采用閉環(huán)雙口RAM實(shí)現(xiàn)深空動(dòng)態(tài)模擬源的設(shè)計(jì)

雷 鳴,李 珂

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

深空探測又稱宇宙航行,包括空間探測器在太陽系內(nèi)的行星際空間航行(航天)和太陽系外的恒星際空間航行(航宇)。當(dāng)前,全球掀起了一場對宇宙深空進(jìn)行探測的熱潮。美國、俄羅斯、日本以及歐洲等國家和地區(qū)都在積極地開展深空探測任務(wù)。2008年,我國自主研制并成功發(fā)射的首顆繞月探測衛(wèi)星——“嫦娥”1號月球衛(wèi)星繪制了目前世界上最為完整的全月球影像圖,可見我國在深空探測方面也取得了長足的進(jìn)步。

測控信號的動(dòng)態(tài)模擬是測控工作者長期以來追求的一個(gè)目標(biāo),期待用它來作為設(shè)備研制時(shí)的模擬源和系統(tǒng)聯(lián)試或鑒定時(shí)的手段[1]。其中,深空動(dòng)態(tài)模擬源的功能是接收地面基帶調(diào)制器發(fā)出的調(diào)制信號,根據(jù)預(yù)設(shè)的衛(wèi)星軌跡,對調(diào)制信號進(jìn)行距離和速度的模擬,轉(zhuǎn)發(fā)給基帶接收機(jī),使基帶接收機(jī)解調(diào)出來的速度信息和距離信息能夠符合預(yù)設(shè)的衛(wèi)星軌跡。

2 工作原理

地面測控的測距原理都是測量發(fā)方發(fā)出的帶有特殊標(biāo)記的信號和航天器收到的測距信號再轉(zhuǎn)發(fā)回地球站兩信號之間的時(shí)間差[2]。測距的問題實(shí)質(zhì)上就是測量電磁波信號在空中傳播的時(shí)延問題,對距離的模擬也成了對時(shí)延的模擬。

在1988年10月世界無線電行政大會(huì)(WARC)ORB-88-610(為1988年大會(huì)發(fā)表的文件號碼)把深空和非深空的界限規(guī)定在距地球地面2×106km處,這相當(dāng)于太陽和地球?qū)教炱饕Φ钠胶恻c(diǎn)[3]。根據(jù)這個(gè)距離計(jì)算出深空電磁波傳播的最小雙向時(shí)延τ如下:

式中,R為衛(wèi)星到地面站的單向距離,C為光速(299792458 m/s)。

當(dāng)航天器相對于地面站高速運(yùn)動(dòng)時(shí),地面站接收到的航天器發(fā)射的信號中包含有多普勒頻移。現(xiàn)代地面測控的測速方法是測量航天器與地面站相對運(yùn)動(dòng)的徑向速度所引起的載波上的多普勒頻移,也可直接稱其為多普勒頻率或多普勒,再由多普勒頻移推算出徑向速度。常用的多普勒頻移測量的方法可分為單程多普勒頻移測速、雙程多普勒頻移測速和GPS(全球定位系統(tǒng))測速[4]3種,由于GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星軌道高度為20200 km,與深空定義的2×106km相差甚遠(yuǎn),故不在本文討論的范圍內(nèi)。

在單程多普勒頻移測速的情況下,衛(wèi)星的徑向速度與多普勒頻率之間的關(guān)系如公式(2)所示:

式中,fd為多普勒頻率,fc為載波頻率,C為光速,V為衛(wèi)星徑向速度。

在雙向多普勒頻移測速的情況下,衛(wèi)星的徑向速度與多普勒頻率之間的關(guān)系如下:

即:

式中,fd為多普勒頻率,為轉(zhuǎn)發(fā)比,fT為下行頻dT率,fu為上行頻率,C為光速,V為衛(wèi)星徑向速度。

圖1是在地球表面上不動(dòng)的地面測控站接收到的探測衛(wèi)星信號中的多普勒頻率Δf與時(shí)間t的關(guān)系。當(dāng)衛(wèi)星向目標(biāo)飛近時(shí)所接收到的頻率增大,而離去時(shí)頻率下降。曲線的符號變化點(diǎn)表示多普勒頻率為0,在衛(wèi)星最接近于測控站的位置發(fā)生。在這一點(diǎn)上,衛(wèi)星相對于地面站速度的徑向分量為零,當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過這一點(diǎn)時(shí),多普勒的符號將發(fā)生改變。

3 距離模擬的實(shí)現(xiàn)

由公式(1)的計(jì)算可知,深空中探測衛(wèi)星信號的雙向傳播時(shí)延至少約為13.34 s,作為深空動(dòng)態(tài)模擬源就需要至少能夠模擬13.34s的時(shí)延。由于13.34s的時(shí)延較長,不可能利用延遲線、鎖存器等比較簡單的方式實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際工程中,可以采用閉環(huán)雙口RAM來進(jìn)行時(shí)間的延遲。

連續(xù)波測控信號的測距是用測相來實(shí)現(xiàn)的,目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)距離的變化就直接表現(xiàn)為接收到的信號的相位發(fā)生變化。閉環(huán)的雙口RAM循環(huán)地存儲地面測控站送入的信號相位值。當(dāng)仿真開始時(shí),系統(tǒng)就以固定的寫入頻率從首地址開始往雙口RAM實(shí)時(shí)寫入相位值。根據(jù)寫入數(shù)據(jù)的頻率以及需要仿真的初始距離計(jì)算出延遲的存儲單元個(gè)數(shù),然后以該單元的地址為初始地址開始讀出相位數(shù)據(jù)。其中讀地址和寫地址之間相差的N個(gè)存儲單元就相當(dāng)于模擬的信號被延遲了N個(gè)存儲單元的時(shí)延。當(dāng)讀出數(shù)據(jù)的地址大于RAM的最高地址時(shí),讀出數(shù)據(jù)的地址自動(dòng)歸零,地址重新開始累加,如此循環(huán)下去。

在考慮信號傳播的雙向時(shí)延的情況下,仿真距離與延遲的存儲單元之間的關(guān)系如下:

式中,R為仿真的距離,N為延遲的存儲單元的地址,fw為寫入數(shù)據(jù)的頻率,C為光速。

能夠模擬的最大距離取決于RAM的最大容量以及向RAM寫入數(shù)據(jù)的頻率,具體關(guān)系如下:

式中,Rmax為能夠仿真的最大距離,Nmax為RAM的存儲容量的最大值,fw為寫入數(shù)據(jù)的頻率,C為光速。

模擬距離的精度取決于RAM的最小時(shí)延Δτ,也就是一個(gè)存儲單元能夠產(chǎn)生的時(shí)延。一個(gè)存儲單元的時(shí)延與寫入RAM的時(shí)鐘頻率的關(guān)系如下:

由上述公式可以看出,在模擬的最大距離一定的情況下,寫入的時(shí)鐘頻率越高,一個(gè)存儲單元產(chǎn)生的時(shí)延就越小,相應(yīng)的模擬的距離精度也就越高,但是所需要的RAM存儲容量會(huì)相應(yīng)增大。在工程應(yīng)用中,設(shè)計(jì)者應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況,根據(jù)系統(tǒng)提出的精度指標(biāo)要求,合理選擇寫時(shí)鐘頻率和相應(yīng)的RAM存儲容量。

4 速度模擬的實(shí)現(xiàn)

在工程中,模擬探測衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度其實(shí)也就是對探測衛(wèi)星發(fā)出的電磁波信號頻率進(jìn)行相應(yīng)的拉偏,產(chǎn)生多普勒頻率。本文將向RAM寫入數(shù)據(jù)的速率記為fw,從RAM中讀出數(shù)據(jù)的速率記為fr,改變讀出數(shù)據(jù)的頻率fr就可以產(chǎn)生多普勒頻偏。

當(dāng) fr>fw時(shí),通過圖2和圖3可以看出,經(jīng)過 fr恢復(fù)出來的信號頻率變大,這就相當(dāng)于在原信號頻率的基礎(chǔ)上添加了一個(gè)正的多普勒偏移;當(dāng) fr

圖2 向RAM寫入的信號Fig.2 The signal written to RAM

圖3 從RAM讀出的信號Fig.3 The signal read from RAM

寫入頻率fw、讀出頻率fr與多普勒頻率fd的關(guān)系如下:

式中,fs為地面站的主測音頻率。由于寫入RAM的頻率fw是固定的,根據(jù)上述公式在已知衛(wèi)星多普勒頻率fd的情況下,可以計(jì)算出從RAM中讀出數(shù)據(jù)的頻率fr:

在實(shí)際工程中,衛(wèi)星與地面站之間的距離總是大于零的,電磁波信號的傳輸時(shí)延也一定是大于零的,所以讀出數(shù)據(jù)的地址總是小于正在寫入數(shù)據(jù)的地址。在仿真模擬的時(shí)候,盡管fr>fw,但絕對不會(huì)出現(xiàn)讀數(shù)據(jù)的地址躍過寫數(shù)據(jù)的地址,或者讀數(shù)據(jù)的地址等于寫數(shù)據(jù)的地址的情況。

5 信號電平的模擬

在不考慮電波傳播空間中的折射、反射、散射和吸收等能量損耗的理想情況下,可以認(rèn)為電波是在自由空間傳播的,其能量的擴(kuò)散損耗(Lr)與電波傳播距離R的平方成正比,與電波波長λ的平方成反比。由于距離傳輸導(dǎo)致的信號電平的模擬可以根據(jù)公式(11)計(jì)算:

在工程中是通過控制數(shù)控高精度衰減器來實(shí)現(xiàn)信號電平的模擬。由于從深空中傳送過來的電磁波信號微弱,所以對衰減器的精度指標(biāo)要求較高。

6 影響距離和速度模擬精度的原因分析

動(dòng)態(tài)模擬源的誤差主要來自時(shí)鐘、衛(wèi)星軌跡曲線數(shù)據(jù)文件和DDS引入的誤差。

6.1 fr時(shí)鐘引入的誤差

由上文的描述可知fr時(shí)鐘必須是實(shí)時(shí)可變,在實(shí)際設(shè)計(jì)中就不能簡單地利用分頻電路來產(chǎn)生,本文利用DDS來生成 fr時(shí)鐘,而系統(tǒng)又是依靠A/D對基帶調(diào)制器發(fā)出的調(diào)制信號進(jìn)行采樣,A/D是直接分頻產(chǎn)生的。DDS產(chǎn)生的 fr與A/D采樣的信號之間的相位會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)的晃動(dòng),這將直接影響模擬源模擬出來的距離和速度的精度。

6.2 衛(wèi)星軌跡曲線數(shù)據(jù)文件的誤差

模擬源以20 Hz的固定頻率從實(shí)際的記錄衛(wèi)星軌跡曲線的數(shù)據(jù)文件中讀取衛(wèi)星的徑向速度進(jìn)行仿真,在兩次讀取衛(wèi)星速度的時(shí)間空隙中,就認(rèn)為衛(wèi)星是勻速運(yùn)動(dòng)的,但實(shí)際情況是在這段時(shí)間中衛(wèi)星往往不是勻速運(yùn)動(dòng)的,這樣仿真出來的衛(wèi)星距離與實(shí)際的距離就會(huì)有誤差,且隨著仿真時(shí)間的推移,距離誤差累積。在硬件和指標(biāo)要求滿足的情況下,適當(dāng)提高模擬器讀取衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)的頻率能夠降低模擬的距離誤差。

圖4 距離誤差累積示意圖Fig.4 Illustration of the accumulated distance error

6.3 DDS引入的誤差

實(shí)際工程中是由DDS產(chǎn)生的讀RAM時(shí)鐘。模擬源根據(jù)記錄衛(wèi)星軌跡曲線的數(shù)據(jù)文件,以20 Hz的頻率改變RAM的讀時(shí)鐘。每改變一次DDS時(shí)鐘頻率,DDS產(chǎn)生的相位就會(huì)跳變,這種跳變將直接引起模擬的徑向速度產(chǎn)生突跳以及距離的變化率發(fā)生偏差。其中距離變化率的偏差能夠引起模擬距離的誤差,且隨著時(shí)間的推移,距離誤差逐漸累積。

7 結(jié)束語

由于深空動(dòng)態(tài)模擬源具有時(shí)延巨大、信號幅度較小等特點(diǎn),使得深空動(dòng)態(tài)模擬源相對于普通模擬源來說,設(shè)計(jì)的難度較大。本文就解決模擬時(shí)延太長和模擬的探測衛(wèi)星的徑向速度較大的難點(diǎn)提出了利用閉環(huán)雙口RAM產(chǎn)生時(shí)延的方案,該方案已經(jīng)用于實(shí)際的工程中。實(shí)踐證明本方案結(jié)構(gòu)簡單,實(shí)現(xiàn)容易,實(shí)現(xiàn)成本較低且完全可以滿足深空探測的需要,在工程中可以廣泛采用。但是當(dāng)模擬的距離為極遠(yuǎn)距離時(shí),比如探測火星,距離達(dá)到4.013×108km時(shí)[5],時(shí)延達(dá)到約3000 s,利用該方案模擬時(shí)延實(shí)現(xiàn)起來就比較困難了,有待進(jìn)一步的深入研究。

[1]劉嘉興.基于運(yùn)動(dòng)方程的動(dòng)態(tài)模擬方法[J].電訊技術(shù),2010,50(11):1-4.LIU Jia-xing.Dynamic SimulationMethod Based onMotion E-quation[J].Telecommunication Engineering,2010,50(11):1-4.(in Chinese)

[2]鄧永銘.采用開環(huán)模式實(shí)現(xiàn)深空動(dòng)態(tài)模擬源設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù),2009,49(7):73-76.DENG Yong-ming.Implementation of Dynamic Simulating Source Design by Using Open Loop Mode[J].Telecommunication Engineering,2009,49(7):73-76.(in Chinese)

[3]姜昌,范曉玲.航天通訊跟蹤技術(shù)導(dǎo)論[M].北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社,2003.JIANG Chang,FAN Xiao-ling.The Aerospace Communicationand Tracking Introduction[M].Beijing:Beijing University of Technology Press,2003.(in Chinese)

[4]統(tǒng)一載波測控講義[M].成都:電子工業(yè)部第十研究所,1997.The T eaching Materials of Unified Carrier TT&C[M].Chengdu:The 10th Institute of Electronic Industry,1997.(in Chinese)

[5]柴霖,許秀玲.深空測控體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)發(fā)展[J].電訊技術(shù),2010,50(8):1-6.CHAI Lin,XU Xiu-ling.Archiecture and T echnology Development of Deep Space TT&C Communication System[J].Telecommunication Engineering,2010,50(8):1-6.(in Chinese)