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基于ZigBee技术的微纳卫星无线星地通信系统硬件设计与实

冯晓雪;朱振才;陈宏宇;常亮

【摘要】基于ZigBee技术的微纳卫星无线星地通信系统具有体积小、重量轻、

能耗低和成本低等优点,可以代替传统的卫星地面有线通信系统,有着广阔的应用前

景.提出一种基于ZigBee技术的微纳卫星无线星地通信系统硬件应用方案,并对星

上ZigBee无线模块、星上CAN总线通信模块和地面无线数据传输模块的结构和

原理进行了详细的阐述.文章提出的硬件设计方案可以实现多颗待测微纳卫星与地

面监测设备组网通信,进行批量化、智能化、高效率地面测试工作,有利于降低卫星

地面通信系统开发成本,可靠性高并且有较好的实用性.

【期刊名称】《电子设计工程》

【年(卷),期】2016(024)017

【总页数】4页(P135-138)

【关键词】微纳卫星;无线通信;地面测试

【作者】冯晓雪;朱振才;陈宏宇;常亮

【作者单位】中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海200050;上海微小卫

星工程中心上海201203;上海微小卫星工程中心上海201203;上海微小卫星工程

中心上海201203;中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海200050;上海微

小卫星工程中心上海201203

【正文语种】中文

【中图分类】TN99

自20世纪80年代以来,随着信息技术与小型化技术的飞速发展与应用,传统的

卫星研制技术出现了革命性的飞跃。其中一个重要发展趋势是卫星小型化[1],

并采取一箭多星的发射方式,提高运载资源利用率。

无论是卫星研制过程中的单独测试,还是装星到运载火箭的发射前塔架测试,都需

要星地通信系统为星务系统与地面监测设备之间提供可靠的双工通信链路,保证数

据与指令可靠地传输。传统方案采用八十到数百米电缆、各种机械手动和继电器开

关,各模块放置分散,体积庞大,功能密度低[2]。若继承传统大卫星测试方案,

首先,现代微纳卫星进行批量化生产和测试,需在不同微纳卫星测试接口间进行多

次手动插拔,对产品的安全性和通信的可靠性会造成不良影响,其次,对于意见多

星发射,在发射前,每颗卫星从运载整流罩内引出测试电缆室不现实的。利用无线

通信技术可以解决这一问题,以保证批量化卫星测试安全稳定地进行。考虑到微纳

卫星星务系统与地面监测系统所需传输的数据量小,传输速率低,对功耗要求高,

要求通信系统具有成本低、功耗小,可容纳多设备等特点。利用ZigBee无线技术

可以取代传统的星地有线通信系统,简化星箭接口。另外,ZigBee设备具有能量

和链路质量检测能力,根据这些检测结果,设备可自动调整设备的发射功率,在保

证通信链路质量的条件下,最小地消耗设备能量[3]。有利于地面通信系统通用

化、规范化,降低卫星地面通信系统开发成本。

文中以中科院某型号高光谱微纳遥感卫星为应用背景,结合任务要求,设计基于

ZigBee技术的微纳卫星星地无线通信系统,以满足各项功能与性能指标,并提高

微纳卫星的测试效率[4]。

高光谱微纳卫星的星务综合电子系统采用CAN总线将各个单机分系统连接在一起,

地面测试阶段需要无间断监听CAN总线上指令与数据,获得各个单机分系统的工

作状态与指令信息。为实现星地双向通信,微纳卫星地面无线通信系统的硬件架构

如图1所示。主要包括星上CAN协议转ZigBee模块(简称星上模块)和地面

ZigBee转串口模块(简称地面模块)两个部分。其中,星上模块的功能要求为:

1)具备与星务系统CAN总线通信的能力[5];2)实现CAN协议与ZigBee协

议转换;3)实现与地面模块半双工射频可靠通信;4)地面模块的功能要求为;5)

具备与地面监测系统的串口通信能力;6)实时监测无线信道质量和报警。

2.1星上CAN协议转ZigBee模块设计

星上CAN协议转ZigBee模块功能为监听星上CAN总线网络状态,连接星上系

统CAN总线网络和ZigBee无线网络,使星上CAN总线网络与ZigBee网络无缝、

实时互联。保证数据和指令可靠、稳定低成本的双向无线传输,模块组成如图2

所示。

本硬件方案的设计核心是微处理器芯片的选择,对数据实现ZigBee协议和CAN

协议数据包转换。设计采用了TI公司推出的CC2530片上系统芯片,将一个高

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