基于TD-LTE的卫星导航通信一体化系统设计

张晓辉 南京六九零二科技有限公司

1 TD-LTE 概论

TD-LTE是通信行业尝试使用的技术之一，它的结构特殊，编解码器和其他传统的正交频率技术不同。同时，为了提高技术的稳定性和使用频率，优化系统的互联网访问速度和应用过程，降低了技术风险值。TD-LTE技术不断发展，在2013年与中国移动建立了合作关系，正式进入中国市场，并广泛应用于芯片领域和电网系统领域。TD-LTE对控制面板和系统的要求低，对电网配置的要求不高。在网络规划中，它比传统技术更容易，因为它对用户区域没有太多限制，并且对范围没有明确的定义，这为规划提供了更方便的方法。

为了有效地利用频谱，传统TD系统的频谱利用率很低，不利于信号传输，TD-LTE可以有效避免此类问题。为保证用户服务质量，并在实践中应用TD-LTE，可以改善固定区域内通信网络的运行，阻断周围干扰，更好地为周围用户服务。使用传统的智能系统适应现场，不能合理地了解哪种场景适合哪种TD系统，而是需要根据情况确定，TD-LTE系统有效地解决了这些问题。在每种情况下，保持系统平稳运行。

2 系统总体方案设计

2.1 模块设计

基于Space VPX标准设计的微卫星导航与通信集成系统，可以满足通用性，可靠性和可重用性的要求。Space VPX是针对嵌入式计算行业的OpenVPX标准的升级。Space VPX标准将背板总线划分为数据层，扩展层，控制层，用户层等，用于满足不同级别的应用程序需求。集成的微卫星导航和通信系统主要包括模式确定，模式切换，数据发送，远程控制接收等。功能和资源管理的集成系统包括独立的测控和数字传输功能以及传统卫星设计中的分散设备。测控子系统的主要功能是遥测，远程控制和测量。数字分配子系统的主要功能是负载数据的存储和分配。卫星导航测量功能主要基于导航模块。在应急模式下，通信模块采用传统的USB测控模式，简化了系统，提高了可靠性。系统中的一些模块还可以作为卫星平台的其他功能。整个系统的核心控制模块主要完成：各模块的调度管理、工作模式切换、星型管理等。

2.2 数据协议设计

考虑到通信的可靠性和传输效率，提出卫星数据流通信协议采用ccsds分包遥测和分包遥控格式，链路层采用ccsds-aos帧协议。下面的行数据格式作为示例进行了说明。ccsds aos帧协议长度固定在1024b，使用rs编码和纠错算法。它是为满足不同类型的任务数据传输需求而设计的。由于系统集成度高，涉及的数据类型很多，包括多个遥测源包、多个加载数据包、导航数据包、测量数据包和时间码信息。通过定义和区分aos框架中的虚拟通道、插入域、数据域等，实现平台数据与业务数据的有效集成，实现数据协议的集成和通用。

2.3 导航通信模块

下行遥测负荷数据采集、分组、分组帧及存储管理，上行遥控指令分析、解码输出执行等。接收导航模块输出的位置、时间、轨迹等信息，推送并调整轨迹。核心控制模块处理器和现场可编程门阵列采用智能融合2系列M2 S150型号的SoC型现场可编程门阵列，内部嵌入式166MHz 32位ARM CortexM3硬核处理器，可计算1.24dmips/MHz。同时，该系列对空间单粒子翻转具有免疫性。外部配置128 GB NAND闪存，用于存储有效负载数据。星型软件的初始版本存储在片外反熔丝prom中，保证系统可靠运行，任务版本存储在flash中，任务可重构。通信模块采用软件无线电架构，可配置调制算法、工作频率和数据速率，主要完成上行数据接收解调、直接指令解码执行、下行数据编码调制等功能。

3 系统的实施和应用

根据任务剖面划分和工作条件，软件设计分为五种工作模式：正常模式、遥测模式、在轨模式、备份模式和应急模式。各模式软件的工作状态描述如下：

在轨模式：通信模块工作在USB模式，专注于地面监控网络，完成遥测、遥控和测量功能，导航模块是辅助测量。

正常模式：导航模块数据完成卫星测量功能；通信模块工作在高速数字传输模式下，不具备测量功能。它用于接收遥控指令和下行链路遥测和负载数据。

遥测模式：导航模块数据完成卫星测量功能，通信模块工作在低速数字传输方式，不具备测量功能。用于接收遥控指令和下行链路遥测数据。

备份模式：导航模块故障，通信模块间歇工作在高速数字传输和USB模式下，完成测控和数据下行链路加载功能。

应急模式：通信模块工作在USB模式，地面测控网络测量；导航模块关闭。

模式切换策略为：为保证卫星在轨初期初始状态的可靠建立，遥测、遥控、测量工作主要在地面测控网进行，辅以导航数据测量进行地面对比分析。卫星建立正常状态后，软件进入正常模式，通信模块设置为高速数字传输模式。遥测组件负责实时和延时遥测数据的采集、组装和存储；数字传输和大容量部件负责负荷数据的采集和存储；负荷数据和遥测数据按比例组合成虚拟通道。如果轨道上没有载荷数据，则只向下游传输遥测数据，通信模块被配置为低速数字传输模式。当导航模块出现故障时，软件切换到备份模式。通信模块在高速数字传输和usb模式下间歇工作。USB模式提供测量功能，地面注入轨道数据。在保证轨道精度的过程中，采用高速数字传输方式传输载荷数据。当卫星出现能量故障时，关闭导航模块，将通信模块设置为USB模式，保证监控功能。软件的核心是通信数据流处理。信息流包括上行链路远程数据处理和下行链路数据处理。上行数据处理主要包括信号解调、数据帧头同步、指令解码和分类管理。如果当前指令是实时指令，则直接输出到相应的受控组件执行；如果当前指令是延迟指令，则存储星号并在执行时间后执行输出。下行链路数据处理模块负责遥测数据的传输和负载数据的融合。遥测数据的采集和存储管理主要由arm处理器实现，并结合速度要求进行分配。

4 结论

系统导航与通信一体化设计，卫星可根据工作模式在自主导航和地面导航之间切换。在常规模式下，将自主导航与数字传输模式、遥测与数字传输融合传输相结合，减少一条卫星物理链路（包括卫星发射机和地面接收站），节约卫星运行控制成本30%以上；系统还与地面监控网络兼容，确保卫星应急模式安全可靠运行。高适应性的卫星导航与通信集成系统，实现了测量、控制、数字传输、导航等基础电子平台功能的高度集成。从系统结构、软件实现和数据协议选择等方面，改进了软硬件等各种资源的复用，并进行了集成设计。

研究快速自动综合、高精度定位和分布式航天器网络系统技术，用于遥感应用的微卫星平台的负载集成技术。构建标准化的微尺度遥感负荷单元，微尺度姿态测量控制单元，能量流单元和信息流单元。建立低成本的架子微纳遥感卫星技术体系，研究基于商用设备的大容量纳米卫星遥感系统的构建技术，标准化模块，负载集成和测试方法,为将来改善微卫星的建设标准奠定技术基础。