輕小型無輔助星載北斗短報文通信機應用及工程實現(xiàn)研究

紀春國

中國科學院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院 上海 200000

引言

星載北斗短報文通信機是面向衛(wèi)星應用，利用北斗短報文系統(tǒng)的雙向通道，形成全球信息傳輸?shù)碾p向鏈路，實現(xiàn)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)實時回傳、控制信息動態(tài)上注等功能，使衛(wèi)星具備超視距監(jiān)測與控制能力[1]。

1 星載北斗短報文通信機設計要求

1.1 星載北斗短報文通信機功能要求

星載北斗短報文通信機功能要求主要是以下幾個方面：

1.1.1 短報文雙向通信功能，利用北斗短報文服務，將觀測數(shù)據(jù)以短報文的形式，將數(shù)據(jù)回傳至境內地面站；同時境內地面站也可將業(yè)務控制信息，通過北斗衛(wèi)星發(fā)送給星載北斗短報文終端，形成信息傳輸?shù)碾p向鏈路。

1.1.2 與衛(wèi)星平臺的交互功能，包括短報文業(yè)務數(shù)據(jù)和工程測控數(shù)據(jù)的交互。

1.2 星載北斗短報文通信機工作原理

1.2.1 星載北斗短報文系統(tǒng)組成。利用北斗衛(wèi)星實現(xiàn)全球RDSS報文收發(fā)功能，由短報文通信機（A、B機冷備）、固放微波網(wǎng)絡天線[2]及電纜組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1.2.2 北斗短報文發(fā)送信號流。北斗短報文通信機通過FPGA將星務分系統(tǒng)要發(fā)送的數(shù)據(jù)封裝成短報文幀，然后送給AD9361,由其進行上變頻為射頻信號[3]，射頻信號經(jīng)過合路和功分后可在固放微波網(wǎng)絡的固態(tài)功放A或者固態(tài)功放B中放大成強信號，強信號通過大功率開關、腔體濾波器后，發(fā)送至短報文發(fā)射天線。

1.2.3 北斗短報文接收信號流。接收天線接收北斗衛(wèi)星信號后經(jīng)過微波網(wǎng)絡功分成兩路，分別發(fā)送至短報文主備單機，兩路射頻信號經(jīng)過各自的低噪聲放大器放大后，輸入到AD9361芯片，在芯片內部實現(xiàn)下變頻、濾波、放大并數(shù)字采樣后完成捕獲、跟蹤及數(shù)據(jù)解調，并將譯碼后的數(shù)據(jù)發(fā)往星務分系統(tǒng)。

2 星載北斗短報文通信機硬件方案

天線接收后經(jīng)低噪放及功分器后，分別進入主備AD9361模塊，在每個AD9361模塊內均進行雙通道熱備份處理，原理框圖如圖2所示。

圖2 北斗短報文通信機硬件總體技術方案圖

2.1 北斗短報文天線組成及功能

北斗短報文天線包含接收天線和發(fā)射天線，發(fā)射天線的主要功能是將短報文通信機輸出的信號轉換成圓極化空間波輻射出去，接收天線的主要功能是接收來自北斗衛(wèi)星信號。

2.2 北斗短報文固放微波網(wǎng)絡組成及功能

固放微波網(wǎng)絡單機模塊組成如下：

2.2.1 固態(tài)功放模塊A/B。主要功能是將射頻小信號放大為高功率信號。

2.2.2 腔體濾波器功能。主要功能是抑制射頻信號帶外輻射。

2.2.3 功分器。主要功能是將輸入射頻信號功分至兩路發(fā)射天線。

2.2.4 大功率開關。主要功能是通過切換開關選擇輸出信號來源。

2.3 北斗短報文通信機AD9361模塊

2.3.1 AD9361模塊硬件組成。AD9361模塊主要由AD9361，A54SX72A、XC7A100T組成。選用AD9361進行下變頻、放大、AGC、數(shù)字化。XC7A100T實現(xiàn)信號處理，完成兩熱備通道信號的捕獲跟蹤，解調出數(shù)據(jù)碼流，同時完成發(fā)射信號的組幀、擴頻等。AD9361模塊硬件原理框圖如圖3所示：

圖3 AD9361模塊硬件原理框圖

2.3.2 高集成度低功耗AD9361射頻收發(fā)器簡介。AD9361外形尺寸10mm×10mm，高集成度、高性能，具備可編程能力的射頻收發(fā)器，功耗在1W左右。該器件包含射頻和數(shù)字部分，射頻部分完成濾波及下變頻至零頻，基帶部分完成零頻信號的數(shù)字采樣。支持頻率從70 MHz至6.0 GHz可編程，帶寬200 kHz至56 MHz。具備全雙工兩收兩發(fā)通道，每個通道均具備下變頻、上變頻、AD采樣、DA變換、濾波、放大等功能。并且每個接收通道都具有獨立的AGC功能。每個通道包含兩個12bits的AD，將直接變頻后的I、Q信號進行數(shù)字化采樣，結果生成12bits信號輸出。

2.3.3 低功耗XC7A100T及AD9361的抗空間單粒子設計。用于實現(xiàn)數(shù)字信號處理的芯片XC7A100T[4]屬于SRAM型FPGA，該芯片對單粒子敏感，為了提高該FPGA在惡劣空間環(huán)境下的可靠性，避免單粒子打翻芯片內的邏輯或觸發(fā)器等資源而使FPGA工作異常，從而導致功能或性能中斷，采用對單粒子免疫的反熔絲型FPGA實現(xiàn)對XC7A100T進行動態(tài)加載、周期刷新，同時負責對AD9361配置和監(jiān)控，保證SRAM型FPGA和AD9361的穩(wěn)定可靠工作。反熔絲型FPGA選用A54SX72A芯片，該芯片等效邏輯門數(shù)可達7萬門，對單粒子免疫。

2.4 北斗短報文通信機接口設計

2.4.1 北斗短報文通信機供電接口。星務分系統(tǒng)為短報文通信機提供二次次電源[5]，原理框圖如圖4所示。

圖4 供電原理框圖

2.4.2 北斗短報文通信機CAN總線接口。短報文通信機與星務分系統(tǒng)之間接口為CAN總線，采用A、B總線方式，用于遙測遙控收發(fā)。CAN總線接口通信速率500kbps，通信接口采用SJA1000和82C250，具有雙冗余的總線接口，如下圖5所示。

圖5 CAN總線接口電路圖

2.4.3 北斗短報文通信機RS422接口。北斗短報文通信機和星務分系統(tǒng)的業(yè)務信息數(shù)據(jù)交互由RS422異步通信串行接口完成，差分式雙工傳輸，每對差分信號選用雙絞線實現(xiàn)信息傳輸。信號波特率115200bps，接口電路圖如圖6所示。

圖6 RS422接口原理圖

3 北斗短報文通信機無輔助捕獲跟蹤軟件方案設計

3.1 北斗短報文通信機無輔助捕獲模塊設計

3.1.1 北斗短報文通信機捕獲設計指標分析如下所述。

3.1.1.1 由于需要1s內實現(xiàn)至少10顆北斗衛(wèi)星信號的快速捕獲，則每一路信號捕獲的時間必須小于100ms。

3.1.1.2 多普勒搜索范圍：指標要求≥±40kHz，但考慮到頻率穩(wěn)定度的影響，多普勒范圍應至少增加±1.2kHz，設計指標±45kHz。

3.1.1.3 靈敏度要求-130dBm，設計靈敏度-132dBm。

3.1.2 北斗短報文通信機無輔助捕獲算法設計[6]。考慮的PN碼碼長加長，捕獲方案設計上采用并行碼相位的方法結合載波并行搜索，算法原理是利用FFT的方法快速計算循環(huán)相關，其中相關的計算主要基于循環(huán)卷積定理，其原理可以用下式表示：

3.2 北斗短報文通信機跟蹤模塊設計

3.2.1 北斗短報文通信機跟蹤部分組成。跟蹤部分主要包括本地載波/偽碼生成模塊、DLL模塊、PLL模塊、FLL模塊、信噪比計算與鎖定檢測模塊。

3.2.2 北斗短報文通信機跟蹤部分工作流程。跟蹤部分以捕獲單元提供的碼周期零相位脈沖信號為啟動信號，二階鎖頻環(huán)輔助三階鎖相環(huán)完成對捕獲頻率剩余頻差的補償，之后進入三階鎖相環(huán)獨立工作狀態(tài)，三階碼環(huán)實現(xiàn)對輸入信號碼相位的持續(xù)跟蹤。

3.2.3 北斗短報文通信機跟蹤部分設計輸出。捕獲頻率初始頻差不超過300Hz，輸入信號載噪比為38dB/Hz，I/Q路數(shù)據(jù)符號率為1000sps。

3.2.4 北斗短報文通信機跟蹤部分設計思路。

3.2.4.1 載波環(huán)跟蹤設計。考慮到捕獲初始頻差為300Hz，初始跟蹤階段計劃采用以下流程：①使用寬帶鎖頻環(huán)，設置工作時間0.1s；②待寬帶鎖頻環(huán)初步同步后，將鎖頻環(huán)環(huán)路帶寬變窄，設置工作時間0.2s以進一步減小跟蹤頻差；③待窄帶鎖頻環(huán)初步同步后啟動二階寬帶鎖相環(huán)，設置工作時間0.1s；④FPLL穩(wěn)定后，關閉鎖頻環(huán)，并將二階鎖相環(huán)切換為寬帶三階鎖相環(huán)，設置工作時間0.1s；⑤待三階鎖相環(huán)初步穩(wěn)定后將三階鎖相環(huán)環(huán)路帶寬進一步減小；⑥一旦判定環(huán)路失鎖，馬上回到步驟a，并按步驟依次向后執(zhí)行，1s內如果環(huán)路仍未鎖定，則通知捕獲模塊環(huán)路失鎖。

3.2.4.2 碼環(huán)跟蹤設計。為了實現(xiàn)對信號的快速初始捕獲，采用與頻率補償類似的變帶寬策略。

①首先采用寬帶二階碼環(huán)以快速實現(xiàn)碼相位初捕以減小積分損耗，設置工作時間為0.2s；②之后過渡到三階寬帶碼環(huán)，設置工作時間為0.3s；③一定時間后切換為三階窄帶碼環(huán)；④一旦碼環(huán)失鎖，通知捕獲模塊環(huán)路失鎖。

3.2.4.3 載噪比測定與信號鎖定檢測。分別統(tǒng)計經(jīng)過低通濾波的I/Q支路信號功率，環(huán)路鎖定后，認為信號能量全部分布于I支路，Q支路只體現(xiàn)噪聲特性，那么I支路功率減去Q支路功率即為信號功率。可以采用輸出信號載噪比來判定環(huán)路鎖定情況。

3.2.4.4 跟蹤部分輸入輸出信號。①跟蹤啟動脈沖（1位，持續(xù)1個時鐘周期）。②捕獲初始頻率（32位）。③衛(wèi)星PRN號（5位）。④帶寬配置信號（5位）。

3.2.4.5 跟蹤部分的輸出信號。①DLL與PLL鎖定檢測指示（DLL和PLL各1位）。②解調信號信噪比（8位，符號位1位，整數(shù)5位，小數(shù)2位）。③載波相位與碼相位（32位）。④解調符號（I/Q路各1位）。

3.2.4.6 跟蹤部分整體架構。載波與偽碼生成模塊收集DLL與PLL計算得到的頻差與相差信號，用于本地載波與偽碼的生成，并完成I/Q正交支路各E、P、L支路的相干累加。

DLL模塊用于計算本地碼與輸入信號碼相位差的相位差并進行三階環(huán)路濾波。FLL模塊用于快速補償捕獲初始頻差，引導三階鎖相環(huán)完成對輸入信號的跟蹤。PLL模塊用于穩(wěn)定跟蹤輸入信號的載波信息，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)解調[7]，跟蹤環(huán)路如圖7所示。

圖7 跟蹤環(huán)路整體架構

假設輸入信號為：

經(jīng)過正交解調后（忽略掉高頻部分）信號為：

當環(huán)路積分時間不超過1ms時，可以保證積分過程不發(fā)生數(shù)據(jù)翻轉，從而保證足夠的積分增益，剝離偽碼后積分結果可以表示為：

以上六路信號分別為DLL、PLL、FLL提供鑒相信號，E、P、L三路信號的相位差各為半個碼片。

4 輕小型無輔助北斗短報文通信機工程實施結果

通過方案軟硬件設計及工程實施，實現(xiàn)了產(chǎn)品的小型化、低功耗，產(chǎn)品實物圖如圖8所示，產(chǎn)品體積重量功耗如表1所示。

圖8 產(chǎn)品實物圖

表1 產(chǎn)品體積重量功耗表

5 結束語

綜上所述，本文論述了輕小型化無輔助星載北斗短報文通信機的設計方案，方案設計合理可行，并進行了工程實施，能滿足航天器低功耗、小型化、輕量化需求，可廣泛應用于航天產(chǎn)品。