軟件無線電技術在航天測控應答機中的應用

金駿 孫晨 王文偉 江勇

【摘要】 測控應答機是航天器測控通信分系統的核心組成部分，配合地面測控網完成對航天器的測距測速，以及傳輸遙控、遙測等信息的任務。各類航天器測控通信分系統所采用的測控應答機，其工作頻率、工作帶寬、碼速率、調制體制、編碼體制和測距體制各不相同。采用軟件無線電技術，利用軟件可重配置、可重編程以及多頻帶多模式的特點，可實現測控應答機的通用化和小型化。本文介紹了軟件無線電技術在測控應答機中的應用方法及研究進展，介紹了軟件無線電應答機的抗輻照設計，最后介紹了自主無線電技術在未來深空探測應答機中的應用前景。

【關鍵詞】 測控應答機 軟件無線電 測控通信 自主無線電Application of Software Radio Technology in Aerospace TT&C; Transponder

Jin Jun， Sun Chen， Wang Wenwei， Jiang Yong

Abstract： TT&C; transponder is core part of spacecraft C&T; subsystem and it can finish the tasks of measuring range & velocity of a spacecraft， transmitting telecommand & telemetry information， etc. in cooperation with ground TT&C; network. TT&C; transponders in different spacecraft C&T; subsystems have various operating frequency， operating bandwidth， bit rate， modulation system， coding system and ranging system. Universalization and miniaturization of TT&C; transponders can be realized by taking advantage of software reconfiguration， reprogramming and multi-band multi-mode characteristics of software defined radio （SDR） technology. This article introduced application methods and research progress of SDR technology in TT&C; transponders. Radiation resistant design of SDR TT&C; transponders is also described. Finally the article introduced the application prospect of autonomous radio technology in future deep space TT&C; transponders.

Key Words： TT&C; transponder， software defined radio， C&T;， autonomous radio

一、引言

測控應答機是航天器（衛星、飛船、探測器）測控通信（C&T;）分系統的核心組成部分，是航天器與地面站之間進行通信聯絡的主要通道之一，配合地面測控網完成對航天器的測控（TT&C;）任務。測控應答機的主要功能如下：

1、對來自地面站的測距和測速信號進行轉發，完成地面對航天器的跟蹤及軌道測量；

2、接收來自地面站的遙控信息；

3、將航天器上的各類遙測數據發送至地面站。

各類航天器測控通信分系統所采用的測控應答機，其工作頻率、工作帶寬、碼速率、調制體制、編碼體制和測距體制各不相同。就工作頻率而言，主要有S波段、C波段、X波段、 Ka波段四種；就調制體制而言，分PM/PM體制、FM/PM體制、擴頻體制等；就編碼體制而言，有PCM、PPM、ADPCM、PACM等；就測距體制而言，分純側音測距、偽碼測距和音碼混合測距等。由于各類測控通信系統之間體制標準各異，因此相對應的測控應答機設備也無法通用。針對不同的測控通信系統，需要分別研制不同的應答機，或者在同一臺應答機上集成不同的功能，這樣無疑在成本和時間進度上加重了研制負擔，也增加了設備的復雜性。

軟件無線電技術是本世紀初發展起來的通信領域的重大技術突破。采用軟件無線電技術，利用軟件可重配置、可重編程以及多頻帶多模式的特點，使多個軟件模塊在同一個硬件平臺上實現不同的標準，同一臺測控應答機就可以兼容兩種甚至多種測控通信體制，實現測控應答機的通用化，從而降低開發成本，縮短研制周期，也更容易保障產品的質量。另外，軟件無線電技術還能簡化測控應答機的硬件電路，實現小型化。

二、測控應答機的基本工作原理

一種傳統測控應答機的原理框圖如圖21所示。該應答機由鎖相接收機和相干發射機兩部分組成。鎖相接收機包括低噪聲放大器（LNA）、混頻器（Mixer）、自動增益控制（AGC）、倍頻電路、載波跟蹤環和相干解調電路等部分。接收機接收的上行射頻信號，經過下變頻和自動增益控制后輸出中頻信號。中頻信號分為兩路，其中一路進入載波跟蹤環，另一路進入相干解調電路。

載波跟蹤環包括鑒相器（PD）、環路濾波器（LPF）、壓控晶振（VCXO）和分頻器，用于對上行載波進行鎖定、跟蹤。載波跟蹤環輸出的信號分別用作接收本振、發射本振和相干解調器（Demodulator）的基準信號。相干解調器輸出信號經濾波后分別為測距信號和遙控BPSK信號。其中測距信號還要送往發射機進行轉發。

相干發射機包括倍頻電路、調相器（PM）、功率放大器（PA）等。測距信號和遙測DPSK信號相加后直接調相在發射本振上，經功放放大后下行輸出。

三、軟件無線電應答機的實現方法

3.1軟件無線電應答機的射頻接收前端

測控應答機的射頻接收前端電路包括低噪聲放大器、混頻器、自動增益控制等部分。軟件無線電應答機對射頻前端的要求是通用性好。由于軟件無線電應答機往往是多信道多模式同時工作，因此射頻帶寬要足夠寬，能覆蓋不同的頻點或體制。

圖2為一種能兼容統一載波純側音測距和偽碼測距兩種測控體制的軟件無線電應答機接收前端，可同時接收處理純側音測距的PM信號和偽碼測距的BPSK信號。該接收機采用了一個I/Q解調器來處理中頻信號。當上行信號為PM信號時，由I/Q解調器中的一路（Q路）進行載波提取，后續載波跟蹤環的環路濾波器在數字域中實現；而當上行信號為BPSK信號時，I/Q解調器輸出I路信號和Q路信號，送入科斯塔斯環中進行載波恢復，其乘法器和環路濾波器均在數字域中實現。對于兩種測控體制，該射頻接收前端做到了完全通用。數字部分則可通過裝載不同的軟件來實現不同的功能，充分體現了軟件無線電的靈活性。

3.2數字下變頻（DDC）技術

數字下變頻（DDC）技術也經常用于多模式測控應答機中。數字下變頻模塊由數字混頻器、數控振蕩器（NCO）和低通濾波器構成。占有較寬頻帶的兩個或多個射頻信號作為一個整體下變頻到接近基帶的位置，A/D轉換后，NCO與數字混頻器實現正交下變頻，在基帶I、Q采用數字低通濾波器來實現不同測控信號的選擇。與模擬下變頻相比，數字下變頻不存在混頻器雜散、本振相噪等技術難題，且具有通過軟件進行控制修改等優點。

文獻[1]介紹了一種既能滿足統一S波段（USB）測控要求，又能滿足跟蹤與數據中繼衛星系統（TDRSS）要求的雙模應答機。該應答機同時接收寬帶擴頻信號和窄帶調相信號，對兩種信號統一以1/fs進行采樣。數字下變頻之后，采用窄帶濾波器提取載波的方式對兩種模式進行識別，并對兩種信號采用不同的處理算法。

3.3數字調制發射機

傳統的PM/PM體制測控應答機，下行調相通常采用射頻直接調相法。在軟件無線電應答機中，可采用DDS實現中頻數字調相。在DDS的相位累加器與相位-幅度ROM之間加上一個相位加法器即可實現PM調相（圖3）。通過改變相位字，可使DDS的輸出信號產生所需要的相移。DDS調相有更高的溫度穩定性和抗干擾能力，但難點在于調制度的控制時序生成[2]。

文獻[3]介紹了一種全數字調制的發射機，利用NCO和CORDIC算法（坐標旋轉數字計算方法）實現多種碼速率、帶寬和調制方式的調制信號，占用硬件資源小，可在一塊FPGA上實現NRZ/BPSK/PM、SP-L/PM、QPSK三種調制方式的VHDL代碼。CORDIC算法可以只利用移位、相加等簡單的邏輯操作便可以產生正弦信號，結構靈活簡單，還能得到較高的調制精度（圖4）。

3.4數字載波跟蹤環

測控應答機中的載波鎖定、跟蹤環路可采用低中頻數字采樣方案，整個過程在數字域中完成（圖5）。中頻信號帶通采樣，經過正交下變頻和低通濾波后，在信號處理模塊中選出所需要的載波信號頻率特征，控制NCO的輸出頻率，從而完成FFT載波捕獲和載波跟蹤。采用FFT頻率引導方式只需一次引導就可捕獲較大頻偏并跟蹤一定的頻率變化率，相比自然牽引方式捕獲速度更快，可在較寬的多普勒頻偏范圍內實現應答機的迅速鎖定。信號處理模塊還要控制DDS的輸出頻率，輸出相干載波用于后續的轉發和調制解調。對于采用了數字載波跟蹤環的測控應答機來說，由于多普勒頻偏不會引起轉發相位誤差，因此可以大幅減小測距漂移誤差，實現高精度測速測距[4]。

3.5軟件無線電應答機的抗輻照設計

軟件無線電應答機通常采用現場可編程門陣列（FPGA）作為硬件實現平臺。FPGA具有可編程、高集成度、高速和高可靠性等優點。但由于測控應答機工作于太空環境，宇宙射線和高能粒子會對應答機的正常運行產生一定的威脅。基于FPGA等邏輯器件的軟件無線電應答機對于單粒子效應尤為敏感[5]，因此針對FPGA的抗輻照設計應十分重視。

具有航天成功應用經歷的FPGA主要有兩類，一類為一次性編程的反熔絲型FPGA，另一類為可重編程的SRAM型FPGA。相比較而言，SRAM型的FPGA雖然在邏輯門資源、動態重構等方面優勢明顯，但其對單粒子效應尤其是單粒子翻轉（SEU）的敏感使其在宇航領域的應用受限，而反熔絲型的FPGA則對單粒子效應免疫。

為充分利用兩種類型FPGA各自的優勢，通常采取用反熔絲型FPGA和反熔絲型PROM對SRAM型FPGA進行監控的方法。基帶處理過程由SRAM型FPGA負責，但在設備運行過程中，反熔絲型FPGA定時讀取SRAM型FPGA中的數據并與反熔絲型PROM中的數據進行比對，若發現存在異常則進行重配置。采用這種方法，就可以兼顧邏輯門資源的充分利用和抗輻照可靠性的實現。

3.6用于深空探測的自主無線電技術

2004年，美國噴氣推進實驗室（JPL）提出的深空自主無線電（Deep Space Autonomous Radio， DSAR）技術可以認為是未來深空探測應答機中軟件無線電技術的一個發展方向。該技術能利用人工智能、現代信號處理等前沿科技，在未知無線電環境下，僅通過觀測信號，就能自動識別無線電信號在碼速率、協議和調制類型等方面的區別，從而對軟件進行重新配置，實現各種無線電數據的接收和處理。自主無線電技術無需從地面獲取信號特性，便可自動軟件重配從而與不同的探測器進行通信。

另一方面，自主無線電克服了深空測控通信的盲目性，使深空探測器處理突發事件的能力加強，從而適應各種未知的空間環境。比如，深空探測器在某外星球下降和著陸的過程中，將產生非常劇烈而不確定的多普勒變化和通信鏈路信噪比惡化。

采用了自主無線電技術的測控應答機，能夠對來自遙遠地球的無線電信號進行參數估計，快速重配鏈路參數，從而以近乎最佳的方法處理劇烈的多普勒變化和信噪比變化，確保信號收發的有效性和可靠性[6]。

四、結論

測控應答機作為宇航應用設備，工作環境十分惡劣，因此對質量可靠性的要求極為嚴格。采用軟件無線電技術，可以把不同測控通信體制的應答機統一到一個標準化的通用硬件平臺，更容易實現質量控制。另外，基于軟件無線電的測控應答機在性能參數上受環境溫度、工作時長、供電質量等因素影響較小，性能一致性較好，易于實現測控應答機的批量生產。軟件無線電技術必將成為未來測控應答機領域的研究熱點，在航天測控通信領域引發新的革命，深刻地改變人類探索宇宙的方式。

參 考 文 獻

[1]莫乾坤，何晨.星載數字化TDRSS/USB雙模應答機設計與試驗.無線通信技術，2008，3，55-58

[2] A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis. Analog Device Inc.， 1999

[3]姜建文，張朝杰，金小軍，金仲和.基于CORDIC算法的微小衛星發射機設計與實現.傳感技術學報，2010，23（1），57-61

[4]L. Simone， D. Gelfusa， S. Cocchi. A Novel Digital Platform for Deep Space Transponders. IEEE Aerospace Conference Proceedings， 2004， 1432-1445

[5] Microsemi. FPGA Reliability and the Sunspot Cycle. Microsemi Corporation， September 2011

[6]李海濤，馮貴年，朱智勇.深空測控應答機技術.清華大學出版社，2014