一种微小卫星信息处理系统及其通信方法
【专利摘要】本发明公开了一种微小卫星信息处理系统及其通信方法，该系统包括星务控制管理模块、电源与热控模块、测控基带模块、导航定位模块和数传基带模块，各模块中均嵌入有一直流载波通信单元，并且各模块均连接至直流电源通信总线上，以通过所述直流电源通信总线实现各模块之间的信息交互。该方法包括遥测数据通信流程和遥控指令通信流程。通过该信息处理系统可以提高星上电子设备的标准化、模块化，降低卫星电缆网设计的复杂度，提高信息处理系统的可靠性，满足标准化研制、模块化组装、批量化生产、快速化应用的微小卫星发展趋势。
【专利说明】
一种微小卫星信息处理系统及其通信方法
技术领域
[0001]本发明涉及微小卫星总体设计领域，尤其涉及一种模块化的微小卫星信息处理系统及其通信方法。
【背景技术】
[0002]卫星信息处理系统的主要任务是将卫星上的电子设备相互连接，实现卫星内部信息的采集、处理与控制，其主要功能包括:综合星务管理、姿态与轨道控制、电源与热控管理、测控管理、载荷数据传输和导航定位。
[0003]目前微小卫星信息处理系统的信息传输主要以通信总线为主，如CAN总线、RS485总线等；同时，还包括直接指令线、模拟量采集线、数字量采集线等多种专用数据通信线。目前的该种微小卫星信息处理系统存在以下缺陷:通信接口的不统一、不标准，将导致卫星上的电子设备间存在相互干扰的风险，不利于信号传输兼容设计;数据通信线多样性，不利于快速集成测试;通信接口连接关系复杂，不利于故障定位;数据通信线种类多、连接复杂严重影响微小卫星标准化、模块化和批量化的研制能力。
[0004]未来卫星的发展方向是“好、快、省”，而新一代微小卫星的主要特点是技术含量高、研制周期短、研制成本低、可组网应用。为适应微小卫星的发展需求，须设计一种满足标准化研制、模块化组装、批量化生产、快速化应用的微小卫星信息处理系统。
【发明内容】
[0005]本发明的目的之一在于提出一种微小卫星信息处理系统，该系统内部基于直流载波通信的方式，能够解决现有的微小卫星信息处理系统存在的以下缺陷:通信接口不统一、不标准，导致卫星上的电子设备间存在相互干扰的风险，不利于信号传输兼容设计;数据通信线多样性，不利于快速集成测试;通信接口连接关系复杂，不利于故障定位;数据通信线种类多、连接复杂严重影响微小卫星标准化、模块化和批量化的研制能力。
[0006]本发明提出的微小卫星信息处理系统的技术方案如下:
[0007]—种微小卫星信息处理系统，包括星务控制管理模块、电源与热控模块、测控基带模块、导航定位模块和数传基带模块，各模块中均嵌入有一直流载波通信单元，并且各模块均连接至直流电源通信总线上，以通过所述直流电源通信总线实现各模块之间的信息交互。
[0008]本发明提供的上述信息处理系统，通过在系统各模块中嵌入直流载波通信单元，并基于直流电源通信总线实现系统内部的信息交互，不仅使得系统内的通信接口统一，提高星上电子设备的标准化、模块化，降低卫星电缆网设计的复杂度，还因为直流载波通信具有较强的抗干扰能力，提高了信息处理系统的可靠性，满足标准化研制、模块化组装、批量化生产、快速化应用的微小卫星发展趋势。
[0009]在更优选的方案中，各模块均包含一上位机，在各模块中，直流载波通信单元通过UART与模块内的上位机通信；
[0010]所述直流载波通信单元包括直流载波芯片、三极管放大电路、带通滤波电路、高频耦合磁环电路、开关驱动电路、开关采集电路和光电耦合电路;其中:光电耦合电路连接于直流载波芯片与模块内的上位机之间，用于将直流载波通信单元与模块内的上位机进行隔离，防止上位机断电时的信号串电;开关驱动电路连接至直流载波芯片的1引脚，用于接收直流载波芯片输出的加电或断电信号，并根据高低时间可控的导通电平，实现对该开关驱动电路所属模块的加电或断电控制;开关采集电路用于采集其所属模块的加电或断电状态并反馈至直流载波芯片;三极管放大电路的输入端和输出端分别连接至直流载波芯片、高频耦合磁环电路;带通滤波电路的输入端和输出端分别连接至高频耦合磁环电路、直流载波芯片;直流载波通信单元通过高频耦合磁环电路连接至直流电源通信总线上；
[0011]当直流载波通信单元从模块内的上位机接收数字信号时，数字信号经光电耦合电路进入直流载波芯片，直流载波芯片通过OFDM技术将该数字信号调制为高频模拟信号，并输出至三极管放大电路进行放大，而后由高频耦合磁环电路耦合至所述直流电源通信总线上；
[0012]当直流载波通信单元从所述直流电源通信总线接收高频模拟信号时，高频模拟信号经高频耦合磁环电路进入带通滤波电路进行滤波，经滤波的高频模拟信号进入直流载波芯片进行解调，转换为数字信号后由UART发送给模块内的上位机;若直流载波通信单元接收到遥控直接开关指令，则对该遥控直接开关指令进行解码，并输出给开关驱动电路。
[0013]本发明将卫星电源的集中式管理变为分布式管理，信息处理系统各模块上位机的加电或断电由相应的直流载波通信单元控制，提高了微小卫星信息处理系统的模块化水平。
[0014]在更优选的方案中，所述直流电源通信总线采用互为备份的双冗余直流电源通信线;所述直流电源通信总线同时作为该微小卫星信息处理系统的供电线路和通信线路。通过本技术方案，将直流电源线、通信线、直接指令线、模拟量采集线、数字量采集线进行了整合，形成统一的电源通信线进行信息交互，降低了卫星电缆网设计的复杂度。
[0015]本发明另还提出了一种微小卫星信息处理系统的通信方法，其中所述微小卫星信息处理系统包括星务控制管理模块、电源与热控模块、测控基带模块、导航定位模块和数传基带模块，各模块中嵌入有一直流载波通信单元，并且各模块均连接至直流电源通信总线上，以通过所述直流电源通信总线实现各模块之间的信息交互;其中，所述信息交互包括遥测数据通信和遥控指令通信;所述通信方法包括依次执行的遥测数据通信流程和遥控指令通信流程；
[0016]所述遥测数据通信流程包括:星务控制管理模块作为遥测数据通信的主机，通过其直流载波通信单元发送遥测数据轮询命令给其它模块，其它模块在收到所述遥测数据轮询命令后，其各自的直流载波通信单元向模块内的上位机获取遥测数据并应答给星务控制管理模块;星务控制管理模块在收到所有模块应答的遥测数据后打包发送至测控基带模块，由测控基带模块发送到地面卫星中心；
[0017]所述遥控指令通信流程包括如下步骤SI?S4:
[0018]S1、测控基带模块接收来自星务控制管理模块的遥控指令查询命令，若成功接收到遥控指令查询命令，则计数器清零并执行步骤S2;若未能接收到遥控指令查询命令，则计数器加I并执行步骤S3;其中所述计数器是用于累计测控基带模块未能收到遥控指令查询命令的次数；
[0019]S2、判断测控基带模块是否收到来自地面卫星中心的遥控指令，若是，则测控基带模块发送有效遥控指令给星务控制管理模块，由星务控制管理模块将有效遥控指令发送至相应模块进行执行;若否，则测控基带模块发送无效遥控指令给星务控制管理模块，此轮遥控指令通信流程结束;其中，来自地面卫星中心的遥控指令包括遥控数据指令和遥控直接开关指令；
[0020]S3、判断计数器的累计值是否达到预先设定的阈值，若是，则执行步骤S4;若否，则此轮遥控指令通信流程结束；
[0021]S4、判断测控基带模块是否收到来自地面卫星中心的遥控直接开关指令，若是，则测控基带模块将该遥控直接开关指令发送给相应模块进行执行;若否，则此轮遥控指令通信流程结束；
[0022]其中，步骤S2和步骤S4中的所述相应模块是指数传基带模块、导航定位模块、电源与热控模块、星务控制管理模块四者之一。本发明提供的上述通信方法，遥控直接开关指令发送有两种模式，模式一:星务控制管理模块正常加电模式，遥控直接开关指令经测控基带模块接收后，发给星务控制管理模块，由星务控制管理模块发送到相应模块的直流载波通信单元进行执行;模式二:星务控制管理模块未加电或故障时，遥控直接开关指令经测控基带模块接收后直接发送到相应模块的直流载波通信单元进行执行。该方法解决了利用数据线进行遥控直接开关指令传输问题，提高了信息处理系统的可靠性。
[0023]在更优选的方案中，所述遥测数据通信流程具体如下:星务控制管理模块分别向测控基带模块、电源与热控模块、导航定位模块、数传基带模块发送轮询遥测数据命令，并监控各模块是否应答遥测数据;若有应答，则填充遥测有效数据，形成包含遥测有效数据的遥测数据包;若无应答，则填充遥测无效数据，形成包含遥测无效数据的遥测数据包;星务控制管理模块获取所有模块的遥测数据包，并打包为整星遥测数据包发送至测控基带模块，由测控基带模块将整星遥测数据包发送到地面卫星中心。
【附图说明】
[0024]图1是本发明【具体实施方式】提供的一种微小卫星信息处理系统的内部通信架构图；
[0025]图2是本发明的微小卫星信息处理系统的直流载波通信单元的原理图；
[0026]图3是本发明的微小卫星信息处理系统的遥测数据通信流程图；
[0027]图4是本发明的微小卫星信息处理系统的遥控指令通信流程图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图和优选的实施方式对本发明作进一步说明。
[0029]本发明的【具体实施方式】提供了一种微小卫星信息处理系统(以下简称信息处理系统)，该信息处理系统是构成微小卫星整星系统的重要组成部分，在该整星系统中，所述信息处理系统的外围连接有以下外围设备:测控射频模块、数传射频模块、姿态与轨道控制设备、蓄电池与太阳电池阵，以及有效载荷。其中:所述姿态与轨道控制设备包括星敏、陀螺、磁强计、飞轮、磁力矩器和推进器等;所述有效载荷包括光学成像载荷和电子成像载荷等。
[0030]参考图1，所述信息处理系统100包括星务控制管理模块101、电源与热控模块102、测控基带模块103、导航定位模块104和数传基带模块105，在各模块中均嵌入一个直流载波通信单元DCPIXU，并且，各模块均连接至一直流电源通信总线上(参考图1，具体是通过其内的直流载波通信单元DCPIXU连接至直流电源通信总线上)，通过该直流电源通信总线可实现各个模块之间的信息交互。其中:星务控制管理模块101负责卫星的任务管理与调度、姿态与轨道控制设备的通信以及控制算法；电源与热控模块102负责卫星蓄电池与太阳电池阵管理、电源转换与输出管理以及设备加热控制;测控基带模块103负责卫星遥测数据处理下传以及遥控指令接收处理;导航定位模块104负责卫星的轨道定位与授时;数传基带模块105负责有效载荷数据的处理、存储、回放与下传。如图1所示，各模块均包含有一对应的上位机，每个模块中的直流载波通信单元DCPLCU均可通过UART(通用异步收发传输器)与其所在模块内的上位机进行通信。
[0031]参考图2，直流载波通信单元DCPLCU包括直流载波芯片(型号例如可以是BSC6825 )、三极管放大电路、带通滤波电路、高频耦合磁环电路、开关驱动电路、开关采集电路和光电耦合电路。如图2所示:
[0032]光电耦合电路连接于直流载波芯片BSC6825与模块内的上位机(上位机在图2中未示出)之间，用于将直流载波通信单元与模块内的上位机进行隔离，防止上位机断电时的信号串电，在直流载波通信单元与模块内的上位机进行通信时，UART In表示通过UART将上位机的数据输入至对应的直流载波通信单元，UART Out表示通过UART将直流载波通信单元的数据输出至模块内的上位机；
[0033]开关驱动电路连接至直流载波芯片BSC6825的1引脚，用于接收直流载波芯片输出的加电或断电信号，并根据高低时间可控(控制在160ms)的导通电平，实现对该开关驱动电路所属模块的加电或断电控制;开关采集电路用于采集其所属模块的加电或断电状态并反馈至直流载波芯片BSC6825;三极管放大电路的输入端和输出端分别连接至直流载波芯片BSC6825、高频耦合磁环电路;带通滤波电路的输入端和输出端分别连接至高频耦合磁环电路、直流载波芯片BSC6825;直流载波通信单元通过高频耦合磁环电路连接至直流电源通信总线上。
[0034]当某一模块的直流载波通信单元从模块内的上位机接收数字信号时，数字信号经光电耦合电路进入直流载波芯片，直流载波芯片通过OFDM技术将该数字信号调制为高频模拟信号，并输出至三极管放大电路进行放大，而后由高频耦合磁环电路耦合至所述直流电源通信总线上。
[0035]当某一模块的直流载波通信单元从所述直流电源通信总线接收高频模拟信号时，高频模拟信号经高频耦合磁环电路进入带通滤波电路进行滤波，经滤波的高频模拟信号进入直流载波芯片进行解调，转换为数字信号后由UART发送给模块内的上位机。
[0036]若直流载波通信单元接收到遥控直接开关指令，则对该遥控直接开关指令进行解码，并输出给开关驱动电路。
[0037]所述直流电源通信总线采用互为备份的双冗余直流电源通信线(如图1中采用x2表示两路冗余备份)；所述直流电源通信总线同时作为该微小卫星信息处理系统的供电线路和通信线路。也就是说，所述电源与热控模块作为整星系统的电源管理与转换输出设备，通过所述直流电源通信总线向所述信息处理系统的各个模块供电(即直流电源通信总线为供电线路)，具体地，各个模块内具有直流电源转换单元DC/DC，通过供电线路的电源经直流电源转换单元DC/DC处理后供给其所在模块内的其他部分(例如直流载波通信单元和上位机)使用；同时，所述信息处理系统各个模块之间进行信息交互也是通过所述直流电源通信总线(即直流电源通信总线为通信线路)。
[0038]本发明的【具体实施方式】还公开了前述信息处理系统的通信方法，所述信息处理系统各模块之间的信息交互包括遥测数据通信和遥控指令通信，所述通信方法包括依次执行的遥测数据通信流程和遥控指令通信流程，该信息处理系统的通信方法，是先执行遥测数据通信流程，再执行遥控指令通信流程，两个通信流程执行完为一个周期，该通信方法周期性地运转。
[0039]所述遥测数据通信流程包括:星务控制管理模块作为遥测数据通信的主机，通过其直流载波通信单元发送遥测数据轮询命令给其它模块;其它模块在收到所述遥测数据轮询命令后，其各自的直流载波通信单元向模块内的上位机获取遥测数据并应答给星务控制管理模块;星务控制管理模块在收到所有模块应答的遥测数据后打包发送至测控基带模块，由测控基带模块发送到地面卫星中心。
[0040]遥测数据通信流程的一种具体实施例如图3所示，包括如下流程步骤:由星务控制管理模块开始遥测数据通信流程，向其它四个模块发送遥测数据轮询命令，其它四个模块在接收到遥测数据轮询命令后，各自的直流载波通信单元向模块内的上位机获取遥测数据并应答给星务控制管理模块。星务控制管理模块监控各模块是否有应答遥测数据，若有应答，则星务控制管理模块填充遥测有效数据，此种情况形成的遥测数据包中包含的是遥测有效数据;若无应答，则星务控制管理模块填充遥测无效数据，此种情况形成的遥测数据包中包含的是遥测无效数据。星务控制管理模块将形成的所有模块(也包括星务控制管理模块本身)的遥测数据包再进行打包成整星遥测数据包，然后发送到测控基带模块，由测控基带模块将该整星遥测数据包发送到地面卫星中心。至此完成一轮遥测数据通信。
[0041]所述遥控指令通信流程，可参考图4，包括如下步骤SI?S4:
[0042]S1、测控基带模块接收来自星务控制管理模块的遥控指令查询命令，若成功接收到遥控指令查询命令(说明星务控制管理模块处于正常加电模式)，则计数器清零并执行步骤S2;若未能接收到遥控指令查询命令(说明星务控制管理模块可能未加电或故障模式)，则计数器加I并执行步骤S3;其中所述计数器是用于累计测控基带模块未能收到遥控指令查询命令的次数；
[0043]S2、判断测控基带模块是否收到来自地面卫星中心的遥控指令，若是，则测控基带模块发送有效遥控指令给星务控制管理模块，由星务控制管理模块将有效遥控指令发送至相应模块进行执行;若否，则测控基带模块发送无效遥控指令给星务控制管理模块，此轮遥控指令通信流程结束;其中，来自地面卫星中心的遥控指令包括遥控数据指令和遥控直接开关指令；
[0044]S3、判断计数器的累计值是否达到预先设定的阈值，若是，则执行步骤S4;若否，则此轮遥控指令通信流程结束；
[0045]S4、判断测控基带模块是否收到来自地面卫星中心的遥控直接开关指令，若是，则测控基带模块将该遥控直接开关指令发送给相应模块进行执行，解决了利用数据线进行遥控直接开关指令传输的问题;若否，则此轮遥控指令通信流程结束；
[0046]其中，步骤S2和步骤S4中的所述相应模块是指数传基带模块、导航定位模块、电源与热控模块、星务控制管理模块四者之一。
[0047]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种微小卫星信息处理系统，其特征在于:包括星务控制管理模块、电源与热控模块、测控基带模块、导航定位模块和数传基带模块，各模块中均嵌入有一直流载波通信单元，并且各模块均连接至直流电源通信总线上，以通过所述直流电源通信总线实现各模块之间的信息交互。2.如权利要求1所述的微小卫星信息处理系统，其特征在于:各模块均包含一上位机，在各模块中，直流载波通信单元通过UART与模块内的上位机通信； 所述直流载波通信单元包括直流载波芯片、三极管放大电路、带通滤波电路、高频耦合磁环电路、开关驱动电路、开关采集电路和光电耦合电路;其中:光电耦合电路连接于直流载波芯片与模块内的上位机之间，用于将直流载波通信单元与模块内的上位机进行隔离，防止上位机断电时的信号串电；开关驱动电路连接至直流载波芯片的1引脚，用于接收直流载波芯片输出的加电或断电信号，并根据高低时间可控的导通电平，实现对该开关驱动电路所属模块的加电或断电控制;开关采集电路用于采集其所属模块的加电或断电状态并反馈至直流载波芯片;三极管放大电路的输入端和输出端分别连接至直流载波芯片、高频耦合磁环电路;带通滤波电路的输入端和输出端分别连接至高频耦合磁环电路、直流载波芯片;直流载波通信单元通过高频耦合磁环电路连接至直流电源通信总线上； 当直流载波通信单元从模块内的上位机接收数字信号时，数字信号经光电耦合电路进入直流载波芯片，直流载波芯片通过OFDM技术将该数字信号调制为高频模拟信号，并输出至三极管放大电路进行放大，而后由高频耦合磁环电路耦合至所述直流电源通信总线上； 当直流载波通信单元从所述直流电源通信总线接收高频模拟信号时，高频模拟信号经高频耦合磁环电路进入带通滤波电路进行滤波，经滤波的高频模拟信号进入直流载波芯片进行解调，转换为数字信号后由UART发送给模块内的上位机； 若直流载波通信单元接收到遥控直接开关指令，则对该遥控直接开关指令进行解码，并输出给开关驱动电路。3.如权利要求1所述的微小卫星信息处理系统，其特征在于:所述直流电源通信总线采用互为备份的双冗余直流电源通信线;所述直流电源通信总线同时作为该微小卫星信息处理系统的供电线路和通信线路。4.一种微小卫星信息处理系统的通信方法，其特征在于:所述微小卫星信息处理系统包括星务控制管理模块、电源与热控模块、测控基带模块、导航定位模块和数传基带模块，各模块中嵌入有一直流载波通信单元，并且各模块均连接至直流电源通信总线上，以通过所述直流电源通信总线实现各模块之间的信息交互;其中，所述信息交互包括遥测数据通信和遥控指令通信； 所述通信方法包括依次执行的遥测数据通信流程和遥控指令通信流程； 所述遥测数据通信流程包括:星务控制管理模块作为遥测数据通信的主机，通过其直流载波通信单元发送遥测数据轮询命令给其它模块;其它模块在收到所述遥测数据轮询命令后，其各自的直流载波通信单元向模块内的上位机获取遥测数据并应答给星务控制管理模块;星务控制管理模块在收到所有模块应答的遥测数据后打包发送至测控基带模块，由测控基带模块发送到地面卫星中心； 所述遥控指令通信流程包括如下步骤SI?S4: S1、测控基带模块接收来自星务控制管理模块的遥控指令查询命令，若成功接收到遥控指令查询命令，则计数器清零并执行步骤S2;若未能接收到遥控指令查询命令，则计数器加I并执行步骤S3;其中所述计数器是用于累计测控基带模块未能收到遥控指令查询命令的次数； 52、判断测控基带模块是否收到来自地面卫星中心的遥控指令，若是，则测控基带模块发送有效遥控指令给星务控制管理模块，由星务控制管理模块将有效遥控指令发送至相应模块进行执行;若否，则测控基带模块发送无效遥控指令给星务控制管理模块，此轮遥控指令通信流程结束;其中，来自地面卫星中心的遥控指令包括遥控数据指令和遥控直接开关指令； 53、判断计数器的累计值是否达到预先设定的阈值，若是，则执行步骤S4;若否，则此轮遥控指令通信流程结束； 54、判断测控基带模块是否收到来自地面卫星中心的遥控直接开关指令，若是，则测控基带模块将该遥控直接开关指令发送给相应模块进行执行;若否，则此轮遥控指令通信流程结束； 其中，步骤S2和步骤S4中的所述相应模块是指数传基带模块、导航定位模块、电源与热控模块、星务控制管理模块四者之一。5.如权利要求4所述的微小卫星信息处理系统的通信方法，其特征在于:所述遥测数据通信流程具体如下: 星务控制管理模块分别向测控基带模块、电源与热控模块、导航定位模块、数传基带模块发送轮询遥测数据命令，并监控各模块是否应答遥测数据； 若有应答，则填充遥测有效数据，形成包含遥测有效数据的遥测数据包； 若无应答，则填充遥测无效数据，形成包含遥测无效数据的遥测数据包； 星务控制管理模块获取所有模块的遥测数据包，并打包为整星遥测数据包发送至测控基带模块，由测控基带模块将整星遥测数据包发送到地面卫星中心。
【文档编号】H04B7/185GK105897328SQ201610266204
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月26日
【发明人】梁斌, 李成, 高学海, 潘乐, 王学谦, 刘厚德
【申请人】清华大学深圳研究生院