基于實采衛星信號的測控專業教學研究與實踐

丁丹　王紅敏

［摘 要］針對現有衛星測控站內部工作過程與核心處理環節封閉、測控專業教學缺乏實采衛星信號支持的問題，文章探索了基于實采衛星信號的教學平臺的建設路徑：在衛星測控站內部增設信號記錄系統和信號分析設備，對衛星測控站關鍵節點信號進行高速采集、實時分析、事后分析，并能遠程傳輸，實現多用戶共享，將封閉的實裝設備改造為開放的教學實驗平臺，滿足測控專業學生深入學習測控工作原理、開展高水平專業實驗的需求。教學實踐表明，該平臺的應用貫穿于測控專業教學全過程，覆蓋專業基礎、專業方向、專業實踐等各類教學任務，有效推動了測控專業教學質量的整體提升。

［關鍵詞］衛星測控；實戰化教學；高速采集；崗位任職

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）06-0007-04

航天工程大學（以下簡稱我校）充分依托衛星測控站開展航天測控專業實戰化教學[1]，使學生能親手操控衛星測控站設備完成實際在軌衛星測控任務，所學專業知識在實際任務中得以綜合運用和檢驗，為學生進入崗位任職奠定了良好基礎。然而，目前該課程仍然存在以下問題：一是衛星測控站內部工作過程與核心處理環節封閉。作為一套曾用于實際航天任務的實裝設備，在實踐課教學過程中，衛星測控站向外輸出的僅為衛星測控數據這個最終結果，重要的中間過程和關鍵節點信號不能采集輸出和顯示，不能向學生提供衛星測控站內的工作過程，以及衛星測控信號處理等核心原理內容的展示、分析、處理等。因此，其無法滿足航天測控專業學生深入學習衛星測控原理的需求。二是教學缺乏實采衛星信號支持。除了實踐教學，在測控專業基礎課程、專業方向課程教學以及研究生培養過程中，經常需要收集衛星測控信號，供學生進行數字信號處理、數字通信等專業實驗[2-5]。目前衛星測控信號數學模型普遍由計算機生成，這種模擬產生的衛星測控信號效果不太理想，不能如實地反映無線電磁傳播過程中客觀存在的噪聲、畸變、干擾等問題，也無法支持相關專業開展高水平實驗。

本研究基于實采衛星信號的測控專業教學，為衛星測控站加裝信號記錄系統、信號分析設備，以期能夠對關鍵節點信號進行高速采集、實時分析和事后分析，并能遠程傳輸，實現多用戶共享，將封閉的實裝設備改造為開放的教學設施，以更好地滿足測控專業教學需求。

一、基于實采衛星信號的教學平臺建設

衛星測控站接收的衛星信號包括衛星載荷數據傳輸信號（數傳信號）[6]和衛星平臺遙測信號（遙測信號）[7]，在接收并處理衛星測控信號流程中，主要可以分解為射頻和基帶兩段。射頻部分對天線捕獲的衛星下行信號進行低噪聲放大、下變頻、自動增益控制、濾波等處理，最終，得到70 MHz遙測中頻信號和720 MHz（或1.2 GHz/1.5 GHz）數傳中頻信號。基帶部分則主要完成對中頻信號的模數轉換、信號同步、幅度調制、數據解調等數字化基帶處理，最終輸出得到衛星遙測和數傳數據。

通過上述分析可知，利用衛星測控站進行衛星信號接收過程中，最關鍵的節點是遙測中頻信號和數傳中頻信號，故應該優先將這兩個節點信號采集輸出用于教學。因此，在原有衛星測控站基礎上增加信號分析設備用于對70 MHz遙測中頻信號、720 MHz/1.2 GHz/1.5 GHz數傳中頻信號進行實時分析；增加信號記錄系統用于對70 MHz遙測中頻信號、720 MHz/1.2 GHz/1.5 GHz數傳中頻信號進行實時采集存儲，事后進行回放、處理、分析。除此之外，通過網絡通信的方式將采集和分析的結果遠程共享至教室或實驗室，供學生調取并分析實采數據，觀察實時分析結果。教學平臺建設內容如圖1所示。

二、核心設備設計與實現

（一）信號記錄系統

1.系統組成

信號記錄系統能夠完成1路720 MHz/1.2 GHz/1.5 GHz數傳中頻信號和1路70 MHz遙測中頻信號的記錄、存儲及回放等任務，可用于處理分析事后數據。同時，還具有信號記錄過程中的實時頻譜分析功能，便于在使用過程中及時判斷系統工作狀態和信號質量，有效擴展了教學范圍。

信號記錄系統實物如圖2所示，采用3U VPX[7]（高速串行總線標準）系統架構，以及標準化、模塊化設計，由基于VPX標準的4U機箱、背板、工控機主板及多塊自研硬件板卡組成，配合高速數字采集回放固件以及上位機監控管理軟件，完成高速信號采集、高速信號處理、高速AD/DA轉換、設備及信息管理等功能。該系統采用一體化設計，設備集成液晶顯示器，支持外接顯示器及鍵盤鼠標。當需要擴展額外硬盤空間時，具備外接磁盤陣列等存儲介質的功能。

（1）結構子系統

結構子系統包括一體化機箱、電源、內部電纜、風扇、外部接口等部分，主要作用是為硬件電路板卡提供必要的結構空間，從而提高設備供電和散熱的效率。

（2）硬件電路子系統

硬件電路子系統包括工控機主板、中頻收發信道板、高速信號采集回放板、高速AD/DA子板、高速存儲板等部分。主要作用是完成測控數傳中頻信號的采集與回放。

（3）固件子系統

固件子系統是指運行于硬件板卡上的FPGA（Field Programmable Gate Array，現場可編程邏輯門陣列）等數字芯片上的程序，主要作用是將采集到的信號進行格式整理和緩存，以及對回放信號進行格式解析和輸出。

（4）上位機軟件子系統

上位機軟件是指運行于VPX工控機平臺的監控及管理軟件，是用戶對記錄系統進行監控及管理的應用層軟件，也是人機交互的窗口。

2.工作原理

信號記錄系統工作流程如圖4所示。遙測或數傳中頻信號經接收信道進行濾波、放大，輸出恒定幅度的信號至高速A/D采集，進行采樣及數字量化后，送至后端的FPGA，經格式整理、DDR3（Double-Data-Rate 3，雙倍速率 3）緩存、基于DMA的數據存儲模塊，送至工控機主板，由主板完成高速數據的存儲；主板讀取存儲陣列中的記錄數據，由DMA數據回放模塊送至FPGA中，經格式解析后送至高速D/A芯片，在完成功率控制及濾波后輸出中頻信號。

3.主要能力

信號記錄設備的能力指標設計，要保證設備能夠適應實際衛星測控信號，滿足實戰化教學要求，主要能力如下：

（1）數傳中頻記錄能力

（二）信號分析設備

1.設備構成

信號分析設備為標準儀表貨架產品，可完成測控信號實時頻譜、調制方式、星座圖、眼圖等的分析與顯示等，廠家為德國羅德施瓦茨公司，其在FSVA3013信號頻譜分析儀基礎上，加裝了高穩時鐘晶振FSV3-B4、模擬調制信號分析FSV3-K7、矢量信號分析FSV3-K70、30 dB前置放大器FSV3-B24等4個選件，使其滿足衛星測控信號實時分析的要求。信號分析設備實物如圖5所示。

2.主要能力

信號分析設備的能力指標選擇，要保證能夠適應實際衛星測控信號，主要能力有數傳中頻記錄能力，具體為：

?工作頻率：10 MHz～13.6 GHz；

?信號實時分析帶寬：28 MHz；

?頻率分辨率：0.01 Hz；

?支持的信號調制方式：AM、PM、FM、FSK、PSK、QAM等。

三、基于實采衛星信號的教學應用

基于實采衛星信號的教學應用貫穿于測控專業教學全過程，覆蓋專業基礎、專業方向、專業實踐等各類教學內容，具體教學應用方法如下。

（一）專業基礎課程教學應用

1.應用于信號與系統課程

（1）教學知識點

序列的傅里葉分析[8]知識點。

（2）教學方法

基于實采衛星測控信號的教學平臺為信號與系統課程參評國家一流本科課程提供了實驗條件。學生操控測控站設備接收衛星信號，通過信號記錄設備采集實際衛星遙測信號，進行現場實時分析，教師將記錄所得數據文件分發給學生，使其完成課后的離散序列傅里葉變換分析實驗。

2.應用于數字信號處理課程

（1）教學知識點

?快速傅里葉變換[9]知識點；

?有限長單位沖激響應濾波器知識點。

（2）教學方法

在快速傅里葉變換知識點教學過程中，可利用信號記錄系統記錄真實衛星遙測信號，形成數據文件遠程共享給多名學生。學生利用Matlab對真實衛星信號FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里葉變換）進行譜分析實驗，分析信號構成、信號帶寬等特性；通過信號記錄系統回放數據并顯示信號頻譜，同時與自己所做的FFT譜分析進行對比，評估所做的FFT譜分析的準確性與合理性，從而深入理解FFT點數、數據長度、頻率分辨率之間的關系。

在有限長單位沖激響應濾波器知識點教學過程中，學生對記錄的中頻信號進行FIR（Finite Impulse Response，有限沖激響應）濾波實驗，通過FIR濾波完成噪聲濾除、副載波提取等處理，從而掌握FIR濾波器的設計方法及其性能。

（二）專業方向課程教學應用

1.應用于數字信號處理系統設計課程

（1）教學知識點

?數字信號處理系統硬件[10]知識點；

?數字信號發生器實驗；

?數字信號處理綜合實驗。

（2）教學方法

在數字信號處理系統硬件知識點教學過程中，對照高速記錄系統實例進行講解，包括高速A/D、D/A，數據高速存儲、通信接口、人機接口等外圍電路，以及核心芯片FPGA、DSP（Digital Signal Processing，數字信號處理）的工作原理和技術難點，并結合實際信號采集、回放現場等設備操作，通過改變信號頻點、帶寬、設備采樣率等教學內容設置，加深學生對數字信號處理系統硬件知識的理解，激發學生投身科研工作的興趣。

在數字信號發生器實驗教學過程中，可利用信號分析設備對學生設計產生的信號進行頻譜分析，驗證信號的準確性，幫助學生深入分析和理解諧波、信噪比等特性，有助于學生改進信號質量。

在數字信號處理綜合實驗教學過程中，學生可利用信號分析設備對自己設計產生的調制信號的參數和質量進行分析，加深對調制信號的理解，并進一步優化設計，從而產生更高質量的信號。此外，通過對比自己和信號分析設備的解調結果，學生可改進解調性能，更深入地理解解調方法。

2.應用于數字通信課程

（1）教學知識點

?數字調制方法[11]知識點；

?自適應均衡知識點。

（2）教學方法

在數字調制方法知識點教學過程中，可利用信號分析設備現場分析調幅、調頻、調相等典型調制信號的頻譜、星座圖、眼圖等特性，加深學生對各類典型調制信號特點和性能的理解。通過改變調制階數、符號速率、相位等參數，觀察分析其對信號特性帶來的影響。學生自行設計調制信號，利用信號分析設備分析調制信號的質量，評估自己對該知識點的掌握情況。

在自適應均衡知識點教學過程中，學生可在信號分析設備中選擇不同的均衡方法和算法模型，對比分析不同均衡方法的性能，深入理解典型均衡方法的工作原理和實際效果。

3.應用于遙測遙控原理課程

（1）教學知識點

遙測遙控中調制解調知識點。

（2）教學方法

?實時分析：在授課過程中，利用信號分析設備對遙測遙控信號進行實時分析，觀察信號頻譜、星座圖，促進學生對遙測遙控常用的調制解調信號特性加深認識和理解，包括二進制及多進制相移鍵控數字調制技術、偏移四相相移鍵控、連續相位調制等。利用信號分析設備實時測量遙測遙控信號的帶寬、碼速率、誤差向量幅度特征參數，深入分析理解其性能特點，以及遙測遙控系統對調制解調技術的特殊要求。

?仿真實驗：利用信號記錄系統對遙測遙控信號進行記錄，形成數據文件發放給學生。學生利用Matlab進行遙測遙控譜分析、參數提取、信號解調等實驗。

（三）專業實踐課程教學應用

1.訓練能力點

在畢業實習教學過程中，根據實際航天任務工作流程，參照典型航天任務崗位編組，組織引導學生親手操控衛星測控站設備，完成實際在軌衛星測控任務，培養學生綜合運用所學專業知識完成實際任務的能力。

2.訓練方法

任務過程中，讓學生通過信號分析設備實時監控測控信號質量，掌控測控任務狀態，根據實時信號分析情況合理選擇測控站工作模式、設備參數等，提高測控任務完成質量。

任務結束后，讓學生利用信號記錄系統回放任務過程中記錄的信號，進行任務復盤。通過發現問題、定位故障、總結經驗，加深對測控任務的理解。

四、取得的效益與后續改進

（一）取得的成果

一是形成了一套實戰化教學訓練條件。將封閉的實裝設備改造為開放的教學實驗設施，向學生提供測控信號處理核心原理內容的展示、分析、處理等支持，滿足測控專業學生深入學習測控原理、開展高水平專業實驗的需求。

二是提升了已有衛星測控站執行航天任務的能力。在衛星測控站原有功能的基礎上，擴展了對中頻信號的高速記錄功能和實時分析功能，為提高航天測控任務的成功率、開展任務復盤分析提供了重要條件。

三是形成了一套科研條件，為相關科研實驗提供實采衛星信號提高了可信度。

（二）推廣應用前景

在人才培養方面，作為實裝訓練系統，衛星測控站能幫助培訓對象理解掌握航天測控系統的基礎原理知識和使用技能。通過對該系統的學習和參與航天測控任務全流程演練，學生能夠掌握航天測控系統的組成原理和工作流程，還能培養第一任職崗位的任務執行能力。

在科學研究方面，當重要核心信號采集輸出后，則可開展測控信號和數據處理等相關的前沿技術研究。

在參與任務方面，可為所承擔的航天測控任務提供測控信號記錄、問題分析、故障定位等支持。

（三）后續改進

因考慮到建設成本，目前僅對遙測中頻、數傳中頻2個節點信號進行采集和分析，后續將進一步增加信號采集節點，包括射頻部分放大、變頻、濾波等節點輸出信號，以及基帶數字部分均衡、放大、同步等節點處理結果，從而更加全面詳細地展示衛星測控系統工作的全過程和信號處理細節，為測控專業等多門課程教學提供更為廣泛的支持。

五、結語

本研究通過對現有衛星測控站增設信號記錄系統和信號分析設備，構建基于實采衛星信號的教學平臺，能夠展示測控設備深層次原理、關鍵節點信號特性，將封閉的實裝設備改造為開放的教學設施。教學實踐效果表明，該平臺功能、性能設計符合教學需求，教學應用貫穿于測控專業全過程，覆蓋專業基礎、專業方向、專業實踐等各類教學任務，有效推動了教學質量的提升。

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［責任編輯：劉鳳華］