船載USB系統(tǒng)跟蹤數傳信號可行性研究

周成剛，毛 亮，朱利偉，魏連魁

（中國衛(wèi)星海上測控部 江蘇 江陰 214431）

船載USB系統(tǒng)跟蹤數傳信號可行性研究

周成剛，毛 亮，朱利偉，魏連魁

（中國衛(wèi)星海上測控部 江蘇 江陰 214431）

討論了一種船載USB系統(tǒng)跟蹤數傳信號可行性的方案，為實現船載USB系統(tǒng)對飛船目標跟蹤功能的備份提供了一個新的思路，該方案通過切換船載USB系統(tǒng)中跟蹤接收機軟件狀態(tài)的方式來實現，此方法已成功應用于跟蹤過境數傳信號目標的跟星訓練中，試驗結果表明該方案是有效的和可行的，該方案在充分利用現有測控設備功能，不增加輔助設備功能的基礎上，可以顯著提高測量船執(zhí)行神舟飛船測控任務的可靠性。

船載測控系統(tǒng)；調頻；跟蹤接收機 數傳；可靠性

S波段統(tǒng)一測控系統(tǒng)（下文簡稱USB）綜合了多種測控通信功能，具備國際聯網測控能力，應用范圍廣泛，是目前我國載人航天試驗任務的主要測控設備之一，航天測量船作為我國航天測控網的重要組成部分，配備有多套船載USB系統(tǒng)。

載人飛船的測控通信系統(tǒng)是與地面進行通信，地面了解和控制飛船位置、速度、姿態(tài)及其運行工作狀態(tài)的唯一通道，該分系統(tǒng)還可提供電視圖像和天地間對話[1]，是載人飛船飛行試驗成功和安全返回的關鍵系統(tǒng)之一。船載USB系統(tǒng)作為船載測控通信分系統(tǒng)的重要組成部分，承擔飛船入軌監(jiān)測、變軌控制、返回控制等關鍵弧段的控制任務。為了完成上述任務，船載USB系統(tǒng)必須能夠快速穩(wěn)定地跟蹤目標。而載人飛船約九十分鐘繞地球飛行一周，速度快，對系統(tǒng)的跟蹤可靠性要求很高，因此，研究如何快速有效地穩(wěn)定地跟蹤飛船目標就具有十分重要的意義。

針對飛船上兩臺USB應答機天線是采取對稱安裝的現實，本文在研究船載USB系統(tǒng)跟蹤設備特性基礎上，首次提出了利用船載USB系統(tǒng)中FM跟蹤接收機來實現對飛船數傳信號的跟蹤，并從理論和實踐方面驗證了船載USB系統(tǒng)跟蹤數傳信號的可行性，實現飛船跟蹤功能的備份，這將大大提高了船載USB系統(tǒng)對飛船實施跟蹤任務的可靠性，在測控通信試驗任務中具有很強的實用性和經濟性。

1 船載USB系統(tǒng)跟蹤設備組成

船載USB系統(tǒng)跟蹤設備主要由天線、天線座、饋源、饋線、跟蹤接收機、驅動機柜、天線控制單元和監(jiān)控計算機等組成。如圖1所示。

圖1 船載USB跟蹤設備組成框圖Fig.1 Makeup of tracking devices in the Shipborne TT&C System

天線饋源采用圓波導多模兩信道自跟蹤饋源，當天線的電軸對準目標肘，饋源只激勵起TE11模（和信號），而當天線電軸偏離目標時，饋源同時激勵起TEll模（和信號）和TE2l模（差信號），目標在空間偏離軸向時產生誤差信號的原理如圖2所示。

圖2 船載USB系統(tǒng)跟蹤角誤差信號的形成Fig.2 Forming principle of the angle error signal in the Shipborne TT&C System

式中，ω為信標信號角頻率。與此同時.由于目標偏離天線等信號軸向，在饋源的跟蹤模耦合器中激勵起高次模TE21，而模TE2l具有奇對稱的方向圖，故將它用做差模，差信道輸出的誤差電壓為：

式中：μ——差方向圖歸一化斜率；U——信號強度。

由此可見，角誤差信號的大小只與目標偏離天線的大小、目標距離遠近有關，而與目標的信號形式無關。雖然船載USB系統(tǒng)沒有跟蹤數傳信號的專用跟蹤接收設備，但具有跟蹤標準TT&C信號、擴頻TT&C信號和FM信號的跟蹤設備，本文立足于現有的跟蹤接收機設備，在不增加其它任何輔助設備的情況，充分發(fā)掘設備的潛能，提出利用FM跟蹤接收機來跟蹤數傳信號，從而實現數傳信號目標的跟蹤。

2 跟蹤可行性研究

2.1 數傳信號調制特性

在神舟飛船高速數傳通信系統(tǒng)中，采用了偏置四相相移鍵控（DQPSK），原理如圖3所示。

《普通高等學校建筑面積指標》(建標【2018】32號)規(guī)定，高校必須配置的有教師、實驗實習實訓用房及場所、圖書館、室內體育用房、行政用房、師生活動用房、會堂、學生宿舍、食堂、單身教師公寓、后勤及附屬用房等十二項，高校選擇配置的有研究生教學及生活用房、留學生及外籍教師生活用房、專職科研機構用房、繼續(xù)教育用房、學術交流中心用房、附屬校醫(yī)院用房等六項。

圖3 DQPSK調制器組成框圖Fig.3 Makeup of DQPSK modulator

在DQPSK調制器中，串/并變換是將串行輸入的高速數據比特流Rb變成雙比特流Ik和Qk。設Ik為Rb中的奇數比特，則Qk為Rb中的偶數比特。Qk經過Tb（Rb的碼元寬度）延遲后，與Ik的脈沖波形沿對齊。然后，Ik和Qk一起送到差分編碼器，對其進行差分編碼。CLK1和CLK2皆為時鐘信號，其周期分別為 T1和 T2（T1=2Tb，T2=Tb）。 編碼后的雙比特流 In和 Qn送至調制器，在調制器的乘法器K1和K2中，分別與正交的本振信號相乘，然后同相相加，經帶通濾波后，得到DQPSK中頻信號 S（t）。

由此可見，數傳DQPSK信號是采用正交調制技術，這是FM跟蹤接收機設備對數傳信號進行正交解調接收的理論基礎。

2.2 數傳信號的跟蹤解調

2.2.1 數傳信號的接收解調

當數傳DQPSK信號進入FM跟蹤接收機和通道后，和通道載波接收模塊將接收的左右旋信號經中頻信道AGC放大，并進行A/D轉換器帶通采樣，隨后將采樣的左右旋數字域信號送FM解調模塊。FM解調模塊對數字域信號與本地數字載波信號進行NCO正交混頻[3]，得到左旋和路正交信號IL、QL與右旋和路正交信號IR、QR，數傳信號接收解調算法流程如圖4所示。

將數傳信號的時域表達式如公式（1）所示，代入數傳信號接收解調模塊后，得到左旋和路正交信號IL、QL與右旋和路正交信號 IR、QR的時域表達式如公式（4）～（7）所示。

圖4 數傳信號接收解調算法流程圖Fig.4 Flow chart of receiving and demodulating data transmission signal

左、右旋正交信號在接收解調模塊的分集合成器中進行最大比分集合成后得到合成正交信號 IC（t）、QC（t），其時域表達式如公式（8）和公式（9）所示。

這兩組I、Q正交信號分為3路，一路送分集合成器加權，輸出和通道合成正交信號Ic、Qc；一路送差模環(huán)，提取差模誤差；另一路送AGC檢測電路，得到AGC控制量，經D/A轉換后輸出到中頻信道。正交合路信號Ic、Qc送入共模環(huán)，由AFC環(huán)提取共模誤差。

共模環(huán)、差模環(huán)組成對稱分集鎖相環(huán)。共模誤差同時送到左右旋兩路NCO中，以相同方向被推到一個公共頻率上，以保證接收機的中頻信號準確地落到濾波器帶寬的中心。差模誤差分兩路以相反的極性分別加到兩路的數控振蕩器上，使得兩路本地載波以相反方向被推到一個相同的公共頻率上。這樣，通過將差模信號和共模誤差信號相加后，共同控制數控振蕩器的輸出頻率，使得輸入到分集合成器上的兩路信號始終保持同頻同相，并落在設計的濾波器通帶中心頻率上。

送入共模環(huán)的正交合路信號經載波鎖定指示檢波器提取信號，并給出載波鎖定指示電壓。跟蹤接收機的載波鎖定指示檢波器輸出電壓與接收信號的Eb/N0值緊密相關，接收信號Eb/N0技術類似于4次方costas環(huán)，不同的是用實部取代虛部，其數學表示式如公式（10）所示。

式中，e（t）為恢復出來的載波鎖定指示電壓信號。鎖定指示檢波器的輸出電壓與接收信號的Eb/N0值之間有線性關系[4]，可在跟蹤接收機監(jiān)視界面上顯示Eb/N0。

數傳信號的載波進行本地恢復后，送給差通道，為角誤差信號解調提供和差信號歸一化的參考信息。

2.2.2 數傳信號的角誤差解調

數傳信號的角誤差解調如圖5所示。

圖5 數傳信號角誤差解調信號流程圖Fig.5 Flow chart of demodulating the angle error of data transmission signal

左右旋差信號分別與和通道提供的本振信號進行正交混頻，得到左旋IL、QL正交差信號和右旋IR、QR正交差信號，左右旋正交差信號按照和通道提供的加權系數進行分集合成，得到合成正交信號Ic、Qc，Ic、Qc即載有方位和俯仰誤差信息[5]。差通道合成正交信號Ic、Qc，分別代表方位誤差和俯仰誤差，經數字窄帶濾波器濾波后，得到方位、俯仰誤差數字分量，由零值、斜率修正單元處理后，由高精度D/A輸出送伺服分系統(tǒng)完成天線的角跟蹤。

綜上所述，飛船數傳信號經FM跟蹤接收機接收后，FM跟蹤接收機和通道功能模塊通過分集合成鎖相環(huán)路實現對載波的接收解調[6]，恢復出數傳信號的載波信號，并為差通道角誤差信號解調功能模塊提供歸一化的參考信息，如分集加權系統(tǒng)、AGC控制量、本振參考信號等。FM跟蹤接收機差通道部分通過角誤差解調算法實現對方位、俯仰誤差信息的解調，并送給伺服分系統(tǒng)完成對目標的穩(wěn)定跟蹤，這是FM跟蹤接收機跟蹤解調數傳信號的理論基礎，這也說明了本文的冗余方案在理論上是可行的。

3 船載USB系統(tǒng)跟蹤試驗研究

針對數傳信號調制特點和FM跟蹤接收機接收性能，為了確保FM跟蹤接收機能夠正常跟蹤數傳信號，根據理論分析結果，下面分別從數傳信號接收解調功能、靜態(tài)跟蹤性能和動態(tài)跟蹤性能3個方面進行功能性試驗研究。

首先，為了驗證FM跟蹤接收機對飛船數傳信號的接收解調功能，利用船載多功能數字基帶設備中數傳信號模擬源來模擬產生飛船的數傳DQSPK信號，并送給FM跟蹤接收機的和、差通道輸入接口，如圖6所示。結果表明：FM跟蹤接收機能夠正常鎖定多功能數字基帶產生的數傳DQPSK模擬信號，并正常送出角誤差解調信息。這也表明FM跟蹤接收機具有接收解調數傳DQPSK信號的功能，這也為進行FM跟蹤接收機跟蹤數傳信號目標的靜態(tài)和動態(tài)跟蹤功能試驗奠定了基礎。

圖6 跟蹤功能性試驗流程圖Fig.6 Flow chart of the funciton to track data transmission signal

其次，為了檢驗FM跟蹤接收機跟蹤飛船數傳信號的靜態(tài)跟蹤性能，也為了真實、全面驗證FM跟蹤接收機跟蹤飛船數傳信號的可行性。在2011年3月進行的“交會對接任務天地正樣對接試驗”任務時，我船USB測控設備利用FM跟蹤接收機對放置在標校塔上的正樣星載數傳發(fā)射機產生的數傳信號進行了試驗性跟蹤。結果表明：FM跟蹤接收機能夠正常穩(wěn)定地鎖住數傳信號，并能夠正常解調出方位、俯仰角誤差電壓，對數傳DQPSK信號目標能夠實施穩(wěn)定跟蹤，FM跟蹤接收機跟蹤數傳信號的靜態(tài)跟蹤性能良好。

最后，為了檢驗FM跟蹤接收機跟蹤數傳信號的動態(tài)跟蹤功能，也為了有效訓練船載USB設備的伺服主控操作人員，船載USB系統(tǒng)多次組織利用FM跟蹤接收機來跟蹤同步星、過境目標等數傳信號目標。結果表明：FM跟蹤接收機能夠為天線控制單元ACU設備提供準確的角誤差解調信息，能夠對過境目標中的數傳信號實施穩(wěn)定跟蹤，這也說明FM跟蹤接收機跟蹤數傳信號的動態(tài)跟蹤性能良好。

綜上所述，利用FM跟蹤接收機跟蹤數傳信號目標不僅在理論上是可行的，而且其靜態(tài)跟蹤性能和動態(tài)跟蹤性能也是良好的，這也表明FM跟蹤接收機跟蹤數傳信號在實踐上是可行的、有效的。

4 結束語

經過理論分析和試驗研究表明：FM跟蹤接收機可以實現對飛船數傳信號的穩(wěn)定跟蹤解調，跟蹤性能穩(wěn)定可靠。該技術在不增加任何輔助設備的基礎上，成功實現了神舟飛船測控跟蹤功能的冗余備份，降低了對飛船目標跟蹤失效的風險，為船載測控系統(tǒng)圓滿執(zhí)行載人航天工程后續(xù)交會對接任務提供了有益的理論和實踐指導，對今后進行飛船其它功能的備份設計起到了積極作用。

[1]陳相周，顧側峰，呂大奎.神舟號載人飛船船載測控通信分系統(tǒng)[J].上海航天，2005（5）:9-13.

CHEN Xiang-zhou，GU Ce-feng，LU Da-kui.The space-borne TT&C telecommunication subsystem of shenzhou manned spaceship[J].Aerospace Shanghai，2005（5）:9-13.

[2]韓開文.DQPSK數傳接收機[J].遙測遙控，2000，21（3）:40-45.

HAN Kai-wen.DQPSK receiver data transmission[J].Journal of Telemetry， Tracking and Command，2000，21（3）:40-45.

[3]江東.新型的雙環(huán)鎖相極化分集接收機 [J].遙測遙控，1995，16（5）:52-65

JIANG Dong.The new double-loop phase-locked polarization diversity receiver[J].Journal of Telemetry，Tracking and Command，1995，16（5）:52-65.

[4]楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電原理與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2001.

[5]肖仕偉，彭嶸.高碼速率鎖相FM解調器設計[J].電訊技術，2002（4）:9-12.

XIAO Shi-wei，PENG Rong.Design of a high bit rate PLL FM demodulator[J].Telecommunication Engineering，2002（4）:9-12.

[6]吳遠斌，李景文.直接中頻采樣及數字相干檢波的研究[J].電子學報，1994，22（10）:105-107.

WU Yuan-bin，LI Jing-wen.Research of quadrature coherent detection by direct sampling of IF signal[J].Acta Electronica Sinica，1994，22（10）:105-107.

Study on feasibility of tracking the QPSK data transmission signals by shipborne TT&C system

ZHOU Cheng-gang， MAO Liang， ZHU Li-wei， WEI Lian-kui
（China Satelite Maritime Tracking and Controlling Department，Jiangyin214431，China）

This thesis is aimed at overcoming the drawbacks of Shenzhou manned spaceship tracking and controling for no backup，using of tracking the QPSK data transmission signals with the Shipborne TT&C System to implement the backup program for the first time.From three aspects of the theoretical analysis，such as the QPSK data transmission signals modulation characteristics，Shipborne TT&C System tracked the composition and carrier demodulated

.Tracking through the FM receiver receiving the QPSK data transmission signals，the static and dynamic tracking tests verify tracking of the program feasibility and effectiveness.The technology features with no additional auxiliary equipment on the basis of shipborne TT&C system，significantly reduces the risk of failure of the spaceship tracking.

shipborne TT&C system；FM；tracking receiver；data transmission；reliability

TN911

A

1674－6236（2012）06-0034-04

2012-02-07稿件編號：201202024

周成剛（1985—），男，江蘇沭陽人，碩士，工程師。研究方向：航天遠洋測控技術。