應用RoF技術的小衛星智能綜合測試系統

郝延福 戴澗峰 劉鋒 劉紅杰 張少坡 高茹 王文先

(航天東方紅衛星有限公司,北京 100094)

隨著我國航天事業的不斷發展,航天器的發射數量逐年增加,日益增長的航天器測試任務和有限的測試資源之間的矛盾愈加突出。地面綜合測試系統是集測量、電子、通信、計算機和工程管理等多學科于一體、科學性和工程性相結合的綜合技術[1],直接影響到航天器研制的質量和數量。目前,我國小衛星批產綜合測試系統大多采用脈動式流水線作業模式,地面設備根據衛星的測試需求進行部署配置,測試設備分布在被測衛星周圍。衛星的射頻信號一般有S/X頻段擴頻、統一S頻段測控(USB)、星間測控、中繼測控、甚高頻/特高頻(VHF/UHF)測控、GPS信號、數傳、中繼數傳等類型,射頻信號測試需求在整星測試階段經常發生變化,星上射頻設備多樣化、復雜化導致地面射頻信號處理設備數量倍增、利用效率低、需要頻繁搬運[2],難以適應大批量、需求多樣化的小衛星測試需求。

光纖載射頻技術(RoF)將射頻信號調制到光載波上,以光纖作為傳輸媒介[3],充分利用了光纖的大容量、低損耗、抗電磁干擾等優點[4],增加了射頻信號的傳輸距離,很好地解決了由于信號衰減而導致基帶、高碼速率解調器、變頻器和全球導航衛星系統(GNSS)仿真器等地面射頻設備束縛在測試工位附近的問題,在很大程度上提高了測試系統的靈活性和機動性,便于設備資源統一調度和維修保養。為此,本文對RoF技術在綜合測試系統中的應用進行研究,結合工程實踐提出了應用RoF技術的小衛星智能綜合測試系統設計。

1 智能綜合測試系統組成

智能綜合測試系統一般包括供配電專用測試設備(SCOE)、測控SCOE、總控測試設備(OCOE)、控制SCOE和有效載荷SCOE。各分系統SCOE模塊化、標準化設計對小衛星批量測試至關重要。供配電SCOE的標準化通用接口設計和控制SCOE的小衛星姿態控制通用地檢設備,已經實現衛星低頻接口規范標準化[5];OCOE負責測試網絡上遙測遙控數據轉發、解析、存儲;測控SCOE由GNSS仿真器、基帶、上下變頻器等組成;有效載荷SCOE與衛星的用途緊密相關;數傳SCOE屬于有效載荷SCOE的重要部分,主要接收衛星有效載荷數據,具有傳輸速率高、數據容量大的特點。應用RoF技術的小衛星智能綜合測試系統總體架構見圖1。

注:m和n分別為S和X頻段擴頻體制基帶的通道數量;IN和OUT分別為光信號的輸入和輸出。圖1 小衛星智能綜合測試系統總體架構Fig.1 Overall architecture of small satellite intelligent test system

小衛星智能綜合測試系統主要包括一體化智能測試軟件、射頻信號處理中心、光纜、射頻信號遠端接入點,以及OCOE軟件和各分系統SCOE。其中:一體化智能測試軟件(服務端)主要是對外提供判讀、衛星配置項管理、測試資源管理、智能執行、數據處理服務,一體化智能測試軟件(客戶端)主要用于測試人員和測試系統進行人機交互,監視測試過程[6],每個一體化智能測試軟件(客戶端)對應著一顆衛星;射頻信號處理中心包括射頻信號處理設備、RoF調制解調模塊和光纖交換模塊,RoF調制解調模塊的功能是實現射頻信號和光信號的轉換,從而使射頻信號能夠遠距離傳輸,光纖交換模塊通過切換光信號通路實現射頻鏈路的交換,進而實現地面射頻設備的分時共用;射頻信號遠端接入點一般分布在測試大廳、振動臺和熱試驗罐周圍。

2 智能綜合測試系統詳細設計

2.1 RoF鏈路

2.1.1 RoF鏈路組成

RoF鏈路由射頻信號處理中心、射頻信號遠端接入點和光纖3個部分組成。其中:射頻信號處理中心一般由射頻信號處理設備和RoF調制解調模塊組成,射頻信號處理設備實現遙控遙測信號的調制解調,RoF調制解調模塊實現射頻信號與光信號的轉換;射頻信號遠端接入點也對應分布著RoF調制解調模塊;光纖連通射頻信號處理中心和遠端接入點,通過傳輸光信號實現射頻信號遠傳[7]。圖2為RoF鏈路的信號流。

圖2 RoF鏈路信號流Fig.2 Signal flow of RoF link

2.1.2 RoF鏈路實現原理

RoF鏈路一般采用直接調制和外調制2種技術體制。直接調制是指把需要調制的信號直接作用在光源上,通過改變激光器驅動電流大小使激光的功率隨調制信號變化。外調制是引入了調制器,光源發出穩定的光功率信號后,將光束接入電光調制器,調制器的另一端輸入需要調制的電信號,通過電信號改變調制器的特定參數實現對光信號的調制。外調制技術具有調制速率高、非線性失真小、調制帶寬大、頻率啁啾小等優點。相比直接調制,外調制技術可以提供更高的調制帶寬,具有更好的調制特性[8],考慮到衛星射頻信號的帶寬需求,選用外調制技術。

馬赫曾德調制器(MZM)是外調制中使用最多、技術成熟的電光調制器。它利用LiNbO3的電光效應通過調節施加在電極上的電壓改變自身折射率,從而實現電光信號的轉換[9]。雙臂MZM調制器將輸入的光信號分成2路并行信號,通過施加驅動電壓同時改變雙臂的折射率。MZM上下臂折射率的改變會導致2路光信號存在一定相位差并在輸出端產生干涉信號,當2路驅動電壓完全相同、不存在相位差時,輸出端干涉加強,輸出的光功率最強。當2路驅動電壓之間存在180°的相移時,輸出端干涉抵消,輸出光功率最小。

激光器輸出光載波的光場表達式為Ein(t)=E0ej2πfct(E0和fc分別為光載波的幅度和頻率,t為時間),經過MZM調制器后的光場表達式為

Eout(t)=Ein(t)(ejπV1(t)/Vπ+ejπV2(t)/Vπ)/2=E0(ej[πV1(t)/Vπ+2πfct]+ej[πV2(t)/Vπ+2πfct])/2=

E0[cos(πV1(t)/Vπ+2πfct)+cos(πV2(t)/Vπ+2πfct)+j(sin(πV1(t)/Vπ+2πfct)+sin(πV2(t)/Vπ+

2πfct))]/2=E0[cos(π(V1(t)+V2(t))/(2Vπ)+2πfct)cos(π(V1(t)-V2(t))/2Vπ)+

jsin(π(V1(t)+V2(t))/(2Vπ)+2πfct)cos(π(V1(t)-V2(t))/(2Vπ))]

(1)

式中:Vπ為調制器的半波電壓;VDC為調制器的偏置電壓;V1(t)與V2(t)分別為偏置電壓VDC對稱的電信號。

輸出的光信號經過光纖傳輸到達光電探測器,如果不考慮光纖信號損耗,則輸出電流為

E02[1+cos(π(V1(t)-V2(t))/Vπ)]/2

(2)

假設射頻信號為VRF(t)=V0cos(2πft),其中,V0和f分別為射頻信號的幅度和頻率;交流電壓和偏置電壓的歸一化系數分別為α=V0/Vπ和β=VDC/Vπ;當調制器的上下兩臂對稱時,則有V1(t)-V2(t)=βVπ+αVπcos(2πft),代入到式(2)中,可得

Iout(t)=E02[1+cos(π(β+αcos(2πft)))]/2

(3)

通過式(3)可知:光電檢測二極管輸出的電流強度是關于射頻信號頻率f的函數,通過選擇移相器可使輸出信號與輸入信號相位保持一致。

2.1.3 RoF鏈路評價指標

RoF鏈路用于傳輸射頻信號,從信號傳輸角度來看,其具備射頻鏈路的基本參數指標。但是,RoF鏈路中的激光器、光纖、電光調制器和光電探測器會引入額外的噪聲和非線性因素,例如光域的鏈路插損和熱噪聲,因此RoF鏈路的損耗和噪聲性能與傳統射頻鏈路相比有所不同,在使用RoF鏈路過程中需要重點關注以下指標。

(1)射頻增益:輸出射頻信號功率與輸入射頻信號功率的比值,表達式為GRF=PRFout/PRFin。

(2)噪聲系數:輸入射頻信號的信噪比與輸出射頻信號的信噪比的比值,表達式為F=SRFin/SRFout,表示經過RoF鏈路傳輸后信噪比的惡化程度。

(3)動態范圍:表示鏈路中傳輸信號的功率范圍。RoF鏈路噪聲限制了可以傳輸信號的最小功率水平,鏈路的非線性限制了傳輸信號的上限。

2.2 光纖交換模塊

2.2.1 光纖交換模塊介紹

通過切換光纖路序可以實現射頻信號的交換,進而實現射頻設備的靈活適配。如圖1所示,在RoF鏈路的射頻信號處理中心設計了光纖交換模塊,它包括控制模塊、光柵尺、伺服控制系統、伺服電機、傳動絲杠副、導軌、矩陣板、機械手、纖芯對接器、步進電機,主要是實現矩陣板兩側任意光纖的跳接功能。將光纜中的光纖端頭連接到套筒上,使用法蘭盤將套筒固定在矩陣板上;機械手通過光柵尺、傳動絲杠副、導軌和伺服控制機構實現橫向和縱向移動;光纖交換控制模塊收到一體化智能測試軟件的指令后驅動機械手鎖定矩陣板兩側的目標交換孔,然后將光纖跳線分別插入兩側套筒內形成光信號交換的通路。所有操作完成后控制模塊向測試網中廣播矩陣板的跳接狀態。這里光纖跳接包括2種狀態:①形成光信號交換通路即光纖跳接完畢;②套筒中沒有插入跳線未形成光信號交換通路,該套筒為空擋。

2.2.2 光纖交換原則

為了使RoF鏈路正常工作,進行光纖交換時應遵循以下原則。

(1)射頻信號上行鏈路和下行鏈路分離,上行、下行之間不能交換。如圖1所示,1至8表示上行光纖鏈路,9至16表示下行光纖鏈路;矩陣板中的輸入端只能和輸出端相連,光纖跳線只能左右兩側跳線,禁止上下同側跳線。

(2)在1顆衛星測試過程中,測控信道建立后,光纖交換矩陣中對應上下行鏈路跳線關系狀態鎖定,在一體化智能測試軟件中將相應跳線指令設置為禁發狀態,防止測控信號中斷。

(3)在測試過程中,地面數傳、中繼設備一般可以供多顆衛星分時共享,可以通過一體化智能測試軟件控制光纖交換模塊實現光信號鏈路交換,同時向相應SCOE下發操作指令,從而實現設備分時復用。

2.3 各分系統SCOE自動化控制

2.3.1 自動化控制拓撲關系

小衛星智能綜合測試系統數據通信以一體化智能測試軟件為中心,一體化智能測試軟件與各SCOE控制軟件之間的指令信息以傳輸控制協議(TCP)方式進行傳輸,SCOE的狀態參數以用戶數據報協議(UDP)組播方式發送至測試網絡。一體化智能測試軟件與各SCOE控制軟件進行TCP連接時,各SCOE控制軟件作為服務器端,一體化智能測試軟件作為客戶端。一體化智能測試軟件與各分系統SCOE自動化控制包括兩大功能:①一體化智能測試軟件向分系統SCOE發送控制命令,SCOE

執行命令并進行反饋;②SCOE向智能綜合測試系統發送表征自身工作狀態的重要參數。SCOE自動化控制拓撲關系見圖3。

圖3 SCOE自動化控制拓撲關系Fig.3 Topological relationship for automatic control of SCOE

2.3.2 SCOE指令定義

SCOE指令一般采用符號指令,指令集合如表1所示,具體內容可根據衛星實際情況進行調整。

表1 SCOE指令集合Table 1 SCOE TC list

2.3.3 SCOE參數定義

SCOE參數上報一般按照1次/秒的頻率進行,有特殊需求的可根據實際情況進行上報。分系統SCOE在上報自身SCOE參數時,必須確保上報的參數涵蓋地面設備的全部重要狀態,一般包括軟件啟動狀態、開機累計時間、指令收發計數、設備工作狀態等信息。

2.3.4 SCOE控制原則

各分系統SCOE接收一體化智能測試軟件的控制指令實現測試智能化,應遵循以下原則。

(1)SCOE設備開機后,崗位人員手動運行SCOE控制軟件,此后所有的SCOE操作都可以通過SCOE指令完成,直到最后衛星電測結束。

(2)收到一條SCOE指令后,地面設備完成一系列的操作。應對涉及SCOE設備的操作進行梳理,爭取以最少的SCOE指令實現所有崗位功能。

(3)在技術允許的情況下,SCOE設備關機操作最好也通過一條SCOE指令實現。

3 智能綜合測試系統應用與特點

應用RoF技術的小衛星智能綜合測試系統通過光纖跳線實現射頻信號靈活切換,通過局域網互連實現一體化智能測試軟件與分系統SCOE的遠程控制。圖4是以2顆衛星測試為例說明智能綜合測試系統的測試運行過程,多顆衛星測試過程以此類推,這里不再贅述。該測試模式與傳統測試模式相比具有以下特點。

圖4 應用RoF技術的智能綜合測試系統測試過程Fig.4 Test process of intelligent test system using RoF technology

(1)通過光纖交換實現射頻信號切換,信號的交換在光域中進行,完全避免了因射頻信號功率過大而造成星上或地面設備損壞。

(2)對于頻點相同的擴頻測控模式的衛星來說,可以共用上下變頻板卡,在調制解調基帶上使用多個通道實現多顆衛星的測控,提高了測控設備的利用率。

(3)測控SCOE、GNSS仿真器和數傳解調設備可通過交換光纖路序實現設備靈活動態調配。

(4)光纖傳輸距離遠,RoF鏈路完全可以滿足衛星在園區內進行各種大型試驗的測試需求,不必頻繁搬運射頻地面設備。

(5)RoF鏈路改變了由于信號衰減導致地面射頻設備必須束縛在被測衛星周圍的測試模式,能實現地面射頻設備集中管理、統一調配。

4 結束語

小衛星批量測試的研究本質是探索如何將復雜測試流程進行批量化生產測試的過程,測試過程中的專業化分工越具體,生產效率越高,測試資源越集中,降本增效的效果越明顯。本文應用RoF技術的小衛星智能綜合測試系統探索,將地面射頻信號處理設備進行統一集中管理,對地面設備提供預測性維護,可為小衛星地面測試系統的設計提供借鑒。