式转换、组帧、编码、调制、数模转换和滤波放大的通信处理，以及对接收的星间数据进行滤波、放大、正交下变频、模数转换、解调、解码、解帧和数据格式转换的通信处理。

具体地，星间相控阵天线模块包括接收天线组和发射天线组，接收天线组用于接收包含星间数据的信号，发射天线组用于发射包含星间数据的信号，接收天线组和发射天线组内的天线单元均采取纵向集成横向组装，呈矩形网格分布。

其中，高速空间数据路由模块与星间微波通信模块连接的端口包括低电压差分端口和千兆网络端口。

本实用新型由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

本实用新型使用了低轨微纳卫星的星间通信系统的低轨微纳卫星，其星间链路传输速率高、可适应的传输范围宽、带宽可配置、数据能够进行高速路由交换的技术效果，且低轨微纳卫星体积小、重量轻、功耗低，可广泛应用于低轨商业卫星星座建设项目。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。

图1为本实用新型的一种用于低轨微纳卫星的星间通信系统的模块结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本实用新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的一种用于低轨微纳卫星的星间通信系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。

现对本实施例进行详细说明：

具体地，参看图1，在本实施例中，为了构成星间联络网，至少需要2个应用本实施例的低轨微纳卫星，低轨微纳卫星具体为低轨商业微纳卫星，2个或多个应用本实施例的低轨微纳卫星之间可进行独立的全双工通信，构建星间联络网，以形成商业卫星星座。单颗该低轨商业微纳卫星总重量≤4kg，全峰值功率≤120W，可支持50km～2000km宽范围星间组网通信，可根据卫星间相位差动态调整星间通信传输速率。

主控模块分别与星间微波通信模块和高速空间数据路由模块总线连接，具体地，主控模块包括星务计算子模块和姿态计算子模块，星务计算子模块通过CAN总线配置运行参数，姿态计算子模块获取卫星位置、运行状态等信息用于更新卫星星历并通过CAN总线传输至星间微波通信模块，其中，CAN总线通过各个模块上设有的422接口以实现连接。

参看图1，在本实施例中，高速空间数据路由模块设有与CAN总线信号连接422端口，通过该422端口受控于主控模块，还设有与星间微波通信模块信号连接的422端口。此外，还设有GE端口和LVDS端口，其中，该GE端口与星间微波通信模块的GE端口信号连接，该LVDS端口与星间微波通信模块的LVDS端口信号连接。高速空间数据路由模块采用双机设计，既可以互为冷备份以提高系统可靠性，也可以作为两个路由接点同时工作，多个卫星进行高速数据路由和交换，可分别通过GE接口和LVDS接口进行数据路由，根据业务需求进行星间数据交换。设于该高速空间数据路由模块内的数据处理单元采用“FPGA+ARM”架构，ARM处理器完成与主控模块经CAN总线指令的响应、以及通信链路的管理等任务。FPGA器件负责数据处理、数据路由分发、与其它设备的数据收发通信等功能。FPGA选用Xilinx公司的Virtex5系列的器件，ARM芯片与V5 FPGA芯片之间通过以太网RGMII、GPIO、SPI端口进行数据交互，ARM芯片与A3P1000 FPGA芯片之间通过SPI端口进行配置数据交互，A3P1000 FPGA芯片负责完成V5 FPGA的动态刷新和远程更新配置功能。在本实施例中，该高速空间数据路由模块的具体参数如下，模块质量为2.3kg，功耗为15W，最大单路传输带宽为100Mbps，数据吞吐量可达20路/5Gbps。

参看图1，在本实施例中，星间微波通信模块包括信道子模块、信号处理单元、多个端口。星间微波通信模块通过与星间相控阵天线模块信号连接，以支持两颗并可扩展至两颗以上低轨微纳卫星之间进行独立全双工通信。其端口包括双422端口、GE端口以及LVDS端口，422端口采用主、备冷备份，其中一个422端口与CAN总线信号连接，接收来自主控模块的配置信息，另一个422端口与高速空间数据路由模块信号连接，同样接收来自主控模块的配置信息；GE端口和LVDS端口均与高速空间数据路由模块相对应的端口信号连接，以实现数据的交互传递。另外，基于信道子模块实现与星间相控阵天线模块实现数据、控制信号交互，其中，控制信号为星间微波通信模块接收姿态计算子模块的卫星星历进行处理后得到，并发送至星间相控阵天线模块的信号，以此控制天线扫描波束角度。信号处理单元用于将需要发射的星间数据实现格式转换、组帧、编码、调制，数模转换、滤波放大，同时还能完成对接收到的星间数据实现滤波、放大、正交下变频、模数转换、解调、解码、解帧、数据格式转换。信号处理单元采用ARM+FPGA的架构，运行FREERTOS操作系统，采用40MHz中频信号。

参看图1，在本实施例中，星间相控阵天线模块用于接收星间微波通信模块的数据信号并输出至外部，同时还能接收其它低轨微纳卫星的星间信号并上行输送至星间微波通信模块。其中，星间相控阵天线模块包括接收天线组和发射天线组，接收天线组用于接收星间信号，发射天线组用于发射星间信号。星间相控阵天线模块为瓦片式小型Ka频段星间相控阵天线单元，具有多个独立智能波束，且各波束控制相互独立；天线单元采用纵向集成横向组装(LITA)方式，以减小整机重量和尺寸，满足微纳卫星设计约束；天线单元采用矩形网格布阵设计，降低了加工复杂度；星间相控阵天线模块内的阵面单元、TR组件、波束形成网络、馈电分配网络、波控信号分配网络均设计为规则外形尺寸，天线单元采用微带天线，单个或部分天线单元失效仅导致链路性能下降，不会导致整机失效，使用寿命长。为了减小太阳辐射、原子氧、高低温交变等空间环境因素对天线辐射阵列的影响，阵列外部增加凯夫拉材质透波天线罩，天线罩表面喷涂热控白漆。星间相控阵天线模块的具体参数如下：工作频段为Ka，最大传输带宽为5Mbps，波束至少2个同时工作，工作方式为全双工，多址方式为FDMA，星间发射天线EIRP≥25dBW，星间接收天线EIRP≥-6dB/K，方位角为0°～360°，俯仰角为0～30°，半功率波束宽度为6°，编码方式为LDPC(1/2)。

在本实施例中，根据各载荷的功率情况合理选择设备供电电源(图中未示出)，大功率的星间相控阵天线模块和星间微波通信模块采用+28V供电，高速空间数据路由模块采用+12V供电，各单机均独立配置母线保护电路和浪涌抑制电路。

上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式。即使对本实用新型作出各种变化，倘若这些变化属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本实用新型的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种用于低轨微纳卫星的星间通信系统，其特征在于，包括：主控模块、高速空间数据路由模块、星间微波通信模块和星间相控阵天线模块；

所述主控模块分别与所述高速空间数据路由模块、所述星间微波通信模块总线连接，所述主控模块用于输出控制命令控制总线上的各个模块；

所述高速空间数据路由模块与所述星间微波通信模块信号连接，所述高速空间数据路由模块用于实现星间数据交换和处理；

所述星间微波通信模块与所述星间相控阵天线模块信号连接，所述星间微波通信模块用于对经所述星间相控阵天线模块发射或接收的星间数据进行通信处理。

2.根据权利要求1所述的用于低轨微纳卫星的星间通信系统，其特征在于，所述主控模块包括星务计算子模块和姿态计算子模块，所述星务计算子模块用于通过总线控制总线上的各个模块，所述姿态计算子模块用于更新卫星星历并传输至所述星间微波通信模块。

3.根据权利要求2所述的用于低轨微纳卫星的星间通信系统，其特征在于，所述星间相控阵天线模块还用于受控于所述星间微波通信模块基于所述卫星星历实时调整波束指向、传输速率。

4.根据权利要求1所述的用于低轨微纳卫星的星间通信系统，其特征在于，若干所述星间通信系统之间用于构建星间链路，所述星间链路的频段带宽为ka，所述星间链路的运输带宽在250kbps至5Mbps之间自适应动态调整。

5.根据权利要求1所述的用于低轨微纳卫星的星间通信系统，其特征在于，所述高速空间数据路由模块为双机设计，用于实现冷备份以提高系统稳定性，还用于充当两个路由接点以支持至少两个所述低轨微纳卫星之间进行高速数据路由和交换。

6.根据权利要求1所述的用于低轨微纳卫星的星间通信系统，其特征在于，所述星间微波通信模块用于对发射的星间数据进行格式转换、组帧、编码、调制、数模转换和滤波放大的通信处理，以及对接收的星间数据进行滤波、放大、正交下变频、模数转换、解调、解码、解帧和数据格式转换的通信处理。

7.根据权利要求1所述的用于低轨微纳卫星的星间通信系统，其特征在于，所述星间相控阵天线模块包括接收天线组和发射天线组，所述接收天线组用于接收包含星间数据的信号，所述发射天线组用于发射包含星间数据的信号，所述接收天线组和所述发射天线组内的天线单元均采取纵向集成横向组装，呈矩形网格分布。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的用于低轨微纳卫星的星间通信系统，其特征在于，所述高速空间数据路由模块与所述星间微波通信模块连接的端口包括低电压差分端口和千兆网络端口。

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