衛星導航系統出入站信號與信息切換控制設計

北京衛星導航中心 李洪力 劉 冰 張 婷 楊 華

引言：本文針對某衛星導航系統壽命末期空間衛星和地面設備超壽運行，故障發生率增高，故障維修時間長等問題，提出了衛星導航系統出入站信號與信息整體快速切換、多選組合控制的總體設計方案，設計了出入站信號與信息切換控制系統，通過采用高性能多通道信號開關矩陣快速切換技術和多路出站信息快速同步切換技術，實現了衛星導航系統出入站信號與信息的冗余備份和切換控制，提高了衛星導航系統的可靠性和可維護性。

1.前言

衛星導航系統能夠提供全天候、全天時、高精度的導航定位服務，在國防建設和國民經濟中發揮著重要作用。使用GEO衛星組網的某衛星導航系統在壽命末期，出現空間段衛星超壽命運行，整星故障概率大大增加，一旦出現整星故障，容易造成系統服務的長時間中斷。同時地面設備也面臨老化嚴重、故障發生率增高等問題，其中信號收發分系統的地面天線為大型機械設備，一旦發生故障，維修時間較長；信息處理分系統的軟硬件設備一些型號已經停產，故障維修也非常不便。

針對上述問題，該衛星導航系統已構建了一套備份地面天線和一套備份信息處理分系統作為備份設備。但是，備份地面天線接入系統使用，需對出入站信號電纜進行重新配置連接，涉及到信號電平的調整及不同鏈路設備組合時延的修改，操作過程復雜且用時較長；備份信息處理分系統接入系統實現出站信息的選擇輸出，需要對出站信息電纜進行物理中斷，操作風險大且用時較長。

為實現出入站信號及信息快速準確的切換，本文提出了出入站信號與信息整體快速切換、多選組合控制的總體設計方案，設計了出入站信號與信息切換控制系統，通過采用高性能多通道信號開關矩陣快速切換技術和多路出站信息快速同步切換技術，實現了衛星導航系統出入站信號與信息的冗余備份和切換控制，提高了衛星導航系統的可靠性和可維護性。

2.系統方案設計與實現

2.1 設計思路

2.1.1 信號選擇切換設備設計思路

1）設備實現方式的選擇

由于系統要求出、入站信號選擇切換設備對整顆衛星的2個發射中頻信號和2個接收中頻信號進行同時切換，其設備實現方式可分為兩種：集中式和分散式。集中式指所有切換設備放到一個機箱內，通過機箱本地監控或遠程計算機控制設備同時切換，分散式指根據設備功能不同將其做成不同機箱，通過監控程序實現不同信號的同時切換。集中式的優點是不借助外部計算機，直接通過機箱前面板即可實現所有信號的同時切換，缺點是機箱內設備量大，其可靠性、電性能、可維修性均較差；分散式的優點是機箱內設備量小，可靠性和可維修性高，研制難度較低，缺點是必須通過外部計算機才能實現所有信號同時切換。根據系統對可靠性要求較高的實際情況，采用分散式設備實現方案。

2）信號切換方案的選擇

對于中頻窄帶信號的切換來說，主要有兩種實現方式：微波同軸機電開關和電子開關。在信號工作頻率不高、功率較低、帶寬較窄、設備工作環境條件很好的條件下，兩種方案的電性能（穩定性、插損、隔離度、駐波等方面）沒有明顯差異，但考慮到高可靠性、長壽命、可重復性等系統需求，采用電子開關的方案來實現。

2.1.2 信息選擇切換設備設計思路

1）設備實現方式的選擇

根據系統要求，信息切換的主要任務是對信息處理分系統和備份信息處理分系統送來的信息進行切換，其設備實現方式同樣可分為兩種：集中式和分散式。集中式是指使用一個標準插箱結構實現信息切換的所有功能，分散式是指根據功能不同將其做成多個機箱。集中式的結構緊促，可通過機箱前面板的監控實現本地切換，但是由此帶來的可靠性問題將十分突出。由于信息選擇設備是串入到系統中的，所有信息出入均要經過本設備，如果該設備出現故障，將導致整個衛星導航系統無法正常運行，而這一點是必須要避免的。分散式的設備量大，但是每個設備的功能單一。根據系統要求可將信息切換設備分成兩種標準模塊（機箱）：信息分配器和信息切換器，信息分配器主要功能是對備份信號處理單元輸出的6路信息進行一分二；信息切換器主要功能是對主信息和備份信息進行選擇輸出。雖然分散式方案設備量有所增加，但是帶來的好處是顯而易見的，如果使用單一機箱來完成系統要求，那么設備出現故障，必然導致系統不能正常運行；而現在使用多個機箱來實現，能夠保證在單一機箱出現故障后，系統仍然能夠正常工作。鑒于上述分析，采用分散式結構實現。

2）信息切換方案的選擇

根據系統要求，設計目的是將輸入信息進行選擇輸出，根據此要求可有多種實現方案。設備可由單片機+繼電器來實現，或者可由單片機+FPGA實現，還可以用單片機+數字開關來實現等等。

系統對信息切換選擇設備的主要性能指標是傳輸時延、切換時間和信號電平幅度等。同時，針對衛星導航系統設備長年累月在線工作的實際情況，對可靠性的要求非常高。

幾種可能的實現方案之間的特點分析如表1所示，綜合比較各實現方案的性能，方案“單片機＋FPGA”是最佳方案，也是選定的實現方案。

表1 信息切換實現方案的性能比對

2.2 系統總體方案設計

出入站信號與信息切換控制系統主要負責完成衛星導航系統出入站中頻信號和信息的切換，在整個系統中的切換控制關系如圖1所示。

圖1 出入站信號與信息切換控制系統原理圖

出入站信號與信息切換控制系統由出入站信號切換控制設備、信息切換控制設備和監控設備三大部分組成。其中出入站信號切換控制設備包括2套入站信號切換器和2套出站信號切換器，信息切換控制設備包括信息分路器和2套信息切換器，監控設備包括本地控制計算機、遠程控制計算機、數據卡、N-PORT和交換機等。出入站信號與信息切換控制系統組成框圖如圖2所示。

圖2 出入站信號與信息切換控制系統設備組成圖

出入站信號選擇切換設備采用分散式、模塊化方案，各信號切換器的動作由監控軟件來統一控制，入站信號切換器（I頻點）能實現所有衛星一頻點的入站信號切換，入站信號切換器（II頻點）能實現所有衛星二頻點的入站信號切換，出站信號切換器（I頻點）能實現所有衛星一頻點的出站信號切換，出站信號切換器（II頻點）能實現所有衛星二頻點的出站信號切換，出入站信號輸入輸出關系圖如圖3所示。

圖3 出入站信號切換選擇設備信號輸入輸出關系圖

根據系統要求，信息切換選擇設備輸入12路信息處理分系統輸出的信息（分為6路主信息、6路備信息），6路備份信息處理分系統輸出的信息，輸出12路信息至信號收發分系統（分為6路主信息、6路備信息）。信息切換選擇設備先要將6路備份信息處理分系統輸出的信息進行一分二，產生6路主信息、6路備信息。原6路主信息將與新6路主信息進行二選一輸出，原6路備信息則與新6路備信息進行二選一輸出，這樣就能夠產生系統所需的12路輸出信息（包括6路主信息、6路備信息）。信息切換選擇設備信息輸入輸出關系圖如圖4所示。

圖4 信息切換選擇設備信息輸入輸出關系圖

2.3 系統單機設備方案設計

2.3.1 入站信號切換器設計

入站信號切換器由電源模塊（1：1備份）、4×3矩陣開關、監控板、液晶顯示及鍵盤等部分組成。電源模塊負責提供設備內部各模塊的工作電源。4×3矩陣開關是該分機的關鍵設備，實現入站中頻信號的備份切換。監控單元、液晶顯示及鍵盤負責對設備當前工作狀態進行顯示和控制等。

入站信號切換器原理框圖如圖5所示。

圖5 入站信號切換器原理框圖

2.3.2 出站信號切換器設計

出站信號切換器與入站信號切換器的組成及原理相同，僅信號切換路徑不同，由電源模塊、3×4矩陣開關、監控板、液晶顯示及鍵盤等部分組成。電源模塊負責提供設備內部各模塊的工作電源。3×4矩陣開關是該分機的關鍵設備，實現出站中頻信號的備份切換。監控單元、液晶顯示及鍵盤負責對設備當前工作狀態進行顯示和控制等。

出站信號切換器原理框圖如下圖6所示。

圖6 出站信號切換器原理框圖

2.3.3 出站信息分配器設計

出站信息分配器是出站信息切換選擇設備的重要組成部分，主要目的是將備份信息處理分系統輸出的6路信息進行分路輸出，按照原信息處理分系統輸出的信息分類為6路主信號、6路備信號。由于出站信息分配器不需要進行有關控制操作，因此，出站信息分配器內部組成比較簡單，主要由電源模塊、信息分路單元以及液晶顯示等組成。電源模塊負責提供內部各模塊的工作電源。信息分路單元完成出站信息分配器絕大部分功能，包括信息分路、信息檢測、狀態上報、狀態顯示輸出等。液晶顯示主要目的是顯示當前設備工作狀態。

出站信息分配器原理框圖如圖7所示。

圖7 出站信息分配器原理框圖

2.3.4 出站信息切換器設計

出站信息切換器是出站信息切換選擇設備的核心組成部分，實現絕大部分信息切換選擇的功能，主要由電源模塊、信息切換單元以及液晶顯示、鍵盤等組成。電源模塊負責提供內部各模塊的工作電源。信息切換單元完成出站信息切換器絕大部分功能，包括信息切換、信息檢測、狀態上報、狀態顯示輸出等。液晶顯示主要目的是顯示當前設備工作狀態。鍵盤主要用于本地顯示控制和信息切換控制。

出站信息切換器的原理框圖如圖8所示。

圖8 出站信息切換器原理框圖

3.結束語

本文進行了衛星導航系統出入站信號與信息切換控制系統總體方案及單機設備設計，通過采用高性能多通道信號開關矩陣快速切換技術和多路出站信息快速同步切換技術，實現了衛星導航系統出入站信號與信息的冗余備份和切換控制，提高了衛星導航系統的可靠性和可維護性，同時為我國后續衛星導航系統相關設計提供了參考。