本发明涉及一种通信卫星转发器备份环的自动切换控制方法及系统，属于信卫星有效载荷技术领域。
背景技术：
在通信卫星载荷转发器可靠性设计中，对关键信道上的接收机、功放均要进行备份考虑，这样就要对关键设备设计一定数量的微波开关组成备份环开关矩阵。通常一颗通信卫星具有50个转发器通道，近60个功放需组成备份环开关矩阵，这种大规模备份环开关矩阵一般具有数十亿条切换路径。
由于大规模备份环的路径可能性十分复杂，目前并没有成熟的备份环自动切换控制方法，主要采用人工经验判断方式选择对输出功率影响最小的主份功放备份切换路径，通常需要20分钟以上确认时间且准确率低，影响卫星在轨操作的效率和卫星服务时间。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题为：克服通信卫星转发器备份环路径切换人工判断时间长，准确率低难题，提供一种通信卫星转发器备份环的自动切换控制方法及系统，有效的对备份环路径进行筛选汇总，(1)有效解决了通信卫星转发器备份环路径自动切换控制问题，具有较强的工程应用价值；(2)代替以往依靠人工经验判断的方式，提高了路径切换的准确性；(3)有效较少了备份环切换控制时间，将以往依靠人工经验确认路径所需的20分钟减少到1秒以内，提高了卫星服务可靠度。
本发明解决的技术方案为：一种通信卫星转发器备份环的自动切换控制方法，如图2所示，步骤如下：
(1)确定备份环中故障的主份功放的位置；
(2)确定步骤(1)故障的主份功放所连接的最近的微波开关，作为切换路径起点；
(3)确定从步骤(2)的切换路径起点到各个备份的功放之间的最短路径；路径长度为通过的微波开关数量总和；
(4)确定从步骤(2)的切换路径起点到各个备份的功放之间的其它扩展路径；路径长度为通过的微波开关数量总和；
(5)将步骤(3)确定的最短路径和步骤(4)确定的扩展路径形成数据库；
(6)一个主份功放发生故障时，选取路径长度最小的路径进行切换控制；两个以上主份功放同时发生故障时，从步骤(5)形成的数据库中找到不冲突的最短路径长度的路径。
最短路径是切换路径起点到各个备份的功放之间通过的微波开关数量总和最小。
不冲突的最短路径，是指发生故障的主份功放经过切换路径不能同时到达同一个备份的功放的路径。
扩展路径是指切换路径起点到各个备份的功放之间除最短路径外的其他路径，且路径中所通过微波开关不重复通过。
步骤(1)确定备份环中故障的主份功放的位置，具体方法如下：功放备份环设计完成后，将所有功放和与功放连接的开关编号，最佳编号方案是开关与功放的开关编号相同。
步骤(2)确定故障的主份功放所连接的最近的微波开关，作为切换路径起点；具体方法如下：确定故障功放和与其相连接的开关的编号，作为路径起点。
步骤(3)确定从步骤(2)的切换路径起点到各个备份的功放之间的最短路径，具体如下：从步骤(1)确定的起始位置出发，分别寻找经过微波开关和电缆或波导到达各个备份功放连接的最近微波开关所需最少微波开关数量的路径。
步骤(4)确定从步骤(2)的切换路径起点到各个备份的功放之间的其它扩展路径，具体如下：除最短路径外，主份功放的扩展路径要求经过不包含在最短路径中的微波开关，分别到达各个备份功放的路径，且路径中所通过微波开关不重复通过。
步骤(5)将步骤(3)确定的最短路径和步骤(4)确定的扩展路径形成数据库的具体要求为：数据库中主份功放到达一个备份功放的最短路径只有一条，扩展路径需有多条，每一个主份功放都需要有最短路径和扩展路径，每一个主份功放都需要寻找到达各个备份功放的最短路径和扩展路径。
步骤(6)中两个以上主份功放同时发生故障时，从步骤(5)形成的数据库中找到不冲突的最短路径长度的路径，具体如下：两个以上主份功放故障时，不能备份到同一个备份功放，优先选择主份功放的最短路径，若两个以上主份功放的最短路径中有两个或以上开关重复，或最终备份到同一个备份功放，即为路径冲突，需在某个主份功放的扩展路径中寻找不冲度路径。
通信卫星转发器备份环中微波开关的种类为微波c开关、微波t开关，微波r开关和与开关经过波导或电缆连接的功放；
一种通信卫星转发器备份环的自动切换控制系统，包括：故障确定模块、微波开关确定模块、最短路径确定模块、扩展路径确定模块、数据形成模块、切换控制模块；
故障确定模块确定备份环中故障的主份功放的位置；
微波开关确定模块确定故障的主份功放所连接的最近的微波开关，作为切换路径起点；
最短路径确定模块确定从切换路径起点到各个备份的功放之间的最短路径；路径长度为通过的微波开关数量总和；
扩展路径确定模块确定从切换路径起点到各个备份的功放之间的其它扩展路径；路径长度为通过的微波开关数量总和；
数据形成模块将最短路径和扩展路径形成数据库；
一个主份功放发生故障时，切换控制模块选取路径长度最小的路径进行切换控制；两个以上主份功放同时发生故障时，切换控制模块从形成的数据库中找到不冲突的最短路径长度的路径。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明填补了国内没有成熟通信卫星转发器备份环自动切换控制方法的空白，具有较强的工程应用价值。
(2)本发明通过将有效切换路径形成数据库的方法，解决了以往人工判断准确率低，耗时长的难题。将以往人工经验确认路径所需的20分钟减少到1秒以内，提高了卫星服务可靠度。
(3)本发明的切换路径可以提供对转发器输出损耗影响最小的路径，可将输出功率波动控制在0.5db以内，提高转发器输出功率稳定性。
(4)本发明可支持两个及以上功放同时故障时的不冲突路径切换，提高通信卫星在轨服务时间，缩短因故障的通信时间减少。
(5)本发明具有普适性，可以推广至所有具有备份环设计的通信卫星转发器产品，提高通信卫星在轨服务质量。
附图说明
图1为r开关位置说明图；
图2为本发明方法逻辑流程图；
图3为6备4备份环原理图；
图4为6备4备份环切换逻辑数据矩阵图；
图5为16备13备份环原理图；
图6的(a)为16备13备份环中最短路径的切换逻辑数据矩阵图，(b)为16备13备份环中扩展路径的切换逻辑数据矩阵图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明一种通信卫星转发器备份环的自动切换控制方法及系统，根据通信卫星转发器功放备份环切换控制的要求和特点，将故障功放切换至备份功放的可能路径形成数据库，支持多个功放故障时的切换路径选择，且切换路径不冲突。本发明主要针对利用备份环方式提高可靠性设计的通信卫星载荷，通过本发明提供的方法，可以实现故障功放的自动路径切换控制，保证备份路径满足准确性要求。同时节省了以往依靠人工经验选择的时间，保证了卫星在轨操作效率和卫星服务时间可靠度要求。
通信卫星转发器中功放一般采用行波管功放，普遍要求具有100w以上的输出功率，500mhz以上的工作带宽和15年的连续开机使用寿命。在功放可靠性设计中，利用微波开关，电缆或者波导连接功放形成开关备份环矩阵，微波开关一般采用高可靠性，宽带，低插损的t型，r型，c型开关等，并使用电缆或波导连接组成开关备份环矩阵。t型开关是有4个端口3种位置的开关，r型开关是有4个端口4种位置的开关，c型开关是有4个端口2种位置的开关。其中r型开关普遍使用在工作频率为11ghz以上并采用波导连接的情况，可以替代c型开关，典型的微波r型开关位置如图1所示。开关的4个端口，分别设为j1、j2、j3和j4。r开关有四种位置：位置l，代表j1-j2通，j3-j4通；位置2，代表jl-j3通，j2-j4断；位置3，代表j1-j4通，j2-j3通；位置4，代表j2-j4通，j1-j3断。
以16备13的功放备份环设计为例(如图5所示)，16备13指总共有16个功放，其中13个是主份，3个是备份。环中包括微波t开关，微波c开关及两种不同工作频带的功放和连接用的电缆。微波开关的技术要求主要有：工作带宽为3400mhz～5500mhz；插损小于0.12db；功率容量大于100w；重量小于300g等。功放的主要技术要求有：工作带宽500mhz；输出功率80w；15年工作寿命；良好的线性增益等。图中1个节点t开关作为环中心的支点，设置3个节点t开关均匀分布在环上。分别在环中心的节点t开关到环上的节点t开关之间设置2个普通t开关。环上的节点t开关之间也均匀设置1个或2个普通t开关。环上的节点t开关分别连接一个传递t开关，传递t开关再分别连接一个c开关(也可以连接普通t开关，出于成本考虑选择c开关)。设置6个功放覆盖3400mhz～3900mhz(功放1～6号，其中1～3号是备份)，设计13个功放覆盖3700mhz～4200mhz(功放3～16号)，功放3～5号是工作在重叠频带3700mhz～4200mhz。图5中开关与其相连的功放号码相同。其中普通t开关7～16号分别连接功放7～16号。传递t开关4～6号连接功放4～6号，c开关1～3号分别连接备份功放1～3号。
如有一个功放故障，当功放1～6号故障时，可以通过传递t开关和c开关切换到备份功放；当功放7～16号故障时，可以先通过节点t开关切换到传递t开关上的功放，传递t开关的功放通过c开关再切换至备份功放。例如功放12号故障时，可以切换普通t开关12号，传递t开关6号，通过节点t开关和切换c开关2号，将12号故障功放切换至6号功放，6号功放切换至备份功放2号。当有两个或以上功放故障时，可依据一个功放故障时的切换办法分别找到切换路径，该备份环最多可以支持任意3个功放故障时切换备份。图5中的开关状态总计共有约320种可能性，极难采用穷举方法搜索任意3个功放故障时切换备份的不冲突路径。
由于大规模备份环的路径可能性十分复杂，目前并没有成熟的备份环切换算法，主要依靠人工经验判断进行路径切换控制，准确率低，耗时长。本发明克服通信卫星转发器备份环路径切换人工判断时间长，准确率低难题，提供一种通信卫星转发器备份环的自动切换控制方法，有效的对备份环路径进行筛选汇总。
本发明主要过程为：在备份环设计完成后，(1)确定备份环中故障的主份功放的位置，具体方法如下：功放备份环设计完成后，将所有功放和与功放连接的开关编号，最佳编号方案是开关与功放的开关编号相同。(2)确定故障的主份功放所连接的最近的微波开关，作为切换路径起点；具体方法如下：确定故障功放与其连接的开关的编号，作为路径起点。(3)确定从步骤(2)的切换路径起点到各个备份的功放之间的最短路径，具体如下：从步骤(2)确定的起始位置出发，分别寻找经过微波开关和电缆或波导到达各个备份功放连接的最近微波开关所需最少微波开关数量的路径。(4)确定从步骤(2)的切换路径起点到各个备份的功放之间的其它扩展路径，具体如下：除最短路径外，主份功放的扩展路径要求经过不包含在最短路径中的微波开关，分别到达各个备份功放的路径，且路径中所通过微波开关不重复通过。(5)将步骤(3)确定的最短路径和步骤(4)确定的扩展路径形成数据库的具体要求为：数据库中主份功放到达一个备份功放的最短路径只有一条，扩展路径需有多条，每一个主份功放都需要有最短路径和扩展路径，每一个主份功放都需要寻找到达各个备份功放的最短路径和扩展路径。(6)中两个以上主份功放同时发生故障时，从步骤(5)形成的数据库中找到不冲突的最短路径长度的路径，具体如下：两个以上主份功放故障时，不能备份到同一个备份功放，优先选择主份功放的最短路径，若两个以上主份功放的最短路径中有两个或以上开关重复，或最终备份到同一个备份功放，即为路径冲突，需在某个主份功放的扩展路径中寻找不冲度路径。
利用本发明的控制方法，可以提供多种切换路径，供用户自己选择，且多个通道需要切换时路径相互不干扰，同时保证损耗较小利于转发器输出功率的稳定性，可以代替以往人工选择的方式，保证通道切换的路径可靠性和准确性。
图5中16备13功放备份环原理图，共有16个功放连接在微波开关上，因为有3个备份功放，该备份环支持最多3个功放同时损坏的不冲突路径切换。首先进行备份环路径的筛选即步骤(1)，将功放和与其相连的开关编为1～16号，开关编号与功放编号相同。其中1号至3号功放是备份，其余是主份功放；步骤(2)确定与功放相连的微波开关作为路径起点，即分别为开关1～16号作为起点；步骤(3)筛选最短路径形成最短路径矩阵，如图6中(a)所示的最短路径矩阵。矩阵中行是最短路径，例如4号功放的最短切换路径是从4号功放切换到3号功放(最短路径矩阵第4行)，此时功放切换时经过两个微波开关4号和3号；步骤(3)确定扩展路径形成数据矩阵如图6中(b)的扩展路径，例如4号功放的扩展路径是4号功放经过14号功放和5号功放备份到1号功放(扩展路径矩阵第4行)，此时路径长度是6个微波开关。根据步骤(5)将功放的切换路径筛选形成矩阵(如图6中所示包含部分扩展矩阵)。
当一个功放故障时，例如功放4号故障需要备份，利用步骤(6)，4号功放的最短路径是从4号功放切换到3号功放(最短路径矩阵第4行)，只需经过两个微波开关，输出插损最小，输出功率稳定度为0.2db。当2个或以上功放故障时，例如若4号功放及3号功放同时故障，3号功放因为是备份功放，故障时不需要切换备份，4号功放的最短路径是切换到3号功放(已故障，不能切换)，重新选择扩展路径矩阵中的路径，即4号功放经过14号功放和5号功放备份到1号功放，才能够保证在切换过程中其他功放不受影响。该备份环支持最多3个功放同时故障时的路径不冲突切换。
依靠以往人工判断方法，若任意3个功放损坏，需要至少20分钟的判断时间，而本发明的控制方法采用计算机编程可以在1秒之内自动判断出最短路径和多个功放故障时的不冲突路径。
再利用一个简单的6备4备份环介绍本发明。6备4指总共有6个功放，其中4个主份使用，2个功放备份使用，如图3所示。首先进行备份环路径的筛选即步骤(1)，对功放和开关编号(因为只有4个开关，开关与功放编号不同)，其中2号和5号功放是备份，主份功放是1，3，4，6号；步骤(2)确定与功放相连的微波t开关作为路径起点，即分别为t开关1、t开关2、t开关3和t开关4；步骤(3)筛选最短路径形成最短路径矩阵，如图4中所示的最短路径矩阵。矩阵中行是最短路径，例如4号功放的最短切换路径是从4号功放切换到3号功放(最短路径矩阵第4行)，此时功放输出端经过两个微波t开关3和t开关4；步骤(3)确定扩展路径形成数据矩阵如图4中的扩展路径，例如4号功放的扩展路径是4号功放经过3号功放备份到2号功放(扩展路径矩阵第4行)，此时路径长度是3个微波t开关；最后对形成的切换逻辑和路径进行逐个验证，完成设计。当1个功放故障时，例如功放4号故障需要备份，利用步骤(6)，4号功放的最短路径是从4号功放切换到5号功放(最短路径矩阵第4行)，只需经过两个微波开关，输出插损最小，输出功率稳定度为0.2db。当2个功放故障时，例如4号功放及6号功放同时需要备份，选择扩展路径矩阵中的路径，其中备份路径是：4号功放经过3号功放备份到2号功放，6号功放备份到5号功放，能够保证在切换过程中其他功放不受影响。该备份环支持最多2个功放同时故障时的路径不冲突切换。
本发明的一种通信卫星转发器备份环的自动切换控制系统，包括：故障确定模块、微波开关确定模块、最短路径确定模块、扩展路径确定模块、数据形成模块、切换控制模块；
故障确定模块确定备份环中故障的主份功放的位置；
微波开关确定模块确定故障的主份功放所连接的最近的微波开关，作为切换路径起点；
最短路径确定模块确定从切换路径起点到各个备份的功放之间的最短路径；路径长度为通过的微波开关数量总和；
扩展路径确定模块确定从切换路径起点到各个备份的功放之间的其它扩展路径；路径长度为通过的微波开关数量总和；
数据形成模块将最短路径和扩展路径形成数据库；
一个主份功放发生故障时，切换控制模块选取路径长度最小的路径进行切换控制；两个以上主份功放同时发生故障时，切换控制模块从形成的数据库中找到不冲突的最短路径长度的路径。
通过本发明的技术方法，可以提供对转发器输出损耗影响最小的路径，可将输出功率波动控制在0.5db以内，提高了转发器输出功率稳定性。同时解决了以往人工判断准确率低，耗时长的难题。将以往人工经验确认路径所需的20分钟减少到1秒以内，提高了卫星服务可靠度。