基于TD-LTE的衛(wèi)星導(dǎo)航通信一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張曉輝 南京六九零二科技有限公司

1 TD-LTE 概論

TD-LTE是通信行業(yè)嘗試使用的技術(shù)之一，它的結(jié)構(gòu)特殊，編解碼器和其他傳統(tǒng)的正交頻率技術(shù)不同。同時(shí)，為了提高技術(shù)的穩(wěn)定性和使用頻率，優(yōu)化系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)訪問速度和應(yīng)用過程，降低了技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)值。TD-LTE技術(shù)不斷發(fā)展，在2013年與中國移動(dòng)建立了合作關(guān)系，正式進(jìn)入中國市場，并廣泛應(yīng)用于芯片領(lǐng)域和電網(wǎng)系統(tǒng)領(lǐng)域。TD-LTE對(duì)控制面板和系統(tǒng)的要求低，對(duì)電網(wǎng)配置的要求不高。在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，它比傳統(tǒng)技術(shù)更容易，因?yàn)樗鼘?duì)用戶區(qū)域沒有太多限制，并且對(duì)范圍沒有明確的定義，這為規(guī)劃提供了更方便的方法。

為了有效地利用頻譜，傳統(tǒng)TD系統(tǒng)的頻譜利用率很低，不利于信號(hào)傳輸，TD-LTE可以有效避免此類問題。為保證用戶服務(wù)質(zhì)量，并在實(shí)踐中應(yīng)用TD-LTE，可以改善固定區(qū)域內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，阻斷周圍干擾，更好地為周圍用戶服務(wù)。使用傳統(tǒng)的智能系統(tǒng)適應(yīng)現(xiàn)場，不能合理地了解哪種場景適合哪種TD系統(tǒng)，而是需要根據(jù)情況確定，TD-LTE系統(tǒng)有效地解決了這些問題。在每種情況下，保持系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 模塊設(shè)計(jì)

基于Space VPX標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的微衛(wèi)星導(dǎo)航與通信集成系統(tǒng)，可以滿足通用性，可靠性和可重用性的要求。Space VPX是針對(duì)嵌入式計(jì)算行業(yè)的OpenVPX標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)。Space VPX標(biāo)準(zhǔn)將背板總線劃分為數(shù)據(jù)層，擴(kuò)展層，控制層，用戶層等，用于滿足不同級(jí)別的應(yīng)用程序需求。集成的微衛(wèi)星導(dǎo)航和通信系統(tǒng)主要包括模式確定，模式切換，數(shù)據(jù)發(fā)送，遠(yuǎn)程控制接收等。功能和資源管理的集成系統(tǒng)包括獨(dú)立的測控和數(shù)字傳輸功能以及傳統(tǒng)衛(wèi)星設(shè)計(jì)中的分散設(shè)備。測控子系統(tǒng)的主要功能是遙測，遠(yuǎn)程控制和測量。數(shù)字分配子系統(tǒng)的主要功能是負(fù)載數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分配。衛(wèi)星導(dǎo)航測量功能主要基于導(dǎo)航模塊。在應(yīng)急模式下，通信模塊采用傳統(tǒng)的USB測控模式，簡化了系統(tǒng)，提高了可靠性。系統(tǒng)中的一些模塊還可以作為衛(wèi)星平臺(tái)的其他功能。整個(gè)系統(tǒng)的核心控制模塊主要完成：各模塊的調(diào)度管理、工作模式切換、星型管理等。

2.2 數(shù)據(jù)協(xié)議設(shè)計(jì)

考慮到通信的可靠性和傳輸效率，提出衛(wèi)星數(shù)據(jù)流通信協(xié)議采用ccsds分包遙測和分包遙控格式，鏈路層采用ccsds-aos幀協(xié)議。下面的行數(shù)據(jù)格式作為示例進(jìn)行了說明。ccsds aos幀協(xié)議長度固定在1024b，使用rs編碼和糾錯(cuò)算法。它是為滿足不同類型的任務(wù)數(shù)據(jù)傳輸需求而設(shè)計(jì)的。由于系統(tǒng)集成度高，涉及的數(shù)據(jù)類型很多，包括多個(gè)遙測源包、多個(gè)加載數(shù)據(jù)包、導(dǎo)航數(shù)據(jù)包、測量數(shù)據(jù)包和時(shí)間碼信息。通過定義和區(qū)分aos框架中的虛擬通道、插入域、數(shù)據(jù)域等，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的有效集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)議的集成和通用。

2.3 導(dǎo)航通信模塊

下行遙測負(fù)荷數(shù)據(jù)采集、分組、分組幀及存儲(chǔ)管理，上行遙控指令分析、解碼輸出執(zhí)行等。接收導(dǎo)航模塊輸出的位置、時(shí)間、軌跡等信息，推送并調(diào)整軌跡。核心控制模塊處理器和現(xiàn)場可編程門陣列采用智能融合2系列M2 S150型號(hào)的SoC型現(xiàn)場可編程門陣列，內(nèi)部嵌入式166MHz 32位ARM CortexM3硬核處理器，可計(jì)算1.24dmips/MHz。同時(shí)，該系列對(duì)空間單粒子翻轉(zhuǎn)具有免疫性。外部配置128 GB NAND閃存，用于存儲(chǔ)有效負(fù)載數(shù)據(jù)。星型軟件的初始版本存儲(chǔ)在片外反熔絲prom中，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，任務(wù)版本存儲(chǔ)在flash中，任務(wù)可重構(gòu)。通信模塊采用軟件無線電架構(gòu)，可配置調(diào)制算法、工作頻率和數(shù)據(jù)速率，主要完成上行數(shù)據(jù)接收解調(diào)、直接指令解碼執(zhí)行、下行數(shù)據(jù)編碼調(diào)制等功能。

3 系統(tǒng)的實(shí)施和應(yīng)用

根據(jù)任務(wù)剖面劃分和工作條件，軟件設(shè)計(jì)分為五種工作模式：正常模式、遙測模式、在軌模式、備份模式和應(yīng)急模式。各模式軟件的工作狀態(tài)描述如下：

在軌模式：通信模塊工作在USB模式，專注于地面監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，完成遙測、遙控和測量功能，導(dǎo)航模塊是輔助測量。

正常模式：導(dǎo)航模塊數(shù)據(jù)完成衛(wèi)星測量功能；通信模塊工作在高速數(shù)字傳輸模式下，不具備測量功能。它用于接收遙控指令和下行鏈路遙測和負(fù)載數(shù)據(jù)。

遙測模式：導(dǎo)航模塊數(shù)據(jù)完成衛(wèi)星測量功能，通信模塊工作在低速數(shù)字傳輸方式，不具備測量功能。用于接收遙控指令和下行鏈路遙測數(shù)據(jù)。

備份模式：導(dǎo)航模塊故障，通信模塊間歇工作在高速數(shù)字傳輸和USB模式下，完成測控和數(shù)據(jù)下行鏈路加載功能。

應(yīng)急模式：通信模塊工作在USB模式，地面測控網(wǎng)絡(luò)測量；導(dǎo)航模塊關(guān)閉。

模式切換策略為：為保證衛(wèi)星在軌初期初始狀態(tài)的可靠建立，遙測、遙控、測量工作主要在地面測控網(wǎng)進(jìn)行，輔以導(dǎo)航數(shù)據(jù)測量進(jìn)行地面對(duì)比分析。衛(wèi)星建立正常狀態(tài)后，軟件進(jìn)入正常模式，通信模塊設(shè)置為高速數(shù)字傳輸模式。遙測組件負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)和延時(shí)遙測數(shù)據(jù)的采集、組裝和存儲(chǔ)；數(shù)字傳輸和大容量部件負(fù)責(zé)負(fù)荷數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)；負(fù)荷數(shù)據(jù)和遙測數(shù)據(jù)按比例組合成虛擬通道。如果軌道上沒有載荷數(shù)據(jù)，則只向下游傳輸遙測數(shù)據(jù)，通信模塊被配置為低速數(shù)字傳輸模式。當(dāng)導(dǎo)航模塊出現(xiàn)故障時(shí)，軟件切換到備份模式。通信模塊在高速數(shù)字傳輸和usb模式下間歇工作。USB模式提供測量功能，地面注入軌道數(shù)據(jù)。在保證軌道精度的過程中，采用高速數(shù)字傳輸方式傳輸載荷數(shù)據(jù)。當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)能量故障時(shí)，關(guān)閉導(dǎo)航模塊，將通信模塊設(shè)置為USB模式，保證監(jiān)控功能。軟件的核心是通信數(shù)據(jù)流處理。信息流包括上行鏈路遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理和下行鏈路數(shù)據(jù)處理。上行數(shù)據(jù)處理主要包括信號(hào)解調(diào)、數(shù)據(jù)幀頭同步、指令解碼和分類管理。如果當(dāng)前指令是實(shí)時(shí)指令，則直接輸出到相應(yīng)的受控組件執(zhí)行；如果當(dāng)前指令是延遲指令，則存儲(chǔ)星號(hào)并在執(zhí)行時(shí)間后執(zhí)行輸出。下行鏈路數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)遙測數(shù)據(jù)的傳輸和負(fù)載數(shù)據(jù)的融合。遙測數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)管理主要由arm處理器實(shí)現(xiàn)，并結(jié)合速度要求進(jìn)行分配。

4 結(jié)論

系統(tǒng)導(dǎo)航與通信一體化設(shè)計(jì)，衛(wèi)星可根據(jù)工作模式在自主導(dǎo)航和地面導(dǎo)航之間切換。在常規(guī)模式下，將自主導(dǎo)航與數(shù)字傳輸模式、遙測與數(shù)字傳輸融合傳輸相結(jié)合，減少一條衛(wèi)星物理鏈路（包括衛(wèi)星發(fā)射機(jī)和地面接收站），節(jié)約衛(wèi)星運(yùn)行控制成本30%以上；系統(tǒng)還與地面監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)兼容，確保衛(wèi)星應(yīng)急模式安全可靠運(yùn)行。高適應(yīng)性的衛(wèi)星導(dǎo)航與通信集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了測量、控制、數(shù)字傳輸、導(dǎo)航等基礎(chǔ)電子平臺(tái)功能的高度集成。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軟件實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)協(xié)議選擇等方面，改進(jìn)了軟硬件等各種資源的復(fù)用，并進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)。

研究快速自動(dòng)綜合、高精度定位和分布式航天器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)，用于遙感應(yīng)用的微衛(wèi)星平臺(tái)的負(fù)載集成技術(shù)。構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的微尺度遙感負(fù)荷單元，微尺度姿態(tài)測量控制單元，能量流單元和信息流單元。建立低成本的架子微納遙感衛(wèi)星技術(shù)體系，研究基于商用設(shè)備的大容量納米衛(wèi)星遙感系統(tǒng)的構(gòu)建技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)化模塊，負(fù)載集成和測試方法,為將來改善微衛(wèi)星的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。