一种天通一号卫星通信系统应用处理单元_王傲月.pdf
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1、 年第期 一种天通一号卫星通信系统应用处理单元王傲月,王晋阳,梁显锋,刘守印(华中师范大学 物理科学与技术学院,武汉 ;中国科学院 国家空间科学中心)基金项目:国家重点研发计划()。摘要:完成了一种应用于海上微小型浮标端天通一号卫星通信系统应用处理单元()的设计与实现。单元不仅控制伺服单元实现恶劣海况下天线自动跟踪卫星信号波束,而且实现卫星通信系统快速接入天通一号卫星网络并进行数据传输的功能。模拟四级海况条件下的测试结果表明,浮标体横摇角在 范围内,单元驱动伺服单元实现卫星信号波束跟踪精度优于,通信系统在 内快速稳定接入卫星网络,能实现海上浮标和岸基站间 码率的实时通信。关键词:;天通一号卫星
2、;应用处理单元中图分类号:文献标识码:,(,;,):(),:;引言目前,国际上用于海洋环境监测等海上浮标与岸基站间数据传输主要依靠美国铱星网络、法国 卫星网络、国际海事卫星网络和我国北斗卫星网络及天通一号卫星网络。我国布放的海上浮标数据传输主要依靠铱星系 统 及 北 斗 短 报 文 系 统,数 据 传 输 速 率 均 低 于 。我国 年月已建设完成由颗卫星组成的天通一号卫星移动通信网络。天通一号卫星运行在地球 同 步 轨 道 上,用 户 链 路 为频 段,频 段 带 宽 为 ,支持语音、短信及数据通信业务,其中数据通信业务最高传输速率可达 。天通一号卫星网络已经用于我国海上数据通信中继业务。用
3、于数据通信的海上浮标通常是直径小于 的小型或微小型浮标,采用蓄电池为各功能单元供电,因此资源严重受限。如果海面到卫星链路的数据通信速率高于 ,那么浮标端卫星通信系统采用自动跟踪卫星波束的方案比采用全向天线的方案具备更大的能源利用优势。同时,在相同天线口径条件下,与 波段及更高频段相比,波段及波段信号不仅受海面上水汽的衰减更小,而且天线波束角更宽。在四级海况下,海面风速最快为,浪高可达 ,直径小于 的小型浮标受海洋涌浪的随机扰动影响较大,本体横摇角在 范围内变化,最大角速度甚至达到 。由此导致浮标端卫星通信天线波束指向会偏离卫星波束覆盖范围,天线接收功率大幅降低,出现通信中断。因此,海面卫星与岸
4、基站间的卫星通信链路采用 或波段系统更有利于海上小型浮标端通信系统的天线跟踪卫星信号波束,通信链路稳定性能得到保障。浮标 端 卫 星 通 信 系 统 工 作 在 直 径 、高 度敬请登录网站在线投稿()年第期 的 水 密 罩 体 内,由 应 用 处 理 单 元(,)、伺服单元、射频单元及温控单元组成。伺服单元 包 括 电 机、惯 性 测 量 单 元(,),获取浮标姿态数据用于电机驱动天线实现卫星信号波束跟踪;射频单元包括通信处理器(,)、天线和功放,完成信息调制解调及数据 收 发;温 控 单 元 控 制 水 密 罩 体 内 温 度 稳 定 在 ,保证各单元正常工作。本文主要完成了 单元的设计与
5、实现。单元完成姿态解算控制伺服单元调整天线自动跟踪卫星信号波束,并通过多路复用技术与 进行信息交互,控制通信系统稳定接入天通一号卫星网络,实现数据实时安全传输。应用处理单元设计海上浮 标天 通 一 号 卫 星岸 基 站 间 的 通 信 链 路 如图所示。图通信链路示意前向链路为岸基站卫星信关站卫星海上浮标,主要转发岸基站指令信息;反向链路为海上浮标卫星信关站卫星岸基站,通过海上浮标的通信系统传输数据。通信链路的建立依靠浮标端卫星通信系统的 单元控制实现。单元主控制器采用 公司推出的 芯片,与伺服单元及射频单元进行信息交互,实现姿态解算、天线姿态控制、接入卫星网络、通信系统工作模式切换等功能。功
6、能框图如图所示。单元包括天线姿态控制模块及接入卫星网络模块,并实现通信接口与伺服单元及射频单元进行数据传输。天线控制模块接收浮标姿态、地理位置等信息进行姿态解算,根据解算结果控制伺服单元调整天线姿态实现卫星信号波束跟踪。接入卫星网络模块与射频单元的 通过多路复用模式实现信息交互,控制 接入天通一号卫星网络开启分组业务模式。最终 单元通过 串口以 的波特率将数据发送至 ,在 内完成信息编码、调制后发送至功放,信号放大后通过天线图 功能框图发送至卫星,实现数据传输功能。关键技术实现 天线姿态控制天线姿态控制有两种模式:一种为手动跟踪,主要用于调试与初始寻星;另一种为自动跟踪,通过姿态解算得到天线角
7、度偏差值,以角度偏差值作为控制量驱动跟踪系统,实现天线指向更新。天线姿态控制流程如图所示。图天线姿态控制流程图在手动跟踪模式下,通过控制软件输入方位角及俯仰角,跟踪程序先进行参数解析、得到输入数据,再将输入数据重新组帧、发送至伺服单元,发送成功后收到响应帧,若响应帧有效,单元更新数据状态,同时驱动电机调整 年第期 天线姿态,使天线接收的卫星信号最强。在自动跟踪模式下,单元根据接收的卫星信号强度数据、地理位置数据及 发送的浮标姿态数据通过姿态解算得到天线对准目标卫星的方位角、俯仰角及横滚角。计算后发现,横滚角与方位角和俯仰角具有较强的相关性,可利用俯仰角、方位角来减小横滚角的扰动误差。当横滚角变
8、化量为、方位角变化量为、俯仰角变化量为、俯仰角为时,可得到如下对应关系:()()()因此,单元只需将角度补偿后得到的方位角及俯仰角组帧发送至伺服单元。通过 单元与射频单元、伺服单元之间进行信息交互,结合坐标转换与角度补偿等方法实现天线姿态控制,完成通信链路的建立。工作模式切换为了保证通信链路的稳定性,单元根据接收的信号强度数据自动切换工作模式实现卫星信号波束跟踪,保障浮标端通信系统的天线指向天通一号卫星,从而实现浮标与卫星间的高质量通信。工作模式切换示意图如图所示。图工作模式切换示意图 单元控制 与卫星通信,接收卫星信号强度数据。信号强度大小作为手动跟踪模式与自动跟踪模式切换的依据。通信系统开
9、机后未进入对星状态,接收到的信号强度小于阈值,默认为手动跟踪模式。通过控制软件输入方位角及俯仰角,单元控制伺服单元调整天线姿态。接收到的信号强度大于阈值时,单元控制通信系统切换到自动跟踪模式,通过姿态解算控制伺服单元实时调整天线角度。如果天线偏离通信区域持续 以上,接收的信号强度数据小于阈值,则 单元控制通信系统切换回手动跟踪模式来人工调整天线姿态。工作模式切换通过 单元与伺服单元的信息交互实现。单元将接收到的信号强度与阈值比较,根据比较结果确定相应工作模式,发送对应控制指令至伺服单元即可完成工作模式切换。单元与伺服单元间的通信图工作模式切换流程图采用 协 议,波 特 率 为 。具体的切换流程
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