星间自适应通信系统及其通信方法

摘要

本发明公开了一种星间自适应通信系统及其通信方法。该系统包括：测距通信模块和自适应控制模块；测距通信模块用于星间测距信号和星间通信信号的收发及解析，测距通信模块包括SX1280芯片单元、发射通道单元、接收通道单元、微波开关和天线单元；自适应控制模块连接测距通信模块，自适应控制模块用于对测距通信模块的工作模式、通信编码和通信速率进行配置控制。本发明的星间自适应通信系统及其通信方法通过利用配备有SX1280芯片单元的测距通信模块，能够实现星间测距和星间通信功能，且星间测距和星间通信的实现只需对测距通信模块进行参数配置即可，无需进行单独的开发工作，设计开发简单；且能根据星间测距结果进行适应性配置，提高星上能源利用率。

权利要求

1.一种星间自适应通信方法，其特征在于，所述通信方法利用星间自适应通信系统实施，所述系统安装在卫星的星载平台上，所述系统包括：测距通信模块和自适应控制模块；

所述测距通信模块用于星间测距信号和星间通信信号的收发及解析，所述测距通信模块包括SX1280芯片单元、发射通道单元、接收通道单元、微波开关和天线单元；所述SX1280芯片单元分别连接所述发射通道单元的输入端和所述接收通道单元的输出端，所述发射通道单元的输出端连接所述微波开关的输入端，所述接收通道单元的输入端连接所述微波开关的输出端，所述微波开关的发射端连接所述天线单元；所述自适应控制模块连接所述测距通信模块，所述自适应控制模块用于对所述测距通信模块的工作模式、通信编码和通信速率进行配置控制；

所述通信方法包括如下步骤：

1)所述自适应控制模块将所述测距通信模块配置为测距模式；

2)所述测距通信模块进行星间测距；

3)所述自适应控制模块根据所述测距通信模块的星间测距结果进行星间链路预算；

4)所述自适应控制模块根据星间链路预算结果确定所述测距通信模块的通信编码和通信速率；

5)所述自适应控制模块根据确定后的所述通信编码和所述通信速率对所述测距通信模块进行配置；

6)所述测距通信模块进行星间通信。

2.根据权利要求1所述的星间自适应通信方法，其特征在于，所述步骤1)包括：将所述SX1280芯片单元配置为测距引擎模式；

将所述SX1280芯片单元配置为主从模式；

将所述SX1280芯片单元的发射功率配置为最大值。

3.根据权利要求1所述的星间自适应通信方法，其特征在于，所述星间链路预算结果利用以下公式确定；

其中，Pr表示所述星间链路预算结果，Pt表示所述SX1280芯片单元的输出功率，Gt表示所述发射通道单元的发射增益，At表示所述天线单元的发射增益，Ar表示所述天线单元的接收增益，π表示圆周率，f表示所述SX1280芯片单元发出的射频信号的信号频率，d表示所述SX1280芯片单元寄存的距离值，c表示光速。

说明书

星间自适应通信系统及其通信方法

技术领域

[0001] 本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种星间自适应通信系统及其通信方法。

背景技术

[0002] 利用多个卫星协同完成特定任务是卫星应用的主要模式之一，无论在军事航天领域还是在民用领域都有广泛的应用，例如美国国防部和美国国家航空航天局支持的大学纳卫星计划、以及美国国家航空航天局和德国航空中心合作的GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)地球重力场反演系统等。

[0003] 星间通信技术是多个卫星协同工作的支撑技术，星间通信技术通过利用星间通信链路在卫星间交互时间、位置和载荷信息，以进行多个卫星的协同控制和信息融合。现有的星间通信主要为专用设计，开发周期长，开发成本高；例如，公开号为CN108120973A、名称为《一种星间通信测距系统》的中国专利文献公开了一种星间通信测距系统，该星间通信测距系统由测控通信模块和定向测距模块组成，测控通信模块用于星群内信息的传递、更新和存储，定向测距模块采用频分双工模式，由测控通信模块获知需要通信的卫星对状态，定向测距模块在测控通信模块的控制下对卫星对中的卫星进行配置，使两颗卫星的工作模式不同，在各卫星对之间建立测距链路完成测距。虽然该星间通信测距系统能够实现测控通信和精准测距功能，但测控通信模块和定向测距模块需要额外开发，结构复杂，导致该星间通信测距系统的系统复杂度高，开发耗时多，开发成本高，难以推广使用。

[0004] 因此，开发一种结构简单、开发成本低、可推广使用的能够实现测控通信和精准测距功能的星间通信系统及其通信方法，成为了本领域的技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

[0005] 为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种星间自适应通信系统及其通信方法。

[0006] 为此，本发明公开了一种星间自适应通信系统，所述系统安装在卫星的星载平台上，所述系统包括：测距通信模块和自适应控制模块；

[0007] 所述测距通信模块用于星间测距信号和星间通信信号的收发及解析，所述测距通信模块包括SX1280芯片单元、发射通道单元、接收通道单元、微波开关和天线单元；所述SX1280芯片单元分别连接所述发射通道单元的输入端和所述接收通道单元的输出端，所述发射通道单元的输出端连接所述微波开关的输入端，所述接收通道单元的输入端连接所述微波开关的输出端，所述微波开关的发射端连接所述天线单元；

[0008] 所述自适应控制模块连接所述测距通信模块，所述自适应控制模块用于对所述测距通信模块的工作模式、通信编码和通信速率进行配置控制。

[0009] 进一步地，在所述星间自适应通信系统中，所述SX1280芯片单元为采用Lora调制方式的SX1280射频芯片，所述SX1280芯片单元通过串行外设接口连接所述自适应控制模块。

[0010] 进一步地，在所述星间自适应通信系统中，所述SX1280芯片单元和所述自适应控制模块还通过两个连接线相互连接，两个所述连接线包括复位线和状态线，所述自适应控制模块通过所述复位线对所述SX1280芯片单元进行复位控制，所述SX1280芯片单元通过所述状态线向所述自适应控制模块发送工作状态信息。

[0011] 进一步地，在所述星间自适应通信系统中，所述发射通道单元和所述接收通道单元均通过射频电缆连接所述SX1280芯片单元。

[0012] 进一步地，在所述星间自适应通信系统中，所述发射通道单元和所述接收通道单元均通过射频电缆连接所述微波开关。

[0013] 进一步地，在所述星间自适应通信系统中，所述微波开关通过射频电缆连接所述天线单元。

[0014] 进一步地，在所述星间自适应通信系统中，所述自适应控制模块为51系列单片机。

[0015] 此外，本发明还公开了一种利用上述星间自适应通信系统实施的通信方法，所述通信方法包括如下步骤：

[0016] 1)所述自适应控制模块将所述测距通信模块配置为测距模式；

[0017] 2)所述测距通信模块进行星间测距；

[0018] 3)所述自适应控制模块根据所述测距通信模块的星间测距结果进行星间链路预算；

[0019] 4)所述自适应控制模块根据星间链路预算结果确定所述测距通信模块的通信编码和通信速率；

[0020] 5)所述自适应控制模块根据确定后的所述通信编码和所述通信速率对所述测距通信模块进行配置；

[0021] 6)所述测距通信模块进行星间通信。

[0022] 进一步地，在所述通信方法中，所述步骤1)包括：

[0023] 将所述SX1280芯片单元配置为测距引擎模式；

[0024] 将所述SX1280芯片单元配置为主从模式；

[0025] 将所述SX1280芯片单元的发射功率配置为最大值。

[0026] 进一步地，在所述通信方法中，所述星间链路预算结果利用公式1确定；

[0027]

[0028] 其中，Pr表示所述星间链路预算结果，Pt表示所述SX1280芯片单元的输出功率，Gt表示所述发射通道单元的发射增益，At表示所述天线单元的发射增益，Ar表示所述天线单元的接收增益，π表示圆周率，f表示所述SX1280芯片单元发出的射频信号的信号频率，d表示所述SX1280芯片单元寄存的距离值，c表示光速。

[0029] 本发明的星间自适应通信系统及通信方法通过利用配备有SX1280芯片单元的测距通信模块，能够实现星间测距和星间通信功能，且星间测距和星间通信的实现只需对测距通信模块进行参数配置即可，无需进行单独的开发工作，结构简单，设计开发简单，体积小，能耗低，灵敏度高；同时，能够根据实际的星间测距结果进行通信编码和通信速率的适应性配置，有效地提高星上能源利用率，节约星上能源。

附图说明

[0030] 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

[0031] 图1为本发明一个实施例的星间自适应通信系统的结构原理图；

[0032] 图2为本发明一个实施例的通信方法的流程图。

具体实施方式

[0033] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0034] 以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

[0035] 如附图1所示，本发明实施例提供了一种星间自适应通信系统，该星间自适应通信系统安装在卫星的星载平台上，该系统包括：测距通信模块和自适应控制模块；测距通信模块用于星间测距信号和星间通信信号的收发及解析，测距通信模块包括SX1280芯片单元、发射通道单元、接收通道单元、微波开关和天线单元；SX1280芯片单元分别连接发射通道单元的输入端和接收通道单元的输出端，发射通道单元的输出端连接微波开关的输入端，接收通道单元的输入端连接微波开关的输出端，微波开关的发射端连接天线单元；自适应控制模块连接测距通信模块，自适应控制模块用于对测距通信模块的工作模式、通信编码和通信速率进行配置控制。

[0036] 以下对本发明实施例提供的星间自适应通信系统的结构及工作原理进行具体说明。

[0037] 本发明实施例提供的星间自适应通信系统在使用时，自适应控制模块先将测距通信模块配置为测距模式，具体地，将测距通信模块中的SX1280芯片单元配置为测距引擎模式和主从模式，并将SX1280芯片单元的发射功率配置为最大值；此时，天线单元接收来自其他卫星的测距信号并将接收到的测距信号通过微波开关送至接收通道单元，接收通道单元接收来自微波开关的测距信号，对测距信号进行滤波后发送给SX1280芯片单元，SX1280芯片单元对接收到的测距信号进行解析处理，确定本卫星与需要进行星间通信的其他卫星间的距离，以完成星间测距；自适应控制模块根据已确定的实际距离值进行星间链路预算，并根据星间链路预算结果对测距通信模块进行配置；具体地，根据星间链路预算结果确定SX1280芯片单元的通信编码和通信速率的具体参数值，基于得到的通信编码和通信速率的具体参数值对SX1280芯片单元进行配置，配置后的测距通信模块进入通信模式，开始进行星间通信；此时，当本卫星需要获取其他卫星的信息时，天线单元接收来自其他卫星的通信信号并将接收到的通信信号通过微波开关送至接收通道单元，接收通道单元对通信信号进行滤波后送至SX1280芯片单元，SX1280芯片单元对接收到的通信信号进行解析处理，以获取其他卫星的信息；当本卫星需要将自身信息发送给其他卫星时，SX1280芯片单元将带有特定信息的通信信号送至发射通道单元，发射通道单元对通信信号进行放大和滤波后送至微波开关，微波开关将接收到的通信信号送至天线单元，天线单元将通信信号发送给其他卫星。

[0038] 具体地，本发明实施例中，SX1280芯片单元可以为采用Lora调制方式的SX1280射频芯片，SX1280芯片单元通过串行外设(SPI)接口连接自适应控制模块。

[0039] 如此设置，自适应控制模块能够通过SPI接口对测距通信模块的工作模式、通信编码和通信速率进行精准控制，并且能够通过SPI接口读取SX1280芯片单元内部的地址寄存器中寄存的实际距离值。

[0040] 进一步地，为了方便自适应控制模块对测距通信模块的控制，并确保该星间自适应通信系统的可靠性；本发明实施例中，SX1280芯片单元和自适应控制模块还通过两个连接线相互连接，两个连接线包括复位线和状态线，自适应控制模块通过复位线对SX1280芯片单元进行复位控制，SX1280芯片单元通过状态线向自适应控制模块发送工作状态信息。

[0041] 具体地，当自适应控制模块通过复位线向SX1280芯片单元输入的电平为高电平时，SX1280芯片单元进行复位；当SX1280芯片单元通过状态线向自适应控制模块输入的电平为低电平时，表示SX1280芯片单元处于空闲状态，当SX1280芯片单元通过状态线向自适应控制模块输入的电平为高电平时，表示SX1280芯片单元处于工作状态。

[0042] 进一步地，本发明实施例中，发射通道单元和接收通道单元可以均通过射频电缆连接SX1280芯片单元；发射通道单元和接收通道单元可以均通过射频电缆连接微波开关；其中，射频电缆的接口可以为SMA接口。

[0043] 本发明实施例中，发射通道单元可以包括放大器和滤波器，发射通道单元的发射增益可以为20dB；接收通道单元可以包括滤波器，接收通道单元的滤波器带宽可以为2MHz，中心频率可以为2.4GHz。

[0044] 进一步地，本发明实施例中，微波开关可以通过射频电缆连接天线单元，射频电缆的接口可以为SMA接口。

[0045] 其中，微波开关用于测距通信模块的收发信号的状态切换；具体地，微波开关可以由自适应控制模块通过控制信号进行控制，例如当微波开关接收到来自自适应控制模块的控制信号为高电平时，微波开关与发射通道单元连通，此时测距通信模块工作在发射状态；当微波开关接收到来自自适应控制模块的控制信号为低电平时，微波开关与接收通道单元连通，此时测距通信模块工作在接收状态。

[0046] 本发明实施例中，为了便于进行星间测距和星间通信，天线单元的安装位置可以根据本卫星与需要进行星间通信的其他卫星的相对位置关系进行确定；优选地，天线单元可以为对地挖零天线，以降低来自地面干扰信号的影响。

[0047] 进一步地，本发明实施例中，自适应控制模块可以为51系列单片机，具体可以为51系列单片机C8051F040；由于51系列单片机C8051F040具有局域网(CAN2.0B)控制器，该控制器能够通过CAN接口与卫星星务相连，实现该星间自适应通信系统与卫星星务之间的数据和指令交互；并且C8051F040具有硬件实现的SPI总线接口，利用该SPI总线接口能便于自适应控制模块与测距通信模块进行连接。

[0048] 此外，本发明还公开了一种利用上述星间自适应通信系统实施的通信方法，该通信方法包括如下步骤：

[0049] 1)自适应控制模块将测距通信模块配置为测距模式；

[0050] 2)测距通信模块进行星间测距；

[0051] 3)自适应控制模块根据测距通信模块的星间测距结果进行星间链路预算；

[0052] 4)自适应控制模块根据星间链路预算结果确定测距通信模块的通信编码和通信速率；

[0053] 5)自适应控制模块根据确定后的通信编码和通信速率对测距通信模块进行配置；

[0054] 6)测距通信模块进行星间通信。

[0055] 以下对本发明实施例提供的通信方法的过程及原理进行具体说明。

[0056] 1)自适应控制模块将测距通信模块配置为测距模式；

[0057] 具体地，本发明实施例中，步骤1)包括：

[0058] 将SX1280芯片单元配置为测距引擎模式；

[0059] 将SX1280芯片单元配置为主从模式；

[0060] 将SX1280芯片单元的发射功率配置为最大值。

[0061] 以采用Lora调制方式的SX1280射频芯片为例，SX1280芯片单元的发射功率最大值为12.5dBm。

[0062] 2)测距通信模块进行星间测距；

[0063] 具体地，测距通信模块进行星间测距时，天线单元接收来自其他卫星的测距信号并将接收到的测距信号通过微波开关送至接收通道单元，接收通道单元接收来自微波开关的测距信号，对测距信号进行滤波后发送给SX1280芯片单元，SX1280芯片单元对接收到的测距信号进行解析处理，确定本卫星与需要进行星间通信的其他卫星间的距离，以完成星间测距过程。

[0064] 3)自适应控制模块根据测距通信模块的星间测距结果进行星间链路预算；

[0065] 具体地，当测距通信模块完成星间测距后，自适应控制模块读取测距通信模块中SX1280芯片单元寄存的星间测距结果，即具体的距离值，自适应控制模块根据得到的距离值进行星间链路预算；

[0066] 其中，本发明实施例中，星间链路预算结果可以利用公式1确定；

[0067]

[0068] 其中，Pr表示星间链路预算结果，Pt表示SX1280芯片单元的输出功率，Gt表示发射通道单元的发射增益，At表示天线单元的发射增益，Ar表示天线单元的接收增益，π表示圆周率，f表示SX1280芯片单元发出的射频信号的信号频率，d表示SX1280芯片单元寄存的距离值，c表示光速。

[0069] 以上述设定的测距通信模块的各个单元的参数为例，SX1280芯片单元的输出功率为12.5dBm，发射通道单元的发射增益为20dB，天线单元的发射增益和接收增益均为0dB，射频信号的信号频率为2.4GHz。

[0070] 如此设置，通过进行星间链路预算，能够确定适配于当前星间距离的测距通信模块的最佳通信编码和通信速率，以提高星上能源的利用率，节约星上能源。

[0071] 4)自适应控制模块根据星间链路预算结果确定测距通信模块的通信编码和通信速率；

[0072] 具体地，自适应控制模块根据上述得到的星间链路预算结果Pr，查表确定测距通信模块的通信编码和通信速率。

[0073] 以采用Lora调制方式的SX1280射频芯片为例，星间链路预算结果与通信编码和通信速率的关系如表1所示；

[0074] 表1(星间链路预算结果、通信速率和编码参数关系表)

[0075]

[0076] 表1中，编码参数SF5和SF8均表示扩频因子，编码参数对应于通信编码，为SX1280射频芯片自带的调制方法；信号带宽对应于通信速率，通信速率可以通过信号带宽唯一确定。

[0077] 具体地，基于上述表1，测距通信模块的通信编码和通信速率的选择方式为：当星间链路预算结果Pr大于-99dBm，选择信号带宽为1625kHz，编码参数为SF5；当星间链路预算结果Pr在[-99dBm，-105dBm)范围内，选择信号带宽为812kHz，编码参数为SF5；当星间链路预算结果Pr在[-105dBm，-107dBm)范围内，选择信号带宽为406kHz，编码参数为SF5；当星间链路预算结果Pr在[-107dBm，-109dBm)范围内，选择信号带宽为203kHz，编码参数为SF5；当星间链路预算结果Pr在[-109dBm，-115dBm)范围内，选择信号带宽为1625kHz，编码参数为SF8；当星间链路预算结果Pr在[-115dBm，-116dBm)范围内，选择信号带宽为812kHz，编码参数为SF8；当星间链路预算结果Pr在[-116dBm，-118dBm)范围内，选择信号带宽为406kHz，编码参数为SF8；当星间链路预算结果Pr在-118dBm以下，选择信号带宽为203kHz，编码参数为SF8。

[0078] 5)自适应控制模块根据确定后的通信编码和通信速率对测距通信模块进行配置；

[0079] 具体地，自适应控制模块根据步骤4得到的信号带宽和编码参数确定具体的通信编码和通信速率，基于确定的通信编码和通信速率对测距通信模块中的SX1280芯片单元进行配置，以使测距通信模块开始进行星间通信。

[0080] 6)测距通信模块进行星间通信；

[0081] 具体地，当测距通信模块进行星间通信时，当本卫星需要获取其他卫星的信息时，天线单元接收来自其他卫星的通信信号并将接收到的通信信号通过微波开关送至接收通道单元，接收通道单元对通信信号进行滤波后送至SX1280芯片单元，SX1280芯片单元对接收到的通信信号进行解析处理，以获取其他卫星的信息；当本卫星需要将自身信息发送给其他卫星时，SX1280芯片单元将带有特定信息的通信信号送至发射通道单元，发射通道单元对通信信号进行放大和滤波后送至微波开关，微波开关将接收到的通信信号送至天线单元，天线单元将通信信号发送给其他卫星。

[0082] 可见，本发明实施例提供的星间自适应通信系统及通信方法通过利用配备有SX1280芯片单元的测距通信模块，能够实现星间测距和星间通信功能，且星间测距和星间通信的实现只需对测距通信模块进行参数配置即可，无需进行单独的开发工作，结构简单，设计开发简单，体积小，能耗低，灵敏度高；同时，能够根据实际的星间测距结果进行通信编码和通信速率的适应性配置，有效地提高星上能源利用率，节约星上能源。

[0083] 需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。

[0084] 最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。