本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)廣播分發(fā)單元，特別是基于小衛(wèi)星平臺對重量、體積和功耗的限制下，對星上數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)高效、大范圍的廣播分發(fā)。

背景技術(shù)：

星上載荷數(shù)據(jù)的對地傳輸，在實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星在軌功能的環(huán)節(jié)中，具有非常重要的作用。在衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)的接收與應(yīng)用方面，一直沿用傳統(tǒng)的路徑方式，即通過衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)對地傳輸，或中繼星接收衛(wèi)星數(shù)傳數(shù)據(jù)并對地轉(zhuǎn)發(fā)的手段，將載荷數(shù)據(jù)傳輸至地面站，經(jīng)地面站處理再轉(zhuǎn)發(fā)給用戶終端。這種傳統(tǒng)的信息鏈，由于星地、地地傳輸過程復(fù)雜，信息保障環(huán)節(jié)多，延遲大，實(shí)時(shí)覆蓋范圍窄，所以會降低星上載荷數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和有效性，戰(zhàn)時(shí)環(huán)節(jié)若被摧毀，就會造成信息鏈斷裂，造成巨大損失。另一方面，當(dāng)有效數(shù)據(jù)率低時(shí)，由于對地?cái)?shù)據(jù)傳輸手段單一，不得不依舊采用數(shù)傳分系統(tǒng)傳輸，浪費(fèi)整星能源。在緊急情況下，急需一種有別于傳統(tǒng)路徑的數(shù)據(jù)下傳方式，更高效的為用戶提供實(shí)時(shí)衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

小衛(wèi)星具有低軌、輕便、機(jī)動(dòng)、功耗小、成本低、研制周期短的特點(diǎn)，載荷數(shù)據(jù)對實(shí)時(shí)性和有效性有很高的要求。小衛(wèi)星數(shù)據(jù)廣播分發(fā)單元，具有體積小、重量輕、功耗低的特點(diǎn)。當(dāng)用戶需要高效傳輸?shù)痛a速率信息時(shí)，可直接利用小衛(wèi)星廣播分發(fā)單元來從星上對用戶終端進(jìn)行數(shù)據(jù)廣播，繞過了繁瑣的星地、地地傳輸路徑，以最高效的方式來實(shí)現(xiàn)信息傳輸。同時(shí)星上對地廣播分發(fā)，采用單點(diǎn)廣播多點(diǎn)接收的方式。使得每個(gè)用戶終端，可同步接收數(shù)據(jù)。避開了傳統(tǒng)衛(wèi)星地面站接收并點(diǎn)對點(diǎn)逐個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)的環(huán)節(jié)，可大幅提升衛(wèi)星數(shù)據(jù)的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用效力。具備實(shí)時(shí)廣播分發(fā)密鑰的功能，使得數(shù)據(jù)接收具有更高的安全性、保密性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服了面向多用戶直接高效傳輸?shù)痛a率信息時(shí)，傳統(tǒng)路徑帶來的誤差和延遲，提供一種用于小衛(wèi)星數(shù)據(jù)廣播分發(fā)單元，采用了一體化、集成化、小型化的設(shè)計(jì)思想，滿足了小衛(wèi)星平臺對載荷體積小、重量輕、功耗低的切實(shí)需求。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種用于小衛(wèi)星的數(shù)據(jù)廣播分發(fā)單元，包括電源模塊、基帶處理模塊、加密模塊和射頻模塊；

電源模塊通過將一次電源轉(zhuǎn)換到二次電源，為基帶模塊、對加密模塊、射頻模塊、提供+12V、-12V、+5V的供電，通過各功能模塊內(nèi)部的低壓差穩(wěn)壓電路為各模塊電路提供電源；

基帶處理模塊通過對載荷數(shù)據(jù)的緩存、組幀，將處理后的載荷明文數(shù)據(jù)發(fā)送至加密模塊，接收加密模塊送來的密文數(shù)據(jù)，根據(jù)明密切換指令，在編碼單元內(nèi)對明文數(shù)據(jù)或密文數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、加擾和擴(kuò)頻處理，IQ分路后送至射頻模塊；

基帶處理模塊中的接口下位機(jī)，由單片機(jī)和CAN總線接口組成，負(fù)責(zé)接收執(zhí)行整星遙控間接指令，負(fù)責(zé)遙測數(shù)據(jù)采集并通過CAN總線上報(bào)遙測參數(shù)；

加密模塊對基帶處理模塊送來的載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，加密后，將密文數(shù)據(jù)傳送回基帶模塊編碼單元完成數(shù)據(jù)編碼、加擾和擴(kuò)頻處理；同時(shí)，加密模塊根據(jù)上注的密鑰管理幀執(zhí)行相應(yīng)的在線密鑰操作；

射頻模塊接收基帶處理模塊送來的IQ分路數(shù)據(jù)，進(jìn)行QPSK調(diào)制、濾波、功率放大后，將產(chǎn)生的射頻信號送至天線；同時(shí)射頻模塊為基帶處理模塊和加密模塊提供時(shí)鐘。

所述加密模塊采用無備份設(shè)計(jì)，包括加密FPGA、配置芯片、密鑰存儲器、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器以及時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路；

加密FPGA、隨機(jī)函數(shù)發(fā)生器、配置芯片，這三個(gè)模塊通過協(xié)同工作，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密的功能，它們通過接收基帶送來的明文數(shù)據(jù)和時(shí)間廣播信息，提取廣播信息中的時(shí)間作為時(shí)間參考，調(diào)取相應(yīng)密鑰對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，將加密后的密文數(shù)據(jù)發(fā)送給基帶信號處理FPGA；同時(shí)加密FPGA和配置芯片也接收基帶送來的上注密鑰并完成密鑰更新，或提取自身的預(yù)存密鑰執(zhí)行；

密鑰存儲器的功能是存儲密鑰，與加密FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，對密鑰進(jìn)行讀寫；

時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路的功能是生成系統(tǒng)時(shí)鐘，接收來自射頻模塊的一路56.07MHz時(shí)鐘進(jìn)行隔離、整形后作為系統(tǒng)時(shí)鐘送入加密FPGA，作為加密時(shí)鐘使用。

所述基帶模塊包括接口下位機(jī)、基帶信號處理FPGA電路、配置管理FPGA電路、電源轉(zhuǎn)換電路以及遙測采集電路；

接口下位機(jī)的功能是控制外圍電路、遙測遙控通信、接收數(shù)據(jù)和廣播；接口下位機(jī)接收并解析CAN總線送來的間接指令，并送出遙測；對載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行IQ碼組初始相位配置后，同星上高精度廣播時(shí)間秒值一同送給基帶信號處理FPGA電路；

基帶信號處理FPGA電路與配置管理FPGA電路的功能是：將接口下位機(jī)送來的載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存并按照格式組幀、生成IQ擴(kuò)頻碼進(jìn)行信道編碼并送至射頻模塊；

電源轉(zhuǎn)換電路的功能是通過電源轉(zhuǎn)換，為基帶模塊各電路提供電源；

遙測采集電路的功能是采集各模塊工作狀態(tài)遙測發(fā)送至下位機(jī)；接收下位機(jī)間接指令，對兩個(gè)FPGA進(jìn)行復(fù)位。

所述加密模塊根據(jù)上注的密鑰管理幀執(zhí)行相應(yīng)的在線密鑰操作過程如下：

廣播分發(fā)單元收到地面上注密鑰后，將密鑰存儲并下發(fā)，再根據(jù)相關(guān)信息計(jì)算出所使用的組號，在單元密鑰庫中查詢到此組號對應(yīng)密鑰，用此密鑰進(jìn)行加密，密鑰下發(fā)方法是插入并替換一幀數(shù)據(jù)，以此實(shí)現(xiàn)廣播分發(fā)單元根據(jù)地面指定的密鑰加密，若無上注密鑰，則廣播分發(fā)單元可根據(jù)指令切換為自己的預(yù)存密鑰，上述步驟中當(dāng)存在泄密隱患時(shí)，通過星上指令，可對指定地面終端密碼機(jī)進(jìn)行銷毀。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明減少了當(dāng)傳輸?shù)痛a速率信息時(shí)，數(shù)據(jù)的路徑誤差和延遲。通過星上廣播單元直接對地面終端采取廣播分發(fā)的形式，傳送載荷數(shù)據(jù)，繞過了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈中的諸多轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)。

(2)本發(fā)明面向多用戶直接采取星地高效廣播，相比傳統(tǒng)星地接收并點(diǎn)對點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)而言，范圍更廣、實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。大幅提升衛(wèi)星數(shù)據(jù)的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用效力。通過星上信號處理、加密和調(diào)制，經(jīng)賦形廣播天線對地大范圍廣播分發(fā)，在天線波束范圍內(nèi)的地面終端均可接收，對載荷數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收處理和傳輸，保證了實(shí)時(shí)性。

(3)本發(fā)明獨(dú)特的星上實(shí)時(shí)密鑰廣播分發(fā)功能，使得接收數(shù)據(jù)更安全保密。通過考慮星地各種密鑰的使用方法：地面密鑰上注、星上密鑰更新、密鑰下發(fā)、對地終端銷毀等手段，為數(shù)據(jù)傳輸提供了保護(hù)。

(4)本發(fā)明完成低碼速率數(shù)據(jù)廣播分發(fā)時(shí)，更節(jié)省小衛(wèi)星能源。適合小衛(wèi)星平臺搭載。對實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)下傳的目的來說，廣播分發(fā)單元的功耗至少是傳統(tǒng)數(shù)傳功耗的十分之一(15W相比于170W)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明原理圖；

圖2為本發(fā)明中的加密模塊原理圖；

圖3為本發(fā)明中的基帶模塊原理圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明采用成熟模塊式結(jié)構(gòu)形式，設(shè)備本體由四個(gè)子模塊組成，本體尺寸為170mm×78mm×130mm。各子模塊止口搭接，由4個(gè)M5螺桿將各子模塊串接成一體，外表面黑色陽極化，安裝面鋁本色導(dǎo)電氧化，模塊間用螺釘緊固成一體，可減小接觸電阻，有利于良好屏蔽。為滿足抗輻照要求，各零件的基本壁厚為1.5mm，設(shè)計(jì)中避免了尖銳角，回避應(yīng)力集中，提高了零件強(qiáng)度。各子模塊內(nèi)部信號的聯(lián)接主要采用J3C印制板電連接器進(jìn)行聯(lián)接。對外部低頻、高頻信號的聯(lián)接靠安裝于每個(gè)模塊上的外引電連接器實(shí)現(xiàn)。戰(zhàn)術(shù)分發(fā)單元安裝由4個(gè)Φ4.5餌片固定安裝，安裝面平面度優(yōu)于0.1mm/100mm，單機(jī)重量2.5kg。

如圖1所示，電路由電源模塊、基帶處理模塊、加密模塊和射頻模塊等部分組成。

電源模塊完成一次電源到二次電源的轉(zhuǎn)換，為基帶處理模塊、加密模塊提供+5V供電，為射頻模塊提供+12V、-12V、+5V供電。由各功能模塊內(nèi)部集成的低壓差穩(wěn)壓電路為模塊內(nèi)部電路提供電源。

如圖3所示，基帶處理模塊包含：接口下位機(jī)、基帶信號處理FPGA電路、配置管理FPGA電路、電源轉(zhuǎn)換電路以及遙測采集電路。主要使用的CPU、FPGA和PROM。基帶處理模塊完成載荷數(shù)據(jù)的緩存、組幀，將待加密數(shù)據(jù)送加密模塊，接收加密模塊送來的密數(shù)據(jù)，根據(jù)明密切換指令在編碼單元內(nèi)部選擇處理明數(shù)據(jù)或密數(shù)據(jù)編碼、加擾和擴(kuò)頻處理，送射頻模塊。該部分硬件電路相對固定，軟件模塊通用化設(shè)計(jì)，針對不同的載荷速率和幀格式要求稍作修改即可使用。接口下位機(jī)的功能是控制外圍電路、遙測遙控通信、接收數(shù)據(jù)和廣播。接口下位機(jī)接收并解析CAN總線送來的間接指令，并送出遙測。對載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行IQ碼組初始相位配置后，同星上高精度廣播時(shí)間秒值一同送給基帶信號處理FPGA電路。由接口下位機(jī)完成與整星的遙測、遙控，完成遙測數(shù)據(jù)的采集并通過CAN總線上報(bào)遙測參數(shù)，接收并執(zhí)行間接指令。接口下位機(jī)由80C32單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，硬件組成包括CPU最小系統(tǒng)和外圍通用CAN接口電路。主要功能：對外圍電路初始化，執(zhí)行內(nèi)部處理任務(wù)、看門狗功能；將遙測數(shù)據(jù)通過CAN總線送出；接收及解析CAN總線間接指令；對IQ碼組初始相位進(jìn)行配置；接收星上高精度廣播時(shí)間，截取秒值后經(jīng)由基帶信號處理FPGA送至加密模塊。基帶信號處理FPGA電路、配置管理FPGA電路、電源轉(zhuǎn)換電路和遙測采集電路，接收載荷數(shù)據(jù)并緩存后，按照格式組幀；根據(jù)明密要求，將組幀后的數(shù)據(jù)進(jìn)行明傳和加密處理，利用下位機(jī)送來的IQ碼組初始相位參數(shù)，生成的IQ擴(kuò)頻碼，選擇明文或密文數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼分IQ擴(kuò)頻；將擴(kuò)頻后的兩路數(shù)據(jù)經(jīng)DAC和運(yùn)放電路后發(fā)送至射頻模塊；同時(shí)利用A/D轉(zhuǎn)換器采集各模塊工作狀態(tài)遙測發(fā)送至下位機(jī)。電源轉(zhuǎn)換電路通過電源轉(zhuǎn)換，為基帶模塊各電路提供電源。遙測采集電路采集各模塊工作狀態(tài)遙測發(fā)送至下位機(jī)。接收下位機(jī)間接指令，對兩個(gè)FPGA進(jìn)行復(fù)位。

加密模塊對基帶處理模塊送來的載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，加密后，將密文數(shù)據(jù)傳送回基帶模塊編碼單元完成數(shù)據(jù)編碼、加擾和擴(kuò)頻處理。同時(shí)，加密模塊根據(jù)上注的密鑰管理幀執(zhí)行相應(yīng)的在線密鑰操作。在線密鑰操作的過程如下：廣播分發(fā)單元收到地面上注密鑰后，將密鑰存儲并下發(fā)。再根據(jù)相關(guān)信息計(jì)算出所使用的組號，在單元密鑰庫中查詢到此組號對應(yīng)密鑰，用此密鑰進(jìn)行加密。密鑰下發(fā)方法是插入并替換一幀數(shù)據(jù)，以此實(shí)現(xiàn)廣播分發(fā)單元根據(jù)地面指定的密鑰加密。若無上注密鑰，則廣播分發(fā)單元可根據(jù)指令切換為自己的預(yù)存密鑰。上述步驟中當(dāng)存在泄密隱患時(shí)，通過星上指令，可對指定地面終端密碼機(jī)進(jìn)行銷毀。如圖2所示，廣播分發(fā)單元的加密模塊采用無備份設(shè)計(jì)，由電源轉(zhuǎn)換電路、加密FPGA、配置芯片、密鑰存儲器以及隨機(jī)數(shù)發(fā)生器等電路組成，電路原理見附圖3。加密模塊接收基帶信號處理FPGA發(fā)來的明文數(shù)據(jù)和時(shí)間廣播信息，提取廣播信息中的時(shí)間作為時(shí)間參考，調(diào)取相應(yīng)密鑰對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，將加密后的密文數(shù)據(jù)發(fā)送給基帶信號處理FPGA。密鑰存儲器用來存儲密鑰，它與加密FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，對密鑰進(jìn)行讀寫。加密模塊接收信號處理FPGA發(fā)來的上注密鑰完成密鑰更新，或提取自身的預(yù)存密鑰執(zhí)行。同時(shí)向信號處理FPGA提供反映自身工作狀態(tài)的信息供其采集。加密FPGA的軟復(fù)位受信號處理FPGA控制。FPGA采用XQR2V3000，配置芯片選用1片PROM XQR17V16。考慮密鑰上注和存儲空間的要求，選擇的密鑰存儲器為3D-plus公司MRAM 3DMR4M08VS4428。隨機(jī)函數(shù)發(fā)生器選用經(jīng)過型號飛行驗(yàn)證的成熟電路。加密模塊使用單一+5V供電，電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)與基帶模塊一致，同樣選擇MSK低壓差穩(wěn)壓器進(jìn)行+5V到+3.3V、+3.3V到+1.5V、+1.8V等電源轉(zhuǎn)換。時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與基帶模塊一致，同樣將來自射頻模塊的一路56.07MHz時(shí)鐘進(jìn)行隔離、整形后作為系統(tǒng)時(shí)鐘使用。

射頻模塊完成載波信號生成，信號調(diào)制、濾波和功率放大，并為基帶模塊、加密模塊提供時(shí)鐘信號。射頻模塊接收基帶處理模塊送來的IQ分路數(shù)據(jù)，進(jìn)行QPSK調(diào)制、濾波、功率放大后，將產(chǎn)生的射頻信號送至天線。射頻模塊根據(jù)不同碼率的信號、不同發(fā)射功率進(jìn)行設(shè)計(jì)更改。

在基帶處理模塊、加密模塊和射頻模塊中，廣播分發(fā)單元按發(fā)送順序?qū)d荷數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀，通過填充幀保持下行鏈路的數(shù)據(jù)速率恒定。RS編碼、交織：采用(255，223)編碼方案，符號長度J＝8，糾錯(cuò)能力E＝16，交織深度I＝4，對偶基。除幀同步頭外的數(shù)據(jù)進(jìn)行加擾處理。對加擾后的二進(jìn)制信息序列進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，分成I、Q兩路信息速率減半的序列。將I、Q兩路的數(shù)據(jù)碼型轉(zhuǎn)換由NRZ-L碼轉(zhuǎn)換成NRZ-S碼。采用標(biāo)準(zhǔn)的卷積編碼，特性參數(shù)為編碼率r＝1/2bit/sym，約束長度k＝7bit，碼類型非系統(tǒng)碼，透明碼，碼生成矢量G1＝1111001，G2＝1011011,產(chǎn)生的符號C1直接、C2反相輸出。根據(jù)預(yù)設(shè)的PN碼序列對基帶信號進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制。采用低通濾波器對IQ兩路基帶信號分別成型濾波。IQ兩路基帶信號分別與正交的載波相乘，完成QPSK調(diào)制，將產(chǎn)生的射頻調(diào)制信號送至天線。