CN108173589A - 一种适用于深空探测的小卫星测控***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于深空探测的小卫星测控***及方法，采用本发明解决了小卫星平台典型测控方案用于深空测控存在的问题，包括天线组阵存在干涉区、有效全向辐射功率和接收灵敏度不足、***电磁自兼容性不足、不支持高精度定轨测量的差分单向测距功能等问题。本发明既能满足深空控测任务的测控需求，又最大限度降低设备冗余度，在星上专用逻辑配合下，能够进行测控通道备份切换，保证了测控***的可靠性。本发明进行深空飞行任务改进设计，不仅限于小卫星平台，对于其它深空航天器也具有借鉴意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于深空探测的小卫星测控***及方法，属于深空卫星***测控技术领域。
背景技术
由于近年来深空探测技术的发展，要求卫星平台在全任务过程中保证测控链路的有效性和测控范围的覆盖性，目前的典型S频段统一载波测控***无法满足深空探测任务的测控需求，因此需要在小卫星平台发展一种适用于深空探测的测控***。
深空探测器的测控技术已在嫦娥探测任务中逐步得到在轨应用，但是基于小卫星平台进行深空测控***设计尚属首次，主要存在的问题：(1)在小卫星总体重量、功耗的限制下，如何优化测控***设计，进行小型化实现，并保证产品的可靠性。(2)在小卫星平台空间受限，天线隔离度要求较高的情况下，如何布局测控***的合理位置，保证***的性能。
目前国外未发现在小卫星平台进行深空测控***设计的相关报道。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于深空探测的小卫星测控***及实现方法，解决了现有的小卫星上进行深空探测任务的测控需求问题，本发明能够在小卫星平台空间受限、天线隔离度要求较高、质量和功耗受限的前提下，既能满足深空控测任务的测控需求，又最大限度降低设备冗余度，在星上专用逻辑配合下，能够进行测控通道备份切换，保证了测控***的可靠性。
本发明的技术解决方案是：一种适用于深空探测的小卫星测控***，包括：测控天线，深空应答机，功率放大器，输出滤波器，组合开关；
相比于传统测控应答机，深空应答机技术特点：接收灵敏度高(比传统应答机优化几十dB)、重量轻、捕获时间短；实现方式是在普通应答机基础上，采用微型器件和各种数字技术进行改造。
测控天线，包括：发射端天线和接收端天线，
发射端天线，包括：对天测控发射天线、对地测控发射天线；
接收端天线，包括：对天测控接收天线、对地测控接收天线；
组合开关，包括：发射端开关和接收端开关；
本***采用统一载波体制的测控方案，***信息流程如下：小卫星飞行过程中，地球测控站根据小卫星的对地面和对天面的当前方向，选择所采用的测控天线，包括：发射端天线和接收端天线；
地球测控站根据卫星的飞行空间和测控要求，分布在地球表面某个卫星可见区域，任务是对航天器进行跟踪测量、遥测、遥控和通信等。接收端开关将地球测控站选择的接收端天线接入深空应答机；深空应答机接能够在接到接收端天线接收的射频信号后，对射频信号进行PM解调后，进行转发或基带处理，进行PM调制，然后发送给功率放大器，功率放大器迪对深空应答机送来的信号进行功率放大后，送至输出滤波器；输出滤波器对功率放大器送来的信号进行发射带外滤波后，通过发射端开关的选通送至发射端天线，即选择送至对天测控发射天线或对地测控发射天线。
小卫星飞行过程中，地球测控站根据小卫星的对地面和对天面的当前方向，选择所采用的测控天线，具体如下：
根据小卫星的对地面和对天面的当前方向，若对地面测控天线有利，使对地测控接收天线作为接收端天线，并使对地测控发射天线作为发射端天线；根据小卫星的对地面和对天面的当前方向，若对天面测控天线有利，使对天测控接收天线作为接收端天线，并使对天测控发射天线作为发射端天线。
小卫星包括对天面和对地面，对天面上安装有一组测控天线，包括对天测控发射天线和对天测控接收天线，对地面上安装有一组测控天线，包括对地测控发射天线和对地测控接收天线；地球测控站设有天线，指向小卫星；
对地面测控天线有利，是指对地面的一组测控天线的波束中心指向与地球测控站的天线对卫星指向的夹角小于对天面的一组测控天线的波束中心指向与地球测控站天线对卫星指向的夹角，如图2所示；若对天面测控天线有利，是指：对天面的一组测控天线的指向与地球测控站的天线指向的夹角小于对地面的一组测控天线的指向与地球测控站的天线指向的夹角。
功率放大器为2台，包括功率放大器A和功率放大器B；输出滤波器为2台，包括：输出滤波器A和输出滤波器B；深空应答机为2台，包括深空应答机A和深空应答机B；
若对地面测控天线有利，上行信号f1u通过对地测控接收天线接收，送往深空应答机A、深空应答机A对接收到的信号解调并产生下行信号f1d送至功率放大器A，经过功率放大器A放大并经过输出滤波器A滤波后由对地测控发射天线发射；
若对天面测控天线测控有利，上行信号f2u通过对天面接收接收天线接收，送往深空应答机B、深空应答机B对接收到的信号解调并产生下行信号f2d送至功率放大器B，经过功率放大器B放大并经过输出滤波器B滤波后由对天面测控发射天线发射。
组合开关中的发射端开关和接收端开关均为双刀双掷开关，通过组合开关中发射端开关和接收端开关配合，使测控天线与测控通道中的深空应答机、功率放大器和输出滤波器进行交叉备份，测控通道中包含一个深空应答机、一个功率放大器和一个输出滤波器。
组合开关中的发射端开关和接收端开关均为双刀双掷开关，接收端开关的一个固定端连接对地测控接收天线，另一个固定端连接对天测控接收天线，一个动端连接深空应答机A的接收机，另一个动端连接深空应答机B的接收机；发射端开关的一个固定端连接对地测控发射天线，另一个固定端连接对天测控发射天线，一个动端连接输出滤波器A，另一个动端连接输出滤波器B。
一种适用于深空探测的小卫星测控方法，步骤如下：
(1)小卫星飞行过程中，地球测控站根据小卫星的对地面和对天面的当前方向，选择所采用的测控天线，包括：发射端天线和接收端天线；
(2)接收端开关将地球测控站选择的接收端天线接入深空应答机；
(3)深空应答机接能够在接到接收端天线接收的射频信号后，对射频信号进行PM解调后，进行转发或基带处理，进行PM调制，然后发送给功率放大器，
(4)功率放大器迪对深空应答机送来的信号进行功率放大后，送至输出滤波器；
(5)输出滤波器对功率放大器送来的信号进行发射带外滤波后，通过发射端开关的选通送至发射端天线，即选择送至对天测控发射天线或对地测控发射天线。
小卫星飞行过程中，地球测控站根据小卫星的对地面和对天面的当前方向，选择所采用的测控天线，具体如下：
根据小卫星的对地面和对天面的当前方向，若对地面测控天线有利，使对地测控接收天线作为接收端天线，并使对地测控发射天线作为发射端天线；根据小卫星的对地面和对天面的当前方向，若对天面测控天线有利，使对天测控接收天线作为接收端天线，并使对天测控发射天线作为发射端天线。
小卫星包括对天面和对地面，对天面上安装有一组测控天线，包括对天测控发射天线和对天测控接收天线，对地面上安装有一组测控天线，包括对地测控发射天线和对地测控接收天线；地球测控站设有天线，指向小卫星。
对地面测控天线有利，是指对地面的一组测控天线的波束中心指向与地球测控站的天线对卫星指向的夹角小于对天面的一组测控天线的波束中心指向与地球测控站天线对卫星指向的夹角，若对天面测控天线有利，是指：对天面的一组测控天线的指向与地球测控站的天线指向的夹角小于对地面的一组测控天线的指向与地球测控站的天线指向的夹角。
本发明与现有技术相比的特点在于：
(1)本发明卫星对地面/对天面半空间采用不同测控频点设计，地球测控站根据对天/对地测控天线有利的条件进行相应频点的切换，避免通过天线组阵带来的方向图干涉区的问题，实现了卫星飞行过程中的全程全空间覆盖。
(2)本发明应答机发射信号经过功放进行放大，与应答机直接输出信号至天线相比，***EIRP将得到几十分贝的提高，有效地解决了深空测控任务中星地距离远而导致自由空间传输损耗大的问题。
(3)本发明深空测控任务星地距离远，星上接收地面上行信号微弱，深空应答机能够优化接收灵敏度，接收能力均有较大提升，能够适应星地深空远距离通信。
(4)本发明测控天线收/发分开，且极化方向不同；应答机收/发分开，测控发射通道增加输出滤波器，避免发射信号对接收机的影响，从设计上保证接收通道与发射通道的EMC自兼容性；
(5)本发明测控***不仅能实现常规的测距、测速功能，深空应答机在下行载波上调制DOR音，还能够与地面测控***协同实现高精度测轨的甚长基线测量功能(VLBI)，提高了卫星定位精度。
(6)本发明通过开关组合切换的方式，节省了接收端及发射端测控设备的备份，使得测控设备尤其是大功率有源设备的数量较少，能够节省测控***体积、质量及功耗资源。
附图说明
图1为本发明测控***连接示意图；
图2为本发明对地测控天线有利示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明公开了一种适用于深空探测的小卫星测控***及实现方法，采用本发明解决了小卫星平台典型测控方案用于深空测控存在的问题，包括天线组阵存在干涉区、有效全向辐射功率和接收灵敏度不足、***电磁自兼容性不足、不支持高精度定轨测量的差分单向测距功能等问题。
小卫星是过去十几年提出的一个新名词，这里的“小”没有一个确切的定义，一般指重量低于1000kg的卫星。本发明在小卫星平台典型统一测控体制基础上进行深空测控应用方案的设计，在小卫星平台空间受限、天线隔离度要求较高、质量和功耗受限的前提下，本发明既能满足深空控测任务的测控需求，又最大限度降低设备冗余度，在星上专用逻辑配合下，能够进行测控通道备份切换，保证了测控***的可靠性。
本发明立足于利用现有小卫星平台进行适应深空飞行任务改进设计，其设计方案和思路适用但不仅限于小卫星平台，对于其它深空航天器也具有借鉴意义。
如图1所示，本发明***采用统一载波测控体制，设备数量共12台(套)。包括四副测控天线，两台深空应答机，两台功率放大器，两个输出滤波器，两个开关。
测控天线，包括：发射端天线和接收端天线，发射端天线，包括：对天测控发射天线、对地测控发射天线；接收端天线，包括：对天测控接收天线、对地测控接收天线；组合开关，包括：发射端开关和接收端开关；测控***包含4副天线，其中对地测控接收天线和对地测控发射天线安装在卫星飞行过程中与地球测控站的来波方向较多有利通信的位置，而对天测控接收天线和对天测控发射天线安装在卫星飞行过程中与地球测控站的来波方向较少有利通信的位置。卫星对地面和地天面各分布两副天线，均为一收一发配置。
本***采用异频半空间覆盖组阵的方式，卫星对地面指向空间采用频点f1工作，对天面指向空间采用频点f2工作，构成全空间的测控信号覆盖。对地/对天半空间两个频点的设计方式，有效的避免了卫星腰部的测控盲区，实现了飞行过程中的全程全空间覆盖。
飞行过程中，地球测控站需根据卫星对地面/对天面天线测控有利的条件进行相应频点的切换。若对地面天线测控有利，上行f1u信号通过对地面接收天线接收，送往深空应答机A接收、解调并产生下行f1d信号，经过放大并带外滤波后由对地面发射天线发射；若对天面测控天线测控有利，上行f2u信号通过对天面接收接收天线接收，送往深空应答机B接收、解调并产生下行f2d信号，经过放大并带外滤波后由对天面测控发射天线发射。
本***要求各设备间功率匹配，要求如下：1)测控接收天线的增益水平Gi，能保证天线输出功率Po能够达到深空应答机的灵敏度Pcmin以上3dB，即
[Po]-[Pcmin]≥3dB；2)深空应答机的发射输出功率Ps在功率放大器的饱和区工作范围Pai内，以保证功率放大器输出稳定功率，即[Pai-min]≤[Ps]≤[Pai-max]；3)输出滤波器及发射端开关能够承受功率Pi为功率放大器功率输出Pao的2倍以上，保证***长时间持续输出正常工作功率，即[Pi]-[Pao]≥3dB。
本测控***测控接收天线和测控发射天线独立，且为不同极化方向，因此收/发天线隔离度高，接收端开关将地球测控站选择的接收端天线接入深空应答机，应答机的接收通道和发射通道独立，且测控发射通道增加输出滤波器，避免发射通道对接收通道的干扰。
为达到***EMC自兼容性要求，测控收/发天线隔离度Lp高，很大程度上优化了深空应答机接收机的带外抗干扰需求和***发射链路的杂波抑制、噪声抑制需求；同时要求深空应答机输入滤波器的带外抑制Ri能力，满足应答机自身的饱和功率要求，同时本***输出滤波器Ro设计指标，应能够将功率放大器输出的杂波及噪声功率谱，抑制到发射链路需求水平以下。设应答机饱和输入功率为Ps，发射输出功率为Po，发射输出杂波/噪声为So，接收机抗杂波/噪声能力为Sc，那么需满足匹配关系式：[Ps]-[Ri]>[Po]-[Lp]+3dB，以及[So]-[Ro]>[Sc]-[Lp]+3dB。
深空应答机接能够在接到接收端天线接收的射频信号后，对射频信号进行PM解调后，进行转发或基带处理，再进行PM调制，然后发送给功率放大器，再发送给测控发射天线。
为接收到地面测控站上行信号，需要保证在深空探测任务星地距离条件下，深空应答机的接收灵敏度Pcmin优于地面站以最大功率上行信号时星上接收功率Pr，即[Pr]-[Pcmin]≥3dB；同时根据任务需求调整本***功率放大器的输出功率，使得本***发射链路达到一定的EIRP值，保证地面站接收功率Pr‘大于地面站接收机的灵敏度电平Pcmin‘，[Pr‘]-[Pcmin‘]≥3dB。其中发射链路EIRP计算公式如下：EIRP＝GT×PT，其中GT为测控发射天线增益值，pT为功率放大器的输出功率值。
发射链路在下行载波上调制约4MHz的DOR音(CCSDS建议)，与地面测控***共同实现高精度测轨的VLBI测量功能。
功率放大器迪对深空应答机送来的信号进行功率放大后，送至输出滤波器；输出滤波器对功率放大器送来的信号进行发射带外滤波后，通过发射端开关的选通送至发射端天线，即选择送至对天测控发射天线或对地测控发射天线；
开关组合通过状态切换可对测控链路进行交叉备份，接收端开关和发射端开关均为双刀双掷开关，默认为直通状态，故障情况下进行如下处理：
(1)若发射通道故障接收通道正常，通过上行遥控指令将接收端开关和发射端开关均设置为交叉状态，能够将测控信号通过另一路测控通道传输，保证了测控发射通道的相互备份作用。
(2)若接收通道故障，需要通过星上设计专门逻辑自主进行开关的切换。具体描述如下：地面测控***保证在一定时间间隔内上行遥控指令，若应答机接收机故障，在规定的时间内星载数据管理***未接收到遥控指令，则启动测控开关自动切换指令，将开关接收端开关和发射端开关均设置为交叉状态，保证了测控接收通道的相互备份作用。
本发明卫星对地面/对天面半空间采用不同测控频点设计，地球测控站根据对天/对地测控天线有利的条件进行相应频点的切换，避免通过天线组阵带来的方向图干涉区的问题，实现了卫星飞行过程中的全程全空间覆盖。应答机发射信号经过功放进行放大，与应答机直接输出信号至天线相比，***EIRP将得到几十分贝的提高，有效地解决了深空测控任务中星地距离远而导致自由空间传输损耗大的问题。
深空测控任务星地距离远，星上接收地面上行信号微弱，深空应答机能够优化接收灵敏度，接收能力均有较大提升，能够适应星地深空远距离通信。
测控天线收/发分开，且极化方向不同；应答机收/发分开，测控发射通道增加输出滤波器，避免发射信号对接收机的影响，从设计上保证接收通道与发射通道的EMC自兼容性；
本测控***不仅能实现常规的测距、测速功能，深空应答机在下行载波上调制DOR音，还能够与地面测控***协同实现高精度测轨的甚长基线测量功能(VLBI)，提高了卫星定位精度。
通过开关组合切换的方式，节省了接收端及发射端测控设备的备份，使得测控设备尤其是大功率有源设备的数量较少，能够节省测控***体积、质量及功耗资源。
针对测控***设计改进要解决的问题，进行了本***设计方案的仿真及计算分析验证。
a.星地链路余量计算
以月球探测任务的星地距离3.8×104km为例，按如下公式计算星地链路：
[Pr]＝[SEIRP]-[Ltp]-[Ls]-[La]-[Lrp]+[Gr]-[Lrf]
式中：[Pr]为接收机收到的信号功率值，单位为dBm；[SEIRP]为等效各向同性辐射功率的对数值，单位为dBm；[Ltp]为发射天线指向和极化损耗的对数值，单位为dB；[Ls]为自由空间损耗的对数值，单位为dB；[La]为大气损耗的对数值,单位为dB；[Lrp]为接收天线指向和极化损耗的对数值，单位为dB；[Gr]为接收天线增益的对数值,单位为dB；[Lrf]为接收***馈线损耗的对数值，单位为dB。
地面参数均根据美国深空测控网地面站指标，通过计算，上下行链路的链路余量均远超过5dB，即满足关系式[Pr]-[Pcmin]>>5dB和[Pr‘]-[Pcmin‘]>>5dB，因此本方案的EIRP和接收灵敏度满足使用要求。对于距离更远的深空探测任务，为满足链路通信需求，可采用更大功率的信号放大器，并适当提升接收机灵敏度水平以保证星地链路余量。
b.***EMC自兼容性计算分析
通过仿真分析得到收/发天线在S频段内的空间隔离度优于33dB。假设发射输出功率为40dBm，接收机抗杂波干扰能力为－140dBm，抗噪声干扰能力为－174d Bm/Hz，根据天线隔离度，测控***抗干扰抑制需求分析见表2。
表1抗干扰抑制需求分析
假设接收机饱和功率不大于－10dBm，功放输出杂波不大于－30dBm，功放输出噪声功率谱不大于－70dBm/Hz，通过输入/输出滤波器的设计指标，如表2所示，可得到测控***EMC自兼容性结果。
表2 EMC自兼容性设计结果
由表1、表2可知，通过采用天线收/发分开、极化隔离，以及输入/输出滤波器设计，提高发射链路对接收频带的干扰抑制度，得到[Ps]-[Ri]>[Po]-[Lp]+10dB，以及[So]-[Ro]>[Sc]-[Lp]+10dB，测控***设计满足EMC自兼容性要求。本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
Claims (10)
1.一种适用于深空探测的小卫星测控***，其特征在于包括：测控天线，深空应答机，功率放大器，输出滤波器，组合开关；
测控天线，包括：发射端天线和接收端天线；发射端天线，包括：对天测控发射天线、对地测控发射天线；接收端天线，包括：对天测控接收天线、对地测控接收天线；组合开关，包括：发射端开关和接收端开关；小卫星飞行过程中，地球测控站根据小卫星的对地面和对天面的当前方向，选择所采用的测控天线，包括：发射端天线和接收端天线；
接收端开关将地球测控站选择的接收端天线接入深空应答机；深空应答机接能够在接到接收端天线接收的射频信号后，对射频信号进行解调后，进行转发或基带处理，再进行调制，然后发送给功率放大器，功率放大器对深空应答机送来的信号进行功率放大后，送至输出滤波器；输出滤波器对功率放大器送来的信号进行发射带外滤波后，通过发射端开关的选通送至发射端天线，即选择送至对天测控发射天线或对地测控发射天线。
2.根据权利要求1所述的一种适用于深空探测的小卫星测控***，其特征在于：小卫星飞行过程中，地球测控站根据小卫星的对地面和对天面的当前方向，选择所采用的测控天线，具体如下：
根据小卫星的对地面和对天面的当前方向，若对地面测控天线有利，使对地测控接收天线作为接收端天线，并使对地测控发射天线作为发射端天线；根据小卫星的对地面和对天面的当前方向，若对天面测控天线有利，使对天测控接收天线作为接收端天线，并使对天测控发射天线作为发射端天线。
3.根据权利要求2所述的一种适用于深空探测的小卫星测控***，其特征在于：小卫星包括对天面和对地面，对天面上安装有一组测控天线，包括对天测控发射天线和对天测控接收天线，对地面上安装有一组测控天线，包括对地测控发射天线和对地测控接收天线；地球测控站设有天线，指向小卫星。
4.根据权利要求2所述的一种适用于深空探测的小卫星测控***，其特征在于：对地面测控天线有利，是指对地面的一组测控天线的波束中心指向与地球测控站的天线对卫星指向的夹角小于对天面的一组测控天线的波束中心指向与地球测控站天线对卫星指向的夹角，若对天面测控天线有利，是指：对天面的一组测控天线的指向与地球测控站的天线指向的夹角小于对地面的一组测控天线的指向与地球测控站的天线指向的夹角。
5.根据权利要求3所述的一种适用于深空探测的小卫星测控***，其特征在于：功率放大器为两台，包括功率放大器A和功率放大器B；输出滤波器为两台，包括：输出滤波器A和输出滤波器B；深空应答机为两台，包括深空应答机A和深空应答机B；
若对地面测控天线有利，上行信号f1u通过对地测控接收天线接收，送往深空应答机A、深空应答机A对接收到的信号解调并产生下行信号f1d送至功率放大器A，经过功率放大器A放大并经过输出滤波器A滤波后由对地测控发射天线发射；
若对天面测控天线测控有利，上行信号f2u通过对天面接收接收天线接收，送往深空应答机B、深空应答机B对接收到的信号解调并产生下行信号f2d送至功率放大器B，经过功率放大器B放大并经过输出滤波器B滤波后由对天面测控发射天线发射。
6.根据权利要求1所述的一种适用于深空探测的小卫星测控***，其特征在于：组合开关中的发射端开关和接收端开关均为双刀双掷开关，通过组合开关中发射端开关和接收端开关配合，使测控天线与测控通道中的深空应答机、功率放大器和输出滤波器进行交叉备份，测控通道中包含一个深空应答机、一个功率放大器和一个输出滤波器。
7.根据权利要求6所述的一种适用于深空探测的小卫星测控***，其特征在于：组合开关中的发射端开关和接收端开关均为双刀双掷开关，接收端开关的一个固定端连接对地测控接收天线，另一个固定端连接对天测控接收天线，一个动端连接深空应答机A的接收机，另一个动端连接深空应答机B的接收机；发射端开关的一个固定端连接对地测控发射天线，另一个固定端连接对天测控发射天线，一个动端连接输出滤波器A，另一个动端连接输出滤波器B。
8.根据权利要求1所述的一种适用于深空探测的小卫星测控方法，其特征在于步骤如下：
(1)小卫星飞行过程中，地球测控站根据小卫星的对地面和对天面的当前方向，选择所采用的测控天线，包括：发射端天线和接收端天线；
(2)接收端开关将地球测控站选择的接收端天线接入深空应答机；
(3)深空应答机接能够在接到接收端天线接收的射频信号后，对射频信号进行PM解调后，进行转发或基带处理，进行PM调制，然后发送给功率放大器；
(4)功率放大器迪对深空应答机送来的信号进行功率放大后，送至输出滤波器；
(5)输出滤波器对功率放大器送来的信号进行发射带外滤波后，通过发射端开关的选通送至发射端天线，即选择送至对天测控发射天线或对地测控发射天线。
9.根据权利要求8所述的一种适用于深空探测的小卫星测控方法，其特征在于：小卫星包括对天面和对地面，对天面上安装有一组测控天线，包括对天测控发射天线和对天测控接收天线，对地面上安装有一组测控天线，包括对地测控发射天线和对地测控接收天线；地球测控站设有天线，指向小卫星。
10.根据权利要求8所述的一种适用于深空探测的小卫星测控方法，其特征在于：对地面测控天线有利，是指对地面的一组测控天线的波束中心指向与地球测控站的天线对卫星指向的夹角小于对天面的一组测控天线的波束中心指向与地球测控站天线对卫星指向的夹角，若对天面测控天线有利，是指：对天面的一组测控天线的指向与地球测控站的天线指向的夹角小于对地面的一组测控天线的指向与地球测控站的天线指向的夹角。
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