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CN111830883B - 一种用于航天信标机的低功耗电路及运行方法 - Google Patents

一种用于航天信标机的低功耗电路及运行方法 Download PDF

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CN111830883B CN202010773863.8A CN202010773863A CN111830883B CN 111830883 B CN111830883 B CN 111830883B CN 202010773863 A CN202010773863 A CN 202010773863A CN 111830883 B CN111830883 B CN 111830883B
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刘娜
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Nanjing University of Science and Technology
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Nanjing Yixin Aerospace Technology Co ltd
Nanjing University of Science and Technology
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Abstract

本发明公开了一种用于航天信标机的低功耗电路及运行方法，电路包括测控模块、定时唤醒电路、存储模块和电源模块，测控模块、定时唤醒电路分别通过SPI接口与存储模块电连接，电源模块为测控模块、定时唤醒电路和存储模块供电，当所述航天信标机与航天环绕器之间未进入可视通信范围内，定时唤醒电路控制所述测控模块关机，或者间歇开机，工作在定时唤醒模式，而当进入到可视通信范围内时，则工作在长期工作模式。本电路及运行方法，可以有效降低航天信标机的功耗，有利于航天信标机与航天环绕器择机进行可靠有效的通信互联，确保工作参数数据能够发送给航天环绕器。

Description

一种用于航天信标机的低功耗电路及运行方法
技术领域
本发明涉及航天电子技术领域，尤其涉及一种用于航天信标机的低功耗电路及运行方法。
背景技术
航天探测器在进入EDL(下降和着陆)阶段后，需要经历连续的程序动作以实现减速和星表软着陆，在此过程中不可逆事件多，环境不可预测性强，具有较高的风险性。
航天信标机能够获取并存储航天探测器EDL阶段的工作参数，在发生故障着陆时能够大概率生存，因此通常是作为一个具有通信功能的黑匣子使用。这样，当有另外的航天环绕器环绕航天信标机所在着陆区域环绕飞行时，就可以与航天信标机建立通信，由此向航天环绕器发送其所保存的参数信息。因此，航天信标机是航天探测中非常重要的设备。
由于航天信标机自带的供电能源有限，因此需要其具有低功耗的设计特点来满足实际应用需求。
发明内容
本发明提供一种用于航天信标机的低功耗电路及运行方法，解决现有技术中航天信标机的低功耗运行的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种用于航天信标机的低功耗电路，包括测控模块、定时唤醒电路、存储模块和电源模块，所述测控模块、定时唤醒电路分别通过SP I接口与存储模块电连接，所述电源模块为测控模块、定时唤醒电路和存储模块供电，当所述航天信标机与航天环绕器之间未进入可视通信范围内，所述定时唤醒电路控制所述测控模块间歇开机，工作在定时唤醒模式。
优选的，所述定时唤醒电路包括测控开启定时器和测控关闭定时器，在定时唤醒模式中，当所述定时唤醒电路控制所述测控模块开机工作后，所述测控关闭定时器清零并开始计时，当所述测控关闭定时器计时达到预设的工作阈值时，所述定时唤醒电路控制所述测控模块关机；同时，所述测控开启定时器清零并开始计时，当所述测控开启定时器计时达到预设的休眠阈值时，所述定时唤醒电路控制所述测控模块开机。
优选的，当所述测控模块开机工作期间，若所述测控模块向所述定时唤醒电路发送测控关机指令，则所述定时唤醒电路即刻控制所述测控模块关机。
优选的，当所述测控模块开机工作期间，若所述测控模块向所述定时唤醒电路发送测控长开机指令，则所述定时唤醒电路即刻控制所述测控模块长时间开机工作，测控开启定时器和测控关闭定时器均停止计时，进入长期工作模式。
优选的，在长期工作模式中，所述测控模块长时间开机工作后，当所述航天信标机与航天环绕器之间进入可视通信范围，所述测控模块与航天环绕器进行星际通信，完成信息交互后，所述测控模块的定时器开启计时，当计时达到转换阈值时，所述测控模块向定时唤醒电路发送定时唤醒启动指令，所述定时唤醒电路收到定时唤醒启动指令后，进入定时唤醒模式。
本发明还公开了一种用于航天信标机的低功耗运行方法，基于前述的用于航天信标机的低功耗电路，包括步骤：接收数据，航天信标机上电工作后，与航天探测器进行信息交互，接收来自航天探测器的工作参数，并将工作参数存储到存储器中；间歇工作，所述航天信标机与航天探测器分离后，当所述航天信标机与航天环绕器之间未进入可视通信范围内，定时唤醒电路控制所述测控模块间歇开机，工作在定时唤醒模式。
优选的，所述定时唤醒电路包括测控开启定时器和测控关闭定时器，在定时唤醒模式中，当所述定时唤醒电路控制所述测控模块开机工作后，所述测控关闭定时器清零并开始计时，当所述测控关闭定时器计时达到预设的工作阈值时，所述定时唤醒电路控制所述测控模块关机；同时，所述测控开启定时器清零并开始计时，当所述测控开启定时器计时达到预设的休眠阈值时，所述定时唤醒电路控制所述测控模块开机。
优选的，在定时唤醒模式中，当所述测控模块开机工作期间，若所述测控模块向所述定时唤醒电路发送测控长开机指令，则所述定时唤醒电路即刻控制所述测控模块长时间开机工作，测控开启定时器和测控关闭定时器均停止计时，进入长期工作模式。
优选的，在长期工作模式中，当所述航天信标机与航天环绕器之间进入可视通信范围，所述测控模块与航天环绕器进行星际通信，完成信息交互后，所述测控模块的定时器开启计时，当计时达到转换阈值时，所述测控模块向定时唤醒电路发送定时唤醒启动指令，所述定时唤醒电路收到定时唤醒启动指令后，进入定时唤醒模式。
本发明的有益效果是：本发明公开了一种用于航天信标机的低功耗电路及运行方法，电路包括测控模块、定时唤醒电路、存储模块和电源模块，测控模块、定时唤醒电路分别通过SPI接口与存储模块电连接，电源模块为测控模块、定时唤醒电路和存储模块供电，当所述航天信标机与航天环绕器之间未进入可视通信范围内，定时唤醒电路控制所述测控模块关机，或者间歇开机，工作在定时唤醒模式，而当进入到可视通信范围内时，则工作在长期工作模式。本电路及运行方法，可以有效降低航天信标机的功耗，有利于航天信标机与航天环绕器择机进行可靠有效的通信互联，确保工作参数数据能够发送给航天环绕器。
附图说明
图1是根据本发明一种用于航天信标机的低功耗电路实施例的原理组成图；
图2是根据本发明一种用于航天信标机的低功耗运行方法实施例的流程图；
图3是根据本发明一种用于航天信标机的低功耗运行方法实施例中的定时唤醒阶段流程图；
图4是根据本发明一种用于航天信标机的低功耗运行方法实施例中的上电及长期工作模式流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
当航天探测器对某一星球进行着陆探测时，例如对月球、火星的探测，在航天探测器进入下降和着陆时，还有航天环绕器同步环绕着陆的星体在运行，作为对航天探测器的监控和中继通信平台。而在航天探测器中还包括航天信标机，该航天信标机相当于航天探测器的黑匣子，用于当航天探测器出现事故后，能够将航天探测器中的相关数据存储下来，还能够发送给航天环绕器，这样就使得对航天探测器出现故障事故的原因就有了数据采集和数据接收功能，即使在遥远的星际空间也可以获得这些数据。
如图1所示，本发明给出了一种用于航天信标机的低功耗电路实施例，其中，包括测控模块、定时唤醒电路、存储模块和电源模块，所述测控模块、定时唤醒电路分别通过SPI接口与存储模块电连接，所述电源模块为测控模块、定时唤醒电路和存储模块供电，测控模块和定时唤醒电路之间通过异步串口(UART)电连接。
优选的，当所述航天信标机与航天环绕器之间未进入可视通信范围内，所述定时唤醒电路控制所述测控模块间歇开机，工作在定时唤醒模式。因此，这里的定时唤醒电路主要是包括CPU和定时器在内的控制电路。
优选的，所述航天信标机还包括定位模块，通过定位模块所述航天信标机的定时唤醒电路可以对所在位置进行解算，然后进一步根据航天环绕器的在轨运行情况精确计算出航天信标机可以观测到航天环绕器的时间窗口，也就是在这个时间窗口之内，所述航天信标机与航天环绕器之间进入可视通信范围内，由此航天信标机可以控制其中的测控模块开机工作的时机，而在这个时间窗口之外，则测控模块无需开机工作，由此可以节省航天信标机进行射频通信的功率。
优选的，所述定时唤醒电路包括测控开启定时器和测控关闭定时器，在定时唤醒模式中，当所述定时唤醒电路控制所述测控模块开机工作后，所述测控关闭定时器清零并开始计时，当所述测控关闭定时器计时达到预设的工作阈值时，所述定时唤醒电路控制所述测控模块关机；同时，所述测控开启定时器清零并开始计时，当所述测控开启定时器计时达到预设的休眠阈值时，所述定时唤醒电路控制所述测控模块开机。
优选的，所述测控关闭定时器每次计时对应的预设的工作阈值是20分钟，所述测控开启定时器每次计时对应的预设的休眠阈值是10分钟。也就是说所述定时唤醒电路控制测控模块开机工作20分钟后，关机10分钟，然后再开机工作20分钟，关机10分钟，以此类推，间歇工作。
优选的，当所述测控模块开机工作期间，若所述测控模块向所述定时唤醒电路发送测控关机指令，则所述定时唤醒电路即刻控制所述测控模块关机。这种情况下，通常是测控模块已经与航天环绕器完成了通信交互的任务，在剩余时间中也没有其他任务，则关闭测控模块，有利于节省功耗。
优选的，当所述测控模块开机工作期间，若所述测控模块向所述定时唤醒电路发送测控长开机指令，则所述定时唤醒电路即刻控制所述测控模块长时间开机工作，测控开启定时器和测控关闭定时器均停止计时，进入长期工作模式。
优选的，在长期工作模式中，所述测控模块长时间开机工作后，当所述航天信标机与航天环绕器之间进入可视通信范围，所述测控模块与航天环绕器进行星际通信，例如，所述测控模块将其存储的数据发送给航天环绕器，由于航天信标机类似黑匣子，这样就可以将所述航天信标机所在的航天探测器或航天飞行器的飞行数据发送给航天环绕器，由此可以解决航天探测器或航天飞行器在出现事故后，仍然可以获得数据给环绕器。
进一步的，完成信息交互后，所述测控模块的定时器开启计时，当计时达到转换阈值时，所述测控模块向定时唤醒电路发送定时唤醒启动指令，所述定时唤醒电路收到定时唤醒启动指令后，进入定时唤醒模式。此时，所述定时唤醒电路收到定时唤醒启动指令后，应该向所述测控模块进行反馈，同时测控开启定时器和测控关闭定时器均根据定时唤醒模式工作的需要开始启动计时功能。
或者，进一步的，在完成信息交互后，如果无需所述测控模块进一步开机工作，则直接进入到休眠状态，此时也无需进入到定时唤醒模式，而是由定时唤醒电路根据计算的时间窗口，根据需要在时间窗口内开机工作，与航天环绕器进行即时通信，这种方式是在完成一次通信任务后的工作状态，因为通过第一次的通信过程已经把工作参数传输完毕，完成了主要的工作，后续的数据信息则根据需要进行传输，这是基于航天环绕运行器的运行规律被航天信标机所知后的一种低功耗运行模式。这种低功耗工作模式具有很好的精准性，就是航天信标机的数据已经发送给航天环绕器，但是不排除上一次的发送数据可能存在错误、遗漏等情况，因此可能需要重新发送。因此在这种情况下，就需要航天信标机能够准确计算出时间窗口，然后在对应的时间窗口内与航天环绕器通信，进一步确认是否再次发送数据。
由此可见，这里的长期工作模式并不是指航天信标机一直处于长期工作模式，而是指在该模式下测控模块的连续工作时长较长，其原因是由于信标机可以和环绕器进行可视通信，并且在通信完成以后，就无需停留在这样的长期工作模式，而是可以转入到唤醒工作模式或休眠模式。并且，航天信标机本身可以对航天环绕器的运行周期进行计算，再根据所在位置，就可以进一步计算得到航天环绕器的过顶时间窗口，由此在该时间窗口内，当需要与航天环绕器进行通信交互时，就可以转入到长期工作模式，从而有充裕的时长保证通信交互的有效性和可靠性，因此本发明中的长期工作模式具有特定的含义内容，符合航天信标机与航天环绕器的工作特点需求。
优选的，测控模块的定时器对应的预设的转换阈值是1小时。如果所述定时唤醒电路没有收到定时唤醒启动指令，或者收到定时唤醒启动指令没有响应进入到定时唤醒模式，或者所述定时唤醒电路没有向所述测控模块进行反馈要进入定时唤醒模式。那么测控模块的定时器继续延伸定时一个过渡阈值，例如该过渡阈值为0.5小时，即信息交互后1.5个小时以后，此时即使没有收到定时唤醒电路的反馈，也要进入到定时唤醒模式，由定时唤醒电路控制测控模块间歇工作，依此降低工作能耗。
基于同一构思，本发明还提供了一种用于航天信标机的低功耗运行方法，前述的用于航天信标机的低功耗电路，如图2所示，包括步骤：
步骤S1：接收数据，航天信标机上电工作后，与航天探测器进行信息交互，接收来自航天探测器的工作参数，并将工作参数存储到存储器中；
步骤S2：间歇工作，所述航天信标机与航天探测器分离后，当所述航天信标机与航天环绕器之间未进入可视通信范围内，定时唤醒电路控制所述测控模块间歇开机，工作在定时唤醒模式。
优选的，在步骤S1中，工作参数包括：分离时间、同步时间、通信时间、工作模式、工作状态、故障字、加速度及供电方式等信息写入到存储器中，例如存储器为EEPROM。
进一步的，所述定时唤醒电路包括测控开启定时器和测控关闭定时器，在定时唤醒模式中，当所述定时唤醒电路控制所述测控模块开机工作后，所述测控关闭定时器清零并开始计时，当所述测控关闭定时器计时达到预设的工作阈值时，所述定时唤醒电路控制所述测控模块关机；同时，所述测控开启定时器清零并开始计时，当所述测控开启定时器计时达到预设的休眠阈值时，所述定时唤醒电路控制所述测控模块开机。
优选的，在定时唤醒模式中，当所述测控模块开机工作期间，若所述测控模块向所述定时唤醒电路发送测控长开机指令，则所述定时唤醒电路即刻控制所述测控模块长时间开机工作，测控开启定时器和测控关闭定时器均停止计时，进入长期工作模式。
优选的，定时唤醒模式还如图3所示，在进入定时唤醒模式或定时唤醒阶段后，初始化定时唤醒电路中的计时器，然后唤醒电路内部打开第一测控计时器t0，从零开始计时，该测控计时器t0对应与前面的测控开启定时器的作用相同，同时也关闭第二测控计时器t1，该测控计时器t1对应与前面的测控关闭定时器的作用相同。当该第一测控计时器t0计时大于或等于10分钟后，则控制测控模块开始工作。同时，第一测控计时器t0关断，而第二测控计时器t1开始从零计时，当第二测控计时器t1计时大于或等于20分钟后，则控制测控模块关断工作。可以看出，在测控模块工作过程中，如果收到测控关机指令，则直接控制测控模块关断工作，不再等待第二测控计时器t1定时满20分钟后关断测控模块。另外，该过程中，也会收到测控模块长开机指令，这时该航天信标机将从当前的定时唤醒模式或阶段，进入到长期工作模式。
优选的，在长期工作模式中，当所述航天信标机与航天环绕器之间进入可视通信范围，所述测控模块与航天环绕器进行星际通信，完成信息交互后，所述测控模块的定时器开启计时，当计时达到转换阈值时，所述测控模块向定时唤醒电路发送定时唤醒启动指令，所述定时唤醒电路收到定时唤醒启动指令后，进入定时唤醒模式。
优选的，图4还进一步显示了航天信标机上电及长期工作模式的流程图。当航天信标机上电后，对应的测控模块(主要是通过FPGA实现，这里也称之为FPGA测控模块)接收存储来自航天探测器的工作参数，并且在收到来自航天探测器的通信完毕指令后，则对应的测控模块或测控系统的内部开始计时。注意，这里的测控模块与航天探测器既可以是结合在一起时通过有线通信的方式进行通信，也可以是测控模块与航天探测器分离后，通过无线通信的方式进行通信。
进一步的，在图4中，当测控模块的定时器定时超过1小时后，则向定时唤醒电路发送定时唤醒启动电路，表明测控模块将要由当前的长期工作模式转向定时唤醒模式，当收到定时唤醒电路的反馈后，则进入定时唤醒模式或定时唤醒阶段；当没有收到定时唤醒电路的反馈后，该定时器继续进行定时等待，直到定时时长超过1.5小时后，无论是否收到定时唤醒电路的反馈，这种情况下则直接进入到定时唤醒模式或定时唤醒阶段。
由此可见，本发明公开了一种用于航天信标机的低功耗电路及运行方法，电路包括测控模块、定时唤醒电路、存储模块和电源模块，测控模块、定时唤醒电路分别通过SPI接口与存储模块电连接，电源模块为测控模块、定时唤醒电路和存储模块供电，当所述航天信标机与航天环绕器之间未进入可视通信范围内，定时唤醒电路控制所述测控模块关机，或者间歇开机，工作在定时唤醒模式，而当进入到可视通信范围内时，则工作在长期工作模式。本电路及运行方法，可以有效降低航天信标机的功耗，有利于航天信标机与航天环绕器择机进行可靠有效的通信互联，确保工作参数数据能够发送给航天环绕器。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种用于航天信标机的低功耗电路，其特征在于，包括测控模块、定时唤醒电路、存储模块和电源模块，所述测控模块、定时唤醒电路分别通过SPI接口与存储模块电连接，所述电源模块为测控模块、定时唤醒电路和存储模块供电，当所述航天信标机与航天环绕器之间未进入可视通信范围内，所述定时唤醒电路控制所述测控模块间歇开机，工作在定时唤醒模式；所述航天信标机还包括定位模块，通过定位模块所述航天信标机的定时唤醒电路对所在位置进行解算，然后进一步根据航天环绕器的在轨运行精确计算出航天信标机观测到航天环绕器的时间窗口，在所述时间窗口之内，所述航天信标机与航天环绕器之间进入可视通信范围内；
所述定时唤醒电路包括测控开启定时器和测控关闭定时器，在定时唤醒模式中，当所述定时唤醒电路控制所述测控模块开机工作后，所述测控关闭定时器清零并开始计时，当所述测控关闭定时器计时达到预设的工作阈值时，所述定时唤醒电路控制所述测控模块关机；同时，所述测控开启定时器清零并开始计时，当所述测控开启定时器计时达到预设的休眠阈值时，所述定时唤醒电路控制所述测控模块开机工作；当所述测控模块开机工作期间，若所述测控模块向所述定时唤醒电路发送测控关机指令，则所述定时唤醒电路即刻控制所述测控模块关机；当所述测控模块开机工作期间，若所述测控模块向所述定时唤醒电路发送测控长开机指令，则所述定时唤醒电路即刻控制所述测控模块长时间开机工作，测控开启定时器和测控关闭定时器均停止计时，进入长期工作模式；在长期工作模式中，所述测控模块长时间开机工作后，当所述航天信标机与航天环绕器之间进入可视通信范围，所述测控模块与航天环绕器进行星际通信，完成信息交互后，所述测控模块的定时器开启计时，当计时达到转换阈值时，所述测控模块向定时唤醒电路发送定时唤醒启动指令，所述定时唤醒电路收到定时唤醒启动指令后，进入定时唤醒模式。
2.一种用于航天信标机的低功耗运行方法，其特征在于，基于权利要求1所述的用于航天信标机的低功耗电路，包括步骤：
接收数据，航天信标机上电工作后，与航天探测器进行信息交互，接收来自航天探测器的工作参数，并将工作参数存储到存储器中；
间歇工作，所述航天信标机与航天探测器分离后，当所述航天信标机与航天环绕器之间未进入可视通信范围内，定时唤醒电路控制所述测控模块间歇开机，工作在定时唤醒模式；所述航天信标机还包括定位模块，通过定位模块所述航天信标机的定时唤醒电路对所在位置进行解算，然后进一步根据航天环绕器的在轨运行精确计算出航天信标机观测到航天环绕器的时间窗口，在所述时间窗口之内，所述航天信标机与航天环绕器之间进入可视通信范围内；
所述定时唤醒电路包括测控开启定时器和测控关闭定时器，在定时唤醒模式中，当所述定时唤醒电路控制所述测控模块开机工作后，所述测控关闭定时器清零并开始计时，当所述测控关闭定时器计时达到预设的工作阈值时，所述定时唤醒电路控制所述测控模块关机；同时，所述测控开启定时器清零并开始计时，当所述测控开启定时器计时达到预设的休眠阈值时，所述定时唤醒电路控制所述测控模块开机；
在定时唤醒模式中，当所述测控模块开机工作期间，若所述测控模块向所述定时唤醒电路发送测控长开机指令，则所述定时唤醒电路即刻控制所述测控模块长时间开机工作，测控开启定时器和测控关闭定时器均停止计时，进入长期工作模式；
在长期工作模式中，当所述航天信标机与航天环绕器之间进入可视通信范围，所述测控模块与航天环绕器进行星际通信，完成信息交互后，所述测控模块的定时器开启计时，当计时达到转换阈值时，所述测控模块向定时唤醒电路发送定时唤醒启动指令，所述定时唤醒电路收到定时唤醒启动指令后，进入定时唤醒模式。
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