临近空间平台通导搜一体化装置与方法

技术领域

本发明涉及临近空间飞行器技术领域，尤其涉及一种临近空间平台通导搜一体化装置与方法。

背景技术

临近空间是指距离地面20km到100km的空间区域，即飞机飞行的最高高度与卫星运行轨道的最低高度之间的空域。临近空间平台是指工作于临近空间空域内的各类气球、飞艇以及滑翔机等飞行器。临近空间平台能够快速灵活的部署，并且具有在较长时间连续工作的能力，利用灵活、无污染、经济临近空间从事观测、遥感和通信方面的工作，可以实现多种不同业务的综合与集成。

现有的临近空间平台主要应用在通信领域和卫星导航增强领域，用于通信领域时，通过在临近空间平台上安装通信服务系统，利用通信服务系统提供与卫星完全同等的通信服务，如对地观测等。并且，现有的临近空间平台的覆盖直径通常可达400～500km，与现在兴起的低轨卫星互联网通信星座相比，具有延迟较小的优势。例如，一个高度为1390km的低轨道(LEO)卫星，其单程延迟是5ms，而一个高度25km的临近空间通信平台，其延迟仅为0.083ms。用于卫星导航增强领域时，通过在临近空间平台上搭载定位信号源来提高卫星导航系统的导航定位精度。

发明人发现现有技术至少存在以下问题：

现有的临近空间平台采用分立设计，不同的功能的实现需要使用不同的临近空间平台或者需要使用临近空间平台上安装的多种不同设备，难以快速应对多项应用需求，系统资源利用率低，工作效率低，设备成本高；并且，现有的临近空间平台缺乏在搜救领域的应用。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种临近空间平台通导搜一体化装置与方法，能够实现通信、导航和搜救功能的一体化规划。

为此，本发明公开了一种临近空间平台通导搜一体化装置，所述装置安装在临近空间平台上，包括：综合电子模块、Ka波段收发模块、L波段收发模块和红外光学模块；

所述综合电子模块分别与所述Ka波段收发模块、所述L波段收发模块和所述红外光学模块连接；所述综合电子模块用于处理来自所述Ka波段收发模块、所述L波段收发模块和所述红外光学模块的数据信息，并将处理结果送至所述Ka波段收发模块、所述L波段收发模块和所述红外光学模块；所述Ka波段收发模块用于收发Ka波段射频信号，并将接收到的Ka波段射频信号送至所述综合电子模块；所述L波段收发模块用于收发L波段射频信号，并将接收到的L波段射频信号送至所述综合电子模块；所述红外光学模块用于在所述综合电子模块的控制下对外界目标进行红外摄像，并将获得的目标成像信息送至所述综合电子模块。

在一些可选的实施方式中，所述综合电子模块包括：信号处理单元、频率单元和电源单元；

所述信号处理单元分别与所述Ka波段收发模块、所述L波段收发模块和所述红外光学模块连接，所述信号处理单元用于处理来自所述Ka波段收发模块、所述L波段收发模块和所述红外光学模块的数据信息，并将处理结果送至所述Ka波段收发模块、所述L波段收发模块和所述红外光学模块；

所述频率单元分别与所述信号处理单元、所述Ka波段收发模块、所述L波段收发模块和所述红外光学模块连接，用于提供工作所需频率；

所述电源单元分别与所述信号处理单元、所述频率单元、所述Ka波段收发模块、所述L波段收发模块和所述红外光学模块连接，用于提供电能。

在一些可选的实施方式中，所述Ka波段收发模块包括：Ka波段收发共用相控阵天线、Ka波段接收单元和Ka波段发送单元；

所述Ka波段收发共用相控阵天线分别与所述Ka波段接收单元和所述Ka波段发送单元连接，用于接收外界的Ka波段射频信号并将Ka波段射频信号送至所述Ka波段接收单元，以及，用于接收所述Ka波段发送单元发送的Ka波段射频信号并将Ka波段射频信号发射到外界；

所述Ka波段接收单元和所述信号处理单元连接，用于将接收到的Ka波段射频信号下变频为中频信号，并将中频信号送至所述信号处理单元进行解析处理；

所述Ka波段发送单元和所述信号处理单元连接，用于将来自所述信号处理单元的处理结果转化为Ka波段射频信号，并将Ka波段射频信号送至所述Ka波段收发共用相控阵天线。

在一些可选的实施方式中，所述L波段收发模块包括：L波段接收天线、L波段接收单元、L波段发送单元和L波段发射天线；

所述L波段接收天线和所述L波段接收单元连接，用于接收外界的L波段射频信号，并将L波段射频信号送至所述L波段接收单元；

所述L波段接收单元和所述信号处理单元连接，用于将接收到的L波段射频信号下变频为中频信号，并将中频信号送至所述信号处理单元进行解析处理；

所述L波段发送单元和所述信号处理单元连接，用于将来自所述信号处理单元的处理结果转化为L波段射频信号，并将L波段射频信号送至所述L波段发射天线；

所述L波段发射天线和所述L波段发送单元连接，用于接收所述L波段发送单元发送的L波段射频信号，并将接收到的L波段射频信号发射到外界。

在一些可选的实施方式中，所述红外光学模块包括：相互连接的红外摄像机单元和相机轨控单元；

所述红外摄像机单元和所述信号处理单元连接，用于对目标进行成像，并将目标成像信息送至所述信号处理单元进行解析处理；

所述相机轨控单元和所述信号处理单元连接，用于根据所述信号处理单元的控制指令控制所述红外摄像机单元的的指向。

此外，本发明还公开了一种通导搜一体化方法，所述方法用于上述的临近空间平台通导搜一体化装置，包括：

临近空间平台通导搜一体化装置在HAPS通信与导航增强模式下工作运行；

当接收到地面搜救指挥中心的控制指令后，临近空间平台通导搜一体化装置切换到应急搜寻模式；

当L波段收发模块接收到北斗短报文求救信号后，临近空间平台通导搜一体化装置同步进入救援支撑模式；

当完成救援行动后，临近空间平台通导搜一体化装置根据地面搜救指挥中心的控制指令切换到HAPS通信与导航增强模式。

在一些可选的实施方式中，HAPS通信与导航增强模式包括HAPS通信模式和导航增强模式，临近空间平台通导搜一体化装置在进行HAPS通信时，综合电子模块根据信息频段利用Ka波段收发模块和L波段收发模块进行无线通信。

在一些可选的实施方式中，临近空间平台通导搜一体化装置在进行导航增强时，综合电子模块将临近空间平台自身的实时位置及时间信息合成为导航增强电文，并将导航增强电文送至L波段收发模块；

L波段收发模块将导航增强电文转化为导航增强信号，并发送至地面导航接收机；

地面导航接收机根据实时接收到的导航增强信号和导航卫星信号解算出自身位置。

在一些可选的实施方式中，临近空间平台通导搜一体化装置在应急搜寻模式下工作运行时，L波段收发模块实时接收来自地面遇险用户的北斗短报文求救信号，并将接收到的北斗短报文求救信号送至综合电子模块；

综合电子模块对北斗短报文求救信号进行解析处理以获得包含地面遇险用户的位置信息的搜救信息，并将搜救信息送至Ka波段收发模块；

Ka波段收发模块将搜救信息转化为射频信号，并发送给地面搜救指挥中心。

在一些可选的实施方式中，临近空间平台通导搜一体化装置在救援支撑模式下工作运行时，综合电子模块启动红外光学模块；

综合电子模块根据自身位置和地面遇险用户位置，计算出红外光学模块与地面遇险用户之间的相对角度，并发送至红外光学模块；

红外光学模块根据接收到的相对角度信息调整拍摄位置，对地面遇险用户进行红外摄像，并将成像信息发送至综合电子模块；

综合电子模块对接收到的成像信息进行解析处理，并将处理结果送至Ka波段收发模块；

Ka波段收发模块将处理结果转化为射频信号，并发送给地面搜救指挥中心。

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明的临近空间平台通导搜一体化装置与方法通过将临近空间平台上设置综合电子模块、Ka波段收发模块、L波段收发模块和红外光学模块，能够实现通信、导航、搜救功能一体化设计，在实际运用时能够根据需求灵活配置资源，提高信息分发速度，缩短响应时间，确保各项任务高效完成，且能够有效地减少设备成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一个实施例的临近空间平台通导搜一体化装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例的通导搜一体化方法的流程图；

图3为本发明一实施例的通导搜一体化方法中导航增强模式的工作流程图；

图4为本发明一实施例的通导搜一体化方法中应急搜寻模式的工作流程图；

图5为本发明一实施例的通导搜一体化方法中救援支撑模式的工作流程图。

附图标记说明：

1-综合电子模块、11-信号处理单元、12-频率单元、13-电源单元、2-Ka波段收发模块、21-Ka波段收发共用相控阵天线、22-Ka波段接收单元、23-Ka波段发送单元、3-L波段收发模块、31-L波段接收天线、32-L波段接收单元、33-L波段发送单元、34-L波段发射天线、4-红外光学模块、41-红外摄像机单元、42-相机轨控单元。

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。

第一方面，如图1所示，本发明一实施例提供了一种临近空间平台通导搜一体化装置，该装置安装在临近空间平台上，包括：综合电子模块、Ka波段收发模块、L波段收发模块和红外光学模块；综合电子模块分别与Ka波段收发模块、L波段收发模块和红外光学模块连接；综合电子模块用于处理来自Ka波段收发模块、L波段收发模块和红外光学模块的数据信息，并将处理结果送至Ka波段收发模块、L波段收发模块和红外光学模块；Ka波段收发模块用于收发Ka波段射频信号，并将接收到的Ka波段射频信号送至综合电子模块；L波段收发模块用于收发L波段射频信号，并将接收到的L波段射频信号送至综合电子模块；红外光学模块用于在综合电子模块的控制下对外界目标进行红外摄像，并将获得的目标成像信息送至综合电子模块。

以下本发明一实施例提供的临近空间平台通导搜一体化装置的工作原理进行具体说明：

具体地，该临近空间平台通导搜一体化装置在使用时，开机默认工作模式为HAPS通信和导航增强模式，HAPS通信和导航增强模式包括HAPS通信模式和导航增强模式，临近空间平台通导搜一体化装置在进行HAPS通信时，综合电子模块根据信息频段利用Ka波段收发模块和L波段收发模块进行无线通信；临近空间平台通导搜一体化装置在进行导航增强时，综合电子模块将临近空间平台自身的实时位置及时间信息合成为导航增强电文，并将导航增强电文送至L波段收发模块，L波段收发模块将导航增强电文转化为导航增强信号，并发送至地面导航接收机，地面导航接收机根据实时接收到的导航增强信号和导航卫星信号解算出自身位置；当接收到地面搜救指挥中心的控制指令后，临近空间平台通导搜一体化装置切换到应急搜寻模式；此时，L波段收发模块实时接收来自地面遇险用户的北斗短报文求救信号，并将接收到的北斗短报文求救信号送至综合电子模块；综合电子模块对北斗短报文求救信号进行解析处理以获得包含地面遇险用户的位置信息的搜救信息，并将搜救信息送至Ka波段收发模块；Ka波段收发模块将搜救信息转化为射频信号，并发送给地面搜救指挥中心；同时，当L波段收发模块接收到北斗短报文求救信号后，临近空间平台通导搜一体化装置同步进入救援支撑模式；此时，综合电子模块启动红外光学模块，综合电子模块根据自身位置和地面遇险用户位置，计算出红外光学模块与地面遇险用户之间的相对角度，并发送至红外光学模块，红外光学模块根据接收到的相对角度信息调整自身的拍摄位置，对地面遇险用户进行红外摄像，并将成像信息发送至综合电子模块，综合电子模块对接收到的成像信息进行解析处理，并将处理结果送至Ka波段收发模块，Ka波段收发模块将处理结果转化为射频信号，并发送给地面搜救指挥中心；当完成救援行动后，地面搜救指挥中心向临近空间平台通导搜一体化装置发送控制指令，临近空间平台通导搜一体化装置根据地面搜救指挥中心的的控制指令切换到HAPS通信与导航增强模式。

如图1所示，本发明一实施例中，综合电子模块可以包括：信号处理单元、频率单元和电源单元；信号处理单元分别与Ka波段收发模块、L波段收发模块和红外光学模块连接，信号处理单元用于处理来自Ka波段收发模块、L波段收发模块和红外光学模块的数据信息，并将处理结果送至Ka波段收发模块、L波段收发模块和红外光学模块；频率单元分别与信号处理单元、Ka波段收发模块、L波段收发模块和红外光学模块连接，用于提供工作所需频率；电源单元分别与信号处理单元、频率单元、Ka波段收发模块、L波段收发模块和红外光学模块连接，用于提供电能。

可选的，为了便于实现信号处理单元对数据信息进行解析处理，信号处理单元可以采用1个SOC(System-on-a-Chip)芯片搭配两个AD9361宽带收发器的核心架构。其中，SOC芯片例如可以选用赛灵思公司的Zenq7000系列芯片。

进一步地，如图1所示，本发明一实施例中，Ka波段收发模块可以包括：Ka波段收发共用相控阵天线、Ka波段接收单元和Ka波段发送单元；Ka波段收发共用相控阵天线分别与Ka波段接收单元和Ka波段发送单元连接，Ka波段收发共用相控阵天线用于接收外界的Ka波段射频信号并将Ka波段射频信号送至Ka波段接收单元，以及用于接收Ka波段发送单元发送的Ka波段射频信号并将Ka波段射频信号发射到外界；Ka波段接收单元和信号处理单元连接，用于将接收到的Ka波段射频信号下变频为中频信号，并将中频信号送至信号处理单元进行解析处理；Ka波段发送单元和信号处理单元连接，用于将来自信号处理单元的处理结果转化为Ka波段射频信号，并将Ka波段射频信号送至Ka波段收发共用相控阵天线。

具体地，Ka波段收发模块在使用时，Ka波段收发共用相控阵天线接收外界的Ka波段射频信号并将Ka波段射频信号送至Ka波段接收单元，Ka波段接收单元将接收到的Ka波段射频信号下变频为中频信号，并将中频信号送至信号处理单元进行解析处理；待完成信号的解析处理后，信号处理单元将处理结果送至Ka波段发送单元，Ka波段发送单元将处理结果转化为Ka波段射频信号，并将Ka波段射频信号送至Ka波段收发共用相控阵天线，Ka波段收发共用相控阵天线将Ka波段射频信号发射到外界。

其中，Ka频段收发共用相控阵天线可以采用数字多波束自适应天线。同时，为了减小天线重量，天线可以采用瓦片式硬件架构。

进一步地，如图1所示，本发明一实施例中，L波段收发模块可以包括：L波段接收天线、L波段接收单元、L波段发送单元和L波段发射天线；L波段接收天线和L波段接收单元连接，用于接收外界的L波段射频信号，并将L波段射频信号送至L波段接收单元；L波段接收单元和信号处理单元连接，用于将接收到的L波段射频信号下变频为中频信号，并将中频信号送至信号处理单元进行解析处理；L波段发送单元和信号处理单元连接，用于将来自信号处理单元的处理结果转化为L波段射频信号，并将L波段射频信号送至L波段发射天线；L波段发射天线和L波段发送单元连接，用于接收L波段发送单元发送的L波段射频信号，并将接收到的L波段射频信号发射到外界。

具体地，L波段收发模块在使用时，L波段接收天线接收外界的L波段射频信号，并将L波段射频信号送至L波段接收单元，L波段接收单元将接收到的L波段射频信号下变频为中频信号，并将中频信号送至信号处理单元进行解析处理；待完成信号的解析处理后，信号处理单元将处理结果送至L波段发送单元，L波段发送单元将来自信号处理单元的处理结果转化为L波段射频信号，并将L波段射频信号送至L波段发射天线；L波段发射天线接收L波段发送单元发送的L波段射频信号，并将接收到的L波段射频信号发射到外界。

进一步地，如图1所示，本发明一实施例中，红外光学模块可以包括：相互连接的红外摄像机单元和相机轨控单元；红外摄像机单元和信号处理单元连接，用于对目标进行成像，并将目标成像信息送至信号处理单元进行解析处理；相机轨控单元和信号处理单元连接，用于根据信号处理单元的控制指令控制红外摄像机单元的的指向。

其中，红外摄像机单元可以采用分辨率为0.1m的红外摄像机，以保证红外摄像机单元能够准确地识别遇险人员情况。

本发明一实施例中，临近空间平台可以采用平流层飞艇。其中，平流层飞艇的安置高度、通信覆盖半径和最大传输距离可以根据实际需求进行设定。

第二方面，如图2所示，本发明一实施例还提供了一种通导搜一体化方法，该方法用于上述的临近空间平台通导搜一体化装置，包括：

临近空间平台通导搜一体化装置在HAPS通信与导航增强模式下工作运行；

当接收到地面搜救指挥中心的控制指令后，临近空间平台通导搜一体化装置切换到应急搜寻模式；

当L波段收发模块接收到北斗短报文求救信号后，临近空间平台通导搜一体化装置同步进入救援支撑模式；

当完成救援行动后，临近空间平台通导搜一体化装置根据地面搜救指挥中心的控制指令切换到HAPS通信与导航增强模式。

具体地，本发明一实施例中，HAPS通信与导航增强模式包括HAPS通信模式和导航增强模式；临近空间平台通导搜一体化装置在进行HAPS通信时，综合电子模块根据信息频段利用Ka波段收发模块和L波段收发模块进行无线通信。

本发明一实施例中，HAPS通信是指High-Altitude Platforms for WirelessCommunications，符合世界无线电通信大会制定了的WRC-122和WRC-97建议，以及国际电信联盟(ITU)制定的ITU-F.592和ITU-F.02建议，上行的Ka工作频段为31.3～31.8GHz，下行的Ka工作频段为27.5～28.35GHz，上行链路和下行链路各设置有4个点波束，每个点波束划分为30个用户，每个用户带宽设置为2Mbps。

其中，考虑到Ka频段雨衰较大，本发明一实施例中，在进行HAPS通信模式设计时，使链路余量大于12dB。

进一步地，如图3所示，本发明一实施例中，临近空间平台通导搜一体化装置在进行导航增强时，综合电子模块将临近空间平台自身的实时位置及时间信息合成为导航增强电文，并将导航增强电文送至L波段收发模块；L波段收发模块将导航增强电文转化为导航增强信号，并发送至地面导航接收机；地面导航接收机根据实时接收到的导航增强信号和导航卫星信号解算出自身位置。

如此，利用临近空间平台通导搜一体化装置播发的导航增强信号能够显著提高地面导航接收机的定位精度。

本发明一实施例中，临近空间平台自身的实时位置及时间信息可以通过在临近空间平台上安装高精度GNSS(Global Navigation Satellite System)接收机进行测量确定。

可选的，高精度GNSS接收机可以为多频接收机，以实现多种导航卫星信号的接收。

其中，导航卫星可以为GPS(Global Positioning System)、BDS(BeiDouNavigation Satellite System)、GLONASS(GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM)和GALILEO(Galileo Satellite Navigation System)四种导航卫星中的任一种。

进一步地，如图4所示，本发明一实施例中，临近空间平台通导搜一体化装置在应急搜寻模式下工作运行时，L波段收发模块实时接收来自地面遇险用户的北斗短报文求救信号，并将接收到的北斗短报文求救信号送至综合电子模块；综合电子模块对北斗短报文求救信号进行解析处理以获得包含地面遇险用户的位置信息的搜救信息，并将搜救信息送至Ka波段收发模块；Ka波段收发模块将搜救信息转化为射频信号，并发送给地面搜救指挥中心。

如此，能够及时将地面遇险用户的求救信息发送给地面搜救指挥中心，以开展救援行动，有效地提高救援的时效性，保证救援及时。

进一步地，如图5所示，本发明一实施例中，临近空间平台通导搜一体化装置在救援支撑模式下工作运行时，综合电子模块启动红外光学模块；综合电子模块根据自身位置和地面遇险用户位置，计算出红外光学模块与地面遇险用户之间的相对角度，并发送至红外光学模块；红外光学模块根据接收到的相对角度信息调整拍摄位置，对地面遇险用户进行红外摄像，并将成像信息发送至综合电子模块；综合电子模块对接收到的成像信息进行解析处理，并将处理结果送至Ka波段收发模块；Ka波段收发模块将处理结果转化为射频信号，并发送给地面搜救指挥中心。

如此，地面搜救指挥中心能够根据临近空间平台通导搜一体化装置提供的目标成像信息部署搜救计划，提高搜救成功率。

可见，本发明一实施例提供的临近空间平台通导搜一体化装置与方法通过将临近空间平台上设置综合电子模块、Ka波段收发模块、L波段收发模块和红外光学模块，能够实现通信、导航、搜救功能一体化设计，在实际运用时能够根据需求灵活配置资源，提高信息分发速度，缩短响应时间，确保各项任务高效完成，且能够有效地减少设备成本。

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。