射頻數字化在航天測控系統中的應用

王罡

（中國電子科技集團公司第十研究所 四川省成都市 610036）

1 國內外測控系統現狀

目前國內現有絕大部分測控站都是“煙囪”式的系統架構，如圖1所示。每個測控站間無法實現資源融和共享。隨著衛星數目增加，航天器的運控任務量井噴式增長，對系統資源融合需求越來越急迫，現有系統架構具有“資源壁壘”的先天劣勢。

對于后端的基帶資源，從20世紀90年代起，國內相關研究所紛紛開始研發多功能綜合基帶，目前國內的綜合基帶產品已經能夠做到在一臺標準工控機平臺上，完成測控信號的中頻調制、中頻接收、測距、測速、遙測、遙控、中低速數傳、角跟蹤等功能。但是，目前基帶設備的處理中頻還停留在70MHz，處理帶寬也僅有20MHz，對于頻分的測控下行信號，還需依靠模擬信道鏈路分別變頻到70MHz中頻，再通過不同ADC通道數字化后處理。

而國外的部分測控系統已經采用了射頻接口終端設備，能夠通過天線、信道及基帶等的重組來實現測控站資源的共享，以較低的經費完成了測控站同時對多顆衛星的測控。美國針對第三代跟蹤與中繼衛星系統的“天基網地面部分維護計劃”（SGSS）提出了基帶池的概念。該計劃已于2016年底實施，主要目標是更換天基網所有的硬件和軟件，保持天基網至少再工作25年。SGSS在射頻直接數字化并采用“池”式結構，每顆衛星專用設備極少，用戶從池中選用空閑資源，執行完任務后釋放資源，降低了設備量，提高了結構靈活性和硬件利用效率，各個地面終端站可采用相同的池。可以看出，未來的測控系統具有射頻寬帶數字化、數字化信號的遠程傳輸與交換以及軟件化信號處理的發展趨勢。

2 測控系統射頻數字化意義

隨著航天發射任務的增多，為解決測控設備資源緊張的問題，通常采用增加測控站或增加站內設備的方式解決多星、多任務的需求問題，但這種解決方式一方面會帶來測控站規模不斷擴大，增加建設、運行以及維護成本，另一方面各站獨立建設，不能有效地共享資源，造成資源的浪費。

目前，單套測控系統已經能夠實現同時對多個目標或多路下行信號同時處理，但由于綜合基帶設備一般都采用70MHz中頻接口，處理帶寬只有20MHz，對于不同點頻的下行信號，還是需要配備不同的下行信道實現下變頻功能，導致測控地面站的鏈路配置復雜，造成資源浪費。同時，隨著新型測控體制的應用，測控信號的帶寬已經達到了100MHz，有必要研究測控系統射頻數字化技術[1]。

在測控系統中直接對射頻信號進行帶通采樣，采樣后的信號直接進入綜合基帶進行解調等處理，可最大程度地通過軟件實現無線電測控系統的各種功能，由于該項技術省去了頻綜、下變頻器等模擬單元，因此，對簡化測控系統硬件結構、提升系統靈活性、可靠性和可擴展性具有重要意義。相比常見的中頻數字化測控系統而言，射頻數字化技術除了具有中頻數字化所具有的可靠性好、抗干擾能力強等優點外，還減少了射頻前端的復雜性，有利于簡化測控系統的設計和降低成本，并且可以大大提高系統的資源重組能力。

圖1：“煙囪”式架構測控站

圖2：常規S頻段測控系統及射頻數字化后的組成簡圖

3 射頻數字化測控系統結構

3.1 射頻數字化測控系統組成

一般情況下，一套成熟的測控設備包括天伺饋分系統、發射分系統、高頻接收分系統（含和差信道設備）、基帶分系統（含跟蹤接收機）、時頻分系統、監控分系統、自動化測試分系統、數傳傳輸分系統和標校分系統等[2]。射頻數字化技術的目標是在S頻段上直接數字化，達到簡化測控系統上下行鏈路的復雜度、提高終端設備對不同測控體制的適應性目的。測控系統在S頻段直接數字化后，信號的上下變頻均在數字域完成，測控鏈路中不再需要配備上下變頻設備，僅需保留下行低噪放和高功放，大大簡化信道鏈路。同時，在實現S頻段數字化時，系統的下行信號處理范圍為2200MHz～2300MHz，可以直接覆蓋S頻段下行100MHz帶寬，對于多點頻測控任務，也僅需左旋和差以及右旋和差共四條下行鏈路，較原有中頻數字化系統，下行鏈路數減為原來的一半。圖2為常規S頻段測控系統及射頻數字化后的組成框圖。

3.2 信號傳輸方式

采用射頻數字化技術后，基于測控系統可重構考慮，射頻接口綜合基帶設備部署在統一的機房，射頻信號需要直接從天線傳輸到機房，信號傳輸性能(頻率特性、傳輸損耗、相位、時延等參數)直接決定了硬件設備資源的可共用及可重組能力。因此，需對信號傳輸方式及傳輸性能進行分析。

光通信在我國已經有40多年的發展歷史，因其所具有的傳輸頻帶寬、容量大、抗電磁干擾、不易串音、損耗低、體積小、重量輕等優點。將光纖傳輸技術運用于測控系統可提高整個系統的抗干擾能力、系統機動性以及減小系統數據傳輸的誤碼率，能夠明顯提高系統的傳輸容量，并且大幅度的減小其尺寸和重量，信號傳輸過程中的能量損耗和錯誤率也呈數量級的減少[3]。

結合射頻直接數字化技術綜合考慮，選用基于數字光纖的網絡傳輸方案。將射頻數字化功能與后端信號處理部分剝離開來，射頻數字化功能作為一個獨立模塊置于天線中心體內，天線饋源輸出信號經場放放大后直接送入射頻數字化模塊，在射頻數字化模塊中，射頻ADC芯片完成信號的模數轉換后，利用FPGA芯片實現信號的并串轉換，送入光模塊，完成電光轉換后通過光纖完成遠距離傳輸。后端信號處理設備直接采用光纖接口，接收到的光信號通過光模塊轉換為串行bit流，送入信號處理設備的FPGA完成信號解調。對于射頻調制信號，其工作方式類似。

采用數字光纖傳輸方式后，可選用光纖交換網絡來完成不同上下行測控鏈路與終端設備的任意匹配，還可擴展通過萬兆網絡實現射頻信號的網絡交換與傳輸。這樣一來，將公共的網絡傳輸技術用于傳輸測控信號從根本上改變了測控信號的傳輸方式，從傳統的點對點交換方式轉變為了基于數據包交換的形式，改變了系統連接架構。這種連接方式去掉了傳統開關矩陣，采用數據“池”的概念，避免了傳輸過程中信號干擾問題，具有很強的擴展性（通用網絡接口實現擴展）。同時簡化了設備連接，僅射頻連接電纜較原有系統就減少了87%，并且實現了多設備備份、重組更靈活。

4 結束語

采用射頻數字化后的新一代“池”式測控體系，顛覆了現有測控體現架構，天線前端信號數字化、IP網絡化，構建了天線前端資源池；兼容不同類型處理終端的異構“資源池”，資源“全網”可見，可靈活調配；利用“成熟以太網技術”構建開放系統互連架構，實現各種資源靈活接入，打破了傳統的矩陣式點對點交換方式，改變了系統的鏈接方式，具有極強的可擴展性和重組能力。測控射頻數字化技術滿足未來越來越復雜的測控任務對測控站資源調配重組的需求，可被應用于目前幾乎所有的測控站。