軟件無線電技術(shù)在航天測(cè)控應(yīng)答機(jī)中的應(yīng)用

金駿 孫晨 王文偉 江勇

【摘要】 測(cè)控應(yīng)答機(jī)是航天器測(cè)控通信分系統(tǒng)的核心組成部分，配合地面測(cè)控網(wǎng)完成對(duì)航天器的測(cè)距測(cè)速，以及傳輸遙控、遙測(cè)等信息的任務(wù)。各類航天器測(cè)控通信分系統(tǒng)所采用的測(cè)控應(yīng)答機(jī)，其工作頻率、工作帶寬、碼速率、調(diào)制體制、編碼體制和測(cè)距體制各不相同。采用軟件無線電技術(shù)，利用軟件可重配置、可重編程以及多頻帶多模式的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)測(cè)控應(yīng)答機(jī)的通用化和小型化。本文介紹了軟件無線電技術(shù)在測(cè)控應(yīng)答機(jī)中的應(yīng)用方法及研究進(jìn)展，介紹了軟件無線電應(yīng)答機(jī)的抗輻照設(shè)計(jì)，最后介紹了自主無線電技術(shù)在未來深空探測(cè)應(yīng)答機(jī)中的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】 測(cè)控應(yīng)答機(jī) 軟件無線電 測(cè)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(cè)控應(yīng)答機(jī)是航天器（衛(wèi)星、飛船、探測(cè)器）測(cè)控通信（C&T;）分系統(tǒng)的核心組成部分，是航天器與地面站之間進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)的主要通道之一，配合地面測(cè)控網(wǎng)完成對(duì)航天器的測(cè)控（TT&C;）任務(wù)。測(cè)控應(yīng)答機(jī)的主要功能如下：

1、對(duì)來自地面站的測(cè)距和測(cè)速信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，完成地面對(duì)航天器的跟蹤及軌道測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至地面站。

各類航天器測(cè)控通信分系統(tǒng)所采用的測(cè)控應(yīng)答機(jī)，其工作頻率、工作帶寬、碼速率、調(diào)制體制、編碼體制和測(cè)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(diào)制體制而言，分PM/PM體制、FM/PM體制、擴(kuò)頻體制等；就編碼體制而言，有PCM、PPM、ADPCM、PACM等；就測(cè)距體制而言，分純側(cè)音測(cè)距、偽碼測(cè)距和音碼混合測(cè)距等。由于各類測(cè)控通信系統(tǒng)之間體制標(biāo)準(zhǔn)各異，因此相對(duì)應(yīng)的測(cè)控應(yīng)答機(jī)設(shè)備也無法通用。針對(duì)不同的測(cè)控通信系統(tǒng)，需要分別研制不同的應(yīng)答機(jī)，或者在同一臺(tái)應(yīng)答機(jī)上集成不同的功能，這樣無疑在成本和時(shí)間進(jìn)度上加重了研制負(fù)擔(dān)，也增加了設(shè)備的復(fù)雜性。

軟件無線電技術(shù)是本世紀(jì)初發(fā)展起來的通信領(lǐng)域的重大技術(shù)突破。采用軟件無線電技術(shù)，利用軟件可重配置、可重編程以及多頻帶多模式的特點(diǎn)，使多個(gè)軟件模塊在同一個(gè)硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)不同的標(biāo)準(zhǔn)，同一臺(tái)測(cè)控應(yīng)答機(jī)就可以兼容兩種甚至多種測(cè)控通信體制，實(shí)現(xiàn)測(cè)控應(yīng)答機(jī)的通用化，從而降低開發(fā)成本，縮短研制周期，也更容易保障產(chǎn)品的質(zhì)量。另外，軟件無線電技術(shù)還能簡化測(cè)控應(yīng)答機(jī)的硬件電路，實(shí)現(xiàn)小型化。

二、測(cè)控應(yīng)答機(jī)的基本工作原理

一種傳統(tǒng)測(cè)控應(yīng)答機(jī)的原理框圖如圖21所示。該應(yīng)答機(jī)由鎖相接收機(jī)和相干發(fā)射機(jī)兩部分組成。鎖相接收機(jī)包括低噪聲放大器（LNA）、混頻器（Mixer）、自動(dòng)增益控制（AGC）、倍頻電路、載波跟蹤環(huán)和相干解調(diào)電路等部分。接收機(jī)接收的上行射頻信號(hào)，經(jīng)過下變頻和自動(dòng)增益控制后輸出中頻信號(hào)。中頻信號(hào)分為兩路，其中一路進(jìn)入載波跟蹤環(huán)，另一路進(jìn)入相干解調(diào)電路。

載波跟蹤環(huán)包括鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）、壓控晶振（VCXO）和分頻器，用于對(duì)上行載波進(jìn)行鎖定、跟蹤。載波跟蹤環(huán)輸出的信號(hào)分別用作接收本振、發(fā)射本振和相干解調(diào)器（Demodulator）的基準(zhǔn)信號(hào)。相干解調(diào)器輸出信號(hào)經(jīng)濾波后分別為測(cè)距信號(hào)和遙控BPSK信號(hào)。其中測(cè)距信號(hào)還要送往發(fā)射機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

相干發(fā)射機(jī)包括倍頻電路、調(diào)相器（PM）、功率放大器（PA）等。測(cè)距信號(hào)和遙測(cè)DPSK信號(hào)相加后直接調(diào)相在發(fā)射本振上，經(jīng)功放放大后下行輸出。

三、軟件無線電應(yīng)答機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法

3.1軟件無線電應(yīng)答機(jī)的射頻接收前端

測(cè)控應(yīng)答機(jī)的射頻接收前端電路包括低噪聲放大器、混頻器、自動(dòng)增益控制等部分。軟件無線電應(yīng)答機(jī)對(duì)射頻前端的要求是通用性好。由于軟件無線電應(yīng)答機(jī)往往是多信道多模式同時(shí)工作，因此射頻帶寬要足夠?qū)挘芨采w不同的頻點(diǎn)或體制。

圖2為一種能兼容統(tǒng)一載波純側(cè)音測(cè)距和偽碼測(cè)距兩種測(cè)控體制的軟件無線電應(yīng)答機(jī)接收前端，可同時(shí)接收處理純側(cè)音測(cè)距的PM信號(hào)和偽碼測(cè)距的BPSK信號(hào)。該接收機(jī)采用了一個(gè)I/Q解調(diào)器來處理中頻信號(hào)。當(dāng)上行信號(hào)為PM信號(hào)時(shí)，由I/Q解調(diào)器中的一路（Q路）進(jìn)行載波提取，后續(xù)載波跟蹤環(huán)的環(huán)路濾波器在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)；而當(dāng)上行信號(hào)為BPSK信號(hào)時(shí)，I/Q解調(diào)器輸出I路信號(hào)和Q路信號(hào)，送入科斯塔斯環(huán)中進(jìn)行載波恢復(fù)，其乘法器和環(huán)路濾波器均在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)。對(duì)于兩種測(cè)控體制，該射頻接收前端做到了完全通用。數(shù)字部分則可通過裝載不同的軟件來實(shí)現(xiàn)不同的功能，充分體現(xiàn)了軟件無線電的靈活性。

3.2數(shù)字下變頻（DDC）技術(shù)

數(shù)字下變頻（DDC）技術(shù)也經(jīng)常用于多模式測(cè)控應(yīng)答機(jī)中。數(shù)字下變頻模塊由數(shù)字混頻器、數(shù)控振蕩器（NCO）和低通濾波器構(gòu)成。占有較寬頻帶的兩個(gè)或多個(gè)射頻信號(hào)作為一個(gè)整體下變頻到接近基帶的位置，A/D轉(zhuǎn)換后，NCO與數(shù)字混頻器實(shí)現(xiàn)正交下變頻，在基帶I、Q采用數(shù)字低通濾波器來實(shí)現(xiàn)不同測(cè)控信號(hào)的選擇。與模擬下變頻相比，數(shù)字下變頻不存在混頻器雜散、本振相噪等技術(shù)難題，且具有通過軟件進(jìn)行控制修改等優(yōu)點(diǎn)。

文獻(xiàn)[1]介紹了一種既能滿足統(tǒng)一S波段（USB）測(cè)控要求，又能滿足跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）要求的雙模應(yīng)答機(jī)。該應(yīng)答機(jī)同時(shí)接收寬帶擴(kuò)頻信號(hào)和窄帶調(diào)相信號(hào)，對(duì)兩種信號(hào)統(tǒng)一以1/fs進(jìn)行采樣。數(shù)字下變頻之后，采用窄帶濾波器提取載波的方式對(duì)兩種模式進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)兩種信號(hào)采用不同的處理算法。

3.3數(shù)字調(diào)制發(fā)射機(jī)

傳統(tǒng)的PM/PM體制測(cè)控應(yīng)答機(jī)，下行調(diào)相通常采用射頻直接調(diào)相法。在軟件無線電應(yīng)答機(jī)中，可采用DDS實(shí)現(xiàn)中頻數(shù)字調(diào)相。在DDS的相位累加器與相位-幅度ROM之間加上一個(gè)相位加法器即可實(shí)現(xiàn)PM調(diào)相（圖3）。通過改變相位字，可使DDS的輸出信號(hào)產(chǎn)生所需要的相移。DDS調(diào)相有更高的溫度穩(wěn)定性和抗干擾能力，但難點(diǎn)在于調(diào)制度的控制時(shí)序生成[2]。

文獻(xiàn)[3]介紹了一種全數(shù)字調(diào)制的發(fā)射機(jī)，利用NCO和CORDIC算法（坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算方法）實(shí)現(xiàn)多種碼速率、帶寬和調(diào)制方式的調(diào)制信號(hào)，占用硬件資源小，可在一塊FPGA上實(shí)現(xiàn)NRZ/BPSK/PM、SP-L/PM、QPSK三種調(diào)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(chǎn)生正弦信號(hào)，結(jié)構(gòu)靈活簡單，還能得到較高的調(diào)制精度（圖4）。

3.4數(shù)字載波跟蹤環(huán)

測(cè)控應(yīng)答機(jī)中的載波鎖定、跟蹤環(huán)路可采用低中頻數(shù)字采樣方案，整個(gè)過程在數(shù)字域中完成（圖5）。中頻信號(hào)帶通采樣，經(jīng)過正交下變頻和低通濾波后，在信號(hào)處理模塊中選出所需要的載波信號(hào)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(dǎo)方式只需一次引導(dǎo)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(nèi)實(shí)現(xiàn)應(yīng)答機(jī)的迅速鎖定。信號(hào)處理模塊還要控制DDS的輸出頻率，輸出相干載波用于后續(xù)的轉(zhuǎn)發(fā)和調(diào)制解調(diào)。對(duì)于采用了數(shù)字載波跟蹤環(huán)的測(cè)控應(yīng)答機(jī)來說，由于多普勒頻偏不會(huì)引起轉(zhuǎn)發(fā)相位誤差，因此可以大幅減小測(cè)距漂移誤差，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)速測(cè)距[4]。

3.5軟件無線電應(yīng)答機(jī)的抗輻照設(shè)計(jì)

軟件無線電應(yīng)答機(jī)通常采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）作為硬件實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。FPGA具有可編程、高集成度、高速和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。但由于測(cè)控應(yīng)答機(jī)工作于太空環(huán)境，宇宙射線和高能粒子會(huì)對(duì)應(yīng)答機(jī)的正常運(yùn)行產(chǎn)生一定的威脅。基于FPGA等邏輯器件的軟件無線電應(yīng)答機(jī)對(duì)于單粒子效應(yīng)尤為敏感[5]，因此針對(duì)FPGA的抗輻照設(shè)計(jì)應(yīng)十分重視。

具有航天成功應(yīng)用經(jīng)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(dòng)態(tài)重構(gòu)等方面優(yōu)勢(shì)明顯，但其對(duì)單粒子效應(yīng)尤其是單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）的敏感使其在宇航領(lǐng)域的應(yīng)用受限，而反熔絲型的FPGA則對(duì)單粒子效應(yīng)免疫。

為充分利用兩種類型FPGA各自的優(yōu)勢(shì)，通常采取用反熔絲型FPGA和反熔絲型PROM對(duì)SRAM型FPGA進(jìn)行監(jiān)控的方法。基帶處理過程由SRAM型FPGA負(fù)責(zé)，但在設(shè)備運(yùn)行過程中，反熔絲型FPGA定時(shí)讀取SRAM型FPGA中的數(shù)據(jù)并與反熔絲型PROM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，若發(fā)現(xiàn)存在異常則進(jìn)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(shí)現(xiàn)。

3.6用于深空探測(cè)的自主無線電技術(shù)

2004年，美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）提出的深空自主無線電（Deep Space Autonomous Radio， DSAR）技術(shù)可以認(rèn)為是未來深空探測(cè)應(yīng)答機(jī)中軟件無線電技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。該技術(shù)能利用人工智能、現(xiàn)代信號(hào)處理等前沿科技，在未知無線電環(huán)境下，僅通過觀測(cè)信號(hào)，就能自動(dòng)識(shí)別無線電信號(hào)在碼速率、協(xié)議和調(diào)制類型等方面的區(qū)別，從而對(duì)軟件進(jìn)行重新配置，實(shí)現(xiàn)各種無線電數(shù)據(jù)的接收和處理。自主無線電技術(shù)無需從地面獲取信號(hào)特性，便可自動(dòng)軟件重配從而與不同的探測(cè)器進(jìn)行通信。

另一方面，自主無線電克服了深空測(cè)控通信的盲目性，使深空探測(cè)器處理突發(fā)事件的能力加強(qiáng)，從而適應(yīng)各種未知的空間環(huán)境。比如，深空探測(cè)器在某外星球下降和著陸的過程中，將產(chǎn)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(shù)的測(cè)控應(yīng)答機(jī)，能夠?qū)碜赃b遠(yuǎn)地球的無線電信號(hào)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，快速重配鏈路參數(shù)，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(hào)收發(fā)的有效性和可靠性[6]。

四、結(jié)論

測(cè)控應(yīng)答機(jī)作為宇航應(yīng)用設(shè)備，工作環(huán)境十分惡劣，因此對(duì)質(zhì)量可靠性的要求極為嚴(yán)格。采用軟件無線電技術(shù)，可以把不同測(cè)控通信體制的應(yīng)答機(jī)統(tǒng)一到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的通用硬件平臺(tái)，更容易實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制。另外，基于軟件無線電的測(cè)控應(yīng)答機(jī)在性能參數(shù)上受環(huán)境溫度、工作時(shí)長、供電質(zhì)量等因素影響較小，性能一致性較好，易于實(shí)現(xiàn)測(cè)控應(yīng)答機(jī)的批量生產(chǎn)。軟件無線電技術(shù)必將成為未來測(cè)控應(yīng)答機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在航天測(cè)控通信領(lǐng)域引發(fā)新的革命，深刻地改變?nèi)祟愄剿饔钪娴姆绞健?/p>

參 考 文 獻(xiàn)

[1]莫乾坤，何晨.星載數(shù)字化TDRSS/USB雙模應(yīng)答機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn).無線通信技術(shù)，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(wèi)星發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，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(cè)控應(yīng)答機(jī)技術(shù).清華大學(xué)出版社，2014