火星探测器中继通信码速率自适应系统及方法与流程

1.本发明涉及深空探测中继通信的技术领域，具体地，涉及一种火星探测器中继通信码速率自适应系统及方法。尤其是，优选的涉及一种火星探测器落火后与环绕器中继通信的码速率自适应设计方法。


背景技术：

2.深空探测不同于其他空间任务，其特点如下：环境更加复杂、仪器设备更高的灵敏度、长距离、大时延、高度的自主管理和适应性。以火星探测任务为例，火星探测器被火星捕获以后与地球的最远距离可达4亿公里，按照光行时计算，最大时延单程也达到了20分钟。当火星车在火星表面工作时，主要通过环绕器作为中继星，实现与地的指令上注、遥测下传和科学数据传输。但由于星体遮挡，每一个火星日，环绕器与火星车通信弧段有限，为尽可能在有限的弧段内传输更多的珍贵科学数据，需要在建立良好的通信情况下，使用最高的码速率进行传输。一旦出现中继通信中断，面对超远距离带来的大时延，地面指令无法及时被器上接收重新建立通信过程或者重新建立后因错过了最佳的通信弧段造成下传数据量不足。
3.相关技术：公开号为cn1883150a的中国发明专利文献公开了一种无线通信信道基于功率的速率自适应，无线电基站(rbs)基于监视与用于将信息发射到远程移动台的可调整速率通信信道相关联的发射功率信息来为那些信道提供动态速率自适应。对于给定信道，rbs在每发射帧的基础上跟踪平均信道功率，并将平均值与第一和第二速率调整阈值进行比较，该比较触发速率下降或升高调整。类似的操作还可基于对由移动台返回的功率控制命令求平均值，这指示相对于所需的信号质量由移动台接收的信道的功率是否足够。此方法因而提供一种无需来自移动台的显式速率控制信令而实现快速速率自适应的机制。该专利文献提出了一种在无线通信网络中的一种管理具有可变数据率的通信信道的方法，侧重于在主动改变速率的情况下，自主的侦测信道，进而改变功率来适应码速率的变换需求，不涉及码速率自适应改变。
4.公开号为cn107040486a的中国发明专利文献公开了一种任意码速率自适应的qpsk解调系统及方法，用于解决现有多档码速率自适应解调系统适应性差以及现有解调方法采样率利用率低的技术问题；系统包括数据采集模块、最佳采样率选择模块、滤波系数生成模块、自适应costas环模块、重采样模块和位同步判决输出模块，数据采集模块和最佳采样率选择模块形成闭环结构；实现方法包括：以最高采样速率采样模拟调制信号得到高速数字信号；估计该高速数字信号的码速率；计算最佳采样频率；以最佳采样频率采样模拟调制信号得到低速数字信号；对该低速数字信号进行数字下变频和低通滤波；对滤波后信号进行整数倍抽取；对抽取后信号进行位同步，最后判决输出得到原始码元。主要针对的是一种任意码速率自适应的qpsk解调系统，不涉及根据信道特性进行码速率自适应切换。
5.公开号为cn108988930a的中国发明专利文献公开了一种卫星激光通信子系统通信速率自适应控制方法及系统，该系统包括地面脉冲光发射模块、背向光探测模块、数据处
理与反馈模块；所述地面脉冲光发射模块包括脉冲激光发射器和掺铒光纤放大器，此路为非信号光，仅作为测试光路，以探测大气损耗；所述背向光探测模块包括探测器和数据采集卡，发射的激光脉冲在自由信道传输时，探测器将探测到发出的脉冲光的背向散射光，并由数据采集卡实时采集探测器探测得的背向散射光的功率；数据处理与反馈模块为计算机。该专利文献设计了一种卫星激光通信子系统通信速率自适应控制系统，主要应用于激光通信中，不涉及根据信道特性进行码速率自适应切换。
6.公开号为cn109547090a的中国发明专利文献公开了一种自适应调整卫星中继数据传输通信速率的方法，旨在一种延时低、传输可靠，能够效地提高数据传输吞吐量的传输方法。通过下述技术方案予以实现：在飞行器飞行过程，中继终端波束指向计算模块实时解算出相控阵天线的指向α角和天线指向β角并送入数据查找模块，数据查找模块利用相控阵天线指向α角和天线指向β角作为查找地址，从中继终端的存储器中实时查找获取相控阵天线的实际有效全向辐射功率eirp，并将天线实际eirp送入门限比较判据模块，依据天线指向α角和天线指向β角来完成对相控阵天线实际eirp及链路状况的判断，完成对相控阵天线实际eirp及链路状况的判断，再依据链路状况完成通信速率的自适应调整。
7.针对上述中的相关技术，发明人认为上述方法一旦出现中继通信中断，面对超远距离带来的大时延，地面指令无法及时被器上接收重新建立通信过程或者重新建立后因错过了最佳的通信弧段造成下传数据量不足。


技术实现要素：

8.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种活性探测器中继通信码速率自适应系统及方法。
9.根据本发明提供的一种火星探测器中继通信码速率自适应系统，包括如下模块：
10.模块m1：包括环绕器和火星车，所述环绕器和火星车上均设置有中继通信器；环绕器的中继通信机对火星车的中继通信机发送的信号的信噪比进行评估，得到评估结果；
11.模块m2：根据评估结果和环绕器的中继通信机的解调门限进行关联处理，确认处理标识；
12.模块m3；根据处理标识，环绕器的中继通信机调整码速率，火星车的中继通信机对应调整码速率，环绕器的中继通信机和火星车的中继通信机在调整后的码速率下进行中继通信。
13.优选的，在所述模块m1中，环绕器和火星车建立双工通信；环绕器的中继通信机对火星车的中继通信机发送的信号进行跟踪，且环绕器的中继通信机在当前评估周期内对被跟踪的信号的信噪比进行评估，得到评估结果；
14.在所述模块m2中，根据所述模块m1的评估结果与环绕器的中继通信机当前码速率下的解调门限进行关联处理，确认处理标识；
15.在所述模块m3中，根据模块m2中的处理标识，环绕器的中继通信机调整码速率，同时环绕器的中继通信机告知火星车的中继通信机，火星车的中继通信机将自身的码速率调整到与环绕器的中继通信机的码速率对应；环绕器的中继通信机和火星车的中继通信机在调整后的码速率下进行中继通信。
16.优选的，该系统还包括模块m4：当前评估周期结束后，进入下个评估周期，重复模
块m1至模块m3，直至通信结束。
17.优选的，所述模块m1包括如下模块：
18.模块m1.1：根据环绕器的中继接收机接收到的有效信号功率p
s
和噪声信号功率p
n
计算信噪比snr：
[0019][0020]
其中，lg表示以10为底的对数；
[0021]
模块m1.2：在当前评估周期t内，计算当前评估周期t内的信噪比参考值snr_avg：
[0022][0023]
其中t表示积分的时间变量。
[0024]
优选的，所述中继通信机的码速率设有n档，第i档码速率表示为v
i
，0≤i≤n。
[0025]
优选的，在所述模块m2中，
[0026][0027]
其中f表示处理标识，gate为当前t时刻中继通信机码速率对应下的解调门限值。
[0028]
优选的，若处理标识f等于第一预定值，则上调一档码速率，若处理标识f等于第二预定值，则保持当前码速率，若处理标识f等于第三预定值，则下调一档码速率。
[0029]
根据本发明提供的一种火星探测器中继通信码速率自适应方法，包括如下步骤：
[0030]
步骤s1：环绕器的中继通信机对火星车的中继通信机发送的信号的信噪比进行评估，得到评估结果；
[0031]
步骤s2：根据评估结果和环绕器的中继通信机的解调门限进行关联处理，确认处理标识；
[0032]
步骤s3；根据处理标识，环绕器的中继通信机调整码速率，火星车的中继通信机对应调整码速率，环绕器的中继通信机和火星车的中继通信机在调整后的码速率下进行中继通信。
[0033]
优选的，在所述步骤s1中，环绕器和火星车建立双工通信；环绕器的中继通信机对火星车的中继通信机发送的信号进行跟踪，且环绕器的中继通信机在当前评估周期内对被跟踪的信号的信噪比进行评估，得到评估结果；
[0034]
在所述步骤s2中，根据所述步骤s1的评估结果与环绕器的中继通信机当前码速率下的解调门限进行关联处理，确认处理标识；
[0035]
在所述步骤s3中，根据步骤s2中的处理标识，环绕器的中继通信机调整码速率，同时环绕器的中继通信机告知火星车的中继通信机，火星车的中继通信机将自身的码速率调整到与环绕器的中继通信机的码速率对应；环绕器的中继通信机和火星车的中继通信机在调整后的码速率下进行中继通信。
[0036]
优选的，该方法还包括步骤s4：当前评估周期结束后，进入下个评估周期，重复步骤s1至步骤s3，直至通信结束。
[0037]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0038]
1、本发明通过外部信道环境变化的反馈，及时调整通信机内部的工作状态，在保证正常解调的情况下，选择最佳的通信方案，实现信息传输最大化，整个过程没有地面的干预，该设计具有高度的自主性；
[0039]
2、本发明通过码速率自适应系统，可以将火星表面的探测的数据最大化的传输到地球；
[0040]
3、本发明通过码速率自适应切换，可以提供高可靠的通信。
附图说明
[0041]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0042]
图1为本发明器间中继通信系统示意图；
[0043]
图2为本发明码速率自适应流程图。
具体实施方式
[0044]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0045]
本发明实施例公开了一种火星探测器中继通信码速率自适应设计系统，如图1和图2所示，正常通信弧段内，环绕器中继通信机与火星车中继通信机在设置初始工作信道、初始收发速率、通信模式和码速率等通信状态后，通过双工握手协议，建立双工通信。双工协议为通用的协议。
[0046]
该系统包括如下模块：模块m1：包括环绕器和火星车，所述环绕器和火星车上均设置有中继通信器；环绕器的中继通信机对火星车的中继通信机发送的信号的信噪比进行评估，得到评估结果。环绕器和着陆器火星车建立双工通信；环绕器的中继通信机对火星车的中继通信机发送的信号进行跟踪，且环绕器的中继通信机在当前评估周期内对被跟踪的信号的信噪比进行评估，得到评估结果。在正常通信建立后，在一个周期内，中继通信机内agc模块对跟踪信号的信噪比进行评估。在一个评估周期t内，跟踪模块内的agc模块对跟踪信号的信噪比snr进行评估，并给出当前周期内的信噪比参考值snr_avg。agc英文全称为automatic gain control，automatic gain control的中文译文为自动增益控制。
[0047]
其中的信噪比评估的具体为：模块m1包括如下模块：模块m1.1：根据环绕器的中继接收机接收到的有效信号功率p
s
和噪声信号功率p
n
计算信噪比snr，即对于某一时刻的跟踪信号的瞬时信噪比snr的计算方法如下：
[0048][0049]
其中lg表示以10为底的对数。
[0050]
模块m1.2：在当前评估周期t内，计算当前评估周期t内的信噪比参考值snr_avg，即周期t内的信噪比参考值的计算方法如下：
[0051][0052]
其中t表示积分的时间变量。
[0053]
模块m2：中继通信机包括解调门限，根据模块m1的评估结果与环绕器的中继通信机当前码速率下的解调门限进行关联处理，确认处理标识。根据模块m1中的评估出的信噪比参考值与通信机当前码速率下的解调门限进行关联处理，确定处理标识。模块m2还包括：将公式(2)中计算出的信噪比参考值与当前周期t内通信机工作码速率下的解调门限进行比较，得到码速率调整的处理标识f如下：
[0054][0055]
其中f表示处理标识，gate为当前时刻通信机码速率对应下的解调门限值。
[0056]
模块m3：根据模块m2中的处理标识，环绕器的中继通信机调整码速率，同时环绕器的中继通信机告知火星车的中继通信机，环绕器的中继通信机通过前向反馈帧告知，反馈帧中包含已经调整的码速率信息。火星车的中继通信机将自身的码速率调整到与环绕器的中继通信机的码速率对应；环绕器的中继通信机和火星车的中继通信机在调整后的码速率下进行中继通信。根据模块m2中的处理标识，环绕器中继通信机调整码速率，同时告知发送方。此处发送方为火星车中继通信机，本文中只涉及返向的码率自适应，即只有当火星车作为发送方，环绕器作为接收方，环绕器作为码率调整的主动方。前向自适应是火星车作为主动方，不涉及到此文中的自适应方法。将码速率调整到新的码率下，之后双方在自适应调整后的新码率下进行中继通信。
[0057]
若处理标识f等于第一预定值，则上调一档码速率，若处理标识f等于第二预定值，则保持当前码速率，若处理标识f等于第三预定值，则下调一档码速率。根据模块m2中的处理标识，通信机完成自主调节码速率，若f＝1，则上调一档码速率，若f＝0，则保持当前码速率，若f＝
‑
1，则下调一档码速率。
[0058]
模块m4：当前评估周期结束后，进入下个评估周期，重复模块m1至模块m3，直至通信结束。一个评估周期结束，进入下一个周期，重复模块m1至模块m3，直至通信结束。
[0059]
通信机可以工作在多档码速率下，以适应火星复杂和大动态下的信道环境。中继通信机的码速率设有n档，第i档码速率表示为v
i
，0≤i≤n，i＝0，1，
···
，n。每一档码速率都是倍数关系，n可以由通信需求设置，从0表示最低档，n表示最高档，v
i
＝2v
i
‑1。
[0060]
本发明能够应对复杂的火星信道环境，当外部环境出现变化时，中继通信机能够及时的调整当前的工作状态，选择最适宜的码速率完成中继通信。正常情况下火星环绕器和火星车一次近火中继通信时间仅有10分钟左右，通信距离变化较大，通过码速率自适应系统，可以将火星表面的探测的数据最大化的传输到地球。深空远距离中继通信时，地面无法控制，信道受许多地面未知的因素影响，通过码速率自适应切换，可以提供高可靠的通信。
[0061]
本发明实施例还提供了一种火星探测器中继通信码速率自适应设计方法，如图1和图2所示，包括如下步骤：步骤s1：环绕器的中继通信机对火星车的中继通信机发送的信号的信噪比进行评估，得到评估结果。环绕器和火星车建立双工通信；环绕器的中继通信机
对火星车的中继通信机发送的信号进行跟踪，且环绕器的中继通信机在当前评估周期内对被跟踪的信号的信噪比进行评估，得到评估结果。
[0062]
步骤s2：根据评估结果和环绕器的中继通信机的解调门限进行关联处理，确认处理标识。根据所述步骤s1的评估结果与环绕器的中继通信机当前码速率下的解调门限进行关联处理，确认处理标识。
[0063]
步骤s3；根据处理标识，环绕器的中继通信机调整码速率，火星车的中继通信机对应调整码速率，环绕器的中继通信机和火星车的中继通信机在调整后的码速率下进行中继通信。根据步骤s2中的处理标识，环绕器的中继通信机调整码速率，同时环绕器的中继通信机告知火星车的中继通信机，火星车的中继通信机将自身的码速率调整到与环绕器的中继通信机的码速率对应；环绕器的中继通信机和火星车的中继通信机在调整后的码速率下进行中继通信。
[0064]
步骤s4：当前评估周期结束后，进入下个评估周期，重复步骤s1至步骤s3，直至通信结束。
[0065]
本发明主要包括以下四个方面：1、通信机内agc模块对信号的信噪比进行评估。2、将评估得到的信噪比与当前码率解调门限下的信噪比进行比较，得到处理标识。3、根据处理标识对当前码速率进行调整。4、重复1～3，直至通信结束。本发明通过外部信道环境变化的反馈，及时调整通信机内部的工作状态，在保证正常解调的情况下，选择最佳的通信方案，实现信息传输最大化。整个过程没有地面的干预，该设计具有高度的自主性。本发明目的是火星探测中继通信时，应对通信工况大动态变化时实现多码速率自主切换。
[0066]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
[0067]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。