一种用于小型通信卫星的通信系统的制作方法

本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种小型通信卫星的通信系统。

背景技术：

通信卫星作为卫星通信系统的空间部分，是世界上应用最早、最广泛的卫星之一，美国、前苏联/俄罗斯和中国等众多国家都发射了通信卫星。通信卫星作为无线电通信中继站，主要用于转发无线电信号，以实现含手机终端在内的卫星通信地球站之间或地球站与航天器之间的通信。根据不同的分类标准，通信卫星可被划分为不同类型，例如：按轨道的不同，可分为地球静止轨道通信卫星、大椭圆轨道通信卫星、中轨道通信卫星和低轨道通信卫星；按服务区域不同，则可分为国际通信卫星、区域通信卫星和国内通信卫星；按用途的不同，可分为军用通信卫星、民用通信卫星和商业通信卫星；按通信业务种类的不同，可分为固定通信卫星、移动通信卫星、电视广播卫星、海事通信卫星、跟踪和数据中继卫星；以及按用途多少的不同，可分为专用通信卫星和多用途通信卫星。其中，一颗地球静止轨道通信卫星大约能够覆盖40％的地球表面，使得覆盖区内的任何地面、海上、空中的通信站能同时相互通信。若在赤道上空等间隔分布的3颗地球静止轨道通信卫星，就可以实现除两极部分地区外的全球通信。

通信卫星作为卫星的一种，包括非常密集的各类电子电气设备，具备强大的功能性及技术，是一个极其复杂的系统。而通信系统作为通信卫星的核心系统，其设计将直接影响通信卫星的性能。随着技术的不断发展，通信卫星也在往小型化及轻量化的方向发展，同时，对于功能的多样性要求也日益提高。为了满足通信卫星的发展需求，需要设计一种新的用于通信卫星的通信系统。

技术实现要素：

为了满足通信卫星小型化、轻量化以及多功能性的需求，本发明提供一种用于小型通信卫星的通信系统，可布置于所述通信卫星的卫星平台上，包括：

天线子系统，所述天线子系统包括收发相控阵天线以及反射面天线，用于接收从卫星通信地面站发送的信号，以及将指定数据发送给指定的卫星通信地面站；

收发信机，所述收发信机接收所述天线子系统的射频信号，并对所述射频信号进行处理，或响应卫星指令形成指定数据，并将所述指定数据发送给所述天线子系统，所述收发信机包括变频模块、频率源模块、数字处理模块以及电源模块；以及

存储模块，与所述卫星平台及所述收发信机可通信地连接，用于存储所述通信卫星的星务遥测数据，所述收发信机读取所述星务遥测数据，并对所述星务遥测数据进行编码调制形成指定数据后，经由天线子系统向下广播。

进一步地，所述收发相控阵天线为收发分置的相控阵天线体制，采用砖块式高密度混合集成方式，包括48元接收相控阵天线，以及32元发射相控阵天线。

进一步地，所述反射面天线为卡塞格伦反射面天线，包括：

环焦反射面，用于对特定频段的波束进行聚焦；

波纹喇叭馈源，用于实现所述反射面天线的初级照射；以及

微波网络，用于实现天线的圆极化形成及收发信号的分离。

进一步地，所述变频模块包括：

下变频通道，用于将接收自所述天线子系统的射频线号经两次变频至中频信号，所述下变频通道采用冷备份方式，包括主下变频通道以及备份下变频通道；

上变频通道，用于数字处理模块输出的中频信号经两次变频至射频信号，所述上变频通道采用冷备份方式，包括主上变频通道以及备份上变频通道；以及

信号选择模块，包括：

接收信号选择子模块，与所述下变频通道的输入端相连，用于确定所述下变频通道的输入信号，所述接收信号选择子模块包括两个单刀双掷开关spdt；以及

发送信号选择子模块，与所述上变频通道的输出端相连，用于确定发射信号的天线，所述发送信号选择子模块包括两个单刀双掷开关spdt。

进一步地，所述通信系统还包括射频前端以及功放，其中所述射频前端用于对所述反射面天线发送的射频信号进行滤波及低噪放以及所述功放用于将发送给所述反射面的射频信号进行放大。

进一步地，所述数字处理模块采用集成化设计，包括：

数模转换子模块，用于采集所述下变频通道输出的中频信号，并对信号进行模数或数模转换；

fpga，与所述数模转换子模块可通信地连接，用于对所述数模转换子模块输出的信号进行数字滤波、频率补偿及生成广播信号；

数字信号处理子模块dsp，与所述fpga可通信地连接，用于波束指向解算以及载荷控制；以及

加载控制电路，用于配合外部的prom程序存储器405和flash存储器406一起完成sram型处理fpga和dsp的软件重加载控制及抗单粒子seu的刷新控制。

进一步地，所述电源模块接收所述卫星平台的12v母线，用于为所述收发相控阵天线以及收发信机提供电源。

进一步地，所述存储模块的存储容量大于12gb。

进一步地，所述存储模块通过三线制同步rs422协议与所述通信卫星进行数据传输，通过三线制lvds协议与所述收发信机进行数据传输，以及所述通信卫星通过can总线控制所述存储模块。

进一步地，所述存储模块采用5v供电，由所述卫星平台单独供电，通过在lrm连接器上飞线并固定到安装板中。

本发明提供的一种用于小型通信卫星的通信系统，采用了相控阵天线和反射面天线的组合，同时采用了存储模块存储卫星的遥测数据，并通过收发信机进行信号处理以及数据的转发，兼具了测控及通信功能，可以支持10kbps至100mbps的通信速率。此外，所述系统采用的相控阵天线体积为179*119*88mm，重量为2kg；反射面天线大小为φ286mm*305mm，重量为1.9kg；以及收发信机的尺寸为250*114*165mm，重量5.9kg，系统整体的体积小、质量轻，有效降低了卫星整体体积及质量的大小，达到了轻量化、小型化的目的。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出本发明一个实施例的一种用于小型通信卫星的通信系统的组成示意图；

图2示出本发明一个实施例的收发相控阵天线结构示意图；

图3示出本发明一个实施例的反射面天线结构示意图；

图4示出本发明一个实施例的收发信机结构示意图；

图5示出本发明一个实施例的变频方案的原理示意图；

图6示出本发明一个实施例的射频前端及信号选择模块原理框图；

图7示出本发明一个实施例的下变频通道的原理框图；

图8示出本发明一个实施例的锁相环的原理框图；

图9示出本发明一个实施例的agc控制方案示意图；

图10示出本发明一个实施例的数字处理模块结构示意图；

图11示出本发明一个实施例的电源模块与卫星平台母线的接口电路示意图；

图12示出本发明一个实施例的收发信机的原理框图；

图13示出本发明一个实施例的存储模块的电路功能框图；

图14示出本发明一个实施例的存储模块的电源树拓扑图；

图15示出所述通信系统广播模式下的信号流程示意图；

图16示出所述通信系统透明转发模式下的信号流程示意图；

图17示出所述通信系统工程遥测数传模式下的信号流程示意图；

图18示出所述通信系统上注模式下的信号流程示意图；以及

图19示出所述通信系统测控模式下的信号流程示意图。

具体实施方式

以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

为了满足通信卫星小型化、轻量化以及多功能性的需求，本发明提供一种用于小型通信卫星的通信系统，所述通信系统具有五种工作模式，包括：广播模式、透明转发模式、工程遥测数传模式、上注模式及测控模式。下面结合实施例附图对本发明做进一步描述。

图1示出本发明一个实施例的一种用于小型通信卫星的通信系统的组成示意图。如图1所示，一种用于小型通信卫星的通信系统，可以布置于通信卫星的卫星平台上，包括天线子系统001，收发信机002以及存储模块003。

所述天线子系统001包括收发相控阵天线101以及反射面天线102，所述天线子系统一方面接收从卫星通信地面站发送的信号，所述信号包括透明转发模式下所需转发的数据、上注模式下所需上注的数据以及测控模式下所述发送给平台星务的数据，另一方面所述天线子系统将指定数据发送给指定的卫星通信地面站，在不同的工作模式下，所述指定数据不同：

当所述通信系统工作于广播模式时，所述指定数据为从can总线传输的数据经由所述收发信机002处理生成；

当所述通信系统工作于透明转发模式时，所述指定数据为来自所述天线子系统001的射频信号经由所述收发信机002处理生成；

当所述通信系统工作于工程遥测数传模式时，所述指定数据为从所述存储模块003中提取的星务遥测数据经由所述收发信机002处理生成；以及

当所述通信系统工作于测控模式时，所述指定数据为来自所述天线子系统001的射频信号经由平台星务及所述收发信机002处理生成。

为实现上述功能，在本发明的一个实施例中，所述相控阵天线101的结构如图2所示，采用砖块式高密度混合集成方式，其体积为179*119*88mm，重量为2kg，所述相控阵天线包括天线阵1011、t/r组件1012以及信号合成/分解网络1013，其中，所述天线阵1011为收发分置的相控阵天线体制，包括一个48元接收相控阵天线，以及一个32元发射相控阵天线，可实现同时双向通信。所述相控阵天线101可实现波束110°大范围扫描的要求，根据系统指令，可以通过相位加权，快速将波束指向、波束宽度进行重构，覆盖到给定区域，实现方向图的重构，在常规加权时，阵列增益为20db，当进行幅相加权后可将方向图重构为5db，10db的增益，实现多档控制；以及

在本发明的又一个实施例中，所述反射面天线102采用卡塞格伦反射面天线的形式，大小为φ286mm*305mm，重量为1.9kg，如图3所示，所述反射面天线102包括：

环焦反射面，包括主反射面1021及副反射面1022，用于实现特定频段的波束聚焦；

波纹喇叭馈源1023，用于实现反射面天线的初级照射；

以及

微波网络1024，包括圆极化器241、正交模式耦合器242、阻发滤波器243、阻收滤波器244以及收端口245、发端口246，其中，所述圆极化器241用于实现天线的圆极化形成，以及所述正交模式耦合器242分离收发信号，然后所述收信号经由阻发滤波器243发送至收端口245，发信号经由发端口246通过阻收滤波器244实现收发信号分离。

所述收发信机002一方面接收所述天线子系统001的射频信号，并对所述射频信号进行处理，或响应卫星指令形成指定数据，另一方面读取所述存储模块003中的数据，进行处理后，形成指定数据，所述指定数据经由所述天线子系统001发送给指定的卫星通信地面站。在本发明的一个实施例中，如图4所示，所述收发信机002包括1个上变频模块201、1个下变频模块202、1个频率源模块203、1个数字处理模块204以及1个电源模块205，其中所述频率源模块配合所述上变频模块及所述下变频模块实现所述通信系统的上下变频。所述收发信机002的尺寸为250*114*165mm，重量为5.9kg。其中：

上下变频包括将接收自天线子系统的射频信号经过两次变频后，变为375mhz，带宽200mhz的中频信号以及将所述数字处理模块204输出的375mhz中频信号，通过2次变频后，变为射频信号进行发射，在本发明的一个实施例中，所述收发信机的变频总体方案如图5所示：

首先通过两个单刀双掷开关spdt5031、5032所形成的接收信号选择子模块选择采用何种天线的射频信号进行变频，然后经由下变频通道，将来自天线子系统的射频信号变为中频信号，发送给数字处理模块204进行处理，所述数字处理模块输出的中频信号，经由上变频通道，进行两次变频变为射频信号，然后在经过两个单刀双掷开关spdt5033、5034所形成的发送信号选择子模块，来选择采用何种天线进行发射。其中，上变频通道及下变频通道均采用冷备份的方式，分别包括主上变频通道5041以及备份上变频通道5042、主下变频通道5051以及备份下变频通道5052。此外，对于反射面天线而言，需要经由射频前端501进行滤波和低噪放，同时，当载荷工作在由反射面天线组成的高增益模式时，射频信号还需经由功放单片502放大后，送给反射面天线。所述射频前端501的原理框图如图6所示；

在本发明的又一个实施例中，所述下变频通道将接收自天线子系统的射频信号经过两次变频后，变为375mhz，带宽200mhz的中频信号，其具体的原理如图7所示。为了频综的可实现，以及滤波的方便，下变频通道的第一中频预定为4012.5mhz，接收本振采用23.5～26ghz，步进25mhz，变频至4012.5mhz中频信号，再利用3637.5mhz二次变频至375mhz；

以及

对于反射面天线而言，其下变频及上变频需要相同的频综信号，所述频综信号为21.3～24.2ghz与23.5～26ghz，采用进口工业级器件来实现上下变频的功耗降低。在本发明的一个实施例中，采用了锁相环实现该功能，具体而言，是采用adi公司的adf41513bcpz，其原理图如图8所示，其电路中的vco为adi公司的hmc739lp4e实现。所述锁相环为小数锁相环，并已通过在轨验证。其能实现细步进跳频，拥有目前市面上最低噪声基底-233dbc/hz。

由于本发明实施例中的通信系统兼容多种口径终端、多种通信速率与带宽，且所述天线子系统具有多种天线增益，因此整个系统所具有的信号输入功率动态较大，固定的中频、射频增益无法使ad一直处在饱和状态，这将影响系统转发效果，因此，所述收发信机中需要进行agc控制，通常，根据agc的控制量计算方式，agc控制可分为模拟agc和数字agc两种。本发明的实施例中采用如图9所示的数字agc方式，通过fpga实现了输入信号的衰减量的闭环控制。所述数字agc相较于模拟agc控制更为灵活。

在本发明的一个实施例中，所述数字处理模块204的结构如图10所示，其主要完成信号的数字透明转发、信号生成广播、工程遥测数传、重构程序上注、测控、波束指向解算以及载荷管理。所述数字处理模块采用集成化设计思路，包括：

数模转换子模块401，包括高速adc/dac，所述高速adc用于采集所述下变频通道输出的中频信号，所述高速dac对数字信号进行模数转换，其中所述高速adc包括主模块及备份模块；

fpga402，所述fpga与所述数模转换子模块可通信地连接，用于对所述高速adc输出的信号进行数字滤波、频率补偿及生成广播信号；

数字信号处理子模块dsp403，所述dsp与所述fpga可通信地连接，用于波束指向解算以及载荷控制；

加载控制电路404，由于所述fpga为seu不敏感的flash型fpga，因此，需要利用所述加载控制电路404，配合外部的prom程序存储器405和flash存储器406一起完成sram型处理fpga和dsp的软件重加载控制及抗单粒子seu的刷新控制；

以及

控制接口驱动模块407，用于控制所述数字处理模块204与所述存储模块003、所述卫星的平台星务模块、变频模块、电源模块以及相控阵天线的接口，可实现与平台星务模块、变频模块、相控阵天线的数据交互，以及存储模块数据及电源模块的控制。

在本发明的一个实施例中，所述收发信机002以及所述收发相控阵天线101的电源通过所述电源模块205提供。所述电源模块205接收所述卫星平台的12v母线，具体接口电路如图11所示。所述电源模块205的输出包括模拟+5v、数字+5v、-5v、+9v、12v等多种电压类型，其中，数字+5v的电流为5.5a，模拟+5v的电流为8.5a，模拟-5v的电流为1a，12v的电流为0.1a，以及9v的电流为0.9a，最大2.7a。为了适应天线子系统的不同工作模式，以及变频通道主备份的切换，需对电源输出进行控制，包括：

在所述收发相控阵天线101工作时，关断所述反射面支路的电源；以及

在所述反射面天线102工作时，所述电源模块仍给所述收发相控阵天线101供电，然后通过所述收发相控阵天线101的相控阵波控关断所述t/r组件，以实现所述收发相控阵天线101的断电。

综上所述，在本发明的实施例中，所述收发信机002的原理如图12所示，电源模块205接收所述卫星平台的12v母线，然后为所述收发信机的其他模块及所述收发相控阵天线提供电源；通过单刀双掷开关选择所述收发相控阵天线的射频信号以及经射频前端低噪放、滤波后的反射面天线的射频信号中的一路进行下变频，然后经由高速adc转换成模拟信号，通过fpga进行处理，形成广播信号，同时，所述fpga还读取所述存储模块中的数据，形成广播信号，所述广播信号经由高速dac转换为数字信号，通过上变频变为射频信号后，再通过单刀双掷开关选择发射相控阵天线或反射面天线进行发射，其中若选择反射面天线进行发射，则所述信号还需经由功放进行放大。

所述存储模块003与所述卫星平台及所述收发信机002可通信地连接，用于存储所述通信卫星的星务遥测数据。所述存储模块的数据流如图13所示，其通过所述卫星平台pcdu单独对其配电并测流，电源采用5v供电，所述存储模块003为独立模块，因此其供电如图14所示，是通过在lrm连接器上飞线并固定到安装板中。所述卫星平台周期性地向所述存储模块003写入星务遥测数据，所述收发信机002的数字处理模块204在加电状态下，根据所述卫星平台的指令，读取所述存储模块003的数据，并进行编码调制后向下广播，其中所述存储模块003与所述卫星平台的接口为三线制同步rs422接口，控制接口为can总线，以及与所述收发信机002采用三线制协议进行数据传输。在本发明的一个实施例中，所述存储模块的存储容量大于12gb。

本发明实施例中的通信系统在不同的工作模式下的信号流程如图15至19所示，其中：

图15示出所述通信系统广播模式下的信号流程示意图。所述广播模式是指以宽波束覆盖方式周期性地向地面站/终端发送卫星身份、位置、广播频点、时间、系统状态等信息。如图15所示，所述信息经由can总线进入到所述数字处理模块204中后，首先进行组帧，组帧后的数据通过编码、调制及滤波，然后经da转换后，通过所述上变频模块201进行2次上变频传送给所述天线子系统001进行发送，可通过由单刀双掷开关组成的发送信号选择子模块选择采用相控阵天线或反射面天线；

图16示出所述通信系统透明转发模式下的信号流程示意图。所述透明转发模式是指卫星将接收自所述天线子系统001的射频信号经过所述下变频模块202下变频后送入数字处理模块204进行采集，然后通过软件定义无线电的方式对信号进行滤波等处理，然后经da转换后，通过所述上变频模块201进行2次上变频传送给所述天线子系统001进行发送，可通过由单刀双掷开关组成的发送信号选择子模块选择采用相控阵天线或反射面天线；

图17示出所述通信系统工程遥测数传模式下的信号流程示意图。所述工程遥测数传模式是指所述通信系统从存储模块003中提取星务遥测数据包至数字处理模块204，所述数字处理模块204对数据进行组帧、编码、调制及滤波，然后经da转换后，通过所述上变频模块201进行2次上变频传送给所述天线子系统001进行发送，可通过由单刀双掷开关组成的发送信号选择子模块选择采用相控阵天线或反射面天线；图18示出所述通信系统上注模式下的信号流程示意图。所述上注模式用于实现数字处理模块软件版本的更新。如图18所示，所述通信系统通过所述天线子系统001，以射频信号的形式接收版本更新所需的信息及数据，然后所述射频信号经由所述数字处理模块204进行模数转换及滤波，滤波后的数据解调、译码后传给存储器。在上注模式下，单次上注能力为100mb，同时所述通信系统还提供上注模式下的遥测信息。此外，可通过由单刀双掷开关组成的接收信号选择子模块选择采用相控阵天线或反射面天线；以及

图19示出所述通信系统测控模式下的信号流程示意图。所述测控模式是指所述通信系统将接收自所述天线子系统001的射频信号经所述下变频模块202下变频后送入所述数字处理模块204进行采集，并将接收到的遥控信号经ad后滤波、解调后传给平台星务，星务接到数据后进行处理，返回给数字处理模块204，并将平台的遥测数据调制后滤波，然后经da转换后，通过所述上变频模块201进行2次上变频传送给天线子系统001进行发送。所述通信系统采用宽波束进行测控，usb测控体制。此外，可通过由单刀双掷开关组成的接收信号选择子模块及发送信号选择子模块选择采用相控阵天线或反射面天线。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。