CN216490493U - 一种卫星测控星务一体化系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种卫星测控星务一体化系统，涉及卫星电子系统领域。本实用新型包括天线和测控星务一体机，天线接收来自地面测控站的上行射频信号，并将上行射频信号输送至测控星务一体机；测控星务一体机包括射频单元和基带处理单元，射频单元接收来自天线传输的上行射频信号，并将上行射频信号输送至基带处理单元处理，再将经过基带处理单元处理的下行射频信号输送至天线，由天线发射到地面测控站，配合星地完成了遥测、遥控、测量及自身遥测及指令处理的任务。本实用新型将射频单元和基带处理单元安装在1U板卡上，通过射频单元的功能将射频信号直接搬移到基带信号，极大提高了集成度；并且通过减少部件数量、降低功耗等来降低成本。

Description

一种卫星测控星务一体化系统

技术领域

本实用新型涉及卫星电子系统领域，更具体地说是一种卫星测控星务一体化系统。

背景技术

小卫星重量轻、体积小，成本较低，在对地测绘、突发灾害监测、科学研究等领域内都起到了重要作用，其相关技术的研究也得到了越来越多的发展。在微小卫星广泛应用的今天，如何在提高微小卫星星上电子系统的性能同时，降低其体积、质量和功耗成为了关键。

星务管理分系统是小卫星的控制核心，实现星上资源、运行状态、数据信息的统一协调管理和调度，需要配合星地完成遥测、遥控、测量和自身遥测及指令处理的任务。

当前的卫星平台集成度不高，星务系统和星上测控系统分开，重量较大，体积较大，部件冗余，功耗较高，提高了成本。

实用新型内容

针对现有的卫星平台集成度不高，体积及质量大等问题，本实用新型设计了一种卫星测控星务一体化系统，本实用新型将星务与测控进行一体化设计，将测控星务一体机中的基带处理单元和射频单元安装在1U板卡上，实现将射频信号直接搬移到基带信号，简化了整个收发链路，极大提高了集成度。

另外，本实用新型通过减轻重量、缩小体积、减少部件数量、降低功耗等多条途径解决了现有的卫星平台体积及质量大的问题，最大限度降低了成本。

为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

一种卫星测控星务一体化系统，包括天线和测控星务一体机，天线与地面测控站双向通讯连接，接收来自地面测控站的上行射频信号，并将上行射频信号输送至测控星务一体机；测控星务一体机包括射频单元和基带处理单元，射频单元的信号输入端与天线的信号输出端连接，接收来自天线传输的上行射频信号；射频单元的信号输出端与基带处理单元的信号输入端连接，将上行射频信号输送至基带处理单元处理；基带处理单元的信号输出端与天线的信号输入端连接，将处理后的下行射频信号输送至天线，由天线发射到地面测控站。测控星务一体机设有多台，每台测控星务一体机之间通过信号连通，每台测控星务一体机的射频单元和基带处理单元均共同做在一块1U板卡结构中，实现将射频信号直接搬移到基带信号，简化了整个收发链路，集成度得到提高。

进一步的技术方案，射频单元包括环形器、射频接收前端、射频收发器和射频发射前端，沿射频信号传输方向，由环形器、射频接收前端、射频收发器和射频发射前端依次首尾相连构成环形的射频通道。

进一步的技术方案，基带处理单元包括数字基带模块，数字基带模块具有对上行射频信号进行数字化处理、解调和下行调制的功能，数字基带模块包括监控FPGA和处理FPGA，处理FPGA与射频收发器双向通讯连接，监控FPGA与处理FPGA双向通讯连接。

进一步的技术方案，数字基带采用监控FPGA+处理FPGA+PROM的设计，不仅可实现重要分析和硬件加速，同时还在单个器件上高度集成CPU、DSP、ASSP以及混合信号功能，从而实现优异的性能功耗比和最大设计灵活性。

进一步的，系统以宇航级FPGA为核心，采用两个工业级FPGA双机冷备的结构。宇航级FPGA作为监控FPGA，完成系统状态监视及双机切换。在一个工业级FPGA故障时，由宇航级FPGA自动切换到备份系统运行。星载数据管理功能在FPGA硬核中实现，测控基带功能在FPGA的可编程逻辑单元中实现。

进一步的技术方案，监控FPGA采用Actel公司的反熔丝型FPGA——A54SX72A，反熔丝的FPGA因为其特殊的工艺其发生SEU的概率远小于基于SRAM结构的FPGA，使得其特别适合在有一定辐射的宇航上使用。

进一步的技术方案，处理FPGA选用XILINX的工业级器件Zynq-7000系列，该器件为全可编程片上系统，片内集成了ARM@Cortex-A9 MPSOC硬核以及相应的SOC系统和独立的可编程逻辑FPGA，单芯片集成了ARM处理器的软件可编程性与FPGA的硬件可编程性。单芯片替代传统的FPGA+ARM的分立设计，减少了硬件布板面积，有利于测控星务一体机的小体积、轻量化需求。

进一步的技术方案，基带处理单元还包括时钟电路，时钟电路为测控星务一体机的频率源，时钟电路产生三路40MHz时钟信号，分别提供给射频收发器、处理FPGA和监控FPGA。晶振选用40MHz温补晶振。

进一步的技术方案，基带处理单元还包括电源模块，电源模块用于给射频单元和数字基带模块供电。

进一步的技术方案，在射频发射前端的内部设有巴伦，用于为射频收发器提供偏置，并可以同时提高测控星务一体机的发射功率。射频发射前端用于将射频收发器输出的下行射频信号，经过滤波、驱动放大器放大后，再经过线性功放进行功率放大输出。其输出阻抗匹配到50Ω，内置功放采用CDMA/WCDMA/LTE中常用的芯片，P1dB为+29.5dBm，OIP3为+45dBm，工业级工作温度为-40℃～+85℃。

进一步的技术方案，在射频接收前端的内部设有巴伦，用于将单端信号转换为差分信号，并同时降低接收机的噪声系数和提高整个接收链路增益。射频接收前端用于将接收到的上行射频信号经过滤波、低噪声预放大后送至射频收发器处理。其输出阻抗匹配到50Ω，内置低噪放采用移动通信中常用低功耗器件，采用3.3V供电，工作频段为1-3GHz，噪声系数≤0.95dB，工作温度为-40℃～+85℃。

进一步的技术方案，射频收发器是射频处理单元的核心器件，用于射频信号的放大、滤波、混频、AD/DA转换等。选用高性能、高集成度的射频收发器AD9361，AD9361为ADI公司推出的基于零中频架构的捷变频收发芯片，其工作频率范围为70MHz至6.0GHz，工作带宽为200KHz至56MHz，支持TDD和FDD系统。

进一步的技术方案，AD9361内部集成两个独立的直接变频接收器和发射器，包括了所有的AD/DA、滤波、放大、增益控制、频率合成器等模块，其中每个接收器拥有独立的自动增益控制，直流失调校正、正交校正和数字滤波功能，使得射频收发模块的体积、功耗、成本都降到最低。

进一步的技术方案，环形器用于控制射频信号沿环形的射频通道顺时针方向传输，环形器设置在环形的射频通道上，实现上下行收发合一，并可以简化设计，减轻重量。并位于高频功率放大器输出端与负载之间，能够起到“隔离”的作用，在开路或短路的情况下不影响功放的工作状态，从而保护功放。其频率范围为2GHz～2.3GHz，最大正向损耗为0.5dB，最小反向隔离为19dB，最大驻波系数为1.25，通过功率为20W，工作温度为-40～+85℃。

采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本实用新型的一种卫星测控星务一体化系统，采用一体化设计方式，利用单芯片上集成了ARM处理器和可编程逻辑单元，分别作为星务计算机和测控基带，将测控星务一体机放置在1块1U板卡上，测控星务一体机由基带处理单元和射频单元组成，利用射频单元中的核心器件ad9361中的混频功能能够将射频信号直接搬移到基带信号，简化了整个收发链路，极大提高了集成度。

(2)本实用新型的一种卫星测控星务一体化系统，采用大量可编程器件，保证了系统功能的扩展和设备的升级；为了保证系统的正常运行，设置监控FPGA对处理FPGA信息回读，保证处理FPGA正常工作。

(3)本实用新型的一种卫星测控星务一体化系统，对各部件进行优选并对质量分配进行优化设计，实现超高集成度的微节点系统；并且通过减轻重量、缩小体积、减少部件数量、降低功耗等多条途径最大限度降低成本。

附图说明

图1为本实用新型射频单元的结构图；

图2为本实用新型射频发射前端信号流向图；

图3为本实用新型射频接收通道信号流向图；

图4为本实用新型基带部分硬件框图；

图5为本实用新型的整体结构图。

具体实施方式

为进一步了解本实用新型的内容，结合附图对本实用新型作详细描述。

实施例1

本实施例的一种卫星测控星务一体化系统，如图1至图5所示，包括天线和多台测控星务一体机，天线接收来自地面测控站的上行射频信号，并将上行射频信号输送至测控星务一体机内，测控星务一体机的主要功能是配合地面站完成卫星的遥控、遥测、测距、测速、跟踪和测轨任务。如图5所示，基带处理单元和射频单元安装在同一块1U板卡结构中，组成一台测控星务一体机，集成度得到提高，每台测控星务一体机之间通过信号连接。

如图1所示，射频单元包括环形器、射频接收前端、射频收发器和射频发射前端，沿射频信号传输方向，由环形器、射频接收前端、射频收发器和射频发射前端依次首尾相连构成环形的射频通道。

环形器直接安装在环形的射频通道中，用于控制射频信号沿环形的射频通道顺时针方向传输，实现上下行收发合一，并且环形器位于高频功率放大器输出端与负载之间，能够起到“隔离”的作用，可以简化设计，减轻重量。

射频收发器AD9361是射频单元的核心器件，用于对经过射频接收前端处理后的上行射频信号再次进行放大、滤波、混频、AD/DA转换等处理，射频收发器将射频信号直接搬移到基带信号，简化了整个收发链路，进一步提高集成度。

如图3所示，射频收发器AD9361的接收器部分为两个独立的信号通路，包括各种信号处理基本元件，首先是经过一个低噪声放大器(LNA)，将输出的信号作为混频器的输入，混频后的信号经过—跨阻放大器和低通滤波器处理，滤波后就可以将接收到的上行射频信号转化成基带信号，后期的信号数字化处理是对此基带信号进行处理。简化了设计复杂度，缩小了射频收发组件的体积。

如图2所示，射频收发器AD9361的发射器部分采用直接变频系统，具有常用的数字信号处理模块和射频模块。数字信号首先经过一个完全可编程的128个抽头FIR滤波器，FIR滤波器输出的信号经过半带滤波器处理，这里的处理主要是插值处理，变换数据速率和滤波操作。数据流接下来转换为基带模拟信号，作为混频器的输入信号，经过载波调制后，进行如波形整形，信号放大，滤波器滤波等操作，所有的通道都能够在一个比较宽的范围内对信号进行细粒度的衰减调节。每一条通路还含有校准电路，板载监控器模块可以实现监控，由发射器模块自动实现实时调整功率。

如图4所示，基带处理单元包括数字基带模块、时钟电路和电源模块，数字基带模块具有对上行射频信号进行数字化处理、解调和下行调制的功能，数字基带模块包括监控FPGA和处理FPGA，处理FPGA与射频收发器双向通讯连接，监控FPGA与处理FPGA双向通讯连接。

时钟电路为测控星务一体机的频率源，时钟电路产生三路40MHz时钟信号，分别提供给射频收发器、处理FPGA和监控FPGA。

电源模块用于给射频单元和数字基带模块供电。电源模块包括电源转换电路和射频收发前端电源。电源转换电路负责将从外部引入的11.7～12.5V二次电源母线电压转换为三次电源后供测控星务一体机内部其他单元模块使用。

其中，射频收发前端供电电源由DC-DC开关电源和LDO线性电源级联组成，提高电源效率，降低电源噪声干扰。采用LDO进行三次电源转换得到所需电压。电源管理器件采用TI公司的工业级芯片(TPS25944)，该芯片工作电压范围2.7～18V，工作电流最大4.8A，具有欠压、过压，过流保护，并具有消浪涌功能。应答机中DC/DC采用ADI公司的具有可配置4A输出阵列的四通道DC/DC uModule稳压器，宽输入电压范围为+4～14V，输出电压范围0.6～5.5V，每通道可提供4A DC、5A峰值输出电流，同时具有过压、过流和过热保护功能。LDO采用ADI公司的低压差器件，可大大降低了热耗和功耗。其中，DC/DC开关电源采用ADI公司的具有可配置4A输出阵列的四通道DC/DC uModule稳压器，宽输入电压范围为+4～14V，输出电压范围0.6～5.5V，每通道可提供4A DC、5A峰值输出电流，同时具有过压、过流和过热保护功能。

其中，测控星务一体机共有四种工作模式如下表，

注：TM：遥测；TC：遥控；MF：测量帧。

本实用新型的具体处理流程：天线接收来自地面测控站的上行射频信号，并将上行射频信号输送至测控星务一体机的接收通道内，上行射频信号首先由射频接收前端完成带通滤波、低噪声预放大，然后将处理后的上行射频信号送至射频收发器内进行处理，构成上行链路。上行射频信号由射频收发器进一步完成低噪声放大、直接下变频、滤波、AD采样，射频收发器将采样得到的数字序列传送到数字基带，在数字基带内完成解调，将解调出的遥控指令直接输出，遥控注数送至测控星务一体机内部的计算机中，测控星务一体机内部的计算机对注数进行解析，送至其它测控星务一体机使用。数字基带输出下行射频信号至射频收发器，下行射频信号经过射频收发器进行滤波、直接上变频、滤波、放大后送至射频发射前端，经过滤波、驱动放大器放大后，再经过线性功放进行功率放大输送至天线，由天线发射到地面测控站。

综上所述，本实用新型的测控星务一体机中的基带处理单元和射频单元安装在同一块1U板卡结构中，能够将射频信号直接搬移到基带信号，简化了整个收发链路，提高集成度。同时，为了保证系统的正常运行，设置监控FPGA对处理FPGA信息回读，保证处理FPGA正常工作。并且本实用新型通过减轻重量、缩小体积、减少部件数量、降低功耗等多条途径最大限度降低成本。

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种卫星测控星务一体化系统，包括天线和测控星务一体机，所述天线与地面测控站双向通讯连接，接收来自地面测控站的上行射频信号，并将上行射频信号输送至测控星务一体机；其特征在于：所述测控星务一体机包括射频单元和基带处理单元，所述射频单元的信号输入端与所述天线的信号输出端连接，接收来自天线传输的上行射频信号；所述射频单元的信号输出端与基带处理单元的信号输入端连接，将上行射频信号输送至基带处理单元处理；基带处理单元的信号输出端与所述天线的信号输入端连接，将处理后的下行射频信号输送至天线，由天线发射到地面测控站。

2.根据权利要求1所述的一种卫星测控星务一体化系统，其特征在于：所述射频单元包括环形器、射频接收前端、射频收发器和射频发射前端，沿射频信号传输方向，由环形器、射频接收前端、射频收发器和射频发射前端依次首尾相连构成环形的射频通道。

3.根据权利要求2所述的一种卫星测控星务一体化系统，其特征在于：所述基带处理单元包括数字基带模块，所述数字基带模块包括监控FPGA和处理FPGA，所述处理FPGA与所述射频收发器双向通讯连接，所述监控FPGA与所述处理FPGA双向通讯连接。

4.根据权利要求3所述的一种卫星测控星务一体化系统，其特征在于：所述基带处理单元还包括时钟电路，所述时钟电路产生三路40MHz时钟信号，分别提供给射频收发器、处理FPGA和监控FPGA。

5.根据权利要求4所述的一种卫星测控星务一体化系统，其特征在于：所述基带处理单元还包括电源模块，所述电源模块用于给射频单元和数字基带模块供电。

6.根据权利要求5所述的一种卫星测控星务一体化系统，其特征在于：所述监控FPGA采用Actel公司的反熔丝型FPGA——A54SX72A。

7.根据权利要求2所述的一种卫星测控星务一体化系统，其特征在于：在所述射频发射前端的内部设有巴伦，用于为射频收发器提供偏置。

8.根据权利要求7所述的一种卫星测控星务一体化系统，其特征在于：在所述射频接收前端的内部设有巴伦，用于将单端信号转换为差分信号。

9.根据权利要求8所述的一种卫星测控星务一体化系统，其特征在于：所述射频收发器的型号为AD9361，用于对射频信号的放大、滤波、混频和AD/DA转换。

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