用于深空探测小卫星的测控通信系统及方法与流程

本发明涉及深空探测
技术领域：
，特别涉及一种用于深空探测小卫星的测控通信系统及方法。
背景技术：
：测控通信系统应用于小行星探测、火星探测等深空探测卫星中，是卫星与地面之间的遥控指令、遥测信息和载荷探测数据的传输通道，配合地面测控网实现对卫星的跟踪、遥测、遥控、测定轨和载荷数据传输。现有的用于深空探测航天器的测控通信系统方案有一些不足之处，例如：某火星探测深空航天器的分阶段多码率自适应测控系统有3个不足之处：一是天线数量较多，总共需要6副天线，包括4副低增益(宽波束)天线。卫星表面通常需要放置通信天线、太敏、星敏、太阳帆板、推进器和各种载荷仪器等多种设备。小卫星的星体表面积都比较小，而低增益宽波束天线又需要很宽的视场，对小卫星的星体布局带来较大困难；二是中增益天线设计成只用于发射，不能用于接收，不利于中等距离阶段及远距离阶段姿态侧偏模式下的测控通信；三是功放数量较多，总共需要4台功放，不适合追求低成本小型化设计的小卫星平台。某方案只使用一种低增益宽波束天线，只适用于星地距离为千万km量级以下的应用场景，无法应用于包括火星探测在内的超远程通信场景；此外，该方案两台应答机的发射机与两台大功率放大器之间没有微波网络，无法实现交叉连接备份，无法应对发射机与大功率放大器之间的双点故障。某方案接收天线只有一副低增益宽波束天线，如果姿态发生故障，比如该天线背向地球，则无法实现遥控通信。此外，该方案的高增益天线只用于发射，即便姿态正常时，也无法使用高增益天线进行相对高码率的数据注入。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种用于深空探测小卫星的测控通信系统及方法，以解决现有方案因天线和功放数量多导致无法实现小型化低成本且星体布局困难的问题。本发明的目的还在于提供一种用于深空探测小卫星的测控通信系统及方法，以解决现有方案中部分中高增益天线无法用于接收、天线增益低故无法支持超远程通信、发射通道与大功率放大器之间无法实现交叉连接备份、应急通信时无法形成全向波束覆盖等问题。为解决上述技术问题，本发明提供一种用于深空探测小卫星的测控通信系统及方法，其用于包括火星、木星探测在内的超远程通信场景，包括：1副低增益天线布置于对地面，1副低增益天线布置于对天面；两副低增益天线用于近地段通信，以及用于远地段姿态异常情况下的应急通信；1副中增益天线布置于对地面，中增益天线用于远地段姿态稍有偏转时的测控通信；1副高增益天线布置于对地面，高增益天线用于远地段姿态准确对地时的测控通信；两台功放均设置高低两档发射功率，低功率功放用于近地段通信，高功率功放用于远地段通信。可选的，在所述的用于深空探测小卫星的测控通信系统中，4副天线中：对地高增益天线、对地中增益天线及对地低增益天线，分别连接单刀三掷微波开关的第一端；对地低增益天线，及所述单刀三掷微波开关的第二端分别连接双刀双掷微波开关的第一端；近地段，单刀三掷微波开关切换至对地低增益天线，对地低增益天线和对天低增益天线一起组成全向覆盖波束，在任意姿态情况下实现对地测控通信；远地段，单刀三掷微波开关切换至对地中增益天线或对地高增益天线，分别用于姿态偏转小于对地中增益天线的波束宽度时和准确对地时的测控通信；若姿态偏转大于对地中增益天线的波束宽度、完全反转甚至翻滚，则切换单刀三掷微波开关至对天低增益天线以组成全向覆盖波束，进行低码率应急通信。可选的，在所述的用于深空探测小卫星的测控通信系统中，双刀双掷微波开关的第二端分别连接双工器a的第一端及双工器b的第一端，所述双工器a和所述双工器b的收发隔离度高达120dbc。可选的，在所述的用于深空探测小卫星的测控通信系统中，还包括：所述双工器a的第二端分别连接功放a的第一端与接收微波网络的第一端；所述双工器b的第二端分别连接功放b的第一端与接收微波网络的第一端；所述功放a的第二端与功放b的第二端分开连接发射微波网络的第一端。可选的，在所述的用于深空探测小卫星的测控通信系统中，还包括：深空应答机a机的第一端与深空应答机b机的第一端均连接所述接收微波网络的第二端；所述深空应答机a机的第一端与所述深空应答机b机的第一端均连接发射微波网络的第二端；所述深空应答机a机的第二端与所述深空应答机b的第二端均连接星务计算机；所述深空应答机a机的第二端与所述深空应答机b的第二端均连接多路复接存储器a与多路复接存储器b。可选的，在所述的用于深空探测小卫星的测控通信系统中，还包括：所述深空应答机a机与所述深空应答机b机能够采用多个遥测遥控速率，用于支持多种星地距离下的测控通信；所述深空应答机a机与所述深空应答机b机通过数传模式进行有效载荷数据的高速星地传输。可选的，在所述的用于深空探测小卫星的测控通信系统中，所述多路复接存储器a与所述多路复接存储器b进行多个载荷数据的接收、存储、数据压缩及复接组帧；所述多路复接存储器a与所述多路复接存储器b根据地面遥控指令选择是否将整星低速遥测数据复接到高速数传数据中，以进行单独传输载荷数据，或进行混合传输载荷数据与遥测数据。可选的，在所述的用于深空探测小卫星的测控通信系统中，所述深空应答机a机与所述深空应答机b机根据地面遥控指令选择下行发送来自星务计算机的整星低速遥测数据，或下行发送来自所述多路复接存储器a或所述多路复接存储器b的高速数传数据，初始加电时默认发送来自星务计算机的低速遥测数据。可选的，在所述的用于深空探测小卫星的测控通信系统中，所述深空应答机a机与所述深空应答机b机为定型产品，用于任意星地距离的深空探测项目，调整天线增益及功放发射功率以适应不同星地距离的深空探测项目。本发明还提供一种用于深空探测小卫星的测控通信方法，其用于包括火星、木星探测在内的超远程通信场景，包括：将1副低增益天线布置于对地面，以及将1副低增益天线布置于对天面，两副低增益天线进行近地段通信，以及远地段姿态异常情况下的应急通信；将1副中增益天线布置于对地面，中增益天线进行远地段姿态稍有偏转时的测控通信；将1副高增益天线布置于对地面，高增益天线进行远地段姿态准确对地时的测控通信；设置两台功放的高低两档发射功率，近地段通信时设置低功率，远地段通信时设置高功率。在本发明提供的用于深空探测小卫星的测控通信系统及方法中，包括4副天线，每副天线均可同时用于发射和接收信号，其中3副天线用于姿态正常情况下的星地通信，1副天线用于姿态异常情况下的应急通信；4副天线中2副天线为低增益天线，1副天线为中增益天线，1副天线为高增益天线，可以分别支持多种距离范围内的测控通信，满足包括木星、火星探测在内的超远程通信场景。本发明完成了针对现有缺陷的改进设计，在满足小卫星对平台的高集成度、低功耗、小型化、轻量化要求的前提下，既能满足深空探测任务的测控通信需求，又最大限度地简化了系统复杂度，并且具备测控通道备份切换功能，保证了测控系统的可靠性。本发明和思路对于其它深空探测航天器具有借鉴意义。在本发明提供的用于深空探测小卫星的测控通信系统及方法中，通过4副天线的选择和两台功放的输出功率选择，可以分别支持多种距离范围内的测控通信，满足包括木星、火星探测在内的超远程通信场景。4副天线均可同时用于发射和接收信号，其中3副天线用于姿态正常情况下的星地通信，1副天线用于姿态异常情况下的应急通信。4副天线中2副为低增益天线，1副为中增益天线，1副为高增益天线。高隔离度的双工器保证每一副天线均可同时用于发射和接收信号。两台功放均设置高低两档发射功率：低功率用于近地段通信，保护地面深空测控系统设备；高功率用于远地段通信，保证足够的发射eirp。本发明完成了针对现有缺陷的改进设计，在满足小卫星对平台的高集成度、小型化、轻量化要求的前提下，既能满足深空探测任务的测控通信需求，又最大限度地简化了系统复杂度，并且具备测控通道备份切换功能，保证了测控系统的可靠性。本发明和思路对于其它深空探测航天器具有借鉴意义。附图说明图1是本发明一实施例用于深空探测小卫星的测控通信系统示意图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本发明提出的用于深空探测小卫星的测控通信系统及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。本发明的核心思想在于提供一种用于深空探测小卫星的测控通信系统及方法，以解决现有的深空探测小卫星测控通信系统星体布局困难较大的问题。本发明的目的在于提供一种用于深空探测小卫星的测控通信系统及方法，以解决现有方案因天线和功放数量多导致无法实现小型化低成本且星体布局困难。本发明的目的还在于提供一种用于深空探测小卫星的测控通信系统及方法，以解决现有方案中部分中高增益天线无法用于接收、天线增益小故无法支持超远程通信、发射通道与大功率放大器之间无法实现交叉连接备份、应急通信时无法形成全向波束覆盖等问题。为实现上述思想，本发明提供了一种用于深空探测小卫星的测控通信系统及方法，包括：4副天线，每副天线均可同时用于发射和接收信号；1副低增益天线布置于对地面，1副低增益天线布置于对天面；两副低增益天线用于近地段通信，以及用于远地段姿态异常情况下的应急通信；1副中增益天线布置于对地面，中增益天线用于远地段姿态稍有偏转时的测控通信；1副高增益天线布置于对地面，高增益天线用于远地段姿态准确对地时的测控通信；两台功放均设置高低两档发射功率，低功率功放用于近地段通信，高功率功放用于远地段通信。深空探测小卫星测控通信系统组成如图1所示，产品配套如表1所示。测控通信系统由深空应答机a机29、深空应答机b机30、发射微波网络28、功放a(25)、功放b(26)、双工器a(23)、双工器b(24)、多路复接存储器a/b(31)、接收微波网络27、双刀双掷微波开关22、单刀三掷微波开关21、2副低增益天线(包括对地低增益天线11、对天低增益天线12)、1副对地中增益天线13和1副对地高增益天线14组成。表1测控通信系统产品配套表单机名称数量备注uxb应答机a1uxb应答机b1功放a1两档发射功率功放b1两档发射功率双工器a1双工器b1多路复接存储器a/b1具有数据压缩功能(接收)微波网络1(发射)微波网络双刀双掷微波开关1单刀三掷微波开关1低增益天线2对天对地各一副中增益天线1对地高增益定向天线1对地本发明总共具有4副天线，每副天线都既能够用于发射又能够用于接收；其中，3副天线安装在对地面，用于姿态正常情况下的星地通信，1副天线安装在对天面，用于姿态异常情况下的应急通信；天线设置低、中、高三档增益，分别用于支持不同距离范围内的测控通信。双工器的收发隔离度高达120dbc，重量与一副低增益天线基本相当，可实现所有天线的收发共用，减少天线数量，减轻星体表面布局压力。双工器广泛应用于国外的深空探测器，包括nasa的木星探测器juno，火星探测器phoenix等。结合常规发射实际情况及国外发展趋势，发射段发射机关，所以不再设置小功率(0.5w/1w)发射模式，所以只配置两台大功率放大器，减少系统成本及体积重量。两台应答机的发射通道与两台大功放之间设置一个发射微波网络28，可提供交叉连接通道。可抵抗任意一个发射通道(包含前面的数字基带部分)和任意一个大功放的双点故障，只要有任意一个发射通道和大功放能够工作，整个系统就能工作。由于微波网络在大功放之前，其插损并不影响最终的发射功率，并不会影响系统发射eirp。两台应答机的接收通道与天线之间设置一个接收微波网络27，任意一副天线接收到的遥控信号都可以进入两台应答机的接收通道，即任意一台应答机都能接收任意一副天线的信号，可有效应对姿态翻转或某一台应答机接收通道故障的情况，提高遥控链路的可靠性。地面发射eirp一般都很大，且预留应急情况(卫星只有低增益天线朝向地球)下继续加大发射功率的能力，可有效弥补接收微波网络27带来的上行链路插损。深空应答机基于软件无线电的理念，遥测遥控均支持多档速率，用于支持不同星地距离情况下的测控通信。遥控接收自适应地面站发射的速率，遥测发射速率根据星载计算机规划的或者地面发送的指令信息进行切换。遥测遥控均采用信道纠错编码技术，进一步提高链路裕量。深空应答机为定型产品，适用于任意星地距离的深空探测项目，如小行星探测、火星探测、木星探测等。应答机接收灵敏度高达-155～-157dbm，发射功率为0dbm。不同的深空探测项目只需要对本方案的天线增益及功放发射功率做适应性调整。深空应答机采用侧音测距体制，同时具备发送dor信标信号功能，dor信标信号作为副载波信号调制在遥测主载波上。dor信标信号是否发送由地面控制指令进行控制。深空应答机除具备支持测距的遥测传输功能外，还设置数传功能，可实现有效载荷数据的高速星地传输。多路复接存储器连接载荷50，完成多个载荷数据的接收、存储和复接组帧功能，同时具备数据压缩功能，减小星地数据传输压力。多路复接存储器可以根据地面遥控指令选择是否将整星遥测数据复接到数传数据中，实现单传载荷数据或载荷数据与遥测数据混合传输的功能。深空应答机根据地面遥控指令选择下行发送来自星务计算机40的低速遥测数据(需进行信道编码)或来自多路复接存储器31的高速数传数据，初始加电时默认发送来自星务计算机40的低速遥测数据。测控通信系统所支持的工作模式如表2所示。表2测控通信系统工作模式表其中，tc：遥控；tm：uxb遥测(速率可调)；r：测距。在本发明的一个实施例中，测通通信系统主要技术指标如下(以下技术指标可以依据需求调整)：遥控信息速率：7.8125bps、50bps、500bps、1000bps、2000bps遥控信道编码方式：(7,1/2)卷积码遥测信息速率：8bps、64bps、128bps、512bps、2048bps遥测信道编码方式：rs+(7,1/2)卷积码数传信息速率：30kbps、100kbps、200kbps数传信道编码方式：rs+(7,1/2)卷积码功放输出功率:10w/70w(10w用于近地段及巡航段早期)低增益天线：±75°范围内收发增益≥-2dbi中增益天线：±20°范围内接收增益≥8dbi，发射增益≥9dbi高增益天线：±0.5°范围内收发增益≥37dbi不同类型天线所能支持的星地通信距离如表3～8所示，此处链路计算采用的地面测控站为66m佳木斯站；表3遥控链路性能预算(低增益天线)表4遥控链路性能预算(中增益天线)表5遥测链路性能(低增益天线)距离/万km120025005000700020000遥测码速率/bps2048512128648表6遥测链路性能(中增益天线)距离/万km45009000180002500070000遥测码速率/bps2048512128648表7遥测链路性能(高增益天线)距离/万km100000(木星)遥测码速率/bps2048表8数传链路性能(高增益天线)综上，上述实施例对用于深空探测小卫星的测控通信系统及方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。当前第1页12