基于声波的航天器内部无线通讯方法和系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于声波的航天器内部无线通讯系统，包括至少两个以上的无线通讯节点、航天器的结构、阻尼器，其中，无线通讯节点之间进行点对点通讯或进行广播通讯，无线通讯节点与航天器结构之间存在耦合，使得前者能够在航天器结构中产生声波并检测在航天器结构中传播的声波，航天器结构作为传播声波的介质，按照约定的协议，被与其存在耦合的所有无线通讯节点复用，阻尼器与航天器结构(如果需要限定，主要还是“机械连接”)连接，用于吸收声波，减弱反射回波对通讯质量的不利影响。也公开了一种对应的通讯方法。本发明专利技术可减小航天器重量，简化航天器结构布局和设计，便于设备组装、测试和替换，各个设备复用传输介质，可实现多台设备之间通讯。

Method and system of wireless communication in Spacecraft Based on sound wave

【技术实现步骤摘要】
基于声波的航天器内部无线通讯方法和系统
本专利技术涉及通讯
，具体涉及航天器内部通讯
，尤其涉及一种以航天器结构为传输介质，用声波在航天器内设备之间交换信息的无线通讯方法和装置。
技术介绍
航天器由航天器平台和有效载荷两部分组成。航天器平台又可分为星载计算机、供电系统、姿态与轨道控制、推进、测控、热控、结构与机构等分系统。以星载计算机为中心，各分系统、各有效载荷之间数据、指令等的通信必须依靠星上数据总线来完成。目前，航天器内部设备之间的通讯使用有线数据总线实现，例如MIL-STD-1553B、RS-485、I2C、CAN、Ethernet等。相对于传统有线通讯总线，无线通讯方式的优势体现于：能够极大减小航天器整器的重量，降低分系统之间的耦合度，简化航天器结构布局和设计，易于实现航天器设备快速组装、测试和替换等，因此得到广泛的关注和研究。国内外对航天器内部无线通讯技术的研究主要有三个方向。一种是移植现有的地面上使用的商用协议如蓝牙、ZigBee、802.11系列等协议；一种是在现有商用协议的基础上剪裁改造出适用于航天领域要求的协议；另一种是根据航天器的要求，为航天器开发专用的无线网络协议。现已报道的航天器内部无线通讯技术，总体来说处于摸索阶段，未形成一致的无线网络协议标准。这些技术普遍使用光波或者无线电波作为信息传递的载体。航天器上的阴影效应和多径效应等不利因素，可能影响光波和无线电波在设备间传输信息。因此，现有无线通讯方法的应用场景主要是星体两侧的太阳翼、卫星及飞船的舱内空间等不存在大体积、大面积的遮挡物的环境中。随着航天器智能化水平不断提高和航天器在轨健康监测需求的日益强烈，越来越多的设备被安装在航天器舱板外表面。如果用有线方法连接这类设备，则必须在舱板上开孔，并设计电缆走线路径，这增加了航天器上电缆的重量，降低了舱板的强度，并且使设计、装配和测试工作变得复杂。而如果使用现有基于光波或无线电波的无线通讯方法来实现舱外设备与舱内设备之间的通讯，则需要解决航天器金属复合材料舱板对光波和无线电波遮挡的问题。这种应用场景中，现有无线通讯方法面临较大困难，甚至存在因为金属复合材料舱板遮挡和屏蔽过于严重而无法通讯的风险。因此，现有无线通讯方法尚不能较好地解决在航天器舱内和舱外设备之间通讯的问题，需要研究设计一种新的航天器内部无线通讯方法。
技术实现思路
基于上述问题，为克服现有技术和产品的不足，本专利技术提出以航天器结构为传输介质，用声波在航天器内设备之间交换信息的无线通讯方法。本专利技术目的是通过如下技术方案实现的：基于声波的航天器内部无线通讯系统，包括至少两个以上的无线通讯节点、航天器的结构、阻尼器，其中，无线通讯节点之间进行点对点通讯或进行广播通讯，无线通讯节点与航天器结构之间存在耦合，使得前者能够在航天器结构中产生声波并检测在航天器结构中传播的声波，航天器结构作为传播声波的介质，按照约定的协议，被与其存在耦合的所有无线通讯节点复用，阻尼器与航天器结构连接，用于吸收声波，减弱反射回波对通讯质量的不利影响。其中，约定的协议为介质访问控制(MAC)协议，包括频分多路复用(FDM)协议、码分多路复用(CDMA)协议、时分多路复用(TDM)协议、载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)协议等等。其中，所述无线通讯节点是航天器上进行通讯的设备，包括温度敏感单元和热控管理器等。其中，每个无线通讯节点又由换能器、耦合器、传感器、通讯控制电路、节点的功能部分组成。其中，节点的功能部分用于实现该设备节点的具体功能，与节点实现的功能有关。其中，在航天器结构内传播的声波信号是信息的载体，按照设计约定的调制规则，无线通讯节点发送的信息被调制在声波中，随声波在航天器结构内传播。进一步地，所述调制规则包括幅值调制、频率调制、相位调制或脉冲调制。其中，接收信息的无线通讯节点可检测到在航天器结构内传播的声波，并从中解调出传输的信息。其中，无线通讯节点的功能部分将待发送的信息传递给通讯控制电路，通讯控制电路按照选定的介质复用规则和信号调制方法，根据需要发送的信息，产生调制后的电信号，换能器将调制后的电信号转换为声波信号，声波信号经由耦合器传播进入航天器结构，至此，信息发送过程完成，包含信息的声波在航天器结构中传播；另一无线通讯节点的传感器经由耦合器探测到航天器结构中传播的声波，传感器将声波信号转换为电信号，通讯控制电路解调传感器输出的电信号，获得信息内容，并判断信息的接收方是否为本节点。进一步地，如果信息是发送给本节点的，那么将信息传递给无线通讯节点的功能部分，否则通讯控制电路将信息丢弃；无线通讯节点的功能部分接收到信息后，即完成了接收信息的过程。其中，一个无线通讯节点可能仅发送数据或者仅接收数据，此时节点可只包括换能器或者传感器两者中的一个。其中，航天器结构为航天器上用于安装固定设备的机械结构。其中，所述机械结构为航天器的舱板或框架。基于声波的航天器内部无线通讯方法，至少包括两个以上的无线通讯节点，无线通讯节点之间进行1个发送方对1个接收方的点对点通讯，或者进行1个发送方对多个接收方的广播通讯，无线通讯节点与航天器结构之间存在耦合，使得前者能够在航天器结构中产生声波，并检测在航天器结构中传播的声波，航天器结构是传播声波的介质，作为传输介质，航天器结构被与其耦合的所有无线通讯节点复用。其中，复用包括但不限于时分复用、频分复用或码分复用。其中，在航天器结构内传播的声波信号是传输信息的载体，无线通讯节点发送的信息被调制在声波中，随声波在航天器结构内传播，接收端的节点检测到在航天器结构内传播的声波，并从中解调出传输的信息。进一步地，调制方法包括但不限于幅值调制、频率调制、相位调制或脉冲调制。其中，无线通讯节点发送信息的过程为：将待发送的信息按照选定的介质复用规则和信号调制方法，产生调制后的电信号，将调制后的电信号转换为声波信号，声波信号经由耦合传播进入航天器结构，至此，信息发送过程完成，包含信息的声波在航天器结构中传播；无线通讯节点接收信息的过程为：在航天器结构中传播的声波经由耦合探测到，将声波信号转换为电信号，解调电信号获得信息内容，并判断信息的接收方是否为本无线通讯节点。进一步地，如果信息是发送给本无线通讯节点的，那么将利用所述信息，否则通讯控制电路将信息丢弃。本专利技术的无线通讯方法，相较于有线通讯方法，可以减小航天器重量，简化航天器结构布局和设计，便于设备组装、测试和替换。本专利技术使用能够在航天器的框架、舱板等结构中传输的声波传递信息，避免航天器结构遮挡无线通讯信号传输的问题，适合于实现航天器舱内和舱外设备之间的无线通讯。使用航天器的框架、舱板等结构作为传输介质，以易于耦合和检测的声波作为载体，能适应航天器上多数设备的安装位置。各个设备复用传输介质，可实现多台设备之间通讯。附图说明：图1为本专利技术的基于声波的航天器内部无线通讯系统的结构示意图。图中，1-无线通讯节点(此处绘制了3个节点)；2-在航天器结构内传播的声波；3-航天器结构；4-阻尼器。图2是本专利技术本专利技术的基于声波的航天器内部无线通讯系统中无线节点组成框图。图中，1-无线通讯节点；2-在航天器结构内传播的声波；3-航天器结构；5-换能器；6-耦合器；7-传感器；8-通讯控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于声波的航天器内部无线通讯系统，包括至少两个以上的无线通讯节点、航天器的结构、阻尼器，其中，无线通讯节点之间进行点对点通讯或进行广播通讯，无线通讯节点与航天器结构之间存在耦合，使得前者能够在航天器结构中产生声波并检测在航天器结构中传播的声波，航天器结构作为传播声波的介质，按照约定的协议，被与其存在耦合的所有无线通讯节点复用，阻尼器与航天器结构连接，用于吸收声波，减弱反射回波对通讯质量的不利影响。

【技术特征摘要】
1.基于声波的航天器内部无线通讯系统，包括至少两个以上的无线通讯节点、航天器的结构、阻尼器，其中，无线通讯节点之间进行点对点通讯或进行广播通讯，无线通讯节点与航天器结构之间存在耦合，使得前者能够在航天器结构中产生声波并检测在航天器结构中传播的声波，航天器结构作为传播声波的介质，按照约定的协议，被与其存在耦合的所有无线通讯节点复用，阻尼器与航天器结构连接，用于吸收声波，减弱反射回波对通讯质量的不利影响。2.如权利要求1所述的基于声波的航天器内部无线通讯系统，其中，约定的协议为介质访问控制（MAC）协议，包括频分多路复用（FDM）协议、码分多路复用（CDMA）协议、时分多路复用（TDM）协议、载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）协议等等。3.如权利要求1所述的基于声波的航天器内部无线通讯系统，其中，所述无线通讯节点是航天器上进行通讯的设备，包括温度敏感单元和热控管理器等。4.如权利要求1所述的基于声波的航天器内部无线通讯系统，其中，每个无线通讯节点又由换能器、耦合器、传感器、通讯控制电路、节点的功能部分组成。5.如权利要求4所述的基于声波的航天器内部无线通讯系统，其中，节点的功能部分用于实现该设备节点的具体功能，与节点实现的功能有关。6.如权利要求1-5任一项所述的基于声波的航天器内部无线通讯系统，其中，在航天器结构内传播的声波信号是信息的载体，按照设计约定的调制规则，无线通讯节点发送的信息被调制在声波中，随声波在航天器结构内传播。7.如权利要求6所述的基于声波的航天器内部无线通讯系统，其中，所述调制规则包括幅值调制、频率调制、相位调制或脉冲调制。8.如权利要求1所述的基于声波的航天器内部无线通讯系统，其中，接收信息的无线通讯节点可检测到在航天器结构内传播的声波，并从中解调出传输的信息。9.如权利要求1所述的基于声波的航天器内部无线通讯系统，其中，无线通讯节点的功能部分将待发送的信息传递给通讯控制电路，通讯控制电路按照选定的介质复用规则和信号调制方法，根据需要发送的信息，产生调制后的电信号，换能器将调制后的电信号转换为声波信号，声波信号经由耦合器传播进入航天器结构，至此，信息发送过程完成，包含信息的声波在航天器结构中传播；另一无线通讯节点的传感器经由耦合器探测到航天器结构中传播的声波，传感器将声波信号转换为电信号，通讯控制电路解调传感器输出的电信号，获得信息内容，并判断信息的接收方是否为本节点...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昊，彭忠，彭毓川，刘庆海，李涛，王俊峰，郑慧奇，丁亮，唐振宇，葛丽丽，周靖恒，马青永，徐焱林，任琼英，赵华，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11