一种基于Ka频段的天地基一体化无线通信测试方法技术

本发明专利技术提出一种基于Ka频段的天地基一体化无线通讯测试方法，其包括以下步骤：选定搭载飞行平台，配套对天、对地设备安装窗口，地基遥测、安控通信链路设计，天基前、返向通信链路设计，地基通信链路天线指向角设计，天基通信链路天线指向角设计，确定飞行航迹，设计预留捕获点，天地基遥测协同引导，天地基遥控协同控制。所述方法是一种可直接应用于航天器载体环境下实现Ka频段天地基一体化无线通信的技术途径，尤其满足Ka频段天基、地基实时协同通信以及多体制、多功能通信要求，可同时具备天基前向扩频遥控、天基返向扩频遥测、地基调频高码率遥测、地基扩频外测、地基扩频遥控、地基扩频引导信标、地基扩频低码率遥测功能。

A test method of integrated wireless communication based on Ka band

This invention proposes an integrated wireless communication test method based on the Ka band, which includes the following steps: the selected flight platform, the installation window for the sky and the ground equipment, the foundation telemetry, the design of the security communication link, the design of the space-based front and back communication links, and the design of the antenna pointing angle of the foundation communication link. The antenna pointing angle of space-based communication links is designed to determine the flight path, design the reserved acquisition points, coordinate the earth and sky based telemetry, and control the space based remote control. The proposed method is a technical way that can be applied directly to the integrated wireless communication of Ka band ground base under the environment of spacecraft carrier. It is especially satisfied with the Ka band space-based, ground based real-time cooperative communication and multi system and multi-function communication requirements, and can simultaneously have the space-based forward spread spectrum remote control, space-based backward spread spectrum telemetry, and foundation modulation. High frequency rate telemetry, ground-based spread spectrum external measurement, ground-based spread spectrum remote control, ground spread spectrum guided beacon, and ground based spread spectrum low bit rate telemetry.

【技术实现步骤摘要】
一种基于Ka频段的天地基一体化无线通信测试方法
本专利技术涉及一种基于Ka频段的天地基一体化无线通讯测试方法，属于无线通讯领域。
技术介绍
参照图1的现有技术中航天器天地基无线通讯方案示意图。目前，航天器无线通信的实现通常采用天基、地基通路分别独立设计，通信频段选用传统的S频段，绝大部分航天器仅具备地基通信能力，地基通信主要负责完成调频遥测功能，其码速率约为2Mbps。天基通信则仅限于返向扩频遥测功能，其码速率约为256Kbps。传统S频段地基2Mbps遥测是将航天器主要的状态信息、测量信息通过无线设备发送到地面，S频段天基256Kbps遥测与地基遥测的任务和数据基本相同，仅是增加了一个传输路径，提高无线测量的覆盖性。上述天基、地基无线通信方法，只实现了将航天器的状态信息和测量信息进行回传，各通路的功能区分不明显，整体功能单一，严重缺乏航天器与地面信息的有效交互渠道，且天基、地基不具备协调控制能力。
技术实现思路
针对上述现有技术中的不足，本专利技术提供了一种基于Ka频段的天地基一体化无线通讯测试方法，其是一种可直接应用于航天器载体环境下实现Ka频段天地基一体化无线通信的技术途径，尤其满足Ka频段天基、地基实时协同通信以及多体制、多功能通信要求，可同时具备天基前向扩频遥控、天基返向扩频遥测、地基调频高码率遥测、地基扩频外测、地基扩频遥控、地基扩频引导信标、地基扩频低码率遥测功能。本专利技术达到以下技术效果：(1)可实现地基Ka频段调频10Mbps遥测，大幅提高了数据通信速率，并完成扩频遥控、扩频外测、扩频信标和扩频遥测功能；(2)可实现天基前向2Kbps、返向20Kbps实时测量，包括遥控、遥测功能；(3)能够实现天基、地基遥控功能的协同控制，实时达到信息交互效果。(4)大幅简化系统级设计、压缩设备数量、减小系统功耗、提升可靠性。附图说明图1现有技术中航天器天地基无线通讯方案示意图。图2本专利技术的一种基于Ka频段的天地基一体化无线通讯信号传输示意图。具体实施方式本专利技术的一种基于Ka频段的天地基一体化无线通讯测试方法，其包括以下步骤：步骤1、选定搭载飞行平台，配套对天、对地设备安装窗口。所述搭载飞机平台为通用型运输机。步骤2、地基遥测、安控通信链路设计。设计Ka频段地基遥测、安控通信链路，要求链路余量大于3dB，根据公式(1)、(2)计算在满足链路余量要求的前提下，地基通信链路可允许的通信距离R；MH＝Pt-Lt+Gt-LH-Ls+Gr-Lr-Ps(1)其中，MH为链路余量，Pt为发射机的功率；Lt为发射馈线的传输损耗；Gt为飞行器上发射天线辐射方向图在地面接收设备方向的增益值；LH为大气对电磁波传输的衰减；Ls为电磁波传输过程中的失配损耗；Gr为接收天线的辐射方向图在飞行器方向的增益值；Lr为接收馈线的传输损耗；Ps为接收机灵敏度；大气对电磁波传输的衰减LH为：LH＝32.44+20×log(f)+20×log(R)(2)其中，f为电磁波的工作频率；R为通信距离。步骤3、天基前、返向通信链路设计。设计Ka频段天基前、返向通信链路，要求链路余量大于3dB，根据公式(3)、(4)、(5)计算在满足链路余量要求的前提下，天基通信链路可允许的通信距离R。[C/N0]r＝EIRP-LH-Lmisc+G/T-K(3)[C/N0]reqs＝Eb/N0+Ld-Gc+10logRb(4)M＝[C/N0]r-[C/N0]reqs(5)其中，[C/N0]r为系统载噪比，EIRP为天线有效全向辐射功率，LH为大气对电磁波传输的衰减，其计算公式参见公式(2)，Lmisc为杂项损耗，G/T为天线接收增益，K为波尔兹曼常数，[C/N0]reqs为门限载噪比，Eb/N0为门限码元信噪比，Ld为解调损失，Gc为编码增益，Rb为信息传输速率，M为链路余量。步骤4、地基通信链路天线指向角设计。设计Ka频段地基遥测、安控通信链路天线指向角，要求天线俯仰角大于5°，根据公式(6)、(7)、(8)、(9)计算在满足天线俯仰角的前提下，地基通信链路可允许的飞行平台的位置(X、Y、Z)。其中，X、Y、Z为飞行平台的位置数据，Xf、Yf、Zf为地面设备的位置数据，Xd、Yd、Zd为飞行平台相对地面设备的位置数据，φ、ψ、ξ为飞行平台的俯仰角、偏航角及滚转角，α为天线方位角,β为天线俯仰角,Sd为飞行平台相对地面设备距离。步骤5、天基通信链路天线指向角设计。设计Ka频段天基前、返向通信链路天线指向角，要求天线方位角在±60度范围内，俯仰角在±60度范围内，根据公式(6)、(7)、(8)、(9)计算在满足天线方位角和俯仰角的前提下，天基通信链路可允许的飞行平台的位置(X、Y、Z)。步骤6、确定飞行航迹。根据步骤2、步骤3计算的地基通信链路和天基通信链路的通信距离，以及步骤4、步骤5计算的飞行平台位置范围，确定飞行平台的飞行航迹，使其满足通信距离和天线指向角的要求。步骤7、设计预留捕获点。考虑到飞机起飞前、上升段地基信号会有较大的起伏和多径影响，因此，在飞行航迹设计中预留了3个捕获位置点，一旦信号丢失，按照预定轨迹，将Ka地面接收检测站的天线调整至下一个捕获位置进行准备，当飞机进入预定空域后，完成重捕及跟踪。步骤8、天地基遥测协同引导系统中地基遥测通路传输的是码速率为10Mbps的调频遥测数据，天基遥测通路传输的是码速率为20Kbps的扩频遥测数据，两路遥测数据中均设置飞行平台的位置信息，由于真实飞行过程中飞行平台姿态变化影响较大，会出现飞行平台超出预定飞行轨迹，导致通信链路中断，因此，在测试中交叉使用天地基遥测数据作为地面站引导，可有效降低遥测链路中断的风险。当天基遥测数据正常接收后，天基地面设备将天基遥测数据中关于飞行平台的位置信息，通过地面指挥控制网络，传输至地基地面设备，地基地面设备根据飞行平台的实时位置信息，调整地面设备天线指向角，使其实时跟踪飞行平台。反之，当地基遥测数据正常接收后，同样将飞行平台的位置信息，通过地面指挥控制网络，传输至天基地面设备，实时控制天基卫星天线指向角跟踪飞行平台。步骤9、天地基遥控协同控制。地基遥控通路和天基遥控通路均用于传输地面遥控指令，实现对飞行状态的实时控制，遥控指令包含预令和动令，预令作为动令输出的前提条件，系统未收到预令，则动令输出无效。为避免真实飞行过程中，飞行平台姿态变化造成天地基遥控通路中断的风险，地基遥控通路和天基遥控通路即可独立实现遥控指令的传输，也可协同实现遥控指令的传输，地基遥控通路接收到预令后，该预令即可作为地基遥控通路动令前提，也可同时作为天基遥控通路动令的前提；同理，天基遥控通路接收到预令后，该预令即可作为天基遥控通路动令前提，也可同时作为地基遥控通路动令的前提。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.本专利技术的一种基于Ka频段的天地基一体化无线通讯测试方法，其包括以下步骤：步骤1、选定搭载飞行平台，配套对天、对地设备安装窗口；步骤2、地基遥测、安控通信链路设计；设计Ka频段地基遥测、安控通信链路，要求链路余量大于3dB，根据公式(1)、(2)计算在满足链路余量要求的前提下，地基通信链路可允许的通信距离R；MH＝Pt‑Lt+Gt‑LH‑Ls+Gr‑Lr‑Ps     (1)其中，MH为链路余量，Pt为发射机的功率；Lt为发射馈线的传输损耗；Gt为飞行器上发射天线辐射方向图在地面接收设备方向的增益值；LH为大气对电磁波传输的衰减；Ls为电磁波传输过程中的失配损耗；Gr为接收天线的辐射方向图在飞行器方向的增益值；Lr为接收馈线的传输损耗；Ps为接收机灵敏度；大气对电磁波传输的衰减LH为：LH＝32.44+20×log(f)+20×log(R)    (2)其中，f为电磁波的工作频率；R为通信距离；步骤3、天基前、返向通信链路设计；步骤4、地基通信链路天线指向角设计；步骤5、天基通信链路天线指向角设计；步骤6、确定飞行航迹；步骤7、设计预留捕获点；步骤8、天地基遥测协同引导；步骤9、天地基遥控协同控制。...

【技术特征摘要】
1.本发明的一种基于Ka频段的天地基一体化无线通讯测试方法，其包括以下步骤：步骤1、选定搭载飞行平台，配套对天、对地设备安装窗口；步骤2、地基遥测、安控通信链路设计；设计Ka频段地基遥测、安控通信链路，要求链路余量大于3dB，根据公式(1)、(2)计算在满足链路余量要求的前提下，地基通信链路可允许的通信距离R；MH＝Pt-Lt+Gt-LH-Ls+Gr-Lr-Ps(1)其中，MH为链路余量，Pt为发射机的功率；Lt为发射馈线的传输损耗；Gt为飞行器上发射天线辐射方向图在地面接收设备方向的增益值；LH为大气对电磁波传输的衰减；Ls为电磁波传输过程中的失配损耗；Gr为接收天线的辐射方向图在飞行器方向的增益值；Lr为接收馈线的传输损耗；Ps为接收机灵敏度；大气对电磁波传输的衰减LH为：LH＝32.44+20×log(f)+20×log(R)(2)其中，f为电磁波的工作频率；R为通信距离；步骤3、天基前、返向通信链路设计；步骤4、地基通信链路天线指向角设计；步骤5、天基通信链路天线指向角设计；步骤6、确定飞行航迹；步骤7、设计预留捕获点；步骤8、天地基遥测协同引导；步骤9、天地基遥控协同控制。2.如权利要求1所述的一种基于Ka频段的天地基一体化无线通讯测试方法，其特征在于，所述步骤3具体为：设计Ka频段天基前、返向通信链路，要求链路余量大于3dB，根据公式(3)、(4)、(5)计算在满足链路余量要求的前提下，天基通信链路可允许的通信距离R；[C/N0]r＝EIRP-LH-Lmisc+G/T-K(3)[C/N0]reqs＝Eb/N0+Ld-Gc+10logRb(4)M＝[C/N0]r-[C/N0]reqs(5)其中，[C/N0]r为系统载噪比，EIRP为天线有效全向辐射功率，LH为大气对电磁波传输的衰减，其计算公式参见公式(2)，Lmisc为杂项损耗，G/T为天线接收增益，K为波尔兹曼常数，[C/N0]reqs为门限载噪比，Eb/N0为门限码元信噪比，Ld为解调损失，Gc为编码增益，Rb为信息传输速率，M为链路余量。3.如权利要求2所述的一种基于Ka频段的天地基一体化无线通讯测试方法，其特征在于，所述步骤4具体为：设计Ka频段地基遥测、安控通信链路天线指向角，要求天线俯仰角大于5°，根据公式(6)、(7)、(8)、(9)计算在满足天线俯仰角的前提下，地基通信链路可允许的飞行平台的位置(X、Y、Z)；其中，X、Y、Z为飞行平台的位置数据，Xf、Yf、Zf为地面设备的位置数据，Xd、Yd、Zd为飞行平台相对地面设备的位置数据，φ、ψ、ξ为飞行平台的俯仰角、偏航角及滚转角，α为天线方位角,β为天线俯仰角,Sd为飞行平台相对地面设备距离。4.如权利要求3所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏汉生，刘秀祥，秦永强，郑晨，杨亮，袁延荣，张晋，王文杰，
申请(专利权)人：北京临近空间飞行器系统工程研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11