CN213754769U - 一种通遥一体多链路高速数据通信载荷*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种通遥一体多链路高速数据通信载荷***，主控模块分别与星地微波通信模块、高速空间数据中继模块、高速数传通信模块和对地遥感相机模块总线连接；对地遥感相机模块用于拍摄获取图像数据和/或视频数据；高速数传通信模块用于接收图像数据和/或视频数据并经其天线传输至地面信号站；高速空间数据中继模块用于实现对地遥感相机模块与星地微波通信模块之间的数据路由和交换；星地微波通信模块用于对需要传输的图像数据和/或视频数据或地面信号进行通信处理。本实用新型设置内的所有模块均采用轻量化、小型化、低功耗设计，在保持体积、质量小的同时能够执行更多功能；传输带宽更大，数据传输速度更快。

Description

一种通遥一体多链路高速数据通信载荷***

技术领域

本实用新型属于低轨微纳卫星通信领域，尤其涉及一种通遥一体多链路高速数据通信载荷***。

背景技术

近年来，基于低轨商业微纳卫星的天基互联网***及其应用在日益受到关注，国际、国内多家航天机构和商业航天公司均提出了低轨互联网卫星星座的建设计划，低轨商业卫星验证周期短、成本低廉，可通过多个卫星快速组网完成传统大卫星的功能。但受制于商业微纳卫星成本、功耗和重量等因素，目前低轨商业微纳卫星载荷普遍存在功能单一、性能难以满足应用需求、可靠性不高等问题，限制了低轨商业卫星在天地一体化信息网络中的应用。

目前在国内天基互联网领域，100kg以下的商业微纳卫星，载荷***功能单一，性能和可靠性较差，难以支持天地组网长期稳定的应用需求。此外，现有商业微纳卫星的星地通信链路传输速率较低，带宽不足、发射功率小、波束窄，难以支持多个地面站组网通信，并且缺少大容量业务数据高速路由、交换的能力，难以支持多种业务的应用。

实用新型内容

本实用新型的技术目的是提供一种通遥一体多链路高速数据通信载荷***，以解决低轨商业微纳卫星载荷普遍存在功能单一、性能难以满足应用需求、可靠性不高的技术问题。

为解决上述问题，本实用新型的技术方案为：

一种通遥一体多链路高速数据通信载荷***包括：多波束相控阵天线模块、星地微波通信模块、高速空间数据中继模块、高速数传通信模块、主控模块和对地遥感相机模块；

主控模块分别与星地微波通信模块、高速空间数据中继模块、高速数传通信模块和对地遥感相机模块总线连接，主控模块用于输出控制命令控制总线上的各个模块；

对地遥感相机模块用于拍摄获取图像数据和/或视频数据；

高速数传通信模块与对地遥感相机模块的第一输出端口信号连接，用于接收图像数据和/或视频数据并经其天线传输至地面信号站；

高速空间数据中继模块的输入端口与对地遥感相机模块的第二输出端口信号连接，高速空间数据中继模块的输出端口与星地微波通信模块信号连接，高速空间数据中继模块用于实现对地遥感相机模块与星地微波通信模块之间的数据路由和交换；

星地微波通信模块与多波束相控阵天线模块信号连接，星地微波通信模块用于对需要传输的图像数据和/或视频数据进行通信处理并经多波束相控阵天线模块进行传输至地面信号站，以及对地面信号站发送的地面信号进行通信处理并经高速空间数据中继模块传输至主控模块。

其中，主控模块包括星务计算子模块和姿态计算子模块，星务计算子模块通过总线控制总线上的各个模块，姿态计算子模块通过广播星历计算获取轨道信息。

其中，高速数传通信模块包括信号连接设置的数字信号处理子模块和氮化镓功放子模块，数字信号处理子模块接收图像数据和/或视频数据并进行存储、复接、编码、组帧、调制处理，氮化镓功放子模块用于对数字信号处理子模块处理后的数据进行功率放大，并经高速数传通信模块的天线传输至地面信号站。

具体地，高速空间数据中继模块为双机设计，用于实现冷备份以提高***稳定性，还用于充当两个路由接点以支持与各个模块进行数据路由和交换。

其中，星地微波通信模块用于将需要传输的图像数据和/或视频数据实现格式转换、组帧、编码、调制、数模转换和滤波放大，同时完成地面信号实现滤波、放大、正交下变频、模数转换、解调、解码、解帧和数据格式转换。

其中，多波束相控阵天线模块包括对地接收天线组和对地发射天线组，对地接收天线组用于接收地面信号，对地发射天线组用于向地面发射信号，对地接收天线组和对地发射天线组内的天线单元均采取纵向集成横向组装，矩形网格分布。

具体地，第一输出端口为低电压差分端口；第二输出端口为千兆网络端口；高速空间数据中继模块的输入端口为千兆网络端口；高速空间数据中继模块的输出端口包括低电压差分端口和千兆网络端口。

本实用新型由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

(1)本实用新型设置内的所有模块均采用轻量化、小型化、低功耗设计，所有模块总质量小于13千克，质量小集成度高，峰值功率小于200瓦，能耗低，相较于现有低轨商业微纳卫星在保持体积、质量小的同时能够执行更多功能；

(2)本实用新型通过CAN总线进行多模块的功能配置，提高集成度，图像数据和视频数据可通过低电压差分端口之间和千兆网络端口之间实现数据传输和交换，并通过Ka频段星地链路和X频段星地链路将数据输出至外部，上述数据传输链路具有互为冗余的高可靠性，且Ka频段星地链路带宽可达15Mbps，X频段星地链路行带宽达到40Mbps，带宽更大，数据传输速度更快；

(3)本实用新型设置了高速空间数据中继模块，采用双机设计，既可以互为冷备份以提高***可靠性，也可以作为两个路由接点同时工作，支持多个卫星载荷进行高速数据路由和交换，可分别通过低电压差分端口之间和千兆网络端口之间进行数据路由，根据在轨情况Ka频段或X频段链路进行图像数据和视频数据下传。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。

图1为本实用新型的一种通遥一体多链路高速数据通信载荷***的模块结构示意图；

图2为本实用新型的一种高速数传通信模块的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本实用新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的一种应用于低轨微纳卫星的通遥一体多链路高速数据通信载荷***作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。

参见图1，一种应用于低轨微纳卫星的通遥一体多链路高速数据通信载荷***，包括：多波束相控阵天线模块、星地微波通信模块、高速空间数据中继模块、高速数传通信模块、主控模块和对地遥感相机模块。

具体地，参看图1，在本实施例中，主控模块分别与星地微波通信模块、高速空间数据中继模块、高速数传通信模块和对地遥感相机模块总线连接，具体地，主控模块包括星务计算子模块和姿态计算子模块，星务计算子模块通过CAN总线配置星地微波通信模块、高速空间数据中继模块、高速数传通信模块和对地遥感相机模块的运行参数，姿态计算子模块通过广播星历计算轨道信息。

参看图1，在本实施例中，对地遥感相机模块用于拍摄获取图像数据和/或视频数据，对地遥感相机模块主要为对地遥感相机，采用了CMOS探测器，在本实施例中该对地遥感相机参数具体如下，分辨率为5m×600km，幅宽为12km×16km，成像谱段为0.45um至0.75um。其中，地遥感相机模块设置有千兆网络(GE)端口和低电压差分(LVDS)端口，用于将拍摄获取的图像数据和/或视频数据分别传输至高速空间数据中继模块和高速数传通信模块。

具体地，参看图1和图2，高速数传通信模块为X频段氮化镓固态放大器高速数传通信机，其采用小型化设计。高速数传通信模块设有LVDS端口，并通过其自身的LVDS端口与对地遥感相机模块的LVDS端口信号连接以接收图像数据和/或视频数据。具体地，高速数传通信模块包括数字信号处理子模块和氮化镓功放子模块。数字信号处理子模块包括数字信号处理单元和信源单元，数字信号处理单元接收图像数据、视频数据并进行进行存储、复接、编码、组帧处理，处理后的数据经信源单元据进行QPSK射频调制，再经氮化镓功放子模块用于对数字信号处理子模块处理后的数据进行功率放大至20W，最后通过高速数传通信模块的数传天线输出至地面信号站的X频段地面天线，地面天线对获取的X频信号经地面解调终端解调，实现图像数据、视频数据X频段星地链路下行。在本实施例中，该高速数传通信模块的具体参数如下，模块质量为1.7kg，静态功耗为13.5W，发射功率为43dBW，最大传输带宽为40Mbps。

参看图1，在本实施例中，高速空间数据中继模块设有与CAN总线信号连接422端口，通过该422端口受控于主控模块，还设有与星地微波通信模块信号连接的422端口。此外，还设有GE端口和LVDS端口，其中，该GE端口包括与对地遥感相机模块的GE端口、星地微波通信模块的GE端口信号连接的2个GE端口，该LVDS端口与星地微波通信模块的LVDS端口信号连接。高速空间数据中继模块为双机设计，既可以互为冷备份以提高***可靠性，也可以作为两个路由接点同时工作，支持与各个模块进行高速数据路由和交换，可分别通过GE端口和LVDS端口进行数据路由，根据在轨情况将Ka频段或X频段进行数据下传。该高速空间数据中继模块的高速网络数据处理子模块采用“FPGA+ARM”架构，ARM处理器完成与主控模块经CAN总线指令的响应、以及通信链路的管理等任务。FPGA器件负责数据处理、数据路由分发、与其它设备的数据收发通信等功能。FPGA选用Xilinx公司的Virtex5系列的器件，ARM芯片与V5 FPGA芯片之间通过以太网RGMII、GPIO、SPI端口进行数据交互，ARM芯片与A3P1000 FPGA芯片之间通过SPI端口进行配置数据交互；A3P1000 FPGA芯片负责完成V5FPGA的动态刷新和远程更新配置功能。在本实施例中，该高速空间数据中继模块的具体参数如下，模块质量为2.3kg，功耗为15W，最大单路传输带宽为100Mbps，数据吞吐量可达20路/5Gbps。

参看图1，在本实施例中，星地微波通信模块包括信道子模块、信号处理子模块、多个端口，通过多波束相控阵天线模块支持多个地面信关站和业务站用户同时与对地微波通信载荷进行独立全双工通信。其端口包括双422端口、GE端口以及LVDS端口，422端口采用主、备冷备份，其中一个422端口与CAN总线信号连接，接收来自主控模块的配置信息，另一个422端口与高速空间数据中继模块信号连接，同样接收来自主控模块的配置信息；GE端口和LVDS端口均与高速空间数据中继模块相对应的端口信号连接，以实现数据的交互传递。另外，基于信道子模块实现与多波束相控阵天线模块实现数据、控制信号交互，其中，控制信号为星地微波通信模块接收姿态计算子模块的控制命令并发送至多波束相控阵天线模块的信号，以此控制天线扫描波束角度，该信号为采用40MHz中频信号。信号处理子模块采用ARM+FPGA的架构，运行FREERTOS操作***，用于将下行信号数据实现格式转换、组帧、编码、调制，数模转换、滤波放大，同时完成上行信号数据实现滤波、放大、正交下变频、模数转换、解调、解码、解帧、数据格式转换。采用FDMA多址方式，同时具备多个信关站和业务站收发处理通道，可通过自带的星地发射天线和星地接收天线实现数据交互。

参看图1，在本实施例中，多波束相控阵天线模块用于接收星地微波通信模块的数据并输出至外部，接收外部信号并上行输送至星地微波通信模块。

其中，多波束相控阵天线模块包括对地接收天线组和对地发射天线组，对地接收天线组用于接收地面信号，对地发射天线组用于向地面发射信号。多波束相控阵天线模块为瓦片式小型Ka频段多波束星地相控阵天线，具有多个独立智能波束，且各波束控制相互独立；天线采用纵向集成横向组装(LITA)方式，以减小整机重量和尺寸，满足微纳卫星设计约束；天线采用矩形网格布阵设计，降低了加工复杂度；模块内的阵面单元、TR组件、波束形成网络、馈电分配网络、波控信号分配网络均设计为规则外形尺寸，天线单元采用微带天线，单个或部分天线单元失效仅导致链路性能下降，不会导致整机失效，使用寿命长。为了减小太阳辐射、原子氧、高低温交变等空间环境因素对天线辐射阵列的影响，阵列外部增加凯夫拉材质透波天线罩，天线罩表面喷涂热控白漆。多波束相控阵天线模块的具体参数如下：工作频段为Ka，最大传输带宽为14Mbps，波束为3个(同时工作)，工作方式为全双工，多址方式为FDMA，星地发射天线EIRP≥24.1dBW，星地接收天线EIRP≥-11.1dB/K，方位角为0°～360°，俯仰角为±60°，半功率波束宽度为8°，编码方式为LDPC(1/2)，模块质量为4.8kg，模块功耗为97W。

在本实施例中，根据各载荷的功率情况合理选择设备供电电源(图中未示出)，大功率的多波束相控阵天线模块、星地微波通信模块、氮化镓功放子模块采用+28V供电，高速空间数据中继模块采用+12V供电，对地遥感相机模块和数字信号处理子模块+5.5V供电，各单机均独立配置母线保护电路和浪涌抑制电路。

上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式。即使对本实用新型作出各种变化，倘若这些变化属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本实用新型的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种通遥一体多链路高速数据通信载荷***，其特征在于，包括：多波束相控阵天线模块、星地微波通信模块、高速空间数据中继模块、高速数传通信模块、主控模块和对地遥感相机模块；

所述主控模块分别与所述星地微波通信模块、所述高速空间数据中继模块、所述高速数传通信模块和所述对地遥感相机模块总线连接，所述主控模块用于输出控制命令控制总线上的各个模块；

所述对地遥感相机模块用于拍摄获取图像数据和/或视频数据；

所述高速数传通信模块与所述对地遥感相机模块的第一输出端口信号连接，用于接收所述图像数据和/或所述视频数据并经其天线传输至地面信号站；

所述高速空间数据中继模块的输入端口与所述对地遥感相机模块的第二输出端口信号连接，所述高速空间数据中继模块的输出端口与所述星地微波通信模块信号连接，所述高速空间数据中继模块用于实现所述对地遥感相机模块与所述星地微波通信模块之间的数据路由和交换；

所述星地微波通信模块与所述多波束相控阵天线模块信号连接，所述星地微波通信模块用于对需要传输的图像数据和/或视频数据进行通信处理并经所述多波束相控阵天线模块进行传输至地面信号站，以及对地面信号站发送的地面信号进行通信处理并经所述高速空间数据中继模块传输至所述主控模块。

2.根据权利要求1所述的通遥一体多链路高速数据通信载荷***，其特征在于，所述主控模块包括星务计算子模块和姿态计算子模块，所述星务计算子模块通过所述总线控制总线上的各个模块，所述姿态计算子模块通过广播星历计算获取轨道信息。

3.根据权利要求1所述的通遥一体多链路高速数据通信载荷***，其特征在于，所述高速数传通信模块包括信号连接设置的数字信号处理子模块和氮化镓功放子模块，所述数字信号处理子模块接收所述图像数据和/或所述视频数据并进行存储、复接、编码、组帧、调制处理，所述氮化镓功放子模块用于对所述数字信号处理子模块处理后的数据进行功率放大，并经所述高速数传通信模块的天线传输至地面信号站。

4.根据权利要求1所述的通遥一体多链路高速数据通信载荷***，其特征在于，所述高速空间数据中继模块为双机设计，用于实现冷备份以提高***稳定性，还用于充当两个路由接点以支持与各个模块进行数据路由和交换。

5.根据权利要求1所述的通遥一体多链路高速数据通信载荷***，其特征在于，所述星地微波通信模块用于将所述需要传输的图像数据和/或视频数据实现格式转换、组帧、编码、调制、数模转换和滤波放大，同时完成所述地面信号实现滤波、放大、正交下变频、模数转换、解调、解码、解帧和数据格式转换。

6.根据权利要求1所述的通遥一体多链路高速数据通信载荷***，其特征在于，所述多波束相控阵天线模块包括对地接收天线组和对地发射天线组，所述对地接收天线组用于接收地面信号，所述对地发射天线组用于向地面发射信号，所述对地接收天线组和所述对地发射天线组内的天线单元均采取纵向集成横向组装，矩形网格分布。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的通遥一体多链路高速数据通信载荷***，其特征在于，所述第一输出端口为低电压差分端口；所述第二输出端口为千兆网络端口；所述高速空间数据中继模块的输入端口为千兆网络端口；所述高速空间数据中继模块的输出端口包括低电压差分端口和千兆网络端口。

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