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面向QB50项目的CubeSat卫星地面站

发明公布  在审
申请(专利)号:CN201811518302.2国省代码:湖南 43
申请(专利权)人:中国人民解放军国防科技大学
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摘要:
本发明提供了一种面向QB50项目的CubeSat卫星地面站,包括:卫星天线、天线控制器、USRP软件无线电设备以及主控计算机。卫星天线接收来自卫星的下行信号,向卫星发送上行遥控信号。USRP软件无线电设备,实现上行遥控信号的调制、放大以及下行信号的解调。主控计算机通过串口实时发送天线控制指令给卫星天线控制器实现对卫星天线指向的控制;主控计算机可通过通用网口将通信链路参数发送至USRP软件无线电设备,USRP软件无线电设备根据链路参数对上行遥控信号、下行信号进行相应处理,进而实现信号的调制与解调。本发明结构简单又易于实现,是一种可靠性高、鲁棒性好的面向QB50项目的小卫星地面站设计方案。

主权项:
1.一种面向QB50项目的CubeSat卫星地面站,其特征在于:包括卫星天线、天线控制器、通信信道以及主控计算机;卫星天线接收来自卫星的下行信号,向卫星发送上行遥控信号;卫星天线连接有天线控制器,天线控制器用于对天线指向进行控制;通信信道包括USRP软件无线电设备,USRP软件无线电设备,实现上行遥控信号的调制、放大以及下行信号的解调;主控计算机通过串口实时发送天线控制指令给天线控制器实现对卫星天线指向的控制;主控计算机可通过通用网口将通信链路参数发送至USRP软件无线电设备,USRP软件无线电设备根据链路参数对上行遥控信号、下行信号进行相应处理,进而实现信号的调制与解调。


说明书

面向QB50项目的CubeSat卫星地面站

技术领域

本发明涉及一种CubeSat卫星的地面测控技术领域,尤其是涉及一种面向QB50项
目的CubeSat卫星地面站。

背景技术

随着航天技术的发展,现代小卫星逐渐呈现轻量化、小型化、低成本以及高功能密
度和性价比等优势,小卫星已成为空间系统的重要组成部分。

CubeSat卫星是一种釆用专用设计标准制作的低成本纳卫星。1999年,美国加州理
工州立大学与斯坦福大学提出这个概念,来帮助全球的高校进入空间科学和探索的领域。
CubeSat卫星的标准外形为10cm×10cm×10cm的立方体,我们称之为1个标准单元(1U),质
量1~2kg,输出功率相当于普通手机。根据任务需要,Cubesat卫星可扩展为双单元(2U)或
者三单元(3U)。

在过去几年中,随着微电子机械系统的迅猛发展,CubeSat卫星项目取得了很大成
功。CubeSat卫星的体积和功耗有限,功能比较单一,但是如果开发出标准的纳卫星平台,在
其基础上装载不同的有效载荷,利用“一箭多星”的发射特点,可以满足不同的飞行任务需
要。且由于CubeSat卫星可快速实现标准化、模块化,便于开展国际合作等特点而获得全球
关注,目前,全球至少有60所大学和研究院所参与CubeSat卫星技术的研究,包括加拿大、日
本、丹麦、荷兰、英国、瑞士和美国等。目前大约有近100颗立方体纳卫星已发射入轨。

CubeSat卫星地面站通信系统上下行频率一般采用甚高频/超高频(即Very High
Frequency/Ultra High Frequency,简称VHF/UHF)业余无线电频段,上行链路一般采用频
移键控(即Frequency Shift Keying,简称FSK)调制模式,下行链路采用相移键控(即Phase
Shift Keying,简称PSK)调制模式。但由于卫星的测控与通信应与CubeSat卫星特点相匹
配,因而CubeSat卫星地面站在具体方案设计、实现过程方面各有千秋。

QB50项目是基于以上背景提出来的国际纳星计划项目,由冯卡门研究所、欧空局、
斯坦福大学等多家国际知名研究机构和大学发起,采用一箭发射50颗CubeSat卫星的方式,
将50颗由不同高校或组织研制的CubeSat卫星发射到320公里高度的大气低热层,实现对目
前人类尚未涉足的90~320公里的低层大气的多点在轨探测,同时开展再入大气层过程的
相关研究。

QB50项目由于卫星数目较多,卫星寿命也仅有三个月。因而,地面站与QB50星座间
的通信链路不仅是卫星任务是否成功的重要标志之一,也是QB50项目中最复杂的方面之
一,从而使得提出一种可靠性高、鲁棒性好、易实现的针对QB50项目的立方星地面站设计方
法是极其必要的。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷,本发明提供一种面向QB50项目的CubeSat卫星地面站。

本发明采用的技术方案是:

面向QB50项目的CubeSat卫星地面站,包括:卫星天线、天线控制器、通信信道以及
主控计算机。

卫星天线负责接收来自卫星的下行信号,向卫星发送上行遥控信号。卫星天线连
接有天线控制器,天线控制器用于对天线指向进行控制。

通信信道包括USRP软件无线电设备,USRP软件无线电设备,实现上行遥控信号的
调制、放大以及下行信号的解调。

主控计算机通过串口实时发送天线控制指令给天线控制器实现对卫星天线指向
的控制;主控计算机可通过通用网口将通信链路参数发送至USRP软件无线电设备,USRP软
件无线电设备根据链路参数对上行遥控信号、下行信号进行相应处理,进而实现信号的调
制与解调。

卫星天线负责接收来自卫星的下行信号,向卫星发送上行遥控信号。卫星天线连
接有天线控制器,天线控制器用于对天线指向进行控制。天线控制器控制天线上下、左右转
动来分别调整天线的俯仰角及方位角。天线控制器的控制器接口与主控计算机连接,接收
来自主控计算机发来的天线控制指令,并返回天线状态信息给主控计算机。天线控制器的
优选设备型号为Yaesu公司的G-5500;控制器接口的优选设备型号为:Yaesu公司的GS-
232B。

通信信道除USRP软件无线电设备之外,还包括功率放大器、低噪放大器,功率放大
器与USRP软件无线电设备连接,功率放大器用于放大USRP软件无线电设备调制生成的上行
遥控信号的发射功率;低噪放大器与USRP软件无线电设备连接,用于提高卫星天线接收到
的下行信号的信噪比。进一步地,低噪放大器连接有12V供电电源及隔直电容,12V供电电源
及隔直电容用于控制低噪放大器的供断电。

USRP软件无线电设备包含GPS接收机和GPS天线,GPS接收机为主控计算机校时,使
主控计算机与星上时间保持同步。USRP软件无线电设备优选设备型号为:Ettus公司的USRP
N210。

主控计算机根据要跟踪的卫星的轨道信息生成相应的天线控制指令,天线控制器
接收到天线控制指令后调整卫星天线与卫星之间的角度,使上行遥控信号的发送与下行信
号的接收都达到最佳状态。主控计算机根据需要生成上行遥控指令,USRP软件无线电设备
对上行遥控指令进行接收、调制后经卫星天线发送至卫星,卫星收到指令后会执行相应的
操作。此外,卫星天线接收来自卫星的下行信号,经USRP软件无线电设备解调后下行信号可
直接通过网线接入主控计算机,由主控计算机对下行信号进行处理。

本发明的有益技术效果:

本发明结构简单又易于实现,是一种可靠性高、鲁棒性好的面向QB50项目的小卫
星地面站设计方案。

附图说明

图1为一实施例的结构示意图;

图2为一实施例中的控制原理图;

具体实施方式

下面将结合本发明实施例图中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、
完整地描述,做进一步详细说明,但本发明的实施方式不仅限于此。

参照图1,面向QB50项目的CubeSat卫星地面站,包括:卫星天线、通信信道以及主
控计算机。

卫星天线负责接收来自卫星的下行信号,向卫星发送上行遥控信号。天线连接有
天线控制器,天线控制器控制天线上下、左右转动来分别调整天线的俯仰角及方位角。天线
控制器的控制器接口与主控计算机连接,接收来自主控计算机发来的天线控制指令,并返
回天线状态信息给主控计算机。天线控制器的优选设备型号为Yaesu公司的G-5500;控制器
接口的优选设备型号为:Yaesu公司的GS-232B。

通信信道包括USRP软件无线电设备,USRP软件无线电设备实现上行遥控信号的调
制、放大以及下行信号的解调。USRP软件无线电设备包含GPS接收机和GPS天线,GPS接收机
为主控计算机校时,使主控计算机与星上时间保持同步。USRP软件无线电设备优选设备型
号为:Ettus公司的USRP N210。

参照图1,通信信道除USRP软件无线电设备之外,还包括功率放大器(图1中的VHF
功放)、低噪放大器、12V供电电源及隔直电容,其中VHF功放用于放大USRP软件无线电设备
调制生成的上行遥控信号的发射功率;低噪放大器型号为AG35,用于提高卫星天线接收到
的下行信号的信噪比;12V供电电源及隔直电容用于控制AG35供断电。

主控计算机根据要跟踪的卫星状态信息生成相应的天线控制指令,主控计算机通
过串口实时发送天线控制指令给天线控制器,天线控制器接收到天线控制指令后调整卫星
天线与卫星之间的角度,实现对卫星天线的控制,使上行遥控信号的发送与下行信号的接
收都达到最佳状态。主控计算机通过通用网口将通信链路参数发送至USRP软件无线电设
备,USRP软件无线电设备根据链路参数对上行遥控信号、下行信号进行相应处理,进而实现
信号的调制与解调。主控计算机根据需要生成上行遥控指令,USRP软件无线电设备对上行
遥控指令进行接收、调制后经卫星天线发送至卫星,卫星收到指令后会执行相应的操作。此
外,卫星天线接收来自卫星的下行信号,经USRP软件无线电设备解调后下行信号可直接通
过网线接入主控计算机,由主控计算机对下行信号进行处理。

参照图2,主控计算机对卫星天线进行控制。本发明通过串口通信方式实现主控计
算机与卫星天线之间的通信,串口波特率默认9600bps,8N1格式。

主控计算机读取GPS时间:读取GPS接收机时间,并设置计算机时间,使得主控计算
机与星上时间保持一致。

主控计算机读取tle轨道参数文件:通过航天器信息网站(例如www.n2yo.com等),
搜索卫星名称可获得相应的tle轨道参数,并将其保存为tle轨道参数文件,文件应定期更
新。

主控计算机生成引导序列数据:根据tle轨道参数文件生成与该tle轨道参数文件
相对应卫星的引导序列数据。

卫星过顶时,主控计算机可根据引导序列数据和GPS时间生成相应的天线控制指
令,并通过串口发送给控制器接口。天线伺服机构可根据实时接收的天线控制指令自动调
整天线角度,使天线指向所需的俯仰角、方位角,从而达到要求的跟踪精度和跟踪速度,满
足上下行通信要求。

测控结束后,主控计算机会发送天线收纳指令,天线伺服机构接收指令后将卫星
天线收纳至保护位置。卫星天线角度除自动调整外,还具备手动调整功能(通过天线控制器
面板直接操作)。此外,控制器接口会实时返回卫星天线的状态信息给主控计算机,主控计
算机可根据天线状态信息实时显示天线俯仰角、方位角。

参照图2,主控计算机对USRP软件无线电设备进行控制。本发明通过集线器实现主
控计算机与USRP软件无线电设备之间的网络通信。

参数设置:通过主控计算机设置与USRP软件无线电设备相关的通信链路参数,通
信链路参数设置完成后通过网口可自动发送至USRP软件无线电设备。USRP软件无线电设备
根据接收到的通信链路参数自动调整自身的通信链路参数。通信链路中上下行调制解调方
式、频率及上行链路发射功率均可通过这种方式来进行设置。

调制与解调:USRP软件无线电设备的参数设置完成后,接入天线,主控计算机可根
据具体的通信协议生成相应的上行遥控指令并发送给USRP软件无线电设备,USRP软件无线
电设备对上行信号进行调制,调制后信号经卫星天线发送至卫星。此外,USRP软件无线电设
备对接收的下行信号进行解调后发送给主控计算机,主控计算机可根据具体协议对解调后
数据做更进一步的分析。

频率补偿:由于地面站与卫星的相对速度变化较大时,地面站与卫星之间的通信
频率会存在不可避免的多普勒频移。因此,在卫星过顶时主控计算机应根据卫星角度、高度
及上下行链路通信频率等信息,利用多普勒频移算法计算出多普勒频移,并将该频移值实
时传递给USRP软件无线电设备,USRP软件无线电设备再根据接收到的频移值,自动对上下
行通信频率进行补偿。

为与星上设备相匹配,通信上行链路采用声频频移键控(即Audio Frequency
Shift Keying,简称AFSK)调制方式,通信下行链路采用二相相移键控(即Binary Phase
Shift Keying,简称BPSK)调制方式。具体参数如表1所示:

表1通信链路参数

序号
参数名称
参数
1
上行链路通信频率
146MHz
2
上行信号调制方式
AFSK
3
上行信号发射功率
10dBm
4
下行链路通信频率
436MHz
5
下行信号调制方式
BPSK...

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图1
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