衛(wèi)星信道模擬器的設(shè)計(jì)

陳曉峰,孟景濤

(1.西安電子科技大學(xué),陜西西安710071;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)第五十四研究所,河北石家莊050081;)

0 引言

衛(wèi)星信道模擬器通過(guò)對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行處理,完成空間信道傳輸時(shí)延、空間信道衰減、射頻多普勒頻率以及信號(hào)與信噪比的模擬。其功能的實(shí)現(xiàn)與其輸入的具體信號(hào)體制無(wú)關(guān),可以適用于各種中頻信號(hào)的處理。并且利用其與應(yīng)答機(jī)設(shè)備的組合,可以在沒(méi)有衛(wèi)星的條件,模擬衛(wèi)星的運(yùn)行軌道和運(yùn)行方式,從而來(lái)驗(yàn)證地面測(cè)控系統(tǒng)的綜合基帶設(shè)備在低軌衛(wèi)星、中高軌衛(wèi)星、探月和深空探測(cè)條件下的測(cè)距、測(cè)速數(shù)據(jù)正確與否,進(jìn)而確保上述方面的地面測(cè)控系統(tǒng)指標(biāo)的驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

衛(wèi)星信道模擬器承擔(dān)的主要任務(wù)是:衛(wèi)星信道模擬器可裝載理論衛(wèi)星彈道數(shù)據(jù)或給定的曲線(xiàn),從而對(duì)目標(biāo)距離、時(shí)延、多普勒、電平信號(hào)和空間白噪聲進(jìn)行模擬,以驗(yàn)證測(cè)控設(shè)備的測(cè)距、測(cè)速數(shù)據(jù)正確與否。依據(jù)衛(wèi)星信道模擬器承擔(dān)的主要任務(wù),從其功能上劃分為3部分:①軌道根數(shù)方式。輸入接收站的站址坐標(biāo)、軌道根數(shù)及時(shí)間初值,根據(jù)軌道根數(shù)模擬出目標(biāo)的距離、速度、加速度和信號(hào)的幅度變化;②設(shè)定曲線(xiàn)方式。輸入目標(biāo)最近距離、最遠(yuǎn)距離、速度、加速度值、距離初值及時(shí)間初值,根據(jù)三角波理論或正弦波理論曲線(xiàn),模擬出目標(biāo)各個(gè)時(shí)刻的距離及幅度;③單獨(dú)控制方式。對(duì)信號(hào)的各個(gè)動(dòng)態(tài)進(jìn)行單獨(dú)控制,上下行信號(hào)的功率衰減、多普勒頻率、距離、噪聲和功率衰減;

要完成衛(wèi)星信道模擬器所承擔(dān)的任務(wù),衛(wèi)星信道模擬器包括硬件和軟件兩部分。其中,硬件部分由一臺(tái)CPCI(緊湊型PCI)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、自研制板卡構(gòu)成;軟件部分由系統(tǒng)監(jiān)控軟件、FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)數(shù)據(jù)處理軟件和DSP(數(shù)字信號(hào)處理)數(shù)據(jù)處理軟件組成。

衛(wèi)星信道模擬器的硬件部分由中頻采樣部分、采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回放部分、時(shí)鐘控制部分、中頻輸出控制部分組成,軟件部分由板內(nèi)監(jiān)控通信控制部分和計(jì)算機(jī)監(jiān)控部分組成如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星動(dòng)態(tài)信道模擬器設(shè)計(jì)模型

1.1 硬件設(shè)計(jì)

中頻采樣部分:采用高速A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換)采樣芯片,將中頻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào);

采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回放部分:依據(jù)模擬衛(wèi)星軌道與地面接收站的距離遠(yuǎn)近,分為兩部分:①中低軌模式:使用FPGA內(nèi)提供的雙端口RAM(隨機(jī)存取存貯器)或FIFO(先進(jìn)先出存取存貯器)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的存儲(chǔ)和回放;②高軌、探月及深空模式:使用FPGA內(nèi)的雙端口RAM或FIFO作為數(shù)據(jù)緩存,通過(guò)DMA(直接內(nèi)存存取)模式使用PCI數(shù)據(jù)總線(xiàn),直接訪問(wèn)計(jì)算機(jī)內(nèi)存實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的存儲(chǔ)和回放。依據(jù)RAM的大小來(lái)決定初始距離的范圍;

時(shí)鐘控制部分:控制采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回放部分的讀寫(xiě)時(shí)鐘,通過(guò)改變讀寫(xiě)時(shí)鐘的速率,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星速度的模擬;

中頻輸出控制部分:采用高速上變頻器芯片,將加入時(shí)延的數(shù)字信號(hào)恢復(fù)發(fā)送出去,同時(shí)利用芯片的幅度控制實(shí)現(xiàn)空間電離層信號(hào)衰減的模擬。利用DDS的BPSK(二相移相鍵控)模式輸出的中頻信號(hào)來(lái)模擬白噪聲。

硬件控制過(guò)程如下:①上電初始化完成后,開(kāi)始數(shù)據(jù)采樣;②依據(jù)監(jiān)控下達(dá)的命令,從規(guī)定時(shí)刻起開(kāi)始存儲(chǔ)數(shù)據(jù);③依據(jù)監(jiān)控下達(dá)的命令,從規(guī)定時(shí)刻起開(kāi)始回放數(shù)據(jù),加入多普勒頻率和幅度控制;④依據(jù)監(jiān)控下達(dá)命令,結(jié)束存儲(chǔ)和回放數(shù)據(jù)流程。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

板內(nèi)監(jiān)控通信控制部分:接收計(jì)算機(jī)下發(fā)的命令,依據(jù)下發(fā)命令的參數(shù),生成模擬的衛(wèi)星軌道和運(yùn)行方式,模擬衛(wèi)星軌道的運(yùn)行;

計(jì)算機(jī)監(jiān)控部分:將在界面接收的命令參數(shù),通過(guò)PCI總線(xiàn)下發(fā)到自研板卡的監(jiān)控通信控制部分,并顯示模擬數(shù)據(jù)的圖形。

軟件控制過(guò)程如下:①系統(tǒng)初始化,完成計(jì)算機(jī)內(nèi)自研板的上電自檢和程序加載,同時(shí)建立與計(jì)算機(jī)的通信;②依據(jù)系統(tǒng)傳來(lái)的外時(shí)碼,將計(jì)算機(jī)和自研板的時(shí)碼進(jìn)行同步;③通過(guò)衛(wèi)星信道模擬器的顯示控制界面,選擇所要模擬的軌道模式,中低軌模式或高軌、探月深空模式;④確定軌道模式后,選擇所要模擬的功能模擬方式,軌道根數(shù)方式、設(shè)定曲線(xiàn)方式和單獨(dú)控制方式;⑤接收界面設(shè)定參數(shù);⑥依據(jù)界面設(shè)定參數(shù),生成模擬出的衛(wèi)星軌道和運(yùn)行方式;⑦模擬運(yùn)行擬合出的衛(wèi)星軌道和運(yùn)行方式;⑧軌道模擬運(yùn)行結(jié)束。衛(wèi)星信道模擬器的軟件控制流程如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星信道模擬器軟件控制流程

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 衛(wèi)星軌道模擬

衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的軌道是通過(guò)地心平面上的橢圓,且橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)與地心相重合。衛(wèi)星的軌道可有六個(gè)基本參數(shù)(又稱(chēng)軌道根數(shù))來(lái)完全描述和確定:

①長(zhǎng)半軸α:軌道橢圓長(zhǎng)軸之半,它確定了衛(wèi)星軌道的周期;②傾角i:軌道平面與地球赤道平面之間的夾角,常以地心至北極方向和軌道平面正法向之間的夾角來(lái)度量,i=900;③軌道偏心率e:軌道橢圓兩焦點(diǎn)之間的距離與長(zhǎng)軸的比值,其大小在0～1之間,e=0為圓軌道;④升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω:春分點(diǎn)與升交點(diǎn)對(duì)地心的張角,在赤道面內(nèi)度量;⑤近地點(diǎn)幅度 ω:升交點(diǎn)與近地點(diǎn)對(duì)地心的張角,在軌道面內(nèi)度量;⑥過(guò)近地點(diǎn)時(shí)刻tP:衛(wèi)星經(jīng)過(guò)近地點(diǎn)的時(shí)刻。

上述6個(gè)基本參數(shù)中,α和e決定衛(wèi)星軌道的大小和形狀,i和Ω決定衛(wèi)星軌道平面在空間的位置,ω決定橢圓在軌道面上的方位,tP決定衛(wèi)星在軌道上的時(shí)間關(guān)系。

在已給定6個(gè)軌道參數(shù)的情況下,可以擬合出衛(wèi)星運(yùn)行的軌道,從而確定任意時(shí)刻t的衛(wèi)星位置及其運(yùn)動(dòng)速度。

2.2 空間電離層模擬

2.2.1 空間電離層延遲模擬

電離層傳播延遲對(duì)地面測(cè)量設(shè)備對(duì)衛(wèi)星位置的確定(包括衛(wèi)星到測(cè)站距離和衛(wèi)星的速度)是有影響的,如果對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行精確模擬,就必須對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。而空間延時(shí)帶來(lái)的初始距離的模擬依靠于數(shù)據(jù)的采樣時(shí)鐘的頻率,Rq=c/fs,式中Rq為距離量化精度;c為光速(299792458m/s);fs為中頻采樣部分的采樣時(shí)鐘頻率。

確定帶通采樣頻率fs的一般結(jié)論為:

式中,fC為信號(hào)的中心頻率;B為信號(hào)帶寬;n=為帶通信號(hào)的最高頻率。

根據(jù)系統(tǒng)的要求選擇適當(dāng)?shù)牟蓸訒r(shí)鐘頻率,有助于提高目標(biāo)與接收站之間初始距離模擬的精度。

2.2.2 空間電離層信號(hào)衰減模擬

無(wú)線(xiàn)電波在空間傳播隨著距離的延長(zhǎng),信號(hào)強(qiáng)度會(huì)越來(lái)越弱,信號(hào)頻率和傳輸距離是決定信號(hào)強(qiáng)度衰減的2個(gè)因素。

輸入接收機(jī)的功率可以表示為:

上式右邊被分成了三項(xiàng),分別與發(fā)射機(jī)、接收機(jī)及自由空間距離有關(guān)。GR是接收天線(xiàn)的全向功率增益;EIRP是發(fā)射天線(xiàn)的有效全向輻射功率;Lr=(4πR/λ)2是電波的自由空間損耗,它與傳播距離R的平方成正比,與波長(zhǎng)λ的平方成反比。

以dB表示的自由空間損耗值[FSL]為:

式中,R為傳輸距離(km);f為傳輸頻率GHz。

通過(guò)輸出信號(hào)的幅度變化,來(lái)模擬根據(jù)目標(biāo)與接收站之間距離遠(yuǎn)近所達(dá)到不同的衰減在信號(hào)上的表現(xiàn)。

2.3 多普勒頻率偏移的模擬

當(dāng)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)而彼此接近時(shí),接收機(jī)所收到的信號(hào)頻率fR將高于發(fā)射信號(hào)頻率fT;而當(dāng)彼此遠(yuǎn)離時(shí),接收信號(hào)頻率fR將低于發(fā)射信號(hào)頻率fT。這種由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)而使接收頻率不同于發(fā)射頻率的現(xiàn)象,稱(chēng)為“多普勒效應(yīng)”。

多普勒頻率fd為接收頻率與發(fā)射頻率之差,即

式中,v為衛(wèi)星的徑向速度;c為光速;fT為發(fā)射信號(hào)頻率;徑向速度v的極性約定為:當(dāng)目標(biāo)(發(fā)射機(jī))與接收機(jī)彼此靠近時(shí),v的極性為負(fù),而彼此遠(yuǎn)離時(shí),v的極性為正。

設(shè)地面發(fā)射站發(fā)射信號(hào)頻率為f1=Mf0,f0是頻標(biāo)源輸出頻率,M為倍頻數(shù)?？紤]到多普勒頻率,星載應(yīng)答機(jī)接收頻率為:

式中,vT是發(fā)射站與飛行器間的徑向速度。由于vT/c≤1,故應(yīng)答機(jī)接收頻率f2與f1相差很小,若直接將f2再轉(zhuǎn)發(fā)到地面,則會(huì)引起應(yīng)答機(jī)接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)相互間的干擾,為此,一般將f2乘上一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)系數(shù)N/M,即

將f3作為應(yīng)答機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)頻率。地面接收站的信號(hào)頻率為:

接收站接收信號(hào)的多普勒頻率為:

因?yàn)関T?vr＜＜c2,故上式可簡(jiǎn)化為:

當(dāng)發(fā)射站和接收站設(shè)在一起時(shí),上式又可進(jìn)一步簡(jiǎn)化:

2.4 高速數(shù)據(jù)采集傳輸

由于衛(wèi)星信道模擬器的模擬的初始距離范圍很寬,當(dāng)初始距離很大時(shí),經(jīng)A/D采樣后得出的中頻數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)會(huì)占據(jù)很大的存儲(chǔ)空間,由于大容量的存儲(chǔ)芯片難以獲得而且價(jià)格昂貴。從而選擇使用直接內(nèi)存存取(DMA)的方式。采用DMA方式可以把A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入系統(tǒng)內(nèi)存,不需要CPU的參與。特別適合應(yīng)用于大量數(shù)據(jù)的高速采集存儲(chǔ)傳輸。DMA有兩種類(lèi)型:系統(tǒng)DMA和總線(xiàn)主控DMA?？偩€(xiàn)主控DMA通常用在PCI設(shè)備中。DMA方式工作有以下幾個(gè)步驟:①硬件初始化;②分配內(nèi)存;③確定中斷事件類(lèi)型;④開(kāi)始DMA模式數(shù)據(jù)傳輸。

3 性能測(cè)試結(jié)果分析

性能測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示。其中距離的精度測(cè)量結(jié)果,為靜態(tài)測(cè)試結(jié)果。

表1 信號(hào)頻率、幅度、功率測(cè)試表

表2 距離、速度測(cè)試表

對(duì)測(cè)試結(jié)果分析后可以得出結(jié)論,衛(wèi)星信道模擬器的性能測(cè)試結(jié)果,能夠滿(mǎn)足地面測(cè)控系統(tǒng)指標(biāo)的驗(yàn)證的要求,可以作為地面測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)試設(shè)備,尤其對(duì)綜合基帶設(shè)備的測(cè)速和測(cè)距的測(cè)量精度能夠提供可靠保障。

4 系統(tǒng)應(yīng)用模型

在探月工程中,探月飛行器與測(cè)量站之間的距離遠(yuǎn),飛行時(shí)間長(zhǎng),傳輸時(shí)延大。探月飛行器的飛行距離為350 000～400 000 km之間,傳輸時(shí)延為τ=2R/c(τ為星地時(shí)延,R為飛行器與地面的徑向距離,c為光速)。

考慮上述因素,在距離較大情況下,為體現(xiàn)出時(shí)延對(duì)系統(tǒng)測(cè)速和測(cè)距的影響,要求距離初值的存儲(chǔ)量較大,從而采用PCI總線(xiàn)高速接口總線(xiàn)主控DMA方式直接對(duì)內(nèi)存進(jìn)行讀寫(xiě)。

設(shè)中頻信號(hào)為fIF=70MHz、帶寬為B=4MHz,考慮PCI總線(xiàn)高速接口的限制,選取中頻采樣時(shí)鐘的頻率為ClkSAMP=11.2 MHz、A/D采樣位數(shù)為12位,PCI總線(xiàn)高速接口數(shù)據(jù)吞吐速率為256Mbps。

在探月工程中,以衛(wèi)星信道模擬器和中頻標(biāo)校終端設(shè)備以及應(yīng)答機(jī)信道設(shè)備聯(lián)合工作,如圖3所示。將地面測(cè)控系統(tǒng)的綜合基帶設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)的記錄結(jié)果和衛(wèi)星模擬器設(shè)備模擬數(shù)據(jù)的記錄結(jié)果進(jìn)行比較,從而驗(yàn)證地面測(cè)控系統(tǒng)的綜合基帶測(cè)距、測(cè)速數(shù)據(jù)的正確與否,測(cè)量精度是否符合系統(tǒng)指標(biāo)。

圖3 中頻信號(hào)信道模擬器邏輯組成示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

衛(wèi)星信道模擬器的設(shè)計(jì)原理以及信號(hào)的模擬要求,詳細(xì)闡述了衛(wèi)星信道模擬器進(jìn)行模擬實(shí)際衛(wèi)星信道的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法和關(guān)鍵技術(shù),以及如何提高設(shè)備的設(shè)計(jì)精度。通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)說(shuō)明了衛(wèi)星信道模擬器能夠滿(mǎn)足對(duì)地面測(cè)控設(shè)備的系統(tǒng)指標(biāo)驗(yàn)證。最后結(jié)合工程應(yīng)用模型,表明衛(wèi)星信道模擬器能夠?qū)Φ孛鏈y(cè)控設(shè)備的系統(tǒng)指標(biāo)驗(yàn)證起到良好的支持作用和可靠保障。

[1]周智敏,李企舜.現(xiàn)代航天測(cè)控原理[M].長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社,1998.

[2]趙業(yè)福.無(wú)線(xiàn)電跟蹤測(cè)量[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2003.

[3]楊小牛,樓才藝,徐建良.軟件無(wú)線(xiàn)電跟原理與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.