一种测控通信协同传输方法及系统与流程

1.本发明涉及测控通信领域，更为具体的，涉及一种测控通信协同传输方法及系统。


背景技术：

2.传统航天测控系统和卫星通信系统由于设计之初服务对象的不同，承载业务类型差异大，一般独立设计，独立部署。随着低轨卫星通信星座建设需求日益增多，一方面，大规模低轨卫星通信业务数据的落地需要建设大量的信关站，另一方面，大规模低轨卫星的日常管控同样需要建设大量的测控站。现有航天测控系统和卫星通信系统独立建设的方案将给大规模低轨卫星星座建设带来极大的成本压力。
3.为降低建设成本，目前业界的共识是将信关站和测控站进行统一建设，一套地面站同时具备信关站和测控站功能，实现测控和通信业务的同时传输。
4.一种测控通信同时传输方案是共站不共设备传输。测控和通信由于业务类型和传输速率要求的不同，一般在不同的频段上进行传输，比如采用s频段进行测控，ka频段进行通信，共站不共设备传输方案要求为测控和通信功能配置独立的天线、信道和基带设备，系统设备复杂度较高，而且需占用多个频段。
5.另一种测控通信同时传输方案是共设备共信号传输。对于对通信的传输速率要求不高的场景，可以在传输信号上对测控和通信进行统一设计，采用非平衡qpsk信号，i、q支路的码速率相同但信息速率不同，i支路侧重通信功能，信息速率在几kbps到十几mbps之间；q支路侧重测控功能，所调制的信息速率较低。该方案不仅可以复用天线、信道和基带等传输设备，而且实现了测控和通信的信号层面融合。但是新一代低轨卫星对通信传输速率的要求已经达到了上gbps，现有方案无法支持如此高的数传速率，无法兼容现有技术体制与基带设备。
6.因此，现有技术无法满足大规模低轨星座测控通信共站建设、同时传输的要求，有必要提出一种新的低复杂度测控通信传输方法。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种测控通信协同传输方法及系统，可以在兼容现有测控通信传输体制的同时，实现测控和通信传输资源共享，通过测控信息辅助通信信号接收，有效降低地面站和卫星接收机的实现复杂度。
8.本发明的目的是通过以下方案实现的：
9.一种测控通信协同传输方法，包括上行传输过程和下行传输过程；在上行传输过程中的通信上行发送基带处理中设有利用上行频偏解算输出的发送频偏补偿值对发送信号进行频偏补偿的发送频偏补偿过程，并利用上行频偏解算将通信上行发送基带处理的频偏信息与测控下行接收基带处理进行交联；在下行传输过程中的通信下行接收基带处理中设有利用下行频偏解算输出的接收频偏补偿值对接收信号进行频偏补偿的接收频偏补偿过程，并利用下行频偏解算将通信下行接收基带处理的频偏信息与测控下行接收基带处理
进行交联。
10.进一步地，在上行传输过程中，包括子步骤：
11.在地面站，测控信息打包后经过第一编码调制、组帧、扩频后，经过第一数字上变频变频到上行测控中频；同时，通信信息打包后经过第二编码调制、组帧、发送频偏补偿后，经过第二数字上变频变频到上行通信中频；
12.上行测控中频信号和上行通信中频信号经过合路后进入dac、射频发送通道、双工器和天线实现上行信号发射；
13.在卫星，上行信号经天线、双工器、射频接收通道、功分器后分别进入星载测控基带和星载通信基带完成上行处理。
14.进一步地，在下行传输过程中，包括子步骤：
15.在卫星，星载测控基带和星载通信基带处理后的下行中频信号，经合路器、射频发送通道、双工器、天线实现下行信号发射；
16.在地面站，下行信号经天线、双工器、射频接收通道、adc、分路后得到下行测控中频信号和下行通信中频信号；
17.下行测控中频信号经过第一数字滤波器、第一数字下变频、捕获、第一环路跟踪、第一解调译码、测控信息解析得到下行测控信息；同时，下行通信中频信号经过第二数字滤波器、第二数字下变频、下行频偏解算、接收频偏补偿、第二环路跟踪、第二解调译码、通信信息解析得到下行通信信息。
18.进一步地，所述发送频偏补偿过程包括子步骤：
19.上行频偏解算由捕获输出的频率估计值f
acq
、测控信息解析输出的钟差估计值σs、预设的下行测控射频中心频率f
dw_ttc
和上行通信射频中心频率f
up_com
解算得到发送频偏补偿值f
bias_up
，设计如下发送频偏补偿值计算公式：
[0020][0021]
进一步地，所述接收频偏补偿过程包括子步骤：
[0022]
下行频偏解算由捕获输出的频率估计值f
acq
、预设的下行测控射频中心频率f
dw_ttc
和下行通信射频中心频率f
dw_com
解算得到接收频偏补偿值f
bias_dw
，设计如下接收频偏补偿值计算公式：
[0023][0024]
进一步地，地面站和卫星的天线、双工器支持的工作频率范围大于上、下行测控和通信信号占用的最大频率范围。
[0025]
进一步地，地面站的dac和射频发送通道，卫星的射频接收通道和功分器支持的工作频率范围大于上行测控和通信信号占用的最大频率范围。
[0026]
进一步地，卫星的合路器和射频发送通道，地面站的射频接收通道和adc支持的工作频率范围大于下行测控和通信信号占用的最大频率范围。
[0027]
进一步地，上行测控中频和上行通信中频的频率间隔至少大于上行测控信号带宽与上行通信信号带宽之和的一半；下行测控中频和下行通信中频的频率间隔至少大于下行
测控信号带宽与下行通信信号带宽之和的一半。
[0028]
一种测控通信协同传输系统，包括基带处理装置、下行频偏解算单元、上行频偏解算单元、前端设备，所述基带处理装置包括测控下行接收基带处理单元、通信下行接收基带处理单元、测控上行发送基带处理单元、通信上行发送基带处理单元，在所述通信下行接收基带处理单元设有接收频偏补偿单元，在所述通信上行发送基带处理单元设有发送频偏补偿单元，所述发送频偏补偿单元与上行频偏解算单元连接，上行频偏解算单元与测控下行接收基带处理单元的捕获模块连接；所述接收频偏补偿单元与下行频偏解算单元连接，下行频偏解算单元与测控下行接收基带处理单元的捕获模块连接；所述基带处理装置的测控下行接收基带处理单元、测控上行发送基带处理单元以及通信下行接收基带处理单元、通信上行发送基带处理单元，共用所述前端设备。
[0029]
本发明的有益效果包括：
[0030]
本发明可以在兼容现有测控通信传输体制的同时，实现测控和通信传输资源共享，同时通过测控信息辅助通信信号接收，有效降低地面站和卫星接收机的实现复杂度。具体的，通过基带交联设计，利用频偏解算单元实现了测控基带处理单元和通信基带处理单元的频偏信息共享，相较于传统独立设计，减少了通信基带需要处理的频偏范围，降低了通信基带实现复杂度。进一步，在基带交联设计基础上，通过天线和双工器等前端设备共用设计，避免了测控和通信独立的两套天线和双工设备，提升了设备集成度，进一步降低了测控和通信共存时的系统复杂度，降低了实现成本。
[0031]
本发明实施例中利用下行频偏解算结果对接收通信信号进行接收频偏补偿，可以减小下行通信信号需处理的接收频偏，降低地面站接收机复杂度。
[0032]
本发明实施例中利用上行频偏解算结果对发送通信信号进行发送频偏补偿，可以减小上行通信信号需处理的接收频偏，降低卫星接收机复杂度。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]
图1为本发明实施例中地面站的实现原理示意图；
[0035]
图2为本发明实施例中卫星的实现原理示意图；
[0036]
图3为图1中下行频偏解算单元的原理示意图；
[0037]
图4为图1中上行频偏解算单元的原理示意图。
具体实施方式
[0038]
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
[0039]
如图1、图2所示，本发明实施例提供一种测控通信协同传输方法，包括上行传输和下行传输两部分。
[0040]
上行传输的具体步骤包括：
[0041]
在地面站：
[0042]
测控信息打包后经过编码调制1、组帧、扩频后，经过数字上变频1变频到上行测控中频得到上行测控中频信号。
[0043]
通信信息打包后经过编码调制2、组帧、发送频偏补偿后，经过数字上变频2变频到上行通信中频得到上行通信中频信号。
[0044]
上行测控中频信号和上行通信中频信号经过数字合路后进入dac、射频发送通道、双工器和天线实现上行无线信号发射。
[0045]
在卫星：
[0046]
上行无线信号经天线接收后，依次进入双工器、射频接收通道、功分器，由功分器功分得到两路上行中频信号；
[0047]
两路上行中频信号分别进入星载测控基带和星载通信基带完成上行测控和通信处理得到上行测控信息和上行通信信息。
[0048]
对于下行传输的具体步骤包括：
[0049]
在卫星：
[0050]
测控信息和通信信息经过星载测控基带和星载通信基带处理后分别得到下行测控中频信号和下行通信中频信号；
[0051]
下行测控中频信号和下行通信中频信号经合路器合路后得到下行中频信号，下行中频信号依次进入射频发送通道、双工器和天线实现下行无线信号发射。
[0052]
在地面站：
[0053]
下行无线信号经天线接收后，依次进入双工器、射频接收通道、adc、数字分路后得到下行测控中频信号和下行通信中频信号；
[0054]
下行测控中频信号经过数字滤波器1、数字下变频1、捕获、环路跟踪1、解调译码1、测控信息解析得到下行测控信息。
[0055]
下行通信中频信号经过数字滤波器2、数字下变频2、下行频偏补偿、环路跟踪2、解调译码2、通信信息解析得到下行通信信息。
[0056]
如图3所示，下行传输中，下行频偏解算单元由捕获单元输出的频率估计值f
acq
、预设的下行测控射频中心频率f
dw_ttc
和下行通信射频中心频率f
dw_com
解算得到接收频偏补偿值f
bias_dw
，接收频偏补偿值计算公式如下：
[0057][0058]
如图4所示，上行传输中，上行频偏解算单元由捕获单元输出的频率估计值f
acq
、测控信息解析单元输出的钟差估计值σs、预设的下行测控射频中心频率f
dw_ttc
和上行通信射频中心频率f
up_com
解算得到发送频偏补偿值f
bias_up
，发送频偏补偿值计算公式如下：
[0059][0060]
上述实施方式中：
[0061]
地面站和卫星的天线、双工器支持的工作频率范围应大于上下行测控和通信信号占用的最大频率范围。
[0062]
地面站的dac和射频发送通道，卫星的射频接收通道和功分器支持的工作频率范围应大于上行测控和通信信号占用的最大频率范围。
[0063]
卫星的合路器和射频发送通道，地面站的射频接收通道和adc支持的工作频率范围应大于下行测控和通信信号占用的最大频率范围。
[0064]
上行测控中频和上行通信中频的频率间隔应保证上行测控信号和上行通信信号互不干扰，即频率间隔至少大于上行测控信号带宽与上行通信信号带宽之和的一半。
[0065]
下行测控中频和下行通信中频的频率间隔应保证下行测控信号和下行通信信号互不干扰，即频率间隔至少大于下行测控信号带宽与下行通信信号带宽之和的一半。
[0066]
本发明实施例中的捕获、环路跟踪、解调译码、钟差解算、星载测控基带、星载通信基带的功能单元均可沿用现有成熟技术及方法。
[0067]
本发明实施例中利用下行频偏解算结果对接收通信信号进行接收频偏补偿，可以减小下行通信信号需处理的接收频偏，降低地面站接收机复杂度。
[0068]
本发明实施例中利用上行频偏解算结果对发送通信信号进行发送频偏补偿，可以减小上行通信信号需处理的接收频偏，降低卫星接收机复杂度。
[0069]
实施例1
[0070]
一种测控通信协同传输方法，包括上行传输过程和下行传输过程；在上行传输过程中的通信上行发送基带处理中设有利用上行频偏解算输出的发送频偏补偿值对发送信号进行频偏补偿的发送频偏补偿过程，并利用上行频偏解算将通信上行发送基带处理的频偏信息与测控下行接收基带处理进行交联；在下行传输过程中的通信下行接收基带处理中设有利用下行频偏解算输出的接收频偏补偿值对接收信号进行频偏补偿的接收频偏补偿过程，并利用下行频偏解算将通信下行接收基带处理的频偏信息与测控下行接收基带处理进行交联。
[0071]
实施例2
[0072]
在实施例1的基础上，在上行传输过程中，包括子步骤：
[0073]
在地面站，测控信息打包后经过第一编码调制、组帧、扩频后，经过第一数字上变频变频到上行测控中频；同时，通信信息打包后经过第二编码调制、组帧、发送频偏补偿后，经过第二数字上变频变频到上行通信中频；
[0074]
上行测控中频信号和上行通信中频信号经过合路后进入dac、射频发送通道、双工器和天线实现上行信号发射；
[0075]
在卫星，上行信号经天线、双工器、射频接收通道、功分器后分别进入星载测控基带和星载通信基带完成上行处理。
[0076]
实施例3
[0077]
在实施例1的基础上，在下行传输过程中，包括子步骤：
[0078]
在卫星，星载测控基带和星载通信基带处理后的下行中频信号，经合路器、射频发送通道、双工器、天线实现下行信号发射；
[0079]
在地面站，下行信号经天线、双工器、射频接收通道、adc、分路后得到下行测控中频信号和下行通信中频信号；
[0080]
下行测控中频信号经过第一数字滤波器、第一数字下变频、捕获、第一环路跟踪、第一解调译码、测控信息解析得到下行测控信息；同时，下行通信中频信号经过第二数字滤
波器、第二数字下变频、下行频偏解算、接收频偏补偿、第二环路跟踪、第二解调译码、通信信息解析得到下行通信信息。
[0081]
实施例4
[0082]
在实施例1或实施例2的基础上，所述发送频偏补偿过程包括子步骤：
[0083]
上行频偏解算由捕获输出的频率估计值f
acq
、测控信息解析输出的钟差估计值σs、预设的下行测控射频中心频率f
dw_ttc
和上行通信射频中心频率f
up_com
解算得到发送频偏补偿值f
bias_up
，设计如下发送频偏补偿值计算公式：
[0084][0085]
实施例5
[0086]
在实施例1或实施例3的基础上，所述接收频偏补偿过程包括子步骤：
[0087]
下行频偏解算由捕获输出的频率估计值f
acq
、预设的下行测控射频中心频率f
dw_ttc
和下行通信射频中心频率f
dw_com
解算得到接收频偏补偿值f
bias_dw
，设计如下接收频偏补偿值计算公式：
[0088][0089]
实施例6
[0090]
在实施例2或实施例3的基础上，地面站和卫星的天线、双工器支持的工作频率范围大于上、下行测控和通信信号占用的最大频率范围。
[0091]
实施例7
[0092]
在实施例2的基础上，地面站的dac和射频发送通道，卫星的射频接收通道和功分器支持的工作频率范围大于上行测控和通信信号占用的最大频率范围。
[0093]
实施例8
[0094]
在实施例3的基础上，卫星的合路器和射频发送通道，地面站的射频接收通道和adc支持的工作频率范围大于下行测控和通信信号占用的最大频率范围。
[0095]
实施例9
[0096]
在实施例2的基础上，上行测控中频和上行通信中频的频率间隔至少大于上行测控信号带宽与上行通信信号带宽之和的一半；在实施例3的基础上，下行测控中频和下行通信中频的频率间隔至少大于下行测控信号带宽与下行通信信号带宽之和的一半。
[0097]
实施例10
[0098]
一种测控通信协同传输系统，包括基带处理装置、下行频偏解算单元、上行频偏解算单元、前端设备，所述基带处理装置包括测控下行接收基带处理单元、通信下行接收基带处理单元、测控上行发送基带处理单元、通信上行发送基带处理单元，在所述通信下行接收基带处理单元设有接收频偏补偿单元，在所述通信上行发送基带处理单元设有发送频偏补偿单元，所述发送频偏补偿单元与上行频偏解算单元连接，上行频偏解算单元与测控下行接收基带处理单元的捕获模块连接；所述接收频偏补偿单元与下行频偏解算单元连接，下行频偏解算单元与测控下行接收基带处理单元的捕获模块连接；所述基带处理装置的测控下行接收基带处理单元、测控上行发送基带处理单元以及通信下行接收基带处理单元、通
信上行发送基带处理单元，共用所述前端设备。在具体实施中，前端设备包括天线、双工器、射频发送通道、射频接收通道等，均可采用现有技术实现，但是在上述系统结构实现基带交联的设计基础上，通过前端设备的共用结构设计来避免测控和通信独立的两套天线和双工设备，可以进一步降低测控和通信共存时的系统复杂度，降低实现成本。
[0099]
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
[0100]
除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。