基于軟件無(wú)線電技術(shù)的通用衛(wèi)星模擬器設(shè)計(jì)

金華松，魯新龍，邱冬冬

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部 江蘇 江陰 214431）

基于軟件無(wú)線電技術(shù)的通用衛(wèi)星模擬器設(shè)計(jì)

金華松，魯新龍，邱冬冬

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部 江蘇 江陰 214431）

航天測(cè)控站配備的傳統(tǒng)的衛(wèi)星模擬器功能單一，通用性差，已經(jīng)不能滿足目前衛(wèi)星發(fā)展的多種測(cè)控體制、多種衛(wèi)星平臺(tái)的實(shí)際需求。為滿足這一需求，研究了一種基于軟件無(wú)線電技術(shù)的通用衛(wèi)星模擬器，在70 MHz中頻上進(jìn)行數(shù)字化處理，實(shí)現(xiàn)了多體制、多星共用的功能。該衛(wèi)星模擬器具有體積小、精度高、穩(wěn)定性好、操作維護(hù)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

通用；衛(wèi)星模擬器；軟件無(wú)線電；DSP；FPGA

衛(wèi)星模擬器作為驗(yàn)證航天測(cè)控站檢查地面設(shè)備技術(shù)狀態(tài)正確性、匹配性和培訓(xùn)操作人員的重要設(shè)備，在航天測(cè)控領(lǐng)域有著重要的作用。傳統(tǒng)的衛(wèi)星模擬器一般采用與衛(wèi)星正樣類似的器件實(shí)現(xiàn)，是專用的模擬器，不同型號(hào)衛(wèi)星任務(wù)的所配備不同型號(hào)的模擬器而這些模擬器在該型號(hào)的衛(wèi)星任務(wù)完成后，其使命也就基本完成。隨著我國(guó)航天事業(yè)的快速發(fā)展，降低衛(wèi)星發(fā)射成本成為趨勢(shì)，傳統(tǒng)的一星一模擬器的設(shè)計(jì)思路已漸漸不能適應(yīng)這樣的趨勢(shì)，因此研制適應(yīng)不同型號(hào)的衛(wèi)星任務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星模擬器通用化成為迫切需要解決的問(wèn)題。現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展，使得衛(wèi)星模擬器實(shí)現(xiàn)通用化成為可能[1-3]。

本文介紹了一種基于軟件無(wú)線電體系結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)通用衛(wèi)星模擬器，該模擬器在70 MHz中頻上直接進(jìn)行數(shù)字化處理，并通過(guò)加載不同的配置文件對(duì)DSP和FPGA進(jìn)行配置，從而加載相應(yīng)的信號(hào)處理算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)衛(wèi)星的技術(shù)狀態(tài)模擬。

1 系統(tǒng)需求

根據(jù)航天測(cè)控體制的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)通用衛(wèi)星模擬器的工作模式有如下要求：統(tǒng)一載波測(cè)控體制。根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模式不同，可分為非相干FM/PM體制和相干PM/PM體制；根據(jù)衛(wèi)星遙控指令格式，要求衛(wèi)星模擬器能夠解調(diào)FSK、PSK/FM、PM格式的指令；根據(jù)衛(wèi)星遙測(cè)格式，要求衛(wèi)星模擬器能夠進(jìn)行PSK、QPSK/PM調(diào)制[4-6]。

此外，要求通用衛(wèi)星模擬器具備70 MHz標(biāo)準(zhǔn)接口，可以與射頻（S頻段、C頻段）上、下變頻器、應(yīng)答機(jī)連接構(gòu)成射頻通用衛(wèi)星模擬器；具備視頻接口，便于同遙測(cè)/遙控終端直接連接。

2 組成與工作原理

可重構(gòu)通用衛(wèi)星模擬器主要完成70 MHz上行信號(hào)的解調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)、遙控副載波的解調(diào)和同步檢測(cè)、遙控指令碼上報(bào)、70 MHz下行信號(hào)的調(diào)制輸出等工作，其體系結(jié)構(gòu)包括硬件平臺(tái)和支持軟件兩部分，如圖1所示。

硬件平臺(tái)采用DSP＋FPGA的軟件無(wú)線電體系結(jié)構(gòu)，由兩塊基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)總線的上、下行信號(hào)處理電路板和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)構(gòu)成；軟件平臺(tái)主要由直接與設(shè)備硬件通信的底層驅(qū)動(dòng)程序、模擬器功能進(jìn)行封裝后的功能模塊庫(kù)、與用戶交互的模擬器應(yīng)用程序構(gòu)成。

3 系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 通用衛(wèi)星模擬器硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)采用DSP＋FPGA的軟件無(wú)線電體系結(jié)構(gòu)，DSP主要完成復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算、頻譜分析和環(huán)路參數(shù)控制，而FPGA主要完成各類濾波、數(shù)字域的變頻算法。由上行信號(hào)處理板和下行信號(hào)處理板兩塊電路板構(gòu)成。

圖1 通用衛(wèi)星模擬器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 System structure diagram of universal satellite simulator

圖2 上行信號(hào)處理板原理框圖Fig. 2 Functional diagram of uplink signal processing board

1）上行信號(hào)處理板

上行信號(hào)處理板主要對(duì)來(lái)自地面設(shè)備的上行遙控、測(cè)距信號(hào)的載波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，主要包括中頻解調(diào)模塊、遙控副載波解調(diào)模塊和測(cè)距處理模塊。解調(diào)采用通用的正交解調(diào)模型，原理框圖如圖2所示。

對(duì)于FM/PM體制，上行載波信號(hào)在經(jīng)過(guò)高速A/D采樣后，兩路正交信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波抽取后，進(jìn)入鑒頻器鑒頻和窄帶數(shù)字濾波后，提取出載波多普勒變化，控制NCO（數(shù)控振蕩器）改變本振頻率，完成載波閉環(huán)。載波環(huán)路鎖定后，兩路正交信號(hào)經(jīng)過(guò)鑒頻及寬帶濾波，解調(diào)出多路副載波信號(hào)，其中一路經(jīng)過(guò)帶通濾波后，解調(diào)出測(cè)距音信號(hào)送往下行調(diào)制模塊進(jìn)行測(cè)距轉(zhuǎn)發(fā)，另一路則解調(diào)出遙控副載波送往遙控副載波解調(diào)模塊解調(diào)出遙控指令碼。

對(duì)于PM/PM體制，解調(diào)基本原理與FM/PM體制類似，只是鑒頻器模塊換成鑒相器模塊，相干解調(diào)的相干載波由數(shù)字COSTAS（科斯塔斯）環(huán)輔以快速FFT（快速傅立葉變換）頻譜分析獲得。具體設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮增加防錯(cuò)鎖措施以保證提取的載波頻率的真實(shí)有效。

視頻遙控副載波經(jīng)過(guò)低速A/D采樣后，直接送往遙控副載波解調(diào)模塊解調(diào)出遙控指令碼。

2）下行信號(hào)處理板

下行信號(hào)處理板主要產(chǎn)生包含了遙測(cè)信息、測(cè)距信息的下行PM調(diào)制信號(hào)，主要包括中頻調(diào)制模塊、測(cè)距轉(zhuǎn)發(fā)模塊和遙測(cè)處理模塊。原理框圖如圖3所示。

由計(jì)算機(jī)仿真的編碼遙測(cè)數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)編碼遙測(cè)數(shù)據(jù)變換后形成符合IRIG幀格式的遙測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)碼型變換后進(jìn)行PSK/QPSK調(diào)制，形成編碼遙測(cè)數(shù)字副載波，送往調(diào)制選擇開(kāi)關(guān)；同樣的，來(lái)自計(jì)算機(jī)仿真的衛(wèi)星姿態(tài)脈沖信息，經(jīng)過(guò)脈沖發(fā)送控制器產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)控制脈寬發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)寬度的脈沖，經(jīng)過(guò)FSK調(diào)制器產(chǎn)生模擬遙測(cè)數(shù)字副載波，送往調(diào)制選擇開(kāi)關(guān)；來(lái)自上行信號(hào)處理板解調(diào)出的測(cè)距音經(jīng)過(guò)測(cè)距音轉(zhuǎn)發(fā)模塊后同樣送往調(diào)制選擇開(kāi)關(guān)。由調(diào)制選擇開(kāi)關(guān)控制相應(yīng)的副載波是否進(jìn)行加調(diào)。70 MHz數(shù)字載波信號(hào)由DDS產(chǎn)生，通過(guò)改變載波的相位使之隨輸入調(diào)制信號(hào)幅度按照預(yù)置的調(diào)制指數(shù)線性比例變化，從而實(shí)現(xiàn)PM調(diào)制，之后經(jīng)過(guò)高速D/A后，得到70 MHz中頻輸出。

3.2 通用衛(wèi)星模擬器軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

圖3 下行信號(hào)處理板原理框圖Fig. 3 Functional diagram of downlink signal processing board

通用衛(wèi)星模擬器軟件主要完成硬件設(shè)備的初始化、參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)視、本地仿真、遠(yuǎn)程仿真、遙控指令上報(bào)、服務(wù)等功能。設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，以模塊組合的方式將通用衛(wèi)星模擬器的相關(guān)設(shè)備組合在一起，既保證了各個(gè)功能相互獨(dú)立，又使它們之間的相互聯(lián)系可靠而快速。

圖4 衛(wèi)星模擬器軟件總體框架Fig. 4 Overall framework of satellite simulator software

軟件設(shè)計(jì)采用單進(jìn)程設(shè)計(jì)方法，在軟件內(nèi)部以功能重構(gòu)接口、命令傳遞接口、信息元管理接口為基礎(chǔ)，形成在單進(jìn)程環(huán)境下多種不同功能、性能的服務(wù)相安共存的軟件開(kāi)發(fā)模式。軟件的相關(guān)功能均由獨(dú)立的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件（DLL）實(shí)現(xiàn)，軟件的總體框架如圖4所示。采用這種開(kāi)發(fā)模式有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）體系靈活，功能可變。在一個(gè)應(yīng)用中，多種不同功能的功能集合均由獨(dú)立的DLL來(lái)實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)統(tǒng)一的重構(gòu)接口與主程序動(dòng)態(tài)連接，使得軟件的規(guī)模可大可小，功能可變。

2）功能擴(kuò)展和升級(jí)簡(jiǎn)單。由于采用了動(dòng)態(tài)鏈接方式在集成應(yīng)用運(yùn)行時(shí)重構(gòu)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，因此可以方便地將新的功能模塊或模塊集合掛接到集成應(yīng)用中。這對(duì)于系統(tǒng)日后擴(kuò)展、功能和性能的修改十分有利。

3）啟動(dòng)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了主控程序與服務(wù)模塊分離。在每一次軟件運(yùn)行的開(kāi)始對(duì)FPGA和DSP、衛(wèi)星模擬器應(yīng)用軟件的整體功能和性能進(jìn)行重新構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)了在主控程序不變的情況下，系統(tǒng)功能和性能的變化。例如，當(dāng)通用衛(wèi)星模擬器中的某一個(gè)功能不需要啟動(dòng)或部分啟動(dòng)時(shí)，可通過(guò)配置（僅僅是配置，不需要對(duì)程序進(jìn)行修改或刪除）將其全部或部分地禁止，而不會(huì)影響到系統(tǒng)其他部分的正常工作和性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹的基于軟件無(wú)線電體系結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)通用衛(wèi)星模擬器，較好的解決了衛(wèi)星模擬器的小型化、通用化問(wèn)題，目前已應(yīng)用到國(guó)內(nèi)測(cè)控站中。該模擬器具備70 MHz標(biāo)準(zhǔn)中頻接口，可方便地與某一頻段（S頻段、C頻段）的上、下變頻器、應(yīng)答機(jī)連接，構(gòu)成射頻通用衛(wèi)星模擬器；該模擬器在70 MHz上直接進(jìn)行數(shù)字化處理，克服了傳統(tǒng)衛(wèi)星模擬器由于采用模擬器件帶來(lái)的固有的時(shí)漂、溫漂等缺點(diǎn)，具有精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)；此外，該模擬器由于采用了基于DSP＋FPGA的軟件無(wú)線電體系結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)修改配置文件和應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)功能升級(jí)，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻測(cè)控體制衛(wèi)星模擬器。

隨著數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代微電子技術(shù)水平的提高，可重構(gòu)通用衛(wèi)星模擬器也將集成更多的功能，更好的對(duì)衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行模擬。

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Design of a universal satellite simulator based on software radio

JIN Hua-song, LU Xin-long, QIU Dong-dong
（China Satellite Maritime Tracking and Controlling Department, Jiangyin 214431,China）

As the conventional satellite simulator has simple function and bad universalness，it can not adapt the needs of multi-TT&C system and multi-satellite platform.In order to solve the problem，a new satellite simulator based on software radio theory is designed that adopted the 70MHz IF digitized approach to suit the needs.This satellite simulator has the advantages of small size，high precision，well stability and easy use.

universal; satellite simulator; software radio; DSP; FPGA

TN707

A

1674-6236(2014)03-0117-03

2013–06–12 稿件編號(hào)：201306073

金華松(1980—)，男，浙江上虞人，工程師。研究方向：航天測(cè)控。