无线能量与数据一体化传输的方法和设备与流程

本发明一般地涉及无线电测控技术。更具体地，本发明涉及无线能量与数据一体化传输的方法和设备。

背景技术：

在传统航天任务中，天基、地基测控系统主要完成卫星跟踪测量与数据传输等任务。未来航天任务出现了新的发展态势：1、新载荷或大载荷对能量需求高，如激光、微波等大功率载荷、大型光学相机或大型雷达；2、新型在轨推进系统的兴起对能量需求高，如电火箭、核火箭，可持续在轨利用电能进行高频次点火。相比而言，卫星能量一般由地面携带或在轨就位获取，在轨能量是有限的，但地面能量是“无穷无尽”的。利用测控系统实现能量传输，将地面能量“源源不断”地输送到在轨卫星上，能给未来卫星在轨应用与试验提供更加强有力的“生命保障”。因此，未来航天任务对测控系统的需求不再仅仅限于跟踪测量与数据传输，进一步的需求是能量传输。

传统上，航天无线电测控主要用于星地之间、卫星之间传输信息数据。信息数据寄生在无线电能量信号之上。接收端先收到一定功率的无线电信号，后利用无线电信号解调恢复出发送端传输的信息。航天无线电测控除了能远距离传输数据外，也能利用微波功率信号实现远距离传输能量。

无线电能量传输的基本原理是利用天线接收辐射的微波能量(来自于高频信号)，并通过低通滤波器、整流器(包括二极管和输出滤波器)整流为直流能量，其基本原理如图1所示。图1中的低通滤波器安装在整流天线和整流器之间，防止二极管高谐的再次反射。输出滤波器用于稳定直流电流，增加射频到直流的转换效率。

无线电数据传输的基本原理是利用天线接收辐射的高频信号，并通过输入本地参考信息完成相干解调，通过低通滤波器、变频器完成基带信号恢复(即转换为中频信号)，利用解码器完成信息解调，其基本原理如图2所示。

无论是无线电能量传输还是无线电数据传输，在射频部分可利用的无线电波可以是微波或毫米波，既可以利用同一波束同时传输也可以利用不同波束分别传输。不同波束分别传输可以是不同波束分时传输、不同波束同时传输。因时空关系的约束，卫星与地面之间、卫星与卫星之间可见时间有限，需要一种直接高效的方式来对卫星同时进行数据传输和能量传输。

技术实现要素：

鉴于上文背景技术部分所描述的一个或多个问题，本发明提出星地之间、卫星之间利用不同波束同时实现能量传输和数据传输的解决方案。

在一个方面中，本发明提出一种用于无线能量和数据传输的方法，包括：使用第一发射天线以第一频率发送第一波束；使用第二发射天线以第二频率发送第二波束，其中所述第一波束用于能量传输，而所述第二波束用于数据传输。

在一个实施例中，所述第一波束相对于所述第二波束具有更高的频率。

在另一个方面中，本发明提出一种用于无线能量和数据传输的方法，包括：使用第一接收天线以第一频率接收第一波束；使用第二接收天线以第二频率接收第二波束，其中所述第一接收天线用于接收能量传输，而所述第二接收天线用于接收数据传输。

在一个实施例中，其中所述第一接收天线和第二接收天线是面阵天线，其子阵元是喇叭天线、抛物线天线、微带天线和相控阵天线中的一种。

在另一个方面中，本发明提出一种用于无线能量和数据传输的发送设备，包括：第一发射天线，其配置用于以第一频率发送第一波束；第二发射天线，其配置用于以第二频率发送第二波束，其中所述第一波束用于能量传输，而所述第二波束用于数据传输。

在又一方面中，本发明提出一种用于无线能量和数据传输的接收设备，包括：第一接收天线，其配置用于以第一频率接收第一波束；第二接收天线，其配置用于以第二频率接收第二波束，其中所述第一接收天线用于接收能量传输，而所述第二接收天线用于接收数据传输。

在一个实施例中，其中所述第一接收天线和第二接收天线是面阵天线，其子阵元是喇叭天线、抛物线天线、微带天线和相控阵天线中的一种。

在又一个实施例中，其中所述第一接收天线包括一个或多组整流天线，每组所述整流天线匹配相应的负载，所述负载的电压支持接入卫星电池。

在一个实施例中，其中所述第二接收天线包括测控天线，所述测控天线与测控应答机之间配置有带通滤波器。

在另一个实施例中，其中面阵根据卫星表面情况设计为长方形、圆形、椭圆形、多边形中的一个，并且面阵边角安装有一副测控天线或对称位置安装多副测控天线。

利用本发明的利用双频波束实现能量与数据一体化传输的方案能实现地面或卫星等发送端对接收端卫星的能量传输与数据同时传输功能，具有以下有益效果：首先，保留了航天测控系统传统无线电测控功能，仅需在传统的测控天线上进行较小的改动，增加带通滤波器。后端的测控应答机和星务计算机无需改动。其次，新增了航天测控系统无线能量传输功能。利用测控系统实现能量传输，将地面能量“源源不断”地传送到在轨卫星上，满足大功率载荷、新型在轨推进系统对高能量利用需求。最后，综合利用同一测控圈次同时传输数据和能量。同一测控圈次同时传输数据和能量，在星地和星星可见时间有限的条件下，充分节省了资源，提高了数据和能量综合传输的效率。

附图说明

通过阅读仅作为示例提供并且参考附图进行的以下描述，将更好地理解本发明及其优点，其中：

图1是示出无线电能量传输的基本原理的方框图；

图2是示出无线电数据传输的基本原理的方框图；

图3是示出根据本发明的实施例的用于无线能量和数据传输的方法的流程图；

图4是示出根据本发明的实施例的用于无线能量和数据传输的另一方法的流程图；

图5是示出根据本发明的实施例的接收天线的示意图；

图6是示出根据本发明的实施例的用于测控处理的系统框图。

具体实施方式

本发明的技术方案涉及天地间能量和数据传输、卫星间能量和数据传输，是航天无线电测控、卫星无线电通信的衍生技术。为了使用不同波束同时实现能量传输和数据传输，并且为了避免不同波束之间的干扰，本发明提出使用不同的频段频率。在一个或多个实施例中，本发明利用双频波束实现无线能量与数据传输一体化传输，其中一个频段频率波束用于能量传输，另一个频段频率波束用于数据传输。在一个实施例中，地面或卫星等发送端可以使用两台不同的单机发送不同频段频率信号，而相应地，在接收端利用两类天线同时接收两个波束。

下面将结合附图来详细地描述本发明的实施例，应当理解的是下面的描述仅仅是示例性地而非限制性地，本领域技术人员根据下面的描述可以对本发明的实施例做出相应的修改、改动或变形而不脱离本发明的精神或范围。

图3是示出根据本发明的实施例的用于无线能量和数据传输的方法300的流程图。如图3中所示，在步骤S302处，使用第一发射天线以第一频率发送第一波束。接着，在步骤S304，使用第二发射天线以第二频率发送第二波束，其中所述第一波束用于能量传输，而所述第二波束用于数据传输。在一个实施例中，其中所述第一波束相对于所述第二波束具有更高的频率。

图4是示出根据本发明的实施例的用于无线能量和数据传输的另一方法400的流程图。如图4中所示，在步骤S402处，使用第一接收天线以第一频率接收第一波束。在步骤S404处，使用第二接收天线以第二频率接收第二波束，其中所述第一接收天线用于接收能量传输，而所述第二接收天线用于接收数据传输。

对于上述的接收天线，因使用频段不同，能量传输和数据传输一般无法共用同一天线，必须使用不同的天线。在一个实施例中，数据传输(即测控)使用现用频段频率不变，星地天线维持现状不变，如S频段，能量传输使用更高频率频段，如Ka频段35GHz，更有利用波束集中。因波束在空间的发散性，为提高能量传输效率，尽可能地增加能量收集面积，必须使用面阵天线。面阵天线的子阵元可以是喇叭天线、抛物线天线、微带天线和相控阵天线，推荐使用微带天线或相控阵，微带天线、相控阵天线与接收面阵进行一体设计，可提高有效接收口径。

图5是示出根据本发明的实施例的接收天线的示意图。如图3所示，本发明的接收天线包括多个天线，例如整流天线501和多组测控天线(例如所示的测控天线I 502和测控天线I 503)。根据本发明的实施例，天线的面阵可以根据卫星表面情况设计为长方形、圆形、椭圆形或多边形。在一个实施方式中，面阵的边角可以安装有一副测控天线，或者在面阵的对称位置处安装多副测控天线。在一个实施例中，无需改动测控天线的设计而遵从传统的设计方式。

通过上面的描述，本领域技术人员可以理解本发明的方案可以包括或涉及整流技术方面和测控技术方面。关于整流技术，本发明的整流天线可以包括天线单元、二极管和输出滤波器。在一个实施例，整流天线可以产生电流并且并联的多个整流天线可以分为一组，每组整流天线与一个负载进行匹配。由此，多个负载的电压输出可以接入传输的卫星电池。在此方面，本发明的方案可以保持传统卫星电池充放电设计不变。关于测控技术，如图6中所示，本发明提出在测控天线601与测控应答机603之间布置带通滤波器602，从而有效防止用于能量传输的另一频段频率信号进入测控应答机。在设计方面上，本发明的方案并不需要对传统的测控应答机和星务计算机604做出改变。

通过上述描述，本领域技术人员可以理解本发明利用双频波束实现无线能量与数据传输一体化传输，其中一个频率波束用于能量传输，另一个频率波束用于数据传输。在同一测控圈次下，既保留传统的星地数据传输等航天无线电测控功能，又增加能量传输功能。

本发明的方法还可以通过在计算机可读的记录介质以计算机可读代码来体现。计算机可读记录介质包括存储可通过计算机系统解读的数据的所有种类的记录介质。该记录介质例如可以包括但不限于只读存储器(ROM，“Read Only Memory”)、随机存取存储器(RAM，“Random Access Memory”)、磁盘、磁盘、光盘、闪存等。进一步，这些计算机可读的记录介质可以通过通信网络(包括计算机通信网络、蜂窝通信网络或局域域通信网络)在各个通信实体之间传播或扩散，从而也可以通过任意的方式来运行存储在计算机可读存储介质上的计算机可读指令或计算机可执行代码。

虽然本发明所实施的方式如上，但所述内容只是为便于理解本发明而采用的实施例，并非用以限定本发明的范围和应用场景。任何本发明所述技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。