一種衛(wèi)星直擴跳頻測控系統(tǒng)自動化測試方法

劉曉敏 閆金棟 劉鶴

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

直接序列擴頻/跳頻(direct sequence spread spectrum/frequency hopping，DS/FH)混合擴頻體制以其保密性強、抗干擾能力強和抗截獲能力強等顯著特點，在衛(wèi)星測控領域得到越來越廣泛的應用[1-2]。DS/FH測控信號具有載波跳變、多普勒頻率跳變、載波初始相位不連續(xù)等特點，信號捕獲同步方式與常規(guī)測控系統(tǒng)有很大不同[3-4]；同時，航天測控系統(tǒng)中收發(fā)信機之間存在高動態(tài)以及較大的通信時延，且信號捕獲受到空間衰落、電離層色散及各種干擾的影響均比單一擴頻信號復雜。由于這些特殊問題的存在，其地面測試方法和測試系統(tǒng)的設計也較常規(guī)測控系統(tǒng)復雜，難度大大增加。

目前，國外的軍用DS/FH技術(shù)主要應用于全球定位系統(tǒng)(GPS)和保密通信、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)(JTIDS)等多種系統(tǒng)中，但因領域的特殊性，有關(guān)其測試的相關(guān)公開性資料目前沒有查詢到，所以對其測試方法和細節(jié)無法了解。而國內(nèi)DS/FH體制在航天測控領域正處于初始應用階段，關(guān)于衛(wèi)星DS/FH測控系統(tǒng)綜合性能的評價與測試，還沒有一個通用的測試平臺，也沒有準確、統(tǒng)一的測試方法。

本文針對衛(wèi)星DS/FH測控系統(tǒng)工作特點和測試技術(shù)難點，提出了一種衛(wèi)星DS/FH測控系統(tǒng)自動化測試方法，并設計了通用的自動化測試系統(tǒng)，解決了衛(wèi)星DS/FH測控系統(tǒng)捕獲性能、動態(tài)性能及抗干擾性能測試的難題，并大幅提升了測試效率。

1 測試方法設計

DS/FH測控系統(tǒng)在帶來優(yōu)良性能的同時，也導致其系統(tǒng)測試復雜化，主要表現(xiàn)在：

(1)DS/FH測控系統(tǒng)同步方式與傳統(tǒng)的直接搜索同步方式不同，它一般需要借助時間作為輔助信息完成同步；同時，DS/FH測控系統(tǒng)星地傳輸距離遠、時間不確定度范圍大。如何根據(jù)衛(wèi)星同步策略，并模擬星地時間偏差全面考核系統(tǒng)的捕獲性能是地面測試的難點之一。

(2)由于DS/FH信號載波頻率持續(xù)跳變，其信號捕獲、跟蹤受到多普勒、空間衰落及電離層影響均比單一擴頻信號復雜；地面測試時須模擬在星地之間射頻鏈路中的主要傳輸現(xiàn)象，包括空間信道傳輸時延、空間信道衰減、射頻多普勒頻率、信噪比、電離層色散等特性的模擬，為地面測試提供真實飛行引起的信號多普勒和時間延遲變化。

(3)DS/FH測控系統(tǒng)面臨的干擾形式復雜，包括單頻干擾、窄帶干擾、寬帶干擾、脈沖干擾及轉(zhuǎn)發(fā)干擾等多種強干擾信號，干信比一般可達100 dB以上[5-6]，地面測試需模擬產(chǎn)生各類不同形式的強干擾信號。

因此，地面測試時需要充分考慮以上工作特點和測試難點，全面考核DS/FH測控系統(tǒng)的綜合性能。本文設計的方法將上述分析的星地時間不確定度、動態(tài)、空間衰落、電離層色散及干擾作為測試條件，在不同測試條件下考核DS/FH測控系統(tǒng)的捕獲性能、測量性能及傳輸性能，具體技術(shù)指標包括捕獲時間、捕獲概率、測距精度和準確度、測速精度和準確度、遙測誤碼率和遙控誤指令率等，測試原理如圖1所示。

圖1 DS/FH測控系統(tǒng)測試原理圖

作為一個復雜的測控系統(tǒng)，其各項技術(shù)指標是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的。因此，衡量測控系統(tǒng)能夠正常工作的基本條件是需要同時滿足各項最低性能指標，當其中某一項指標超出范圍時，則認為系統(tǒng)不滿足性能指標要求。測試時，地面疊加不同的測試條件，在系統(tǒng)的最低性能指標全部滿足要求的前提下，綜合考核DS/FH測控系統(tǒng)的捕獲性能、動態(tài)性能及抗干擾性能。

捕獲性能測試時，地面模擬星地時間不確定度、多普勒變化、上行功率變化及電離層電子濃度，調(diào)整各測試條件參數(shù)范圍，進行捕獲時間、捕獲概率測試。最終測試得到滿足捕獲時間、捕獲概率技術(shù)指標要求的最大星地時間不確定度，最大多普勒范圍、多普勒變化率、最大電離層電子濃度即為系統(tǒng)的動態(tài)性能，最小功率電平則為系統(tǒng)的捕獲門限。

抗干擾性能測試時，地面模擬產(chǎn)生寬帶、窄帶、脈沖、轉(zhuǎn)發(fā)等干擾，同時模擬星地時間不確定度、多普勒變化、上行功率變化及電離層電子濃度，調(diào)整干擾類型、干信比及各測試條件參數(shù)范圍，在系統(tǒng)捕獲時間、捕獲概率、測距、測速、遙控誤指令率、遙測誤碼率均滿足指標要求時的最大信干比即為系統(tǒng)的抗干擾能力(即干擾抑制度)，最小功率電平則為系統(tǒng)的抗干擾門限。

2 測試系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)總體設計

根據(jù)以上設計的測試方法，同時以提升設備通用性、降低成本、提高測試效率為目標，設計了一種基于軟件無線電和通用儀器的自動化測試系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)以DS/FH基帶設備為核心，完成DS/FH測控信號的調(diào)制、解調(diào)、捕獲、跟蹤和測距、測速等各種功能，并完成星地時間不確定度模擬。采用寬帶信道模擬器和寬帶綜合干擾源用于搭建星地測控鏈路模擬測試環(huán)境，模擬鏈路傳輸時延、功率衰減、多普勒變化、電離層色散及干擾等動態(tài)信息。改變信道模擬器和綜合干擾源的參數(shù)設置，使測控信號疊加時延、多普勒、干擾等動態(tài)信息，這樣等效于衛(wèi)星相對地面站運動和各種空間干擾，完成信號動態(tài)性能測試和抗干擾測試。同時，為滿足大規(guī)模的自動化快速測試需求，利用射頻開關(guān)矩陣來實現(xiàn)地面測試系統(tǒng)各種工作模式的自動切換,并采用快速可重構(gòu)的自動化測試軟件實現(xiàn)所有功能和性能指標的自動化測試。

注：RF為射頻。圖2 DS/FH自動化測試系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of DS/FH automated test system

另外，程控衰減器用于上、下行射頻信號和干擾信號的功率衰減和控制，以滿足上、下行鏈路動態(tài)范圍和干信比要求；時頻單元主要用于提供內(nèi)部時間碼(IRIG-B碼)和10 MHz頻率源，為系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時間信號和頻率參考；校零轉(zhuǎn)發(fā)器用于完成測試前的系統(tǒng)自檢和距離零值自校；中心監(jiān)控計算機則通過網(wǎng)絡完成對系統(tǒng)各單機的遠程自動化監(jiān)視、控制和管理，并與自動化測試軟件通信，支持系統(tǒng)的自動化測試。

2.2 核心設備設計

2.2.1 DS/FH基帶設備

DS/FH基帶設備采用先進的軟件無線電技術(shù)，集射頻信號收發(fā)、DS/FH偽碼產(chǎn)生、中頻接收、上行調(diào)制、測距、測速、測時差、遙測、遙控和小環(huán)接收比對等多種功能于一體，通過配置大規(guī)?，F(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)電路和高速數(shù)字信號處理器(DSP)的程序設計，并與應用軟件相配合，實現(xiàn)DS/FH信號的遙測、遙控、測距、測速等各種功能。

設備采用緊湊型外設部件互連標準(CPCI)總線式架構(gòu)，完成上行信號發(fā)送和下行信號接收處理功能，上、下行射頻信號均由變頻板完成射頻與中頻之間的轉(zhuǎn)換，上行信號中頻調(diào)制器主要包含上行傳輸幀組幀及信道編碼單元、直擴調(diào)制單元和跳擴調(diào)制單元等；下行信號中頻接收機主要包含干擾抑制、捕獲單元、跟蹤單元、測量計算單元、下行信道譯碼單元和數(shù)據(jù)同步分發(fā)單元等組成，其原理組成如圖3所示。

圖3 DS/FH基帶設備工作原理圖Fig.3 Working principle of DS/FH baseband device

為獲得DS/FH測量性能及抗干擾性能，DS/FH體制采用復合長周期序列和無周期特性的混沌碼，傳統(tǒng)的直接搜索同步方式難以建立鏈路同步，因此，采用擴跳短碼引導擴跳長碼方式實現(xiàn)DS/FH信號的快速捕獲，即利用擴跳短碼攜帶時間信息作為同步輔助信息，利用星地時間同步實現(xiàn)星地擴跳長碼信號的快速同步。同時，為測試DS/FH測控系統(tǒng)星地時間不確定度指標，DS/FH基帶設備設計了上注時間偏移功能，通過將地面長碼與短碼注入時間設置固定偏移量，滿足星地時間偏移設置要求，DS/FH基帶設備具體上行數(shù)據(jù)與偽碼直擴調(diào)制流程如圖4所示。

圖4 上行數(shù)據(jù)與偽碼直擴調(diào)制流程Fig.4 Modulation process of uplink data and pseudo-code

由圖4可知，在偽碼支路，由于設備內(nèi)部取碼模塊從碼服務器中取碼有一定的延時，所以發(fā)送給碼服務器的“取碼指令”中的取碼時間統(tǒng)一設計為：T1+t，碼服務器據(jù)此產(chǎn)生的偽碼對應的時間為T1+t，且程序設置為在T=T1+t時刻驅(qū)動偽碼碼鐘，獲取直擴長碼。故在T=T1+t時刻，輸出的直擴長碼與當前時刻是對應的。在數(shù)據(jù)支路，在T=T1+t時刻，將當前時間T與上注時間偏移量τ相加得到上注時間，將其填充到數(shù)據(jù)幀中得到上行數(shù)據(jù)幀。故在T=T1+t時刻，上行數(shù)據(jù)幀中上注時間字段填充的內(nèi)容為T1+t+τ。所以，上行長碼對應的時刻為T時，上行數(shù)據(jù)幀中的注入時間為T+τ，當τ=0時，兩者是嚴格對齊的。

2.2.2 寬帶信道模擬器

關(guān)于衛(wèi)星信道模擬器，目前國外已有少數(shù)商用產(chǎn)品，國內(nèi)的一些科研機構(gòu)也對此進行了相關(guān)研究，但這些信道模擬器帶寬較窄，適用頻帶范圍小，無法對寬帶的DS/FH測控系統(tǒng)進行模擬，且模擬器組成復雜，成本較高[7]。本文設計的寬帶信道模擬器采用軟件無線電架構(gòu)實現(xiàn)，使得模擬器功能更加靈活，可以根據(jù)工作頻率、有效全向輻射功率(EIRP)、航天器的軌道或按預先設定曲線，模擬空間傳輸中各種變化信息，包括距離、多普勒、電平、信噪比和電離層色散等變化情況；航天器軌道數(shù)據(jù)采用彈道格式，可以通過網(wǎng)絡接口遠程注入軌道數(shù)據(jù)，或通過文件方式導入。

設備采用標準CPCI總線式架構(gòu)，所有硬件板卡均通過CPCI總線互聯(lián)，包括一塊高性能頻率基準及上下變頻一體板、一塊中頻信道板、一塊高精度寬帶信道模擬平臺、一塊時碼轉(zhuǎn)接板、一塊計算機主板和一塊計算機后I/O傳輸板，如圖5所示。

信道模擬器按照功能劃分主要由變頻單元、中頻信道單元、基帶信號處理單元、數(shù)據(jù)存儲單元和接口單元組成，如圖6所示。變頻單元完成中頻與射頻之間的頻率轉(zhuǎn)換；中頻信道單元主要完成中頻信號濾波和增益控制；基帶信號處理單元完成信號的模數(shù)采樣、距離延遲、多普勒頻移、噪聲調(diào)制、幅度均衡及數(shù)模變換和信息交互；數(shù)據(jù)存儲單元完成對前端接口模塊采集的高速數(shù)據(jù)流的實時存儲功能，采用大規(guī)模第三代雙倍數(shù)據(jù)率同步動態(tài)隨機存取存儲器(DDR3)模組實現(xiàn)，具有高帶寬、高容量、實時存儲等特點，能夠完成系統(tǒng)所需的時延模擬要求；接口單元完成與上位機軟件的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)各功能模塊參數(shù)設置和狀態(tài)監(jiān)視。

圖5 寬帶信道模擬器硬件組成原理圖Fig.5 Hardware components of broadband channel simulator

圖6 信道模擬器功能組成圖Fig.6 Composition of broadband channel simulator

2.2.3 干擾信號生成

本系統(tǒng)采用商業(yè)化的通用儀器寬帶干擾信號源(如美國Keysight公司的N5172B-506等)實現(xiàn)輸出單頻、窄帶、寬帶及脈沖干擾等多種場景的干擾形式。寬帶綜合干擾源可通過中心監(jiān)控計算機的系統(tǒng)監(jiān)控軟件進行遠程控制，生成任意要求的干擾信號，滿足測試需求的變更和擴展。干擾信號直接射頻輸出給衛(wèi)星DS/FH測控系統(tǒng)，最高干信比滿足100 dB以上要求。

轉(zhuǎn)發(fā)干擾主要通過DS/FH基帶設備產(chǎn)生，通過將上行射頻信號增加固定時延，可輸出一路轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號，信號和轉(zhuǎn)發(fā)干擾通過各自通道的衰減器進行功率控制，滿足抗轉(zhuǎn)發(fā)干擾測試需求。

2.3 自動化測試軟件設計

自動化測試軟件與系統(tǒng)中心監(jiān)控計算機通信，通過中心監(jiān)控計算機對系統(tǒng)各單機進行程控，完成自動化功能和性能測試、數(shù)據(jù)處理和事后分析。

本系統(tǒng)的自動化測試軟件克服了傳統(tǒng)測試軟件通用化不足的弊端[8]，采用可擴展和快速可重構(gòu)的思想，實現(xiàn)測試執(zhí)行環(huán)境與測試用例設計環(huán)境的分離，所有測試設備的接口通訊功能進行通用化封裝，提煉出測試設備的控制命令表和狀態(tài)參數(shù)表，形成測試插件庫，測試人員根據(jù)具體測試任務和測試要求調(diào)用測試插件即可自主開發(fā)各性能指標的測試用例，隨時適應變化的測試需求。自動化測試軟件工作原理如圖7所示。其中，測試用例設計環(huán)境主要完成測試設備的管理和調(diào)配、測試項目和測試用例的設計和管理，測試人員根據(jù)不同項目的測試需求通過拖放插件節(jié)點的方式即可任意組裝測試序列，并形成測試序列庫，完成測試用例的統(tǒng)一管理。測試用例執(zhí)行環(huán)境完成測試計劃的管理、測試用例的執(zhí)行、測試數(shù)據(jù)分析、管理、入庫及測試報告生成。測試資源庫則對系統(tǒng)內(nèi)的測試資源進行統(tǒng)一管理，對資源的標識、類型、型號、驅(qū)動程序版本等屬性進行修改和維護。

圖7 自動化測試軟件工作原理圖Fig.7 Working principle of automated test software

3 測試驗證與分析

DS/FH測控系統(tǒng)地面測試時，通過自動化測試軟件控制DS/FH基帶設備、寬帶信道模擬器、寬帶綜合干擾源等設備完成星地時間不確定度、多普勒、信號功率、電離層電子濃度及干擾等各測試條件的參數(shù)設置，即可完成任意不同測試條件組合下的捕獲、抗干擾等性能測試。

以抗干擾性能測試為例介紹測試系統(tǒng)工作流程及自動化用例執(zhí)行流程，如圖8所示。測試時，首先進行初始參數(shù)配置，具體包括衛(wèi)星型號、測試階段、參數(shù)代號、參數(shù)賦值等；對測試設備進行初始化；然后通過控制各設備參數(shù)改變，完成不同測試條件下的抗干擾能力測試；待測試完畢后將測試數(shù)據(jù)入庫，并輸出測試報告；最后復位地面設備。當測試需求變化時，測試用例可根據(jù)測試條件變化改變相應設備參數(shù)，實現(xiàn)測試用例的可擴展和快速重構(gòu)，而無須重新設計測試用例。

該DS/FH自動化測試方法已經(jīng)過某衛(wèi)星整星各階段測試驗證。經(jīng)驗證，該測試方法實際驗證的技術(shù)指標覆蓋了衛(wèi)星DS/FH測控系統(tǒng)基本性能檢查的所有技術(shù)指標，測試方法和測試系統(tǒng)設計滿足測試要求。實際驗證結(jié)果如表1所示。

同時，該自動化測試方法在通用性、可重構(gòu)性及提升測試效率方面具有明顯的優(yōu)勢，見表2。利用該方法，測試設計和數(shù)據(jù)處理時間大大減少，測試實施時間縮短40%，大幅提升了測試效率。

數(shù)字混頻器包括數(shù)字乘法器和NCO。NCO產(chǎn)生目標頻率的正交正余弦本振信號,將此正余弦信號和AD采樣后的中頻信號相乘達到混頻的目的,將中頻信號搬移到零頻?？梢酝ㄟ^查找表法和坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算法(CORDIC)實現(xiàn)數(shù)控振蕩器。由于基于ROM查找表法會消耗一部分存儲資源,而利用CORDIC矢量旋轉(zhuǎn)迭代的方法,通過移位和迭代運算產(chǎn)生一組嚴格正交、穩(wěn)定、頻率可控的正余弦信號,很好的解決了查找表法消耗存儲器資源的問題。圖8為基于坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算法的數(shù)字混頻器FPGA實現(xiàn)結(jié)構(gòu),包括頻率控制單元、相位累加器單元以及CORDIC流水線型電路。

注：N為干擾，S為信號。圖8 抗干擾測試流程圖Fig.8 Testing flow of anti-jamming performance

DS/FH測控系統(tǒng)基本性能實際測試驗證技術(shù)指標測試系統(tǒng)技術(shù)指標驗證結(jié)果捕獲性能捕獲時間具備捕獲時間統(tǒng)計功能滿足測試要求捕獲概率具備捕獲概率統(tǒng)計功能滿足測試要求捕獲門限/dBm最小輸出功率-130滿足測試要求動態(tài)性能星地時間不確定度/ms±30滿足測試要求多普勒頻率范圍/kHz±70滿足測試要求多普勒變化率/(kHz/s)±3滿足測試要求電離層電子濃度0～1000TEC滿足測試要求抗干擾性能干擾類型寬帶、窄帶、脈沖、轉(zhuǎn)發(fā)干擾滿足測試要求干擾門限/dBm最小輸出功率-130滿足測試要求干擾抑制度(干信比)/dB>100滿足測試要求測量性能測距精度/m≤1滿足測試要求測速精度/(cm/s)≤1滿足測試要求傳輸性能遙控誤指令率具備誤指令率統(tǒng)計功能滿足測試要求遙測誤碼率具備誤碼率統(tǒng)計功能滿足測試要求

表2 驗證結(jié)果比對

4 結(jié)束語

本文提出了一種衛(wèi)星DS/FH測控系統(tǒng)自動化測試方法，并設計了一種基于軟件無線電和通用儀器的通用自動化測試系統(tǒng)。采用DS/FH基帶設備完成DS/FH信號的調(diào)制、解調(diào)、捕獲、跟蹤和測距、測速功能；寬帶信道模擬器、寬帶綜合干擾源用于搭建天地測控鏈路模擬測試環(huán)境，模擬鏈路傳輸時延、功率衰減、多普勒變化、電離層色散及干擾等動態(tài)信息；并采用可重構(gòu)的自動化測試軟件實現(xiàn)快速自動化測試；該測試方法可全面、靈活地考核DS/FH測控系統(tǒng)的綜合性能，解決了衛(wèi)星DS/FH測控系統(tǒng)捕獲性能、動態(tài)性能及抗干擾性能測試的難題，測試方法通用性好，可重構(gòu)能力強、測試效率大幅提升，具有未來推廣應用前景。

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