空间无线电环境测控装置及系统

1.本实用新型涉及空间射电天文观测技术领域，尤其涉及一种空间无线电环境测控装置及系统。


背景技术：

2.低于15mhz的射电源辐射信号在射电天文观测中占有重要地位，例如，低于15mhz太阳射电爆发信号是追踪日冕抛射物cme和预警地磁暴等空间天气事件的主要手段，对于大红移的中性氢观测反演宇宙早期结构及其演化都有着重要的作用。但是来自地球以外的低于15mhz电磁波由于受到电离层影响不能传播到地面天线。
3.超过500km的以上空间轨道，地面低于15mhz的低频无线电干扰信号受到电离层屏蔽，逐渐减弱，而来自外太空的射电天文信号由于没有电离层屏蔽，在此空间轨道上能够进行接收。但是无线电干扰对射电天文观测影响甚大，强的无线电干扰信号会造成射电天文接收机饱和。
4.低于1000km的低轨空间无线电环境目前还没得到很好的测量，在该轨道空间上除了我们已知的akr波辐射，电离层不稳定产生的地面干扰逃逸信号外，尚不清楚在全球低轨空间中还存在哪些小于15mhz的无线电干扰信号，以及其在全球分布下的各地差异。
5.综上，对全球轨道的低频无线电环境进行监测，对空间低频观测具有重要意义。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，根据本实用新型的一实施例，提供了一种空间无线电环境测控装置，所述装置设置在空间飞行器，包括：
7.天线模块，所述天线模块包括天线及天线匹配电路，所述天线匹配电路用于进行阻抗匹配；
8.增益可编程放大模块，连接于所述天线模块，用于对天线模块传来的天线信号进行增益放大，得到放大后的天线信号；
9.模数转换模块，连接于所述增益可编程放大模块，用于对所述放大后的天线信号进行模数转换，得到数字天线信号；
10.处理模块，连接于所述模数转换模块，用于对所述数字天线信号进行处理，得到功率谱数据，并利用所述功率谱数据与所述空间飞行器传来的卫星地理位置信息、时间信息生成观测数据，发送所述观测数据到所述空间飞行器。
11.对于上述装置，在一种可能的实施方式中，所述处理模块还连接于所述增益可编程放大模块，还用于根据所述空间飞行器传来的增益调整参数对所述增益可编程放大模块进行增益调整。
12.对于上述装置，在一种可能的实施方式中，所述处理模块还用于通过生存时间ttl电平对所述增益可编程放大模块进行增益调整。
13.对于上述装置，在一种可能的实施方式中，所述处理模块与所述空间飞行器通过
控制器局域网络can总线连接，以接收控制命令，所述控制命令包括频谱分辨率、积分时间、增益参数。
14.对于上述装置，在一种可能的实施方式中，对所述增益可编程放大模块进行增益调整的最小增益为20db、最大增益为60db、步进调整增益为1db。
15.对于上述装置，在一种可能的实施方式中，所述处理模块与所述空间飞行器通过串行总线连接，以获取所述卫星地理位置信息、时间信息。
16.对于上述装置，在一种可能的实施方式中，对于上述装置，在一种可能的实施方式中，所述处理模块与所述空间飞行器通过低电压差分信号lvds总线连接，以发送所述观测数据到所述空间飞行器。
17.对于上述装置，在一种可能的实施方式中，所述天线包括单极子天线或偶极子天线。
18.对于上述装置，在一种可能的实施方式中，所述模数转换器的转换速率大于30msps，转换精度为12
‑
18bit。
19.根据本实用新型的另一方面，提出了一种空间无线电环境测控系统，所述系统包括：
20.所述的空间无线电环境测控装置；
21.空间飞行器。
22.有益效果
23.本实用新型实施例通过天线匹配电路对天线及接收机进行阻抗匹配，减少驻波，并利用增益可编程放大模块对天线信号进行放大，降低无线电干扰造成放大器内部饱和的可能性，利用模数转换模块进行数字天线信号后，利用处理模块接收到的信号进行处理，得到功率谱数据，并利用所述功率谱数据与所述空间飞行器2传来的卫星地理位置信息、时间信息生成观测数据，发送所述观测数据到所述空间飞行器，可以得到各个时间、各个地点的频率数据，以实现对空间飞行器全轨道的低频无线电环境的监测。
24.根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本实用新型的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
25.包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本实用新型的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本实用新型的原理。
26.图1示出了根据本实用新型一实施例的空间无线电环境测控装置的框图。
27.图2示出了根据本实用新型一实施例的观测数据的示意图。
具体实施方式
28.以下将参考附图详细说明本实用新型的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
29.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于
附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
30.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
31.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
32.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
33.另外，为了更好的说明本实用新型，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本实用新型同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本实用新型的主旨。
34.请参阅图1，图1示出了根据本实用新型一实施例的空间无线电环境测控装置的框图。
35.所述装置1设置在空间飞行器2，如图1所示，包括：
36.天线模块10，所述天线模块10包括天线及天线匹配电路120，所述天线匹配电路120用于进行阻抗匹配；
37.增益可编程放大模块20，连接于所述天线模块10，用于对天线模块10传来的天线信号进行增益放大，得到放大后的天线信号；
38.模数转换模块30，连接于所述增益可编程放大模块20，用于对所述放大后的天线信号进行模数转换，得到数字天线信号；
39.处理模块40，连接于所述模数转换模块30，用于对所述数字天线信号进行处理，得到功率谱数据，并利用所述功率谱数据与所述空间飞行器2传来的卫星地理位置信息、时间信息生成观测数据，发送所述观测数据到所述空间飞行器2。
40.本实用新型实施例通过天线匹配电路对天线及接收机进行阻抗匹配，减少驻波，并利用增益可编程放大模块对天线信号进行放大，降低无线电干扰造成放大器内部饱和的可能性，利用模数转换模块进行数字天线信号后，利用处理模块接收到的信号进行处理，得到功率谱数据，并利用所述功率谱数据与所述空间飞行器2传来的卫星地理位置信息、时间信息生成观测数据，发送所述观测数据到所述空间飞行器，可以得到各个时间、各个地点的频谱数据，以实现对空间飞行器全轨道的低频无线电环境的监测。
41.在一种可能的实施方式中，空间飞行器可以包括卫星、飞船等。
42.通过将空间无线电环境测控装置设置在空间飞行器中，空间飞行器在离地轨道上飞行，空间无线电环境测控装置可以得到轨道的各个位置在各个时间的频谱数据，通过将
频谱数据与位置信息、时间信息进行打包处理，得到的观测数据具有时间、经纬度、高度、频谱数据等信息，以实现对30mhz一下的空间无线电环境的测试。
43.请参阅图2，图2示出了根据本实用新型一实施例的观测数据的示意图。
44.在一个示例中，每一帧观测数据可以包括时间信息、经纬度及高度信息、多个通道频谱信息。
45.在一个示例中，如图2所示，一帧观测数据的第1
‑
2字节可以为当前的时间信息，第3
‑
12字节为卫星的地理位置信息(包括经纬度、高度)，从第13字节开始为功率谱数据，其中每两个字节表示一个频谱通道的功率谱信息，根据频谱分辨率(即fft点数n)与输出数据之间的关系，一共n/2个通道，则一共n个字节完全表示整个输出带内功率谱情况，其中，n为整数。
46.当然，以上对观测数据的描述是示例性的，不应视为是对本实用新型实施例的限定，在其他的实施例中，观测数据中各个部分的顺序可以改变，各个部分的数据长度可以改变，并还可以根据需要增加其他的字段，或减少、合并字段，对此，本实用新型输水了不做限定。
47.本实用新型实施例的处理模块40在得到观测数据后，可以将观测数据发送到卫星平台2，卫星平台2可以通过自身的天线将观测数据发送到位于地面或其他位置的终端、服务器，以便于用户对观测数据进行观测或进一步处理，例如，可以根据得到的多帧观测数据绘制三维无线电频谱图，以可视化地显示所在轨道各个位置、各个时刻的频谱信息，例如，地面的终端或服务器在地面收到观测数据后将当前时间、卫星高度、经纬度等信息进行解算，将带内功率谱数据录入数据库，最终形成三维空间频谱地图。
48.本实用新型实施例对终端、服务器的具体实现方式不做限定，终端又称之为用户设备(user equipment，ue)、移动台(mobile station，ms)、移动终端(mobile terminal，mt)等，是一种向用户提供语音和/或数据连通性的设备，例如，具有无线连接功能的手持式设备、车载设备等。目前，一些终端的举例为：手机(mobile phone)、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、移动互联网设备(mobile internetdevice，mid)、可穿戴设备，虚拟现实(virtual reality，vr)设备、增强现实(augmentedreality，ar)设备、工业控制(industrial control)中的无线终端、无人驾驶(selfdriving)中的无线终端、远程手术(remote medical surgery)中的无线终端、智能电网(smart grid)中的无线终端、运输安全(transportation safety)中的无线终端、智慧城市(smart city)中的无线终端、智慧家庭(smart home)中的无线终端、车联网中的无线终端等。对于上述装置，在一种可能的实施方式中，所述天线110可以包括单极子天线或偶极子天线。
49.在一个示例中，天线110例如采用单极子方式，一般长度从一米到数十米，采用固定长度、空间中卷尺伸出、火工品展开等多种展开方式，例如采用柔性卷曲设计，在空间展开成原有形状。
50.在一个示例中，由于天线110长度远小于观测信号的波长，即电小天线尺寸远小于观测信号频率的半波长，增益很低甚至为负，同时输出阻抗起伏较大，天线至接收机(一般50欧姆输入)之间需要进行的阻抗匹配，因此本实用新型实施例在天线输出端增加一个相应的天线匹配电路，和增益可编程放大器的输入阻抗匹配，减少驻波。
51.对于上述装置，在一种可能的实施方式中，所述处理模块40还可以连接于所述增
益可编程放大模块20，还用于根据所述空间飞行器2传来的增益调整参数对所述增益可编程放大模块20进行增益调整。
52.对于上述装置，在一种可能的实施方式中，所述处理模块40还用于通过生存时间ttl电平对所述增益可编程放大模块20进行增益调整。
53.对于上述装置，在一种可能的实施方式中，所述处理模块40与所述空间飞行器2通过can(controller area network,控制器局域网络)总线连接，以接收控制命令，所述控制命令包括频谱分辨率(如快速傅里叶变换fft的点数n)、积分时间、增益参数、载荷健康状况等参数。
54.本实用新型实施例的频谱分辨率(如快速傅里叶变换fft的点数n)、积分时间、增益参数等参数可以是预先存储在飞行器的存储模块中，也可以是地面终端或服务器通过通信网络发送到飞行器上的，对此，本实用新型实施例不做限定。当然，所述装置本身也可以包括存储模块，存储频谱分辨率(如快速傅里叶变换fft的点数n)、积分时间、增益参数等参数或中间的运算数据，对此，本实用新型实施例不做限定。
55.在一个示例中，存储模块可以包括计算机可读存储介质，计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、静态随机存取存储器(sram)、可编程只读存储器(prom)、便携式压缩盘只读存储器(cd
‑
rom)、数字多功能盘(dvd)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
56.对于上述装置，在一种可能的实施方式中，对所述增益可编程放大模块20进行增益调整的最小增益可以为20db、最大增益可以为60db、步进调整增益为可以1db。
57.在一个示例中，增益可编程放大模块20可以包括增益可编程放大器，本实用新型实施例对增益可编程放大器的具体实现方式不做限定，本领域技术人员可以采用相关技术中的放大器实现。
58.本实用新型实施例以增益调整的最小增益可以为20db、最大增益可以为60db、步进调整增益为可以1db进行了示例性描述，但是，应该明白的是，以上描述不应视为是对本实用新型实施例的限定，在其他的实施方式中，本实用新型实施例还可以设置增益范围为其他，例如最小增益可以小于20db，最大增益可以大于60db，以扩大增益调整范围，当然，也可以设置步进调整增益为其他，例如小于1db以提高调整精度，或大于1db以提高调整速度。
59.本实用新型实施例的处理模块40，可以采用步进的方式逐步调整增益可编程放大模块20的增益，直到处理模块40得到的数字天线信号具有合适的幅度，且增益可编程放大模块20未发生饱和状况。
60.由于在低轨空间中，目前还没有确切的无线电环境测量报告，因此为了适应于多变的无线电环境情况，并且为了避免无线电干扰或者本底过强造成放大器饱和，本实用新
型实施例的增益可编程放大器具有增益可编程能力，例如通过后端的处理模块40调整放大器增益。
61.对于上述装置，在一种可能的实施方式中，所述处理模块40与所述空间飞行器2通过串行总线(如rs422等)连接，以获取所述卫星地理位置信息、时间信息。
62.对于上述装置，在一种可能的实施方式中，对于上述装置，在一种可能的实施方式中，所述处理模块40与所述空间飞行器2通过lvds(low
‑
voltage differential signaling,低电压差分信号)总线连接，以发送所述观测数据到所述空间飞行器2。
63.通过以上连接方式在所述装置与飞行器传输数据，本实用新型实施例具有稳定的数据传输能力。
64.当然，以上描述不应视为是对本实用新型实施例的限定，在其他的实施方式中，本实用新型实施例也可以采用其他总线协议的通信方式进行数据传输，只要可以保证数据传输的准确性、稳定性及高效性即可。
65.对于上述装置，在一种可能的实施方式中，所述模数转换器的转换速率(conversion rate)大于30msps(million sampling per second，每秒采样百万次)，转换精度为12
‑
18bit。
66.在一个示例中，本实用新型实施例的模数转换器的转换速率优选为60msps，转换精度优选为14
‑
16bit。
67.在一个示例中，本实用新型实施例采用大动态范围模数转换器，可以针对太阳射电爆发时产生的较之于噪底的40db以上强信号情况，根据量化位数与动态范围之间的关系，选择14到16bit量化的adc(analog to digital convertor)，动态范围能够达到70db以上。
68.本实用新型实施例的处理模块40可以包括处理组件，在一个示例中，处理组件包括但不限于单独的处理器，或者分立元器件，或者处理器与分立元器件的组合。所述处理器可以包括电子设备中具有执行指令功能的控制器，所述处理器可以按任何适当的方式实现，例如，被一个或多个应用专用集成电路(asic)、数字信号处理器(dsp)、数字信号处理设备(dspd)、可编程逻辑器件(pld)、现场可编程门阵列(fpga)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现。在所述处理器内部，可以通过逻辑门、开关、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等硬件电路执行所述可执行指令。
69.优选地，本实用新型实施例的处理模块40采用数字信号处理器dsp或现场可编程门阵列(fpga)，例如，在数字信号处理器中完成对adc采集数据进行功率谱分析，得到带内功率谱数据，同时通过星上总线获得当前时间、卫星高度、经纬度等信息，将上述信息与带内功率谱数据整体打包形成一帧观测数据，并经星上总线将观测数据发送至卫星平台，并经卫星平台发送至地面。
70.在一个示例中，处理模块40在接收到数字天线信号的情况下，可以根据接收到的运算参数(如fft的点数n、积分时间t等)进行相关运算，以完成功率谱计算，同时将获取的卫星的地理位置信息(包括经纬度、高度)以及当时的时间信息和功率谱数据合并成为一帧观测数据后，通过lvds(low
‑
voltage differential signaling,低电压差分信号)总线向卫星平台发送观测数据。
71.在一个示例中，处理模块40可以在开机上电后实现设备自检，即通过调节增益可编程放大器增益并完成相应的功率谱计算，如发现在不同增益条件下功率谱值不同，即可认为设备工作正常；否则，认为设备可能潜在故障，启动检测方案；
72.在一个示例中，处理模块40可以在开机上电后实现设备自检完成的情况下，进行数据采集，根据fft计算与采集点数n之间的关系，当达到预设频谱分辨率所需采集点数后，完成一次功率谱计算；
73.在一个示例中，处理模块40可以执行多次功率谱计算，在达到预设的积分时间t后，将功率谱积分输出，并获取一次卫星的地理位置信息(包括经纬度、高度)以及当时的时间信息，形成一帧观测数据；
74.在一个示例中，处理模块40可以将观测数据发送到空间飞行器。
75.当然，以上对处理模块的处理过程的描述是示例性的，本实用新型实施例对处理模块根据数字天线信号得到频谱数据的计算过程、计算方式不做限定，本领域技术人员可以根据相关技术实现。
76.本实用新型实施例的空间无线电环境测控装置还可以包括其他的组件，例如，可以包括滤波器，实现对天线信号的滤波，以滤除噪声，提高测量精度。
77.在一个示例中，滤波器可以包括低通滤波器，以滤除高频噪声。
78.在一个示例中，还可以设置带通滤波器，用于抑制通带外的干扰，防止放大器饱和，当然，对于滤波器的具体实现方式，本实用新型实施例不做限定，本领域技术人员可以根据实际需要选择相关技术中的滤波器实现，本实用新型实施例对各个滤波器的通带也不做限定，本领域技术人员可以根据实际情况或需要设置。
79.本实用新型实施例通过对空间无线电环境的探测，结合卫星的空间位置和时间信息，完成空间无线电环境情况调研，绘制出全球三维无线电频谱图，在空间摆脱了电离层的影响，可以观测到在地面受电离层吸收低于30mhz的射电天文信号，该频段信号可以实现如前所述的多种科学目标；同时该项技术的实现也是为将来大规模空间低频射电天线阵列的构建提供技术支持和数据依据。
80.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。