便攜式衛(wèi)星通信地球站手動(dòng)對(duì)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 張鵬宗

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便攜式衛(wèi)星通信地球站手動(dòng)對(duì)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 張鵬宗

【摘要】針對(duì)便攜站手動(dòng)對(duì)星過(guò)程存在的耗時(shí)長(zhǎng)、精度差以及操作要求高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)集成了一套對(duì)星系統(tǒng)以便利對(duì)星實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)以數(shù)字化中頻解調(diào)為基礎(chǔ)，基于FPGA完成信標(biāo)樣值時(shí)頻域處理并提取信標(biāo)強(qiáng)度、鏈路頻偏等信號(hào)特征，基于嵌入式處理器完成圖形化界面下的對(duì)星參數(shù)控制和結(jié)果顯示，其人機(jī)交互界面方便友好可借助PDA通過(guò)IE瀏覽器靈活訪問(wèn)。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)使得更輕巧的手動(dòng)便攜站達(dá)到了自動(dòng)便攜站的對(duì)星精度和接近的對(duì)星時(shí)間和方便程度，顯著提升了通信效能。

【關(guān)鍵詞】便攜站；手動(dòng)對(duì)星；級(jí)聯(lián)抽??；頻譜泄露；數(shù)字濾波

0　引言

便攜式衛(wèi)星通信地球站（簡(jiǎn)稱便攜站）在具備傳統(tǒng)衛(wèi)星通信不受地理位置和距離限制、業(yè)務(wù)承載靈活多樣等優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，因其體積小、重量輕、易于攜帶在自然條件惡劣的應(yīng)急通信以及軍事通信中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

根據(jù)對(duì)星方式的不同，便攜站分為手動(dòng)對(duì)星便攜站和自動(dòng)對(duì)星便攜站。相比自動(dòng)對(duì)星站型，手動(dòng)對(duì)星便攜站因?yàn)椴恍枰炀€伺服系統(tǒng)和跟蹤接收機(jī)，在重量、體積、成本、功耗和環(huán)境適應(yīng)性方面具有一定的使用優(yōu)勢(shì)，但在手動(dòng)調(diào)整天線對(duì)星的過(guò)程中普遍存在對(duì)星耗時(shí)長(zhǎng)、對(duì)星精度差的問(wèn)題，限制了通信鏈路的建立速度，制約了其通信效能的發(fā)揮。

為提升手動(dòng)對(duì)星便攜站通信效能特別是在野外機(jī)動(dòng)和應(yīng)急通信中的表現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)集成了一套對(duì)星系統(tǒng)以便利對(duì)星實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)以FPGA和嵌入式處理器為核心，綜合運(yùn)用數(shù)字化中頻解調(diào)、多抽樣率數(shù)字處理和頻譜分析等技術(shù)分析處理信標(biāo)樣值信息，人機(jī)交互界面方便友好可實(shí)時(shí)顯示對(duì)星效果。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮

手動(dòng)對(duì)星是以手動(dòng)方式調(diào)整衛(wèi)星通信天線使其主波束中心對(duì)準(zhǔn)要與之通信的衛(wèi)星并建立通信信道的過(guò)程。具體操作時(shí)一般首先利用GPS或北斗等專用工具獲取接收天線的地理坐標(biāo)（經(jīng)緯度），其次根據(jù)天體對(duì)星理論公式［1］計(jì)算對(duì)星天線方位和俯仰的理論角度，然后在手動(dòng)調(diào)整過(guò)程中利用機(jī)械羅盤(pán)不斷讀取天線當(dāng)前的實(shí)際指向（方位角和俯仰角）并與計(jì)算值比較，若兩者相等則天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。

傳統(tǒng)手動(dòng)對(duì)星方式因磁偏角的存在和機(jī)械羅盤(pán)受環(huán)境影響存在讀取誤差，其實(shí)際對(duì)星值與精確對(duì)星值之間存在一定的偏差，普遍存在對(duì)星耗時(shí)長(zhǎng)、對(duì)星精度差的問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，引入衛(wèi)星跟蹤信號(hào)作為系統(tǒng)反饋，利用衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度隨天線指向誤差增加而減小的特征，通過(guò)實(shí)時(shí)采集和處理可使天線更快速、更準(zhǔn)確地指向衛(wèi)星。

目前衛(wèi)星提供給地球站跟蹤的信號(hào)主要有信標(biāo)和載波兩種形式。信標(biāo)信號(hào)是衛(wèi)星上發(fā)射的一個(gè)頻率和幅度都固定的點(diǎn)頻信號(hào)，自衛(wèi)星發(fā)射成功至壽命終結(jié)始終不間斷工作，可靠穩(wěn)定利于跟蹤；載波信號(hào)是衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的、具有一定帶寬且適合接收機(jī)解調(diào)的信號(hào)，需要預(yù)置工作頻率和載波速率等參數(shù)，易于捕獲。

考慮到載波信號(hào)方式下解調(diào)同步需要幾秒到幾十秒的時(shí)間對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的反饋較慢，且當(dāng)載波信號(hào)不轉(zhuǎn)發(fā)或消失時(shí)需要更新接收參數(shù)才能使用無(wú)法實(shí)時(shí)跟蹤不適合應(yīng)急通信的應(yīng)用，因此便攜站手動(dòng)對(duì)星系統(tǒng)以信標(biāo)為目標(biāo)信號(hào)展開(kāi)設(shè)計(jì)。

2　系統(tǒng)原理框圖

手動(dòng)對(duì)星系統(tǒng)以硬件共享、軟件重載的形式集成于實(shí)裝便攜站型上，由變頻鏈單元、低中頻采樣單元、信標(biāo)分析處理單元和人機(jī)交互單元組成，如圖1所示。

圖1　手動(dòng)對(duì)星系統(tǒng)組成

變頻鏈單元完成L或C中頻信號(hào)到定點(diǎn)450MHz的下變頻以及對(duì)應(yīng)信號(hào)的功率調(diào)整；低中頻采樣單元完成變頻鏈模塊與AD芯片間的接口適配和信標(biāo)信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣，該單元結(jié)合數(shù)字處理技術(shù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化中頻解調(diào)，有效降低了變頻鏈單元的設(shè)計(jì)難度和規(guī)模；信標(biāo)分析處理單元基于FPGA硬件實(shí)現(xiàn)，主要完成數(shù)字化正交解調(diào)、抽取濾波、頻譜分析和信標(biāo)特征值（信噪比/頻偏/電平）提取等功能，同時(shí)解析對(duì)星控制參數(shù)完成變頻鏈單元的接收頻率和通道增益調(diào)整；人機(jī)交互單元基于嵌入式處理器MPC8270實(shí)現(xiàn)，主要完成圖形化界面下的對(duì)星參數(shù)計(jì)算、下發(fā)以及對(duì)星結(jié)果顯示，用戶界面方便友好，可借助PDA通過(guò)IE瀏覽器靈活訪問(wèn)。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

手動(dòng)對(duì)星系統(tǒng)軟件主要由級(jí)聯(lián)抽取濾波、頻譜分析、數(shù)字濾波和人機(jī)交互界面四部分組成，是對(duì)星參數(shù)控制和信標(biāo)樣值處理的核心。

3.1級(jí)聯(lián)抽取濾波

針對(duì)采樣時(shí)鐘和處理時(shí)鐘近千倍的采樣率變化，采用多級(jí)級(jí)聯(lián)抽取濾波可以更有效地進(jìn)行采樣率變換，大大降低總的計(jì)算量和存儲(chǔ)要求，減輕抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)難度。參考多級(jí)抽樣率變換器的設(shè)計(jì)步驟［2］，以減少計(jì)算量為目標(biāo)確定了抽取因子分別為8、8和16 的3級(jí)級(jí)聯(lián)抽取結(jié)構(gòu)，具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　級(jí)聯(lián)抽取濾波器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

特別地，第一級(jí)抽取濾波器階數(shù)要盡可能取的高，保證以較小的通帶和較大的阻帶抑制過(guò)濾無(wú)用噪聲，維持信標(biāo)信號(hào)采樣信噪比。

3.2頻譜分析

信標(biāo)頻譜分析基于FFT實(shí)現(xiàn)，綜合考慮估計(jì)精度、運(yùn)算量、刷新周期等要求確定FFT處理長(zhǎng)度為2048點(diǎn)，具體過(guò)程如圖3所示。由于FFT處理過(guò)程會(huì)引入能量泄露［3］和柵欄效應(yīng)［3］，如果處理不好將使估計(jì)結(jié)果與實(shí)際值間出現(xiàn)較大偏差，因此具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程采取了針對(duì)性措施：對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行改進(jìn)漢明窗截?cái)?，抑制旁瓣泄露，改善頻譜的幅值估計(jì)精度；改進(jìn)漢明窗會(huì)展寬過(guò)渡帶，影響下行鏈路頻偏估計(jì)精度，故在峰值搜索的基礎(chǔ)上引入雙線幅度Rife插值［4］算法提高頻偏估計(jì)精度；在峰值搜索基礎(chǔ)上，根據(jù)主瓣寬度確定主要功率頻譜分量并求和校準(zhǔn)信標(biāo)功率，主瓣帶外頻譜分量統(tǒng)計(jì)平均記為底噪，依據(jù)校準(zhǔn)信標(biāo)功率和底噪計(jì)算相應(yīng)信噪比作為信標(biāo)強(qiáng)度輸出。

圖3　信標(biāo)頻譜分析過(guò)程

3.3數(shù)字濾波

數(shù)字濾波采用限幅濾波和加權(quán)遞推平均濾波級(jí)聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)。前者基于一定處理周期下的經(jīng)驗(yàn)判斷，確定兩次采樣值的最大允許偏差，一旦新舊樣值的偏差超過(guò)該允許值即丟棄新值，該濾波方式可有效克服脈沖干擾的影響；后者對(duì)不同時(shí)刻的樣值給予不同的權(quán)值，其中舊樣值統(tǒng)一給予小權(quán)值、新樣值獨(dú)立給予大權(quán)值，在一定程度上抑制周期性干擾的同時(shí)可大幅提升系統(tǒng)靈敏度。

數(shù)字濾波針對(duì)信標(biāo)特征樣值以純軟件的方式實(shí)現(xiàn)處理帶寬內(nèi)的干擾抑制，不需要外加硬件，可靈活修改濾波參數(shù)，是級(jí)聯(lián)抽取濾波的有益補(bǔ)充，可顯著提高信標(biāo)信號(hào)的測(cè)量精度和響應(yīng)速度。

3.4人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面通過(guò)嵌入式系統(tǒng)的webServer代理功能，實(shí)現(xiàn)用戶前臺(tái)數(shù)據(jù)的接入、解析及響應(yīng)，給用戶提供可視化的操作界面。用戶可通過(guò)IE瀏覽器直接登錄訪問(wèn)人機(jī)交互界面設(shè)置對(duì)星參數(shù)并獲取對(duì)星結(jié)果，相應(yīng)設(shè)置和顯示界面如圖4所示。

圖4　手動(dòng)對(duì)星人機(jī)交互界面

4　系統(tǒng)性能測(cè)試

系統(tǒng)性能測(cè)試配置天線為0.9m、Ku頻段拋物面天線，首先借助頻譜儀完成天線對(duì)星此時(shí)信標(biāo)接收電平為-66dBm，然后控制衛(wèi)星天線處于不同初始狀態(tài)，記錄手動(dòng)調(diào)整天線開(kāi)始至界面顯示信標(biāo)強(qiáng)度最大這一過(guò)程時(shí)間和信標(biāo)強(qiáng)度最大時(shí)頻譜儀顯示信標(biāo)電平值，完成對(duì)星時(shí)間和對(duì)星精度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1　手動(dòng)對(duì)星系統(tǒng)性能測(cè)試

5　結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，在衛(wèi)星天線機(jī)械特性良好的情況下，使用本文設(shè)計(jì)的手動(dòng)對(duì)星系統(tǒng)平均對(duì)星時(shí)間可縮短到2.5mins以內(nèi)，對(duì)星精度較頻譜儀輔助方式誤差小于1dB，很好地解決非專業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)通不易的問(wèn)題，同時(shí)與信標(biāo)強(qiáng)度同步獲取的鏈路頻偏和衰減可加速入網(wǎng)進(jìn)程，極大地提高了便攜站在應(yīng)急通信保障中的通信效能。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

張鵬宗（1984—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：衛(wèi)星通信、數(shù)字信號(hào)處理。