專利名稱：基于星間信息交換的星間相對距離測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于星間信息交換的星間相對距離測量裝置，屬于航天應(yīng) 用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的飛速發(fā)展，星際鏈路成為了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的一項(xiàng)重要 關(guān)鍵技術(shù)。而在編隊(duì)飛行過程中，由于自主編隊(duì)的多個(gè)協(xié)作航天器的主動、實(shí) 時(shí)、閉環(huán)的控制，編隊(duì)飛行要求直接控制一個(gè)航天器相對于另一個(gè)或其他許多 航天器的姿態(tài)和位置，并且各航天器的位置保持在規(guī)定精度的控制區(qū)內(nèi),不致發(fā) 生相互撞碰，因此，編隊(duì)飛行要求嚴(yán)格地依賴星間鏈路通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)。 可見，星間鏈路的建立是編隊(duì)安全化的前提。此外，在一體化的背景下，星間
鏈路一體化指的是在編隊(duì)組網(wǎng)中，采用通信的基本功能完成例如GPS自主導(dǎo)航、 星間測距、定軌定姿、時(shí)間同步，信息交換等功能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)，從而將所建立 的星間鏈路為完成多項(xiàng)任務(wù)而服務(wù)。
隨著天基衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)空間項(xiàng)目的增加，國外的研究機(jī)構(gòu)相繼開發(fā)了各種星間 相對狀態(tài)測量工具，包括星間通信工具或星間射頻收發(fā)器。根據(jù)項(xiàng)目的要求， 這些工具可以提供星間相對定時(shí)或定位或兩者兼有的功能。已知的星間相對狀 態(tài)測量工具有己經(jīng)在Proba3計(jì)劃中使用的AFF、 Johns Hopkins大學(xué)應(yīng)用物理實(shí) 驗(yàn)室的交叉鏈路收發(fā)器CLT(CrossLinkTransceiver)、 AeroAstro公司的星型測距 器(Star Ranger)、 ITT和NASA聯(lián)合開發(fā)的LPT(Low Power Transceiver)以及斯坦 福大學(xué)的偽衛(wèi)星交叉鏈路收發(fā)器SPTC(Stanford Pseudolite Transceiver Crosslink) 等。這些射頻收發(fā)裝置多依賴于GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，當(dāng)前我國尚不具備完整的全球 覆蓋自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，因此使用GPS系統(tǒng)常常受到政治以及外交因素的影響， 過多的依賴GPS導(dǎo)航系統(tǒng)對于戰(zhàn)時(shí)需求以及戰(zhàn)略發(fā)展都是十分不利的，因此， 開發(fā)出一種基于星間信息交換的測距系統(tǒng)來完成星間的相對導(dǎo)航是十分必要 的。

發(fā)明內(nèi)容
3本發(fā)明的目的是提供一種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)衛(wèi)星之間相對導(dǎo)航 的基于星間信息交換的星間相對距離測量裝置，利用星間信息交換完成星間距
離的測量能夠擺脫已有星間導(dǎo)航系統(tǒng)對于GPS系統(tǒng)的依賴，同時(shí)在距離測量的 同時(shí)，還能保證星間信息的交換。
本發(fā)明由天線單元、射頻單元、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA處理器和晶體振 蕩器組成，天線單元由天線、雙工器、功率放大器和低噪音放大器組成，天線 的輸入輸出端連接雙工器的發(fā)射接收端，雙工器的輸出端連接低噪音放大器的 輸入端，雙工器的輸入端連接功率放大器的輸出端；射頻單元由一個(gè)nRF2401 發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)射頻芯片和多個(gè)nRF2401接收射頻芯片組成;現(xiàn)場可編程門陣列FPGA 處理器由發(fā)射控制器、接收控制器、并串轉(zhuǎn)換器、移位寄存器、鎖相環(huán)、高時(shí) 鐘計(jì)時(shí)器和數(shù)據(jù)處理器組成，發(fā)射控制器的輸入端連接并串轉(zhuǎn)換器的一個(gè)輸出 端，接收控制器的輸出端連接移位寄存器的輸入端，并串轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)輸出 端、移位寄存器和鎖相環(huán)的輸出端分別連接高時(shí)鐘計(jì)時(shí)器的一個(gè)輸入端，高時(shí) 鐘計(jì)時(shí)器的輸出端連接數(shù)據(jù)處理器的輸入端；nRF2401發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)射頻芯片的輸 出端連接功率放大器的輸入端，每個(gè)nRF2401接收射頻芯片的輸入端分別連接 低噪音放大器的一個(gè)輸出端，nRF2401發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)射頻芯片的輸入端連接發(fā)射控 制器的輸出端，每個(gè)nRF2401接收射頻芯片的輸出端分別連接接收控制器的一 個(gè)輸入端，鎖相環(huán)的輸入端連接晶體振蕩器的輸出端。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是-
本發(fā)明的天線單元用于星間信息交換時(shí)將信號發(fā)送至其它衛(wèi)星，或者接收 來自于其他衛(wèi)星的信號，射頻單元用于完成在衛(wèi)星之間的通信功能，形成衛(wèi)星 之間信息交換的鏈路，現(xiàn)場可編程門陣列FPGA處理器通過內(nèi)部搭建電路實(shí)現(xiàn) 了對于信號在衛(wèi)星星間傳播時(shí)間的延時(shí)的測定；天線單元、射頻單元和現(xiàn)場可 編程門陣列FPGA處理器之間的結(jié)合進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星之間有效信息的傳遞， 完成星間信息交換，同時(shí)完成星間距離的測量和星間方位的估計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi) 星之間的相對導(dǎo)航，能夠面向分布式衛(wèi)星系統(tǒng)，獲得航天器所需的姿態(tài)軌道以 及時(shí)間信息等。具有外圍電路簡單，通信速率高、通信質(zhì)量穩(wěn)定可靠、開發(fā)周 期短的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明以三星系統(tǒng)為例的星間信 息交換鏈路頻率劃分的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是本發(fā)明以三星系統(tǒng)為例的工作原理 圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖l、圖2、圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式
由天線單元l、射頻單元2、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA處理器3和晶體振蕩器4 組成，天線單元1由天線5、雙工器6、功率放大器7和低噪音放大器8組成， 天線5的輸入輸出端連接雙工器6的發(fā)射接收端，雙工器6的輸出端連接低噪 音放大器8的輸入端，雙工器6的輸入端連接功率放大器7的輸出端；射頻單 元2由一個(gè)nRF2401發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)射頻芯片9和多個(gè)nRF2401接收射頻芯片10組 成；現(xiàn)場可編程門陣列FPGA處理器3由發(fā)射控制器ll、接收控制器12、并串 轉(zhuǎn)換器13、移位寄存器14、鎖相環(huán)15、高時(shí)鐘計(jì)時(shí)器16和數(shù)據(jù)處理器17組成， 發(fā)射控制器11的輸入端連接并串轉(zhuǎn)換器13的一個(gè)輸出端，接收控制器12的輸 出端連接移位寄存器14的輸入端，并串轉(zhuǎn)換器13的另一個(gè)輸出端、移位寄存 器14和鎖相環(huán)15的輸出端分別連接高時(shí)鐘計(jì)時(shí)器16的一個(gè)輸入端，高時(shí)鐘計(jì) 時(shí)器16的輸出端連接數(shù)據(jù)處理器17的輸入端；nRF2401發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)射頻芯片9 的輸出端連接功率放大器7的輸入端，每個(gè)nRF2401接收射頻芯片10的輸入端 分別連接低噪音放大器8的一個(gè)輸出端，nRF2401發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)射頻芯片9的輸入 端連接發(fā)射控制器11的輸出端，每個(gè)nRF2401接收射頻芯片10的輸出端分別 連接接收控制器12的一個(gè)輸入端，鎖相環(huán)15的輸入端連接晶體振蕩器4的輸 出端。
本發(fā)明通過天線5完成星間信息交換的信息發(fā)送，經(jīng)其他衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后，再 由天線5接收該信息，對該信息進(jìn)行時(shí)差的測量，通過時(shí)差完成星間距離的轉(zhuǎn) 化。射頻單元2用于完成在衛(wèi)星之間的通信功能，形成衛(wèi)星之間信息交換的鏈 路。
工作原理將發(fā)射的信息組幀后采用以下步驟編隊(duì)中的任意兩星采用應(yīng) 答模式作為系統(tǒng)的測距機(jī)制。例如測量AB兩星間相對距離，A星發(fā)送測距包 和通信數(shù)據(jù)，由B星轉(zhuǎn)發(fā)回測距包到A星所經(jīng)歷的時(shí)間為系統(tǒng)所測延時(shí)t，再通過光速計(jì)算距離。每顆衛(wèi)星都可以分為發(fā)送、接收、轉(zhuǎn)發(fā)三種狀態(tài)，并且載 有本發(fā)明的一整套星間測距裝置，可對其他衛(wèi)星測距，也可以作為其他測距衛(wèi) 星的測距信號中轉(zhuǎn)站，提供轉(zhuǎn)發(fā)的功能。每顆衛(wèi)星實(shí)際上都處于同等的地位， 不分主次，因此測距通道的各個(gè)部分相同并且獨(dú)立。系統(tǒng)在測距的同時(shí)也在進(jìn) 行星間的信息交換，此時(shí)無須數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)的只是交換數(shù)據(jù)中的測距碼。 下面以圖2、圖3所示三星系統(tǒng)為例說明本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過程
首先現(xiàn)場可編程門陣列FPGA處理器3對射頻單元2進(jìn)行配置，發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā) 射頻芯片9的頻率設(shè)為fl，其它兩片接收射頻芯片10的頻率為f2和f3。通過 時(shí)分假設(shè)此時(shí)刻星A處于發(fā)送狀態(tài)，星B、星C處于接收狀態(tài)；
將發(fā)送信息按照幀定義格式組幀，ID選取ID1，并行數(shù)據(jù)經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換器 13轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，進(jìn)入發(fā)射控制器ll的發(fā)送端，開啟高時(shí)鐘計(jì)時(shí)器16分別 對星B、星C返回信號進(jìn)行計(jì)時(shí)。
星A以分配到頻率fl的nRF2401發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)射頻芯片9為發(fā)送頻率發(fā)送信 息，星B、星C分別用對應(yīng)接收頻率f2、 f3的nRF2401接收射頻芯片10接收 到該信息。以星B為例，將接收到的信息逐位串并轉(zhuǎn)換，比較幀頭和ID,若為 ID1，判斷為星A的待轉(zhuǎn)發(fā)信號，進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)處理；星B利用轉(zhuǎn)發(fā)模塊，以自身 分配頻率f2轉(zhuǎn)發(fā)該信息；星A在對應(yīng)頻率fl的nRF2401發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)射頻芯片9 上接收到返回信息。
返回信息進(jìn)行串并轉(zhuǎn)化，比較幀頭和ID，若為ID1，判斷為自身發(fā)送信號 的返回幀，關(guān)閉對應(yīng)于星B測距的高時(shí)鐘計(jì)時(shí)器16。對計(jì)時(shí)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 轉(zhuǎn)換為距離，輸出結(jié)果。
具體實(shí)施方式
二下面結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與實(shí)施方式 一的不同之處在于所述天線5采用螺旋柱狀天線，天線的主瓣寬度為60。。其它 組成及連接方式與實(shí)施方式一相同。
天線的安裝位置根據(jù)衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu)相關(guān)，對天面與對地面同時(shí)安裝基本能 夠達(dá)到全空間的覆蓋，收發(fā)合用。nRF2401射頻芯片為Nordic公司出品，現(xiàn)場 可編程門陣列FPGA處理器3采用Altera的StratixII的EP2S系列芯片組成，具 有倍頻，控制，高精度計(jì)時(shí)，數(shù)據(jù)存儲、處理、轉(zhuǎn)換、輸入輸出等功能。射頻 單元2完成信息的傳遞，為構(gòu)成完整的星間鏈路提供硬件基礎(chǔ)，nRF2401射頻
6芯片工作于2.4-2.5GHz的ISM頻段，采用GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying
高斯頻移鍵控)的調(diào)制方式。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于所述nRF2401 發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)射頻芯片9和多個(gè)nRF2401接收射頻芯片10的星間信號傳輸速率為 500Kbps。其它組成及連接方式與實(shí)施方式一相同。Kbps又稱比特率的單位， 指的是數(shù)字信號的傳輸速率，也就是每秒鐘傳送多少個(gè)千位的信息。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于所述晶體振蕩 器4為鎖相環(huán)15提供lOOMHz的時(shí)鐘。其它組成及連接方式與實(shí)施方式一相同。
現(xiàn)場可編程門陣列FPGA處理器3外部采用高穩(wěn)晶體振蕩器4提供100MHz 的全局時(shí)鐘。發(fā)射控制器11的功能是控制nRF2401射頻芯片的發(fā)送時(shí)序，并將 待發(fā)送碼轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)發(fā)送，同時(shí)給出開啟信號，高時(shí)鐘計(jì)時(shí)器16對時(shí)間進(jìn) 行測量；接收控制器12的功能是控制nRF2401的接收時(shí)序，將接收到的數(shù)據(jù)通 過移位寄存器14保存并和發(fā)送碼的ID進(jìn)行比較，相符時(shí)則給出stop信號，關(guān) 閉高時(shí)鐘計(jì)時(shí)器16;高精度計(jì)時(shí)器16由鎖相環(huán)15給出時(shí)鐘，高時(shí)鐘計(jì)時(shí)器16 計(jì)時(shí)，鎖相環(huán)15提供倍頻后的400MHz的時(shí)鐘，如此高的時(shí)鐘是為提高測距精 度而設(shè)計(jì)的。高時(shí)鐘計(jì)時(shí)器16得到的時(shí)間測量值需要通過數(shù)據(jù)處理電路轉(zhuǎn)換為 距離，最后輸出。發(fā)射控制器11之前設(shè)計(jì)一個(gè)并串轉(zhuǎn)換器13，以將并行的數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換為串行發(fā)送；接收控制器12之后設(shè)計(jì)一個(gè)移位寄存器14，以將接收到的串 行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行保存，并將保存的此數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)比較，相等時(shí)關(guān)閉計(jì) 數(shù)器模塊。
權(quán)利要求
1、基于星間信息交換的星間相對距離測量裝置，其特征在于它由天線單元(1)、射頻單元(2)、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA處理器(3)和晶體振蕩器(4)組成，天線單元(1)由天線(5)、雙工器(6)、功率放大器(7)和低噪音放大器(8)組成，天線(5)的輸入輸出端連接雙工器(6)的發(fā)射接收端，雙工器(6)的輸出端連接低噪音放大器(8)的輸入端，雙工器(6)的輸入端連接功率放大器(7)的輸出端；射頻單元(2)由一個(gè)nRF2401發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)射頻芯片(9)和多個(gè)nRF2401接收射頻芯片(10)組成；現(xiàn)場可編程門陣列FPGA處理器(3)由發(fā)射控制器(11)、接收控制器(12)、并串轉(zhuǎn)換器(13)、移位寄存器(14)、鎖相環(huán)(15)、高時(shí)鐘計(jì)時(shí)器(16)和數(shù)據(jù)處理器(17)組成，發(fā)射控制器(11)的輸入端連接并串轉(zhuǎn)換器(13)的一個(gè)輸出端，接收控制器(12)的輸出端連接移位寄存器(14)的輸入端，并串轉(zhuǎn)換器(13)的另一個(gè)輸出端、移位寄存器(14)和鎖相環(huán)(15)的輸出端分別連接高時(shí)鐘計(jì)時(shí)器(16)的一個(gè)輸入端，高時(shí)鐘計(jì)時(shí)器(16)的輸出端連接數(shù)據(jù)處理器(17)的輸入端；nRF2401發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)射頻芯片(9)的輸出端連接功率放大器(7)的輸入端，每個(gè)nRF2401接收射頻芯片(10)的輸入端分別連接低噪音放大器(8)的一個(gè)輸出端，nRF2401發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)射頻芯片(9)的輸入端連接發(fā)射控制器(11)的輸出端，每個(gè)nRF2401接收射頻芯片(10)的輸出端分別連接接收控制器(12)的一個(gè)輸入端，鎖相環(huán)(15)的輸入端連接晶體振蕩器(4)的輸出端。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于星間信息交換的星間相對距離測量裝置，其 特征在于所述天線(5)采用螺旋柱狀天線，天線的主瓣寬度為60。。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于星間信息交換的星間相對距離測量裝置，其 特征在于所述nRF2401發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)射頻芯片(9)和多個(gè)nRF2401接收射頻芯片(10) 的星間信號傳輸速率為500Kbps。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于星間信息交換的星間相對距離測量裝置，其 特征在于所述晶體振蕩器(4)為鎖相環(huán)(15)提供100MHz的時(shí)鐘。
全文摘要
基于星間信息交換的星間相對距離測量裝置，屬于航天應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明的目的是提供一種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)衛(wèi)星之間相對導(dǎo)航的基于星間信息交換的星間相對距離測量裝置。本發(fā)明采用電線單元作為前端，與現(xiàn)場可編程門陣列FPGA處理器和高度集成的射頻一體化nRF2401射頻芯片完成星間鏈路的搭建，通過星間信息交換，利用記錄信息在星間傳遞的時(shí)差完成星間距離的測量，可以計(jì)算出星間相對的距離關(guān)系。本發(fā)明用于星間相對距離的測量。
文檔編號G01S1/02GK101526613SQ20091007152
公開日2009年9月9日 申請日期2009年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月11日
發(fā)明者蘭盛昌, 東 葉, 蕊 孫, 張錦繡, 徐國棟, 杰 林, 峰 王, 松 王, 王繼河, 范國臣, 陳雪芹 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)