天基信息分发系统及分发方法

技术领域

本发明涉及航天技术领域，具体涉及一种天基信息分发系统及分发方法。

背景技术

天基信息网是由多种不同功能的宇航器、卫星网或卫星星座组成的综合性宇航信息体系，包括遥感器、定位仪、转发器等多个有效载荷，以及天基平台等。现有的天基平台覆盖范围广，天基平台上搭载有光学成像、微波成像、信号侦察、以及合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)等对地观测载荷，可实现快速广域信息获取，且不受国土、领海国界限制，获取的数据不仅可为农业、防灾减灾、资源环境、公共安全等重要领域提供信息服务和决策支持，还具有重要的作战情报价值，天基信息将为国民经济建设、社会发展和国家安全提供更为全面的服务，而高效可靠的天基信息分发能力，是发挥天基平台观测作用的重要一环。

目前，天基平台将获取的信息分发到用户通过地面站转发实现，其具体方法包括如下步骤：天基平台光学成像、微波成像、信号侦察、以及SAR等对地观测载荷获得目标观测数据，并将数据存储在数据存储单元；天基平台经过地面站上空时，与地面站建立下行数传通道，通过该下行数传通道将数据存储单元所存储的数据下传到地面站；地面站通过地面网络将接收到的天基信息分发给不同层级用户。

发明人发现现有技术至少存在以下问题：

天基平台与地面站建立单一数传通道，当该地面站出现故障或战时被人为摧毁时，天基信息将无法向用户分发，存在较大单点失效安全风险；地面站首先接收天基信息，而后再向用户分发，信息源与用户之间经过环节较多，传输链路路径较长，传输实时性较差；对于偏远陆地、海岛、远洋等地区以及飞机、舰船等部分移动用户，地面站及地面网络难以全面覆盖。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种天基信息分发系统及分发方法，通过利用波束大小、波束指向均可捷变的相控阵天线，实现天基平台对区域用户直接分发天基信息。

为此，本发明公开了一种天基信息分发系统。该系统包括：移动收发终端和天基分发终端，所述移动收发终端安装于用户上，所述天基分发终端安装于天基平台上，所述移动收发终端和所述天基分发终端通过无线连接方式连接；

所述移动收发终端包括：相互连接的轨道计算模块、任务生成模块和无线收发模块；所述轨道计算模块计算所述天基平台在不同时刻下的位置，并将位置信息发送到所述任务生成模块和所述无线收发模块；所述任务生成模块根据用户需求生成包括分发内容、分发时刻、分发位置和分发范围的分发信息，并将所述分发信息发送到所述无线收发模块；所述无线收发模块用于与所述天基平台进行信号传输；

所述天基分发终端包括：依次连接的天基接收模块、综合处理模块和天基发射模块，所述天基发射模块包括相互连接的调制单元和相控阵天线单元；所述天基接收模块与所述无线收发模块无线连接，用于接收并解调所述无线收发模块发出的所述分发信息对应的无线信号，并将解调信息发送到所述综合处理模块；所述综合处理模块根据所述解调信息计算所述天基发射模块的发射方位、计算所述相控阵天线单元的工作阵元数量、以及读取所述天基平台中的数据存储单元的天基信息，并将所述发射方位信息、所述工作阵元数量信息和所述天基信息发送到所述天基发射模块；所述调制单元用于调制所述天基信息，所述相控阵天线单元根据所述发射方位信息和所述工作阵元数量信息调节天线指向及工作阵元，并将调制后的所述天基信息发送到所述无线收发模块。

进一步地，在所述天基信息分发系统中，所述综合处理模块包括指向计算单元、阵元计算单元和信息缓存单元；

所述指向计算单元连接所述天基平台的导航接收机单元，所述指向计算单元读取所述导航接收机单元内的天基平台位置信息，并根据所述天基平台位置信息和所述解调信息中的分发位置及分发时刻信息计算所述天基发射模块的天线的方位指向；

所述阵元计算单元根据所述解调信息中的分发范围信息计算所述相控阵天线单元的波束大小和工作阵元数量；

所述信息缓存单元连接所述数据存储单元，所述信息缓存单元根据所述解调信息中的分发内容读取所述数据存储单元内的所述分发内容所对应的天基信息。

进一步地，在所述天基信息分发系统中，所述综合处理模块通过传输线缆分别连接所述天基平台的所述导航接收机单元、所述天基接收模块、所述天基发射模块和所述数据存储单元。

进一步地，在所述天基信息分发系统中，所述天基发射模块的天线的方位指向包括：在所述分发时刻时，所述天基平台与所述用户的相对方位角和相对俯仰角。

进一步地，在所述天基信息分发系统中，设定所述天基平台在所述分发时刻的坐标为(Xs，Ys，Zs)，所述用户在所述分发时刻的坐标为(Xa，Ya，Za)，所述相对方位角α和所述相对俯仰角β通过下述公式1计算获取；

进一步地，在所述天基信息分发系统中，所述相控阵天线单元包括16个十六阵元单元，16个所述十六阵元单元采用组合工作模式。

进一步地，在所述天基信息分发系统中，所述相控阵天线单元中，工作阵元数量N与天线波束宽度θ_BW的关系满足下述公式2：

其中，k为波束宽度因子，β为所述相对俯仰角。

进一步地，在所述天基信息分发系统中，所述天基接收模块采用对地全向接收天线。

进一步地，在所述天基信息分发系统中，所述轨道计算模块根据卫星的轨道参数计算所述天基平台在不同时刻下的位置。

此外，本发明还提供了一种利用上述天基信息分发系统实施的天基信息分发方法。该方法包括：

所述轨道计算模块根据所述天基平台的运动参数计算所述天基平台在不同时刻下的位置，并将位置信息发送到所述任务生成模块和所述无线收发模块；

所述任务生成模块根据用户需求及所述位置信息，生成包括分发内容、分发时刻、分发位置和分发范围的分发信息，并将所述分发信息发送到所述无线收发模块；

所述无线收发模块将所述分发信息通过无线信号发送到所述天基平台；

所述天基平台中的所述天基接收模块接收并解调所述无线收发模块发出的所述无线信号，获取与所述无线信号相对应的所述分发信息，并将所述分发信息发送到所述综合处理模块；

所述综合处理模块根据所述分发信息中的分发位置，以及分发时刻对应的所述天基平台的位置计算所述天基发射模块的发射方位，根据所述分发信息中的分发范围计算所述相控阵天线单元的工作阵元数量，根据所述分发信息的分发内容读取所述天基平台中的所述数据存储单元的天基信息，并将所述发射方位信息、所述工作阵元数量信息和所述天基信息发送到所述天基发射模块；

所述天基发射模块的所述相控阵天线单元根据所述发射方位信息及所述工作阵元数量信息调节自身的天线的方向指向和自身的工作阵元数量，所述天基发射模块的所述调制单元对所述天基信息进行调制处理，并将调制信息发送到所述相控阵天线单元，所述相控阵天线单元将所述调制信息通过空间信号发送到所述无线收发模块。

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明的天基信息分发系统及分发方法能够直接将天基平台的天基信息分发至用户，省去了地面站中转环节，具有较高的时效性；由于天基平台直接与用户建立连接，能够避免出现因地面站被破坏导致用户无法接收天基信息的问题，具有较高的安全性；通过调节天基发射模块的相控阵天线单元，能够调节天基发射模块的发射区域，实现对所有星下可视范围的用户的信息分发，能够有效地解决偏远陆地、海岛、远洋等地区以及飞机、舰船等移动用户存在的无法接收天基信息的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例的天基信息分发系统的结构原理图；

图2为本发明一个实施例的天基信息分发系统中移动收发终端的结构原理图；

图3为本发明一个实施例的天基信息分发系统中天基分发终端的结构原理图；

图4为本发明一个实施例的天基信息分发系统中天基接收模块的工作原理图；

图5为本发明一个实施例的天基信息分发系统中综合处理模块的结构原理图；

图6为本发明一个实施例的天基信息分发系统中相控阵天线单元的结构示意图。

1-移动收发终端、101-轨道计算模块、102-任务生成模块、103-无线收发模块、2-天基分发终端、201-天基接收模块、202-综合处理模块、2021-指向计算单元、2022-阵元计算单元、2023-信息缓存单元、203-天基发射模块、T1-数据存储单元、T2-导航接收机单元、Y-用户。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

如附图所示，本发明实施例提供了一种天基信息分发系统，该系统包括：移动收发终端1和天基分发终端2，移动收发终端1安装于用户Y上，天基分发终端2安装于天基平台上，移动收发终端1和天基分发终端2通过无线连接方式连接；

移动收发终端1包括：相互连接的轨道计算模块101、任务生成模块102和无线收发模块103；轨道计算模块101计算天基平台在不同时刻下的位置，并将位置信息发送到任务生成模块102和无线收发模块103；任务生成模块102根据用户Y需求生成包括分发内容、分发时刻、分发位置和分发范围的分发信息，并将分发信息发送到无线收发模块103；无线收发模块103用于与天基平台进行信号传输；

天基分发终端2包括：依次连接的天基接收模块201、综合处理模块202和天基发射模块203，天基发射模块203包括相互连接的调制单元和相控阵天线单元；天基接收模块201与无线收发模块103无线连接，用于接收并解调无线收发模块103发出的分发信息对应的无线信号，并将解调信息发送到综合处理模块202；综合处理模块202根据解调信息计算天基发射模块203的发射方位、计算相控阵天线单元的工作阵元数量、以及读取天基平台中的数据存储单元T1的天基信息，并将发射方位信息、工作阵元数量信息和天基信息发送到天基发射模块203；调制单元用于调制天基信息，相控阵天线单元根据发射方位信息和工作阵元数量信息调节天线指向及工作阵元，并将调制后的天基信息发送到无线收发模块103。

以下具体介绍本发明实施例提供的天基信息分发系统的工作方法及原理。

本发明实施例提供的天基信息分发系统在使用时，轨道计算模块101根据天基平台的运动参数计算天基平台在不同时刻下的位置，并将位置信息发送到任务生成模块102和无线收发模块103；任务生成模块102根据用户Y的需求以及位置信息，生成包括分发内容、分发时刻、分发位置和分发范围的分发信息，并将分发信息发送到无线收发模块103；无线收发模块103接收分发信息，并将分发信息转化为无线信号发送到天基平台；天基平台中的天基接收模块201接收并解调无线收发模块103发出的无线信号，获取到与无线信号相对应的分发信息，并将分发信息发送到综合处理模块202；综合处理模块202负责分发任务的规划和调度，综合处理模块202根据分发信息中的分发位置，以及分发信息中的分发时刻所对应的天基平台的位置计算天基发射模块203中天线的发射方位，根据分发信息中的分发范围计算天基发射模块203的相控阵天线单元的工作阵元数量，根据分发信息的分发内容读取天基平台中的数据存储单元T1的天基信息，并将发射方位信息、工作阵元数量信息和天基信息发送到天基发射模块203；天基发射模块203的相控阵天线单元根据发射方位信息及工作阵元数量信息调节自身的天线的方向指向和自身的工作阵元数量，天基发射模块203的调制单元对天基信息进行调制处理，并将调制信息发送到相控阵天线单元，相控阵天线单元将调制信息转化为空间信号发送到无线收发模块103，以供用户Y使用。

可见，本发明实施例提供的天基信息分发系统能够直接将天基平台的天基信息分发至用户Y，省去了地面站中转环节，具有较高的时效性；由于天基平台直接与用户Y建立连接，能够避免出现因地面站被破坏导致用户Y无法接收天基信息的问题，具有较高的安全性；通过调节天基发射模块203的相控阵天线单元，能够调节天基发射模块203的发射区域，实现对所有星下可视范围的用户Y的信息分发，能够有效地解决偏远陆地、海岛、远洋等地区以及飞机、舰船等移动用户Y存在的无法接收天基信息的问题。

其中，在本发明实施例中，综合处理模块202可以包括指向计算单元2021、阵元计算单元2022和信息缓存单元2023；指向计算单元2021连接天基平台的导航接收机单元T2，指向计算单元2021读取导航接收机单元T2内的天基平台位置信息，并根据天基平台位置信息和解调信息中的分发位置及分发时刻信息计算天基发射模块203的天线的方位指向；阵元计算单元2022根据解调信息中的分发范围信息计算相控阵天线单元的波束大小和工作阵元数量；信息缓存单元2023连接数据存储单元T1，信息缓存单元2023根据解调信息中的分发内容读取数据存储单元T1内的分发内容所对应的天基信息。

其中，综合处理模块202通过传输线缆分别连接天基平台的导航接收机单元T2、天基接收模块201、天基发射模块203和数据存储单元T1，综合处理模块202通过有线传输方式与导航接收机单元T2、天基接收模块201、天基发射模块203和数据存储单元T1进行数据传输。

在本发明实施例中，上述的天基发射模块203的天线的方位指向包括：在分发时刻时，天基平台与用户Y的相对方位角和相对俯仰角。

天基平台与用户Y的相对方位角和相对俯仰角可以通过下述方式进行计算获取：指向计算单元2021通过读取导航接收机单元T2的数据，得到在分发时刻时的天基平台的坐标，再结合分发信息中的分发位置，分发位置即为用户Y在分发时刻时的坐标，通过对天基平台的坐标和用户Y的坐标进行计算，即可获得天基平台与用户Y在分发时刻时的相对方位角和相对俯仰角。

具体地，设定天基平台在分发时刻的坐标为(Xs，Ys，Zs)，用户Y在分发时刻的坐标为(Xa，Ya，Za)，相对方位角α和相对俯仰角β通过下述公式1计算获取；

在本发明实施例中，阵元计算单元2022用于根据解调信息中的分发范围信息计算相控阵天线单元的波束大小和工作阵元数量，相控阵天线单元根据阵元计算单元2022的计算数据调节自身的工作阵元数量，从而使天基发射模块203的发射范围与分发信息中的分发范围相对应。

为了便于调整天基发射模块203的发射范围，在本发明实施例中，相控阵天线单元包括16个十六阵元单元，16个十六阵元单元采用组合工作模式。具体地，当相控阵天线单元采用单个十六阵元单元工作的工作模式时，相控阵天线单元的天线波束角最大，分发覆盖范围最广，当相控阵天线单元采用16个十六阵元单元同时工作的工作模式时，相控阵天线单元的天线波束角最小，分发覆盖范围最窄，即相控阵天线单元中工作的十六阵元单元数量越多时，天线波束角越小，相应的分发覆盖范围约窄。

具体地，在相控阵天线单元中，工作阵元数量N与天线波束宽度θ_BW的关系满足下述公式2：

其中，k为波束宽度因子，β为相对俯仰角。

本发明实施例中，针对天基发射模块203的分发覆盖范围，提供了四挡不同的分发覆盖范围的调节方式。第一档为单个十六阵元单元工作，即有16个阵元进行工作；第二档为4个十六阵元单元同时工作，即有64个阵元进行工作；第三档为9个十六阵元单元同时工作，即有144个阵元进行工作；第四档为16个十六阵元单元同时工作，即有256个阵元进行工作。

进一步地，在本发明实施例中，天基接收模块201采用对地全向接收天线。如此设置，能够接受来自卫星星下可视范围内的任意用户Y的移动收发终端1的信息交流请求。

本发明实施例中，轨道计算模块101根据天基平台的运动参数计算天基平台在不同时刻下的位置；针对安装在卫星上的天基平台，轨道计算模块101根据卫星的轨道参数计算天基平台在不同时刻下的位置。

此外，本发明还提供了一种利用上述天基信息分发系统实施的天基信息分发方法。该方法包括：

轨道计算模块101根据天基平台的运动参数计算天基平台在不同时刻下的位置，并将位置信息发送到任务生成模块102和无线收发模块103；

任务生成模块102根据用户Y需求及位置信息，生成包括分发内容、分发时刻、分发位置和分发范围的分发信息，并将分发信息发送到无线收发模块103；

无线收发模块103将分发信息通过无线信号发送到天基平台；

天基平台中的天基接收模块201接收并解调无线收发模块103发出的无线信号，获取与无线信号相对应的分发信息，并将分发信息发送到综合处理模块202；

综合处理模块202根据分发信息中的分发位置，以及分发时刻对应的天基平台的位置计算天基发射模块203的发射方位，根据分发信息中的分发范围计算相控阵天线单元的工作阵元数量，根据分发信息的分发内容读取天基平台中的数据存储单元T1的天基信息，并将发射方位信息、工作阵元数量信息和天基信息发送到天基发射模块203；

天基发射模块203的相控阵天线单元根据发射方位信息及工作阵元数量信息调节自身的天线的方向指向和自身的工作阵元数量，天基发射模块203的调制单元对天基信息进行调制处理，并将调制信息发送到相控阵天线单元，相控阵天线单元将调制信息通过空间信号发送到无线收发模块103。

可见，本发明实施例提供的天基信息分发方法能够直接将天基平台的天基信息分发至用户Y，省去了地面站中转环节，具有较高的时效性；由于天基平台直接与用户Y建立连接，能够避免出现因地面站被破坏导致用户Y无法接收天基信息的问题，具有较高的安全性；通过调节天基发射模块203的相控阵天线单元，能够调节天基发射模块203的发射区域，实现对所有星下可视范围的用户Y的信息分发，能够有效地解决偏远陆地、海岛、远洋等地区以及飞机、舰船等移动用户Y存在的无法接收天基信息的问题。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。