CN116094579A - 一种高低速协同的低轨卫星通信系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种高低速协同的低轨卫星通信系统和方法。所述系统包括：Ka相控阵天线、L接收天线、L发射天线和收发信机；Ka相控阵天线、L接收天线和L发射天线通信分别与收发信机通信连接；收发信机分别与星务组件和数传组件通信连接；L接收天线用于接收地面终端发送的L频段上行指令；地面终端包括地面L站和地面K站；L发射天线用于向指定的地面终端发送L频段下行低速数据，以及向服务区域内的地面终端广播导航数据；Ka相控阵天线用于向指定的地面终端发送Ka频段下行高速数据；收发信机用于将任务需求数据发送至对应的天线，以及将遥测、遥控数据发送至L发射天线。采用本方法能够实现广域广播以及点对点传输。

Description

一种高低速协同的低轨卫星通信系统和方法

技术领域

本申请涉及卫星通信技术领域，特别是涉及一种高低速协同的低轨卫星通信系统和方法。

背景技术

进入21世纪后，计算机、微机电、先进制造等行业的快速发展推动了通信技术和微小卫星技术升级换代，进而使得卫星通信成本的下降，低轨卫星通信星座凸显出广泛的应用前景。在卫星通信领域，由于相近频率上的信号干扰，原则上国际上不允许不同卫星通信系统共用频率，因此频率成为最为宝贵的资源，特别是对于低轨道卫星，相对较宽的带宽将有助于提升通信容量，同时卫星频段的合理调度对于资源的有效利用将更加关键。

根据应用方向和支持的业务，低轨通信卫星系统可以划分为移动和宽带两类。其中低轨移动通信卫星系统采用L、S低频段工作，以中低带宽业务为主，支持面向手持移动通信和低功耗小型化物联网服务；低轨宽带通信卫星系统又称为低轨高通量卫星系统，采用Ku、Ka、Q/V等高频段工作，卫星数量多，以中高速业务为主，支持互联网接入、网络节点互联以及基站回程等服务。通信系统作为通信卫星的核心系统，其设计将直接影响通信卫星的性能。随着技术的不断发展，通信卫星对于工作频段的兼容性要求也日益提高。

然而，传统通信系统往往采用单一的工作频段进行通信，很少有能够利用高频段和低频段协同工作的通信系统，为了满足通信卫星的发展需求，需要设计一种新的用于通信卫星的通信系统。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种高低速协同的低轨卫星通信系统和方法。

一种高低速协同的低轨卫星通信系统，所述系统包括：

Ka相控阵天线、L接收天线、L发射天线和收发信机；所述Ka相控阵天线、所述L接收天线和所述L发射天线通信分别与所述收发信机通信连接；所述收发信机分别与星务组件和数传组件通信连接；

所述L接收天线用于接收地面终端发送的L频段上行指令；所述地面终端包括地面L站和地面K站；

所述L发射天线用于向指定的地面终端发送L频段下行低速数据，以及向服务区域内的地面终端广播导航数据；

所述Ka相控阵天线用于向指定的地面终端发送Ka频段下行高速数据；

所述收发信机用于接收所述L频段上行指令，根据所述L频段上行指令得到任务需求数据，将所述任务需求数据发送至对应的天线，以及接收星务组件发送的遥测、遥控数据，将所述遥测、遥控数据发送至L发射天线；所述任务需求数据包括L频段下行低速数据或Ka频段下行高速数据。

在其中一个实施例中，还包括：所述收发信机还用于接收星务组件发送的波束指向调整信息以调整波束指向；所述波束指向调整信息包括卫星轨道信息、卫星位置信息和卫星姿态信息。

在其中一个实施例中，还包括：所述地面L站包括L中心站、L移动站和L便携终端；所述地面K站包括K中心站和K移动站。

在其中一个实施例中，还包括：所述系统的工作模式包括L波段的工作模式、Ka波段的工作模式和组合工作模式；所述L波段的工作模式包括L处理转发模式、L测控备份模式、L广播模式和L业务推送模式；L波段的工作模式分时进行工作；所述Ka波段的工作模式包括Ka数传模式；所述组合工作模式包括将Ka数传模式分别与L波段的四个工作模式进行组合得到的四种模式；所述组合工作模式中Ka数传模式与L波段的工作模式同时工作。

在其中一个实施例中，还包括：所述系统通过S测控链路控制模式或者L通信链路控制模式切换工作模式；所述S测控链路控制模式包括星务组件解析测控链路上注的控制指令，得到指令信息，通过CAN总线根据指令信息控制通信系统工作模式；所述L通信链路控制模式包括星务组件解析地面L站发送的遥控遥测模式控制指令，得到指令信息，通过CAN总线根据指令信息控制通信系统工作模式。

在其中一个实施例中，还包括：收发信机解析所述L频段上行指令，对应生成所需的一系列星务相关指令，转发所述星务相关指令至星务组件；所述星务相关指令包括数传固存回放指令和数传固存停止指令；数传组件的数据处理模块根据星务组件发送的数传固存回放指令和数传固存停止指令回放固存指定分区的存储数据，得到任务需求数据。

在其中一个实施例中，还包括：数传组件根据总线指令设定数传总线的通信速率，并根据设定后的通信速率与收发信机进行通信；所述数传组件根据四线制协议与收发信机进行通信；所述通信速率包括2Mbps、10Mbps和20Mbps。

在其中一个实施例中，还包括：所述收发信机通过星务总线与星务组件连接；所述星务总线包括CAN总线和

总线；所述CAN总线和

总线互为备份；所述收发信机通过数传总线与数传组件连接；所述数传总线包括LVDS总线。

在其中一个实施例中，还包括：L频段接口规范和Ka频段接口规范；所述L频段接口规范规定在L频段采用非相干直接序列扩频传输体制对数据进行传输，下行帧格式包括帧同步码和数据域，以及上行帧格式包括帧同步码和数据域；下行帧的数据域包括方式字、帧计数、原始数据和RS校验位；下行帧的原始数据包括遥测数据、原始数据和上注转发数据；上行帧的数据域包括方式字、原始数据和校验位域，上行帧的原始数据包括星务数据和上注转发；所述Ka频段接口规范规定Ka频段的数传帧格式包括同步字、版本号、航天器标识符、虚拟信道标识符、虚拟信道数据帧计数、信令域、VCDU数据单元和VCDU校验域。

一种高低速协同的低轨卫星通信方法，所述方法包括：

接收地面终端的L频段上行指令；

根据所述L频段上行指令得到L频段下行低速数据或Ka频段下行高速数据，将所述L频段下行低速数据发送至L发射天线，将所述Ka频段下行高速数据发送至Ka相控阵天线，以实现点对点通信；

获取遥测数据和遥控数据，根据所述遥测数据和遥控数据得到导航数据，通过L发射天线向服务区域内的地面终端广播所述导航数据。

上述高低速协同的低轨卫星通信系统和方法，通过在空间段设置L收发天线、Ka相控阵天线，并在地面终端设置地面L站和地面Ka站，提供兼容高频段和低频段工作的通信系统，收发信机可实现与星务组件和数传组件之间的通信，从而使得通信系统能够利用高、低速数据传输速率协同作业。本发明实施例，通信系统能够提供标准的上行链路和下行链路业务，上行链路提供向天基平台可靠性指令传输的业务，下行链路既可以实现广域广播，又可以实现点对点传输，提供向空、地、海平台传送数据的业务。

附图说明

图1为一个实施例中高低速协同的低轨卫星通信系统的结构框图；

图2为一个实施例中高低速协同的低轨卫星通信系统概要组成示意图；

图3为一个实施例中L处理转发模式的信息流示意图；

图4为一个实施例中L测控备份模式的信息流示意图；

图5为一个实施例中L广播模式的信息流示意图；

图6为一个实施例中Ka数传模式的信息流示意图；

图7为一个实施例中下行4Kbps处理流程示意图；

图8为一个实施例中下行32Kbps处理流程示意图；

图9为一个实施例中上行处理流程示意图；

图10为一个实施例中RS（255,223）编码器工作原理图示意图；

图11为一个实施例中交织深度为4时的RS编码框图；

图12为一个实施例中无交织时的RS编码框图；

图13为一个实施例中卷积（2,1,7）的原理示意图；

图14为一个实施例中下行帧格式的结构示意图；

图15为一个实施例中上行帧格式的结构示意图；

图16为一个实施例中L频段接口规范规定的扰码逻辑示意图；

图17为一个实施例中数传组件与收发信机的接口示意图；

图18为一个实施例中数传组件输出给收发信机通信的接口时序图；

图19为一个实施例中数传帧格式说明示意图；

图20为一个实施例中Ka数据信息流示意图；

图21为一个实施例中Ka频段接口规范规定的加扰逻辑图；

图22为一个实施例中接收高低速协同的低轨卫星通信系统LVDS接口电路示意图；

图23为一个实施例中高低速协同的低轨卫星通信方法的流程示意图；

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

高低速协同的低轨卫星通信系统是一种全双工、抗干扰的终端设备，工作在L频段和Ka频段，可提供“标准”的上行链路和下行链路业务：上行链路提供向天基平台可靠性指令传输的业务，上行指令包括卫星遥控指令和地面终端任务指令；下行链路既可以广域广播，又可以点对点传输，提供向空、地、海平台传送数据的业务。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种高低速协同的低轨卫星通信系统，包括：

Ka相控阵天线、L接收天线、L发射天线和收发信机；Ka相控阵天线、L接收天线和L发射天线通信分别与收发信机通信连接；收发信机分别与星务组件和数传组件通信连接；

L接收天线用于接收地面终端发送的L频段上行指令；地面终端包括地面L站和地面K站；

L发射天线用于向指定的地面终端发送L频段下行低速数据，以及向服务区域内的地面终端广播导航数据；

Ka相控阵天线用于向指定的地面终端发送Ka频段下行高速数据；

收发信机用于接收L频段上行指令，根据L频段上行指令得到任务需求数据，将任务需求数据发送至对应的天线，以及接收星务组件发送的遥测、遥控数据，将遥测、遥控数据发送至L发射天线；任务需求数据包括L频段下行低速数据或Ka频段下行高速数据。

其中，天线置于舱外，L收发天线主要负责L频段数据的收发，Ka相控阵天线主要负责Ka射频信号的放大与幅相控制并送至地面，Ka相控阵天线包括发射组件、天线阵列和外接构件，收发信机置于舱内，完成通信系统一次电源处理，完成与星务组件、数传组件的接口通信、与星务中心计算机的接口通信、数据的调制编码、通道信号上下变频处理、波束指向控制处理等功能，收发信机包括电源、基带、Ka发射通道和L收发通道。本发明的通信系统所配置的硬件设备包括收发信机、Ka相控阵天线、L接收天线、L发射天线、Ka发射高频电缆、L发射高频电缆和L接收高频电缆，配套软件为通信系统处理软件，置于收发信机中。

上述高低速协同的低轨卫星通信系统中，通过在空间段设置L收发天线、Ka相控阵天线，并在地面终端设置地面L站和地面Ka站，提供兼容高频段和低频段工作的通信系统，收发信机可实现与星务组件和数传组件之间的通信，从而使得通信系统能够利用高、低速数据传输速率协同作业。本发明实施例，通信系统能够提供标准的上行链路和下行链路业务，上行链路提供向天基平台可靠性指令传输的业务，下行链路既可以实现广域广播，又可以实现点对点传输，提供向空、地、海平台传送数据的业务。

上述高低速协同的低轨卫星通信系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

高低速协同的低轨卫星通信系统具备的功能包括数据低速分发功能、数据低速广播功能、数据高速分发功能、上行低速接收功能和状态监控及星务指令处理功能，发射通道具备对基带数据的信道编码、加扰、调制、放大、滤波、发射的功能，接收通道具备对射频信号接收、滤波、放大、解调、解扰、信道解码，得到基带信息的功能。数据低速分发功能指的是根据地面终端数据需求，向终端发送L频段下行低速数据，数据低速广播功能指的是主动向地面终端发送L频段下行的低速数据，数据高速分发功能指的是根据地面终端数据需求，向终端发送Ka频段下行高速数据，并能根据终端位置信息，通过波束捷变向多个用户提供服务，上行低速接收功能指的是接收解调来自地面终端的L频段上行低速指令、格式化数据等，并完成上行指令解析响应和数据缓存转发，与星务相关指令通过CAN总线传送给星务组件，状态监控及星务指令处理功能指的是完成工作状态信息的采集，并发送给星务组件处理；接收来自星务组件的指令信息，对自身工作状态进行控制。

在一个实施例中，收发信机通过星务总线与星务组件连接；星务总线包括CAN总线和

总线；CAN总线和

总线互为备份；收发信机通过数传总线与数传组件连接；数传总线包括LVDS总线。

在本实施例中，收发信机与星务组件的接口关系包括：高低速协同的低轨卫星通信系统通过接收星务提供的2条OC指令来完成设备开机与关机；高低速协同的低轨卫星通信系统的遥测、遥控数据通过星务总线传输，总线形式为CAN总线、

总线互为备份。CAN总线通信速率500kbps，物理层符合CAN技术规范2.0A，链路层符合CAN技术规范2.0A，

总线通信速率220kbps；星务计算机还须向高低速协同的低轨卫星通信系统反馈卫星轨道、位置、姿态等辅助通信系统进行波束指向调整的必要信息；其它接口要求须符合“CAN总线通信协议”、“

总线通信协议”、“星务分系统与通信系统数据约定”和IDS表要求。收发信机与数传的接口关系为高低速协同的低轨卫星通信系统数据可由数传组件根据指令从存储区回放；高低速协同的低轨卫星通信系统与数传组件的接口方式为LVDS接口，通信速率可在2Mbps/10Mbps/20Mbps之间切换，包含门控、IQ数据、时钟四路信号。

在一个实施例中，收发信机还用于接收星务组件发送的波束指向调整信息以调整波束指向；波束指向调整信息包括卫星轨道信息、卫星位置信息和卫星姿态信息。

在本实施例中，高低速协同的低轨卫星通信系统由区域移动波束和广域覆盖波束组成，主要完成任务上注、数据广域播发、数据定向播发等任务，是遂行卫星应用信息服务保障的重要组成部分。利用区域移动波束能够实现点对点通信，利用广域覆盖波束能够实现通信导航数据的广域广播。

在一个实施例中，如图2所示，提供了一种高低速协同的低轨卫星通信系统概要组成示意图，地面L站包括L中心站、L移动站和L便携终端；地面K站包括K中心站和K移动站。在本实施例中，卫星通信系统由空间部分（卫星）与地面用户组成，根据系统总体任务需求，卫星通信系统分为：Ka发射链路、L发射链路、L接收链路；地面用户终端类型分为：L中心站（固定式）、Ka中心站（固定式）、L移动站、Ka移动站、L便携终端。

在一个实施例中，系统的工作模式包括L波段的工作模式、Ka波段的工作模式和组合工作模式；L波段的工作模式包括L处理转发模式、L测控备份模式、L广播模式和L业务推送模式；L波段的工作模式分时进行工作；Ka波段的工作模式包括Ka数传模式；组合工作模式包括将Ka数传模式分别与L波段的四个工作模式进行组合得到的四种模式；组合工作模式中Ka数传模式与L波段的工作模式同时工作。

具体地，如图3所示，提供了一种L处理转发模式的信息流示意图，通信链路L波段下行发射速率默认为4Kbps，当需要分发上注数据时，直接将待分发数据按规定的格式进行下发广播，如没有需要下发的广播数据，则按规定的格式下发速率为4Kbps的空闲数据，当通信链路工作在L处理转发模式时，可以将地面终端上注的广播数据按规定的格式下发广播。

如图4所示，提供了一种L测控备份模式的信息流示意图，当通信系统工作于L测控备份模式时，主要完成对S测控链路的备份，实现对星上遥测信息的下传，地面L站负责对下行信息的接收，并通过地面网络将接收到的遥控遥测信息传递至S测控中心，由测控中心统一完成对信息的解析与评估。当通信系统工作L测控备份模式时，通信系统通过CAN总线接收整星遥测，按规定的格式，进行4Kbps信息速率下发。

如图5所示，提供了一种L广播模式的信息流示意图，当通信系统工作L广播模式时，即可支持星上原始数据经通信链路处理后，按规定的格式进行直接广播，以提高业务信息的实时性。直接广播速率为4Kbps。当通信系统工作在L广播模式时，通信系统通过LVDS接收数传通信系统发送的1Mbps数据流，并将数据进行存储，对其存储进行分析，提取数据后，按规定的格式及控制指令，进行4Kbps信息速率下发。

L业务推送模式的信息流可参照L广播模式，但在L业务推送模式下下行速率为32Kbps。

如图6所示，提供了一种Ka数传模式的信息流示意图，由于通信系统Ka链路为相控阵体制，天线波束为区域波束且波束指向可在±60°区域内灵活截变，因此，通信系统Ka链路为被动式受控链路，当通信系统工作于Ka数传模式时，一方面可作为X数传高速链路的备份链路，另一方面可重复利用Ka链路波束指向的灵活性，实现对特定业务的定点推送，包括为移动站或中心站进行业务推送。当通信系统工作Ka数传模式时，通信系统通过LVDS接收数传通信系统发送的2Mbps或20Mbps数据流，通过DA输出至Ka相控阵天线进行下发。相控阵天线波束根据通信系统对星务输入的卫星的位置信息和地面上注的地面站位置信息进行计算，实时将相控阵天线波束指向地面站。

在一个实施例中，系统通过S测控链路控制模式或者L通信链路控制模式切换工作模式；S测控链路控制模式包括星务组件解析测控链路上注的控制指令，得到指令信息，通过CAN总线根据指令信息控制通信系统工作模式；L通信链路控制模式包括星务组件解析地面L站发送的遥控遥测模式控制指令，得到指令信息，通过CAN总线根据指令信息控制通信系统工作模式。

在本实施例中，当通信系统工作在其它模式时，可以通过S测控链路控制模式和L通信链路控制模式切换至目标工作模式。其中，S测控链路控制模式需由测控链路上注控制指令，属于间接控制模式，L通信链路控制模式在卫星处于境内时，由地面L站发送遥控遥测模式控制指令，属于直接控制模式。总线指令如表1所示：

表1 总线指令

在一个实施例中，根据L频段上行指令得到任务需求数据包括：收发信机解析L频段上行指令，对应生成所需的一系列星务相关指令，转发星务相关指令至星务组件；星务相关指令包括数传固存回放指令和数传固存停止指令；数传组件的数据处理模块根据星务组件发送的数传固存回放指令和数传固存停止指令回放固存指定分区的存储数据，得到任务需求数据；系统还包括：数传组件根据总线指令设定数传总线的通信速率，并根据设定后的通信速率与收发信机进行通信。

在本实施例中，数传组件根据四线制协议与收发信机进行通信，通信速率包括2Mbps、10Mbps和20Mbps。

高低速协同的低轨卫星通信系统特征参数具体包括：

（1）工作频段：L频段上行中心频点为1600MHz，信号带宽为5MHz；L频段下行中心频点为1500MHz，信号带宽为5MHz；Ka频段中心频点为22.5GHz，信号带宽为40MHz。

（2）调制方式：L频段上行调制方式为BPSK+CDMA直接序列扩频，扩频码速率为2.046MHz，扩频码长为1023，扩频码类型为GOLD；L频段下行调制方式为BPSK+CDMA直接序列扩频，扩频码速率为2.046MHz，扩频码长为1023，扩频码类型为GOLD；Ka频段下行调制方式为QPSK。

（3）误码率

。

（4）速率需求：L频段速率需求：L频段上行接收速率为4kbps；L频段下行发送速率为32kbps以及4kbps；Ka频段速率需求：Ka频段下行发送速率为2Mbps以及10Mbps/20Mbps。

（5）发射性能：

L频段

(俯仰角0°~68°方位角0°~360°，对地赋形)；

①发射功率≥4W；

②天线极化方式：左旋圆极化；

③天线方向图：

处增益不小于

；

④频率稳定度：载波频率准确度优于

，载波频率短期稳定度优于

；

⑤通道特性：发射通道调制信号幅度不平衡度优于

，发射通道调制信号相位不平衡度优于±4°，发射通道调制信号谐波抑制度为

以外不小于35dB；

Ka频段EIRP：

（0°法线），

（±30°），

(±60°)；

①发射功率：输出功率具备随温度调节并满足上述EIRP要求的能力；

②天线极化方式：左旋圆极化；

③频率稳定度：载波频率准确度优于

，载波频率短期稳定度：优于

；

④通道特性：发射通道调制信号幅度不平衡度优于

，发射通道调制信号相位不平衡度优于

，发射通道调制信号载波抑制度为

以外不小于40dB。

（6）接收特性（L频段）：

天线极化方式：右旋圆极化；

天线方向图：

处增益不小于

；

通道特性：接收灵敏度

（信息速率4kbps，多普勒接收最大

，多普勒变化率

），接收误码率

。

（7）动态范围：L接收（4kbps）：40dB。

（8）抗同频干扰：优于7dB（4kbps速率）。

（9）捕获时间≤4s。

（10）捕获概率≥0.9；

（11）星上端到端处理时延（信息透传时，L接收到L发送的时延）

；

（12）L频段与Ka频段的相位噪声参数如表2所示：

表2 相位噪声参数

高低速协同的低轨卫星通信系统的协议规范包括L频段接口规范和Ka频段接口规范：

L频段接口规范规定了卫星通信系统L频段数据传输链路的工作频率、传输速率、传输体制、链路性能、射频特性、信道特性等技术要求，是星地链路各组成单元论证、设计、制定研制要求和接口控制文件的基本依据。

（1）传输速率：本规范所定义传输速率是指调制解调器输出端口的数据速率。下行链路速率档包括编码调制数据流速率1和编码调制数据流速率2，编码调制数据流速率1为8Kbps，编码调制数据流速率2为64Kbps。上行链路速率档的编码调制数据流速率为8Kbps。

（2）传输体制：如图7所示，提供了一种下行4Kbps处理流程示意图，如图8所示，提供了一种下行32Kbps处理流程示意图，如图9所示，提供了一种上行处理流程示意图，采用非相干直接序列扩频（DS）传输体制，具体地，格式化方式包括加方式字和帧计数，极化方式为圆极化（下行左旋、上行右旋）；调制/解调方式为PCM-CDMA-PSK；PCM码型为NRZ-L；伪码码型为平衡GOLD码；伪码长度为

；扩频码速率为2.046Mcps；信道编码为RS（223、255）+卷积（2、1、7）；加扰方式为PN8扰码。

信道编码为RS（223、255）+卷积（2、1、7），其中，RS编码选用(255,223)，符号长度8，纠错能力16，对偶基，下行链路交织深度4，上行链路无交织。如图10所示，提供了一种RS（255,223）编码器工作原理图示意图，如图11所示，提供了一种交织深度为4时的RS编码框图，如图12所示，提供了一种无交织时的RS编码框图，具体参数要求包括：每个R-S码元的位数为J=8；一个R-S码字内RS码元的纠错能力为E=16；每个编码字包含255个码元；域生成多项式为：

(在GF(2)上定义)；

码生成多项式为

(在GF(28)上定义，F(α)=0)，下行链路四级交错，上行链路无交织，符号采用对偶基表示。

如图13所示，提供了一种卷积（2,1,7）的原理示意图，CONV（2,1,7）的码生成矢量：G1=1111001，G2=1011011。如图14所示，提供了一种下行帧格式的结构示意图，引导码总长为1秒，其中前750ms为全1，后250ms为0和1比特交替。数据帧包括帧同步码和数据域，帧同步码：1ACFFC1D，帧同步码长度为4Byte；数据域包括方式字、帧计数、原始数据和RS校验位，数据域总长度为1020Byte，其中，方式字：遥测数据为CC，原始数据为33，上注转发为66，无效数据为99，方式字长1Byte，帧计数用于数据帧计数，原始数据类型包括遥测数据（长度待确认）、原始数据（格式待定）和上注转发数据（格式待定），超过890Byte则多帧传输，不足890Byte则后续数据为AA。

如图15所示，提供了一种上行帧格式的结构示意图，引导码总长度为1秒，前750ms为全1，后250ms为0和1比特交替。数据帧包括帧同步码和数据域，帧同步码：1ACFFC1D，帧同步码长度为4Byte；数据域包括方式字、原始数据和校验位域，数据域总长度为255Byte，其中，方式字：星务数据为CC，上注转发为66，方式字长1Byte，原始数据主要包括星务数据和上注转发，长度及格式待确认，超过222Byte则组帧传输，不足222Byte则后续数据为AA。

加扰方式为PN8扰码加扰处理，为产生足够多比特跳变以利于接收端实现位同步，发送端通过伪随机序列与输入数据模2加实现加扰处理，加扰处理以每个传送帧或编码传输帧为单位进行，当对每个传送帧或编码传送帧开始进行加扰时，移位寄存器状态置为初始状态。

a)伪随机序列生成多项式

伪随机序列通过下面的多项式产生：

；

b)加扰逻辑，L频段接口规范规定的扰码逻辑示意图如图16所示。

Ka频段接口规范：

（1）接口形式：卫星数传组件在星务的控制调配下，配合高低速协同的低轨卫星通信系统完成通信系统的功能验证。数传组件与收发信机的接口示意图如图17所示。数传组件输出给收发信机的通信接口采用LVDS形式，其中数传组件为输出方，收发信机为接收方。数传组件输出给收发信机通信的接口时序图如图18所示。

a、数传组件输出门控（EN）、I和Q两路数据和CLK码钟四路信号，接口信号为LVDS电平；

b、时钟：频率1/5/10MHz，为连续时钟，占空比45～55％，时钟频率通过总线指令进行切换，默认为1Mhz；

c、门控：低电平对应有效数据，高电平对应无效数据，EN对应完成的传输帧；

d、IQ数据：数据以字节为单位进行发送。多字节数据发送时高字节在前，低字节在后，本字节发送时，高位在前低位在后。例如发送数据“0x1ACF”，按照“0001101011001111”顺序发送，I路数据的顺序为“0011 1011”，Q路的顺序为“0100 1011”；

（2）工作模式：数传组件与通信系统的交互主要有如下两种工作模式。

表3 数传组件与高低速协同的低轨卫星通信系统交互的工作模式

通信回放模式：根据任务需求，当需要数传组件从固存中回放数据给高低速协同的低轨卫星通信系统时，需要先通过总线指令设定输出给高低速协同的低轨卫星通信系统的通信速率（2Mbps、10Mbps、20Mbps三档，默认为2Mbps），再通过回放指令将FLASH中的数据回放给收发信机通信。FLASH中的通信系统数据是经过LDPC编码后，以1024字节为一帧进行存储的，数传帧格式说明示意图如图19所示。帧长为1024字节，VCDU数据有效区位886字节，LDPC编码校验码为128字节，具体情况如下所示：

（1）同步字：“1ACFFC1D”

（2）版本号：“01”

（3）航天器标识符SCID（共8bit）；

（4）虚拟信道标识符VCID（共6bit）为：

“001001”表示“红外相机通信系统数据”；

“010010”表示“综合无线电通信系统数据”；

“100100”表示“复眼相机通信系统数据”；

“101010”表示“填充帧（数据域为55H）”；

（5）虚拟信道数据帧计数：虚拟信道上产生的传输帧按顺序编号，数值为“

”，填充帧也进行单独计数；

（6）信令域：

工作模式标识：

“b7”——回放标志，1表示回放传输帧，0表示实时传输；

备用标识：

“b6~b5”——明密标志，“00”表示明态（默认），“11”表示密态；

“b4~b0”——填充“00000”。

（7）VCDU数据单元：有效数据区，内容为通信系统的实时数据或回放数据，填充帧时为55H；

（8）VCDU校验域：校验码为128字节，采用LDPC（8160、7136）编码后的128字节校验码。

如图20所示，提供了一种Ka数据信息流示意图，FLASH中的数据读取后，再按照数传信息处理流程，完成加扰、串并转换、差分编码处理，最终以约定的四线制协议输出LVDS数据给收发信机通信。通信系统对输出的数据进行QPSK调制后，通过相控阵天线下发。另外，对传输数据的位序号进行约定，字节内高比特先传，多字节情况下高字节先传。以同步头1ACFFC1D为例，输出比特流（共32比特）为00011010110011111111110000011101。

其中，回放的具体过程包括：发送总线“数传固存1/2/3/4区回放”指令,数据处理FPGA将指定分区进行从头顺序回放，直到接收“数传固存停止”指令，将会停止回放，并记录当前回放地址，下次需要该区再次回放时，将从该地址往后进行回放，若没接收到“数传固存停止”指令时，将继续进行回放，直到回放到结束地址，然后又从头到结束地址的区间进行循环回放。

加扰的具体过程包括：将下传的串行数据流按CCSDS标准进行加扰，加扰多项式为

（CCSDS），加扰多项式初相为全‘1’，Ka频段接口规范规定的加扰逻辑图如图21所示，加扰处理以每个帧结构单元为单位进行，仅对数据帧格式加扰，同步头不加扰。从码块或传送帧的首位开始，每255bit后重复。在每个同步标志周期内，该序列产生器重新初始化为“全1”状态。这个序列的最初40位为：

；

串并转换及差分编码的具体过程包括：串并转换将收到的串行数据分为奇偶两路，并将其中一路延时一比特，使前后两个码元对齐。差分编码逻辑关系如下：

当前一对输出的码元相同时，即

,有：

；

；

当前一对输出的码元不同时，即

,有：

；

；

其中，

，

是编码器当前输出，

，

是编码器当前输入，

，

是编码器前一时刻输出。

辅助记录模式：当接收到星务计算机的“辅助记录”指令时，数传组件的数据处理FPGA在存储高低速协同的低轨卫星通信系统数据的同时，将高低速协同的低轨卫星通信系统的LVTLL电平信号不加处理直接分路给数传与通信的接口。

数传组件与收发信机的接口形式为LVDS接口。数传接口器件采用SN65LVD32D(接收)，通信采用SN65LVD31D(接收)。接收高低速协同的低轨卫星通信系统LVDS接口电路示意图如图22所示。

a、通信系统输出门控（SYN）、数据（DATA）和CLK码钟三路信号，接口信号为LVDS电平，通信系统向数传提供的时序图如图21；

b、时钟：频率5MHz，为连续时钟，占空比45～55％；

c、门控：低电平对应有效数据，高电平对应无效数据；

d、数据：1bit，码速率5Mbps，数据以字节为单位进行发送。多字节数据发送时高字节在前，低字节在后，本字节发送时，高位在前低位在后。例如发送数据“0x1ACF”，按照“0001101011001111”顺序发送；

e、钟码时延：门控和数据跳变沿对齐时钟上升沿±2ns。

在转发过程中，数传不对高低速协同的低轨卫星通信系统数据进行处理，直接将原始数据转发给收发信机。由于收发信机为三线制，而数传与收发信机之间为四线制。因此约定：收发信机输入的门控（SYN）、数据（DATA）和CLK码钟三路信号分别对应输出组件输出给收发信机接口的门控（EN）、I数据和CLK码钟三路信号，Q路数据置“1”。

在一个实施例中，如图23所示，提供了一种高低速协同的低轨卫星通信方法，包括以下步骤：

S1，接收地面终端的L频段上行指令。

S2，根据L频段上行指令得到L频段下行低速数据或Ka频段下行高速数据，将L频段下行低速数据发送至L发射天线，将Ka频段下行高速数据发送至Ka相控阵天线，以实现点对点通信。

S3，获取遥测数据和遥控数据，根据遥测数据和遥控数据得到导航数据，通过L发射天线向服务区域内的地面终端广播导航数据。

应该理解的是，虽然图22的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图22中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

关于高低速协同的低轨卫星通信方法的具体限定可以参见上文中对于高低速协同的低轨卫星通信系统的限定，在此不再赘述。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种高低速协同的低轨卫星通信系统，其特征在于，所述系统包括：

Ka相控阵天线、L接收天线、L发射天线和收发信机；所述Ka相控阵天线、所述L接收天线和所述L发射天线通信分别与所述收发信机通信连接；所述收发信机分别与星务组件和数传组件通信连接；

所述L接收天线用于接收地面终端发送的L频段上行指令；所述地面终端包括地面L站和地面K站；

所述L发射天线用于向指定的地面终端发送L频段下行低速数据，以及向服务区域内的地面终端广播导航数据；

所述Ka相控阵天线用于向指定的地面终端发送Ka频段下行高速数据；

所述收发信机用于接收所述L频段上行指令，根据所述L频段上行指令得到任务需求数据，将所述任务需求数据发送至对应的天线，以及接收星务组件发送的遥测、遥控数据，将所述遥测、遥控数据发送至L发射天线；所述任务需求数据包括L频段下行低速数据或Ka频段下行高速数据。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述收发信机还用于接收星务组件发送的波束指向调整信息以调整波束指向；所述波束指向调整信息包括卫星轨道信息、卫星位置信息和卫星姿态信息。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述地面L站包括L中心站、L移动站和L便携终端；所述地面K站包括K中心站和K移动站。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统的工作模式包括L波段的工作模式、Ka波段的工作模式和组合工作模式；

所述L波段的工作模式包括L处理转发模式、L测控备份模式、L广播模式和L业务推送模式；L波段的工作模式分时进行工作；

所述Ka波段的工作模式包括Ka数传模式；

所述组合工作模式包括将Ka数传模式分别与L波段的四个工作模式进行组合得到的四种模式；所述组合工作模式中Ka数传模式与L波段的工作模式同时工作。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统通过S测控链路控制模式或者L通信链路控制模式切换工作模式；

所述S测控链路控制模式包括星务组件解析测控链路上注的控制指令，得到指令信息，通过CAN总线根据指令信息控制通信系统工作模式；

所述L通信链路控制模式包括星务组件解析地面L站发送的遥控遥测模式控制指令，得到指令信息，通过CAN总线根据指令信息控制通信系统工作模式。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述根据所述L频段上行指令得到任务需求数据包括：

收发信机解析所述L频段上行指令，对应生成所需的一系列星务相关指令，转发所述星务相关指令至星务组件；所述星务相关指令包括数传固存回放指令和数传固存停止指令；

数传组件的数据处理模块根据星务组件发送的数传固存回放指令和数传固存停止指令回放固存指定分区的存储数据，得到任务需求数据。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

数传组件根据总线指令设定数传总线的通信速率，并根据设定后的通信速率与收发信机进行通信；所述数传组件根据四线制协议与收发信机进行通信；所述通信速率包括2Mbps、10Mbps和20Mbps。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述收发信机通过星务总线与星务组件连接；所述星务总线包括CAN总线和

总线；所述CAN总线和

总线互为备份；

所述收发信机通过数传总线与数传组件连接；所述数传总线包括LVDS总线。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统的协议规范包括：

L频段接口规范和Ka频段接口规范；

所述L频段接口规范规定在L频段采用非相干直接序列扩频传输体制对数据进行传输，下行帧格式包括帧同步码和数据域，以及上行帧格式包括帧同步码和数据域；下行帧的数据域包括方式字、帧计数、原始数据和RS校验位；下行帧的原始数据包括遥测数据、原始数据和上注转发数据；上行帧的数据域包括方式字、原始数据和校验位域，上行帧的原始数据包括星务数据和上注转发；

所述Ka频段接口规范规定Ka频段的数传帧格式包括同步字、版本号、航天器标识符、虚拟信道标识符、虚拟信道数据帧计数、信令域、VCDU数据单元和VCDU校验域。

10.一种高低速协同的低轨卫星通信方法，其特征在于，所述方法包括：

接收地面终端的L频段上行指令；

根据所述L频段上行指令得到L频段下行低速数据或Ka频段下行高速数据，将所述L频段下行低速数据发送至L发射天线，将所述Ka频段下行高速数据发送至Ka相控阵天线，以实现点对点通信；

获取遥测数据和遥控数据，根据所述遥测数据和遥控数据得到导航数据，通过L发射天线向服务区域内的地面终端广播所述导航数据。

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