Ka頻段飛行器測控與通信系統(tǒng)設計

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(空間物理重點實驗室,北京 100076)

Ka頻段飛行器測控與通信系統(tǒng)設計

邱長泉，袁延榮，施睿，李萌

(空間物理重點實驗室,北京100076)

傳統(tǒng)基于S頻段的統(tǒng)一載波測控通信系統(tǒng)受工作頻率低、占用頻帶窄的特點限制，無法滿足現(xiàn)代及未來飛行器測控與通信系統(tǒng)對于高速數(shù)傳、通信帶寬、安裝空間、克服“黑障”及抗干擾性等方面日益增長的需求，提出一種Ka頻段直接序列擴頻體制的飛行器測控與通信系統(tǒng)以解決上述問題；利用Ka頻段頻帶寬、空間選擇性好、減小“黑障”影響等特點，同時采用直接序列擴頻通信體制實現(xiàn)遙測、外測和遙控等不同功能點頻統(tǒng)一和信道統(tǒng)一，簡化系統(tǒng)結構、減小設備體積；介紹了系統(tǒng)架構及主要設備組成，闡述了基帶數(shù)據綜合設備、Ka頻段一體化終端設備等單機的詳細設計及天線的選擇，并給出了地面測試系統(tǒng)方案；該系統(tǒng)具備體積小、頻帶寬、擴展性好等特點，可滿足未來飛行器測控與通信系統(tǒng)的設計與應用需求。

Ka頻段；測控與通信；直接序列擴頻；飛行器

0 引言

測控與通信系統(tǒng)是宇航系統(tǒng)各類運載器、飛行器信息保障的基礎，在信息傳輸、遙測遙控、測軌定位、監(jiān)視偵察、預警探測等方面具有極其重要的戰(zhàn)略意義和軍事價值。隨著現(xiàn)代飛行器技術的發(fā)展，特別是著眼于未來，傳統(tǒng)的測控與通信系統(tǒng)如S頻段統(tǒng)一載波測控通信系統(tǒng)，越來越無法滿足飛行器日益增長的對高速數(shù)傳、通信帶寬、安裝空間、克服“黑障”及抗干擾性等方面的需求，且受ITU分配的新型移動業(yè)務、固定業(yè)務影響，如IMT-4G(第四代移動電視)、FSS(固定衛(wèi)星業(yè)務)等都有可能對現(xiàn)有的遙測頻段造成威脅，提高工作頻段、增大工作頻帶是必然的選擇[1-2]。近年來，美國國家航空航天局(NASA)及歐空局(ESA)紛紛規(guī)劃由S頻段向更高頻段如X頻段、Ka頻段、Ku頻段轉移的計劃，我國在載人航天空間試驗室和空間站、深空探測、再入飛行等諸多領域需求的推動下，也逐步向更高頻段轉移[3]，以建立容量更大、頻帶更寬、天地互通、軍民一體的測控通信網。

基于上述背景，本文提出了一種基于Ka頻段直接序列擴頻(DSSS)體制的飛行器測控與通信系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)架構及主要設備組成，闡述了基帶數(shù)據綜合設備、Ka頻段一體化終端設備等單機的詳細設計及天線的選擇，介紹了采用的關鍵技術，并給出了地面測試方案。

1 系統(tǒng)設計的考慮

1.1 頻段選擇

頻段的選擇主要考慮帶寬、抗干擾及技術成熟度等方面。Ka頻段的特點包括：相對傳統(tǒng)S頻段具有較寬的頻帶，可提高飛行器測控與通信系統(tǒng)的數(shù)傳能力；具有波束窄、空間選擇性好的特點，可提高飛行器測控與通信系統(tǒng)抗干擾能力[1]；Ka頻段通信相關器件如固態(tài)功放、低相噪頻綜等成熟度越來越高，應用日益廣泛；結合互通互連的Ka頻段天基、地基測控與通信網資源，可有效增加飛行器測控與通信的可靠性和覆蓋范圍，特別是利用天基中繼衛(wèi)星的情況下，可實現(xiàn)全球飛行全過程監(jiān)控。此外，Ka頻段通信還具有減小“黑障”影響、設備重量小、電磁兼容性好等優(yōu)點。

1.2 通信體制選擇

圖1 Ka頻段測控與通信系統(tǒng)架構圖

傳統(tǒng)飛行器測控與通信系統(tǒng)，其通信體制常采用PCM-FM遙測、相參脈沖或連續(xù)波外測、PCM-DPSK-FM或主字母遙控[4-6]，或采用統(tǒng)一載波實現(xiàn)數(shù)傳、遙測、外測等功能[7]，隨著飛行器小型化、輕質化發(fā)展的相關需求，受飛行器上安裝空間、整機質量等條件的約束，要求測控與通信設備實現(xiàn)小型化、輕質化，必須采用統(tǒng)一的通信體制。擴頻通信具有多址通信、抗干擾性強、保密性好、抗衰落、抗多徑等特點[8]，特別是多址通信的特點，可實現(xiàn)飛行器測控與通信系統(tǒng)多種功能點頻統(tǒng)一、信道統(tǒng)一，大大簡化設備結構、降低系統(tǒng)復雜度，同時考慮到相同技術指標下QPSK相對BPSK，前者傳輸帶寬僅為后者一半，因此選擇基于QPSK的直接序列擴頻系統(tǒng)作為通信體制。

2 飛行器測控與通信系統(tǒng)設計

2.1 總體方案

基于Ka頻段直接序列擴頻體制的飛行器測控與通信系統(tǒng)架構如圖1所示，該系統(tǒng)具備遙測、外測、遙控等多種功能。其中，遙測功能將溫度、壓力等多種傳感器參數(shù)采集、編幀、加密后形成PCM數(shù)據流，該數(shù)據流經擴頻調制、QPSK調制、Ka頻段上變頻、高功率放大后傳輸至天線通過無線電波輻射；外測功能完成地面站上行測量幀的接收、解析并延遲轉發(fā)至地面，地面站根據上行測量幀、下行測量幀間傳播延遲的測量完成非相干測距、測速的計算；遙控功能通過外測上行測量幀中的特殊標識碼實現(xiàn)，通過信號處理后形成遙控指令發(fā)送至飛行器中的執(zhí)行機構。

與傳統(tǒng)飛行器測控與通信系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的特點包括：a)集成度高，設備數(shù)量少且設備體積小；b)寬頻帶，采用基于Ka頻段的QPSK體制理論上最高可獲得上吉的傳輸容量；c)采用直接序列擴頻通信，保密性強；d)采用Ka頻段通信可減小“黑障”的影響；e)擴展性好，兼容天基、地基通信網絡，易于實現(xiàn)多目標測量并實現(xiàn)天地互通測控通信。

2.2 設備組成

Ka頻段測控與通信系統(tǒng)設備采用集成化、一體化設計原則，以減小設備體積。如圖1所示，具體設備包括傳感器、變換器、基帶數(shù)據綜合設備、Ka頻段一體化終端設備、天線等。

2.2.1 傳感器及變換器

傳感器類型包括溫度、壓力、振動、沖擊、過載、噪聲、應變、行程等，變換器完成傳感器輸出信號放大(或縮小)、非線性特性線性化后形成規(guī)范化、統(tǒng)一化的電平信號，信號范圍0～10 V。由于不同類型傳感器的原理、特性不同，因此變換器必須選擇與傳感器特性相匹配的電路，常用變換器有小信號放大器、低漂移直流放大器、高輸入阻抗放大器、電荷放大器、光電轉換放大器等。經變換器調理后的信號，傳輸、匯流于基帶數(shù)據綜合設備。

2.2.2 基帶數(shù)據綜合設備

基帶數(shù)據綜合設備如圖2所示，該設備具備信號隔離、阻抗變換、數(shù)據編幀、數(shù)據加密、平行延遲等功能，同時具備RS422、CAN及1553B總線接口。傳感器輸出的模擬量信號經調理、變換進入數(shù)據綜合采集設備，通過隔離運放、多路復用開關后，利用1:1電壓跟隨器完成阻抗變換，并經高精度AD采集編碼送至數(shù)據綜合FPGA；另外，對于某些高精度傳感器、遠置采編單元設備，在本地完成數(shù)據采集后可以通過總線接口直接送至數(shù)據綜合FPGA。數(shù)據綜合FPGA支持多種采樣率，對模擬量參數(shù)、CAN總線、RS422總線和1553B總線參數(shù)進行挑路、編幀后形成遙測數(shù)據幀，遙測數(shù)據幀字長支持8bit、12bit和16bit，具備主幀同步、副幀同步和幀計數(shù)等功能。全幀數(shù)據生成后以串行碼流方式送至數(shù)據加密FPGA，完成數(shù)據加密后形成串行差分PCM數(shù)據送至Ka頻段一體化終端設備。

圖2 基帶數(shù)據綜合設備構成

此外，基帶數(shù)據綜合設備支持平行延遲存儲功能，通過專用平行延遲存儲RAM實現(xiàn)，對于同時采用實時傳輸、平行延時傳輸?shù)闹匾獢?shù)據，數(shù)據綜合FPGA可通過平行延時存儲RAM完成遙測幀中平行延遲波道數(shù)據的存儲、延時編幀，通過延時波道提高重要遙測數(shù)據獲取的可靠性。

2.2.3 Ka頻段一體化終端設備

Ka頻段一體化終端設備基于中頻帶通采樣數(shù)字化架構，通過軟件無線電實現(xiàn)，如圖3所示，具有架構簡單、使用靈活的特點，且大大降低了對AD采樣速率、工作帶寬、采樣精度、動態(tài)范圍等要求，工程上易于實現(xiàn)。

圖3 Ka頻段一體化終端設備構成

地面上行信號經天線接收后，通過射頻前端的預濾波、低噪放(LNA)、下變頻、寬帶濾波后，變換為中心頻率為140 MHz、帶寬適中的中頻信號，中頻信號經高速AD采樣，由高速DSP模塊進行信號捕獲、跟蹤、解擴、解調等數(shù)字化處理，同時完成載波同步、碼元同步、位同步、幀同步，將解調后的數(shù)據發(fā)送FPGA進行處理。若上行信號為外測信號，經FPGA判斷處理后，形成新的外測下行幀數(shù)據，發(fā)送至高速DSP進行擴頻并經正交(IQ)調制；若上行信號為遙控信號，經FPGA判斷處理后，形成遙控指令經外部接口發(fā)送至飛行器上的執(zhí)行機構，控制飛行器執(zhí)行相應的動作。

飛行器下行信號除了上行外測信號的返回數(shù)據幀外，還包括基帶數(shù)據綜合設備發(fā)出的串行遙測數(shù)據，這些數(shù)據通過高速DSP進行擴頻后，經高速DA、IQ調制、上變頻、濾波、高功率放大后送至天線輻射出去。為降低載波泄露、具有更好的頻譜特性，直接序列擴頻選用平衡Gold碼作為偽碼。

2.2.4 天線

飛行器上常用的Ka頻段天線類型包括波導天線、微帶天線和介質天線等。通常低速飛行器可選擇微帶天線、介質天線，而高速飛行器受飛行器上力、熱環(huán)境限制，可選擇基于全金屬結構的波導天線，波導天線的特點是沒有焊點，且可通過波導或波同轉換器件完成微波器件的連接。該系統(tǒng)選擇波導天線，由于天線與終端設備間距離較短，在波導天線與Ka頻段一體化終端設備之間選擇同軸電纜作為傳輸線，同時為避免大雨期間Ka頻段無線圓極化波的退極化現(xiàn)象，波導天線選擇線極化方式。

2.3 關鍵技術

2.3.1 設備小型化

根據系統(tǒng)架構，分解、組合設備功能，主要劃分為基帶數(shù)據綜合設備和Ka頻段一體化終端設備。對于基帶數(shù)據綜合設備，采用單片SOC實現(xiàn)FPGA、ADC、電壓跟隨放大器、多路復用開關、總線接口等集成，同時采用軟硬結合PCB板(Rigid-Flex PCB)進行電路的板級設計，將電路劃分為硬板和柔板，硬板上布置主要芯片、外圍接口、供電等器件，硬板與硬板之間通過柔板進行連接。對于Ka頻段一體化終端設備，進行遙測、外測和遙控收發(fā)信道一體化設計，通過三維電磁仿真、上/下行點頻組合分析確認一體化后雜散對接收靈敏度無影響，同時對鏈路的放大、濾波、混頻及本振功率進行合理分配、合理布置，保證一體化后設備的高線性及大動態(tài)能力。

2.3.2 功率動態(tài)控制

為實現(xiàn)飛行器上能源的高效利用，對系統(tǒng)中功耗較高的設備采用動態(tài)管理減小能量消耗。根據上行外測信號，終端直接獲取接收信號的信噪比，在已知地面站有效全向輻射功率(EIRP)等參數(shù)的情況下，終端可以估計出上行鏈路傳輸衰減值，包括自由空間損耗、大氣損耗、等離子體衰減、大氣折射損耗等。利用估計出的鏈路衰減值，結合飛行器自身EIRP、地面站接收G/T(品質因數(shù))值及接收靈敏度，并預留一定的鏈路余量，即可計算出一定傳輸速率下實際需要的發(fā)射機輸出功率，據此控制線性功放電路輸出功率，達到功率動態(tài)控制、節(jié)省能源的目的。

2.3.3 信號快速捕獲跟蹤

為具備大動態(tài)信號的快速捕獲和跟蹤，同時降低對DSP芯片處理資源的占用，采用多通道并行部分相關和快速傅里葉變換(FFT)結合的捕獲方法。大動態(tài)信號具有較快的多普勒頻率，將多普勒頻率范圍劃分為若干個寬度相同的頻率槽，依次遍歷所有頻率槽和偽碼相位，獲取相關峰，再在相關峰所在頻率槽及相鄰頻率槽重新搜索，在每個頻率槽內將輸入偽碼采用多路并行相關得到各組數(shù)據序列，分別進行快速傅里葉變換(FFT)計算，若FFT幅值最大值超過門限值，則捕獲完成，否則調整碼NCO(數(shù)控振蕩器)使本地偽碼滑動半個碼片，重復上述過程，直到捕獲完成，開始進行信號跟蹤。

偽碼跟蹤采用全時間超前滯后非相干碼跟蹤環(huán)，環(huán)路由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和擴頻碼生成器構成，同時使用載波環(huán)輔助碼環(huán)跟蹤，將載波環(huán)的頻率誤差控制信號按照一定比例附加到碼NCO上，實現(xiàn)碼相位的精確跟蹤。載波跟蹤采用DLL(鎖相環(huán))和FLL(鎖頻環(huán))相結合的方式，先以FLL跟蹤殘留的多普勒頻差并將其控制在一定的范圍內，在FLL輸出保持不變的情況下，轉入DLL跟蹤，由DLL維持對動態(tài)和殘留頻差、相差的跟蹤，以適應信號高動態(tài)變化的情況。

3 地面測試系統(tǒng)

Ka頻段直接序列擴頻測控與通信系統(tǒng)地面測試系統(tǒng)架構如圖4所示。該地面系統(tǒng)在實現(xiàn)對飛行器上測控與通信系統(tǒng)進行測試、試驗的同時，具備自檢聯(lián)試功能。其中，Ka頻段天線組合用于遙測及外測信號接收、遙控及外測信號發(fā)送；自動增益控制(AGC)組合對信號電平進行自動跟蹤及調整，使其保持在特定的范圍內；Ka頻段變頻組合將Ka頻段信號下變頻至S頻段信號或將S頻段信號上變頻至Ka頻段信號；光調制解調組合完成射頻信號光調制或光解調，用于遠距離測試場合；射頻耦合網絡實現(xiàn)S頻段射頻信號的分路及合路；擴頻綜合基帶產生上行遙控信號及外測信號，接收處理下行遙測信號及外測信號。Ka頻段標校天線、聯(lián)試自檢基帶等由于系統(tǒng)測試前的自檢測。

圖4 地面測試系統(tǒng)架構

4 總結

測控與通信技術是飛行器信息保障的基礎，未來測控與通信技術將向更高頻段轉移，以增加頻帶寬度、提升系統(tǒng)容量。本文提出了一種基于Ka頻段直接序列擴頻體制的飛行器測控與通信系統(tǒng)及地面測試方案，實現(xiàn)了遙測、外測、遙控等功能，采用了設備小型化、功率動態(tài)控制、信號快速捕獲跟蹤等關鍵技術，該系統(tǒng)具備體積小、頻帶寬、保密性強、擴展性好等特點，可以滿足未來飛行器尤其是小型化飛行器測控與通信的應用需求。隨著各類飛行器的研制和部署，測控與通信技術也將不斷更新、發(fā)展，并將促進Ka頻段測控與通信系統(tǒng)及相關技術的不斷發(fā)展和廣泛部署。

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DesignofKaBandTT&CandCommunicationSystemofSpacecraft

Qiu Changquan, Yuan Yanrong, Shi Rui, Li Meng

(Science and Technology on Space Physics Laboratory, Beijing 100076, China)

Traditional S-band-based unified carrier measurement control and communication system limited by the low working frequency and narrow bandwidth can not meet the increasing requirements of modern and future spacecraft measurement control and communication system for high-speed data transmission, communication bandwidth, installation space, overcoming blackout, anti-interference, etc. This paper put forward a Ka-band direct sequence spread spectrum system spacecraft control and communication system , which has the characteristics of narrow band, good space selecting and blackout overcoming, to solve the above problems by the point frequency and channel unity of telemetry, orbit measurement system and remote control, simplifying the system structure and reducing equipment size. The system architecture and the main equipment of the system are introduced, the detailed design of the data acquisition equipment, Ka-band integrated terminal equipment and the selection of the antenna feeder equipment are described, and the ground test system is presented. The system has the characteristics of small size, wide bandwidth and good expansibility, which can meet the requirements of the design and application of future spacecraft measurement control and communication system.

Ka band; TT&C and communication; DSSS; spacecraft

2017-06-20；

2017-07-19。

邱長泉(1984-)，男，遼寧朝陽市人，博士，高級工程師，主要從事飛行器測控與通信、航電綜合、自動測試系統(tǒng)等方向的研究。

1671-4598(2017)10-0271-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.069

V556

A