動中通衛(wèi)星識別跟蹤系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

章 彪，張峰干，高 策，胡豪杰

(火箭軍工程大學(xué)，西安 710025)

0 引言

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，在運(yùn)動中實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定地與衛(wèi)星交換數(shù)據(jù)變得越來越普遍。動中通即運(yùn)動中的衛(wèi)星通信，作為移動衛(wèi)星通信的一種，它不僅具有衛(wèi)星通信的優(yōu)勢特點(diǎn)，還具有靈活機(jī)動的特性。動中通系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵是其測控系統(tǒng)能夠使天線波束時(shí)刻準(zhǔn)確對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星，其原理為通過感知、測量元件獲得載體姿態(tài)信息和信號強(qiáng)度信息，經(jīng)一系列坐標(biāo)變換、姿態(tài)估計(jì)算法和跟蹤算法得到天線波束控制信息，驅(qū)動天線伺服機(jī)構(gòu)，控制方位、俯仰、極化電機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)整天線指向，使天線波束時(shí)刻指向目標(biāo)衛(wèi)星[1-5]。

衛(wèi)星識別跟蹤系統(tǒng)作為測控系統(tǒng)的子系統(tǒng)，是其正常工作的關(guān)鍵。目前衛(wèi)星識別跟蹤系統(tǒng)采用單一檢測源的設(shè)計(jì)思路，即信標(biāo)機(jī)檢測衛(wèi)星信標(biāo)信號或衛(wèi)星電視接收機(jī)檢測DVB-S2信號，采用單一檢測源的設(shè)計(jì)方案，當(dāng)目標(biāo)信號缺失或太弱時(shí)，檢測設(shè)備無法正常工作，通用性差。本文針對衛(wèi)星信標(biāo)信號頻帶窄、強(qiáng)度弱和衛(wèi)星電視信號頻帶寬、強(qiáng)度強(qiáng)的特點(diǎn)，根據(jù)動中通系統(tǒng)實(shí)際工作情況，設(shè)計(jì)一款雙源衛(wèi)星識別跟蹤系統(tǒng)，能夠同時(shí)利用衛(wèi)星信標(biāo)信號和衛(wèi)星電視信號，提高了動中通系統(tǒng)的通用性，降低了檢測設(shè)備的成本[6-8]。

1 衛(wèi)星檢測識別方案研究

當(dāng)前國內(nèi)外都在加快動中通相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，國外比較突出的有美國Sea Tel公司、以色列的RaySat公司、日本的NKH公司等；同時(shí)，國內(nèi)也涌現(xiàn)了很多動中通系統(tǒng)研發(fā)科研單位和企業(yè)，成功地打破了國外長期壟斷動中通系統(tǒng)的局面[9-14]。國內(nèi)外動中通系統(tǒng)設(shè)計(jì)廠商的衛(wèi)星識別跟蹤方案，都是利用單一信號源完成衛(wèi)星識別和衛(wèi)星跟蹤，通用性不足。國外動中通設(shè)計(jì)廠商主要利用DVB-S2信號完成衛(wèi)星的識別跟蹤[15-16]；國內(nèi)動中通普遍采用信標(biāo)機(jī)檢測信標(biāo)信號進(jìn)行對星[17-18]。

衛(wèi)星信標(biāo)信號具有強(qiáng)度弱、頻帶窄的特點(diǎn)，由于衛(wèi)星受太空攝動力影響、動中通系統(tǒng)本振不穩(wěn)以及動中通在運(yùn)動過程中受到多普勒效應(yīng)的影響等原因，要使系統(tǒng)時(shí)刻準(zhǔn)確鎖定信標(biāo)信號，對系統(tǒng)精度要求較高，目前市面上的動中通系統(tǒng)采用的信標(biāo)機(jī)成本動輒上萬，不利于低成本化；衛(wèi)星電視信號(DVB-S2)頻帶較寬，易于捕獲，其強(qiáng)度變化較敏感，通過檢測其強(qiáng)度的變化能夠指示動中通系統(tǒng)時(shí)刻對準(zhǔn)衛(wèi)星，完成跟蹤的功能。本文系統(tǒng)綜合利用信標(biāo)信號和衛(wèi)星電視信號完成衛(wèi)星的識別和跟蹤，當(dāng)某種信號缺失的情況下，系統(tǒng)能夠搜索另一種信號完成衛(wèi)星的識別和跟蹤，增加了系統(tǒng)的通用性；同時(shí)，系統(tǒng)敏感衛(wèi)星電視信號強(qiáng)度變化指示控制系統(tǒng)調(diào)整姿態(tài)，響應(yīng)速度快，跟蹤精度高。

1.1 信標(biāo)機(jī)檢測信標(biāo)信號

衛(wèi)星信標(biāo)信號是表征衛(wèi)星存在的一種特殊信號，通常用于衛(wèi)星地面測控站對衛(wèi)星的搜索、跟蹤和測控等，具有頻帶窄、強(qiáng)度弱的特點(diǎn)，從衛(wèi)星發(fā)射升空開始，信標(biāo)信號便連續(xù)不斷地工作到衛(wèi)星壽命的終結(jié)。每顆衛(wèi)星上一般有一個(gè)到數(shù)個(gè)信標(biāo)信號，通常每個(gè)波段的各個(gè)極化信號中各存在一個(gè)信標(biāo)信號，部分衛(wèi)星不同波段信標(biāo)的頻率如表1所示。通過在衛(wèi)星下行信號中是否檢測出特定頻率的信標(biāo)信號可以判斷移動通信系統(tǒng)是否對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星。

表1 部分衛(wèi)星信標(biāo)頻率表

1.2 一體化調(diào)諧器檢測衛(wèi)星電視信號

衛(wèi)星電視信號(DVB-S,DVB-S2)具有頻帶寬、強(qiáng)度大的特點(diǎn)，經(jīng)接收、調(diào)諧解調(diào)后輸出的數(shù)據(jù)流中除了音視頻內(nèi)容外，還加入了許多輔助數(shù)據(jù)信息。通過這些輔助數(shù)據(jù)信息，可以完成衛(wèi)星的識別。數(shù)據(jù)流是以包的格式傳送的，包頭標(biāo)識字節(jié)為0X47，數(shù)據(jù)流中的網(wǎng)絡(luò)信息表(NIT)提供有關(guān)物理網(wǎng)絡(luò)的信息，NIT攜帶了網(wǎng)絡(luò)識別符(Network_ID，NID)信息，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都有唯一的識別符，由于NIT中的NID具有唯一性，所以可以通過提取數(shù)據(jù)流中的NID來識別衛(wèi)星[19]。部分衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)識別符(NID)如表2所示。

表2 部分衛(wèi)星的NID

1.3 調(diào)制解調(diào)器檢測通信載波信號

當(dāng)前衛(wèi)星通信已普遍采用數(shù)字信號傳輸，數(shù)字通信載波有多種信道調(diào)制和信道編碼方式。不同的衛(wèi)星在通信時(shí)，調(diào)制方式、編碼方式、極化方式、符號率、卷積率往往不全相同。通過檢測衛(wèi)星通信載波信號特定的編解碼方式可以識別衛(wèi)星。

2 雙源衛(wèi)星檢測識別系統(tǒng)的檢測原理

動中通系統(tǒng)在工作過程中，會經(jīng)歷初始捕獲、跟蹤、陰影和再捕獲階段，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖1所示。本文綜合利用信標(biāo)信號窄頻帶、唯一性和衛(wèi)星電視信號寬頻帶、強(qiáng)度大的特點(diǎn)，提出一種窄帶識別衛(wèi)星、寬帶跟蹤衛(wèi)星的衛(wèi)星識別跟蹤方案。在動中通系統(tǒng)初始捕獲和再捕獲階段搜索目標(biāo)衛(wèi)星時(shí)，無法確定被檢信號是否為目標(biāo)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號，通過檢測是否收到信標(biāo)信號判斷動中通系統(tǒng)是否對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星。在跟蹤階段，載體姿態(tài)變化較小，動中通天線波束已經(jīng)對準(zhǔn)了目標(biāo)衛(wèi)星所在的大致空域，通過檢測衛(wèi)星電視信號的強(qiáng)度變化，根據(jù)信號強(qiáng)度最大值原則，微調(diào)天線指向，使天線波束時(shí)刻準(zhǔn)確對準(zhǔn)衛(wèi)星，保證通信鏈路的暢通。該方案不需要對衛(wèi)星電視信號解調(diào)解碼，僅利用衛(wèi)星電視信號的信號強(qiáng)度作為反饋信號指示測控系統(tǒng)調(diào)整天線波束，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，響應(yīng)速度快，容易實(shí)現(xiàn)。

圖1 工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖Fig.1 Working state transition diagram

2.1 信標(biāo)信號檢測原理

信標(biāo)信號是衛(wèi)星固有的信號，通常分布于衛(wèi)星下行頻帶的邊緣，帶寬約為50 kHz(常見于Ku波段信標(biāo))，對信標(biāo)信號的檢測通常是檢測其信號強(qiáng)度，檢測過程分為下變頻、低通濾波、AD采樣、頻偏校正、對數(shù)放大、信號強(qiáng)度檢測，圖2為衛(wèi)星信標(biāo)信號檢測原理圖。包含信標(biāo)信號的950～2150 MHz的第一中頻信號經(jīng)過下變頻輸出給低通濾波器，濾除高頻雜波后，經(jīng)過A/D變換，計(jì)算頻偏并糾正，最后輸出給對數(shù)放大器，得到與信號大小成正比的電壓值[20]。

圖2 信標(biāo)信號檢測原理圖Fig.2 Detection principle of beacon signal

2.2 DVB-S2信號強(qiáng)度檢測原理

所謂信號強(qiáng)度是指衛(wèi)星信號的包場大小。DVB-S2信號包含在衛(wèi)星的下行信號之中，檢測DVB-S2信號強(qiáng)度的方法有兩種:一種是軟件檢測，即將下變頻的信號AD采樣，做傅里葉變換，觀測其頻域的幅值;另一種是硬件檢測，即將下變頻后的信號直接發(fā)給AD8310對數(shù)放大器，直接得到與信號大小成正比的電壓值，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)通常采用后一種方法。圖3為DVB-S2信號強(qiáng)度檢測框圖。

圖3 DVB-S2信號強(qiáng)度檢測框圖Fig.3 DVB-S2 signal strength detection

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用雙源衛(wèi)星檢測識別系統(tǒng)的檢測原理，完成其軟硬件設(shè)計(jì)。

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

圖4為硬件電路原理框圖，主要在動中通系統(tǒng)初始捕獲和再捕獲階段完成信標(biāo)信號的檢測用于識別衛(wèi)星，在跟蹤階段完成衛(wèi)星電視信號強(qiáng)度的檢測用于跟蹤衛(wèi)星。

圖4 硬件電路原理框圖Fig.4 Principle of hardware circuit

高頻頭(LNB)將Ku波段信號第一次下變頻為950～2150 MHz射頻信號，該信號進(jìn)入調(diào)諧芯片完成二次下變頻變?yōu)榱阒蓄l的信號，輸出兩路信號。

I路信號經(jīng)過低通濾波器濾除高頻雜波得到信標(biāo)信號后進(jìn)入多路復(fù)用器，Q路信號直接進(jìn)入多路復(fù)用器，主控CPU通過輸出高低電平控制多路復(fù)用器選擇通路，通過I2C總線對調(diào)諧芯片進(jìn)行控制，設(shè)定調(diào)諧芯片的本振及增益，在初始捕獲和再捕獲階段，I路信號通，系統(tǒng)檢測出特定頻率的衛(wèi)星信標(biāo)信號用于衛(wèi)星識別，在跟蹤階段，Q路信號通，信號直接進(jìn)入對數(shù)放大器，最終輸出與衛(wèi)星電視信號幅度成正比的電壓值用于衛(wèi)星跟蹤。

主控CPU：STM32F407ZGT6，該芯片是基于CORTEX-M4內(nèi)核的，有3個(gè)I2C總線控制，多個(gè)DAC，ADC通道，主頻能達(dá)到168 MHz，本系統(tǒng)采用LQFP144引腳封裝。主控CPU用來控制和協(xié)調(diào)各模塊電路的工作。主要利用I2C總線完成對調(diào)諧芯片本振頻率的設(shè)定，輸出DAC信號完成對調(diào)諧芯片增益的設(shè)定，利用ADC采集信標(biāo)信號用于計(jì)算頻偏重設(shè)調(diào)諧芯片本振，輸出高低電平完成對低通濾波器截止頻率的設(shè)定和多路復(fù)用器通道的選擇，利用ADC完成信號強(qiáng)度的采集。

調(diào)諧芯片：LW1003P，該芯片為美國Maxim公司生產(chǎn)的完備的直接變頻調(diào)諧器，該芯片集成了低噪聲功率放大器、射頻可變增益放大器、可編程的7階巴特沃斯濾波器等，能夠提供大于80 dB的增益控制范圍。

低通濾波器：LTC6603，該芯片為美國凌力爾特公司生產(chǎn)的一款低通濾波器芯片，可編程帶寬25 kHz～2.5 MHz，內(nèi)含4階編程增益，可對選擇的信號進(jìn)行再放大，本系統(tǒng)中該芯片主要用來濾除高頻信號，通過窄帶的信標(biāo)信號用于衛(wèi)星識別。

對數(shù)放大器：AD8310，該芯片是一個(gè)高速電壓輸出、解調(diào)頻率范圍為DC～440 MHz的對數(shù)放大器，內(nèi)含6個(gè)串聯(lián)的放大器。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

雙源衛(wèi)星檢測識別系統(tǒng)的軟件主要包括：1) 系統(tǒng)初始化：對使用的主控芯片時(shí)鐘、端口、UART串口、DAC信號輸出進(jìn)行初始化，根據(jù)目標(biāo)衛(wèi)星的信標(biāo)信號頻率設(shè)置調(diào)諧芯片的本振；2) I2C總線：主控芯片通過I2C總線實(shí)時(shí)設(shè)定調(diào)諧芯片的本振和增益，讀取調(diào)諧芯片的工作狀態(tài)；3) 帶寬選擇：通過輸出高低電平控制低通濾波器的截止頻率；4) 通道選擇：根據(jù)實(shí)際工作狀態(tài)，主控CPU通過輸出高低電平完成I/Q通道的選擇；5) ADC采集：此處ADC采集低通濾波器后的信號，用FFT求頻偏，根據(jù)求取的頻偏，重設(shè)調(diào)諧芯片的本振；6) 信號強(qiáng)度檢測RSSI：將經(jīng)過對數(shù)放大器放大后的信號進(jìn)行ADC數(shù)據(jù)采集，與所設(shè)閾值比較，當(dāng)此信號大于所設(shè)定的閾值時(shí)即認(rèn)為對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星，同時(shí)，輸出此信號給測控系統(tǒng)用于微調(diào)天線的波束指向。軟件設(shè)計(jì)的整體流程如圖5所示。

圖5 軟件設(shè)計(jì)的整體流程圖Fig.5 Flow chart of the software design

4 系統(tǒng)測試

根據(jù)所設(shè)計(jì)的硬件電路，完成了PCB的樣機(jī)制作，按照系統(tǒng)工作的整體流程，編寫控制程序，通過USART串口將程序下載到主控芯片，將樣機(jī)連接動中通系統(tǒng)，并與電腦相連，通過上位機(jī)軟件記錄采集到的信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)選取鑫諾五號為目標(biāo)衛(wèi)星(水平極化信標(biāo)頻率為12 745 MHz，垂直極化信標(biāo)頻率為12 741 MHz)，動中通系統(tǒng)搜索目標(biāo)衛(wèi)星過程中，實(shí)時(shí)采集檢測到的信號強(qiáng)度，繪制信號強(qiáng)度變化曲線。

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路板能否正常工作，將動中通系統(tǒng)的天線進(jìn)行遮擋實(shí)驗(yàn)，觀察采集到的信號強(qiáng)度是否發(fā)生變化，此時(shí)系統(tǒng)工作于跟蹤模式，檢測衛(wèi)星電視信號強(qiáng)度，圖6分別是在無遮擋、部分遮擋以及完全遮擋條件下采集到的信號強(qiáng)度變化。

圖6 遮擋測試Fig.6 Sheltering test

由圖6可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)系統(tǒng)無遮擋時(shí)，檢測到的衛(wèi)星信號強(qiáng)度較大，且基本保持恒定；當(dāng)天線被部分遮擋時(shí)，信號強(qiáng)度波動變化；當(dāng)遮擋移去后，信號強(qiáng)度又恢復(fù)到之前的較大值；當(dāng)動中通被完全遮擋時(shí)，信號強(qiáng)度曲線迅速下降，說明系統(tǒng)對衛(wèi)星信號強(qiáng)度變化敏感。該系統(tǒng)能夠用于檢測衛(wèi)星信號強(qiáng)度的變化，輸出信號強(qiáng)度指示給識別跟蹤系統(tǒng)的下級子系統(tǒng)。

圖7是系統(tǒng)檢測信標(biāo)識別衛(wèi)星的過程，即信標(biāo)信號強(qiáng)度的變化圖。

圖7中的幾個(gè)峰值變化是動中通根據(jù)系統(tǒng)的程序設(shè)定完成搜索衛(wèi)星并鎖定的過程，第1個(gè)峰值是動中通設(shè)備搜索到目標(biāo)衛(wèi)星；第2，3，4個(gè)波峰代表動中通設(shè)備調(diào)整天線方位角，使天線在方位上對準(zhǔn)信號強(qiáng)度最大的方向，即在方位上對準(zhǔn)衛(wèi)星；第5個(gè)波峰是動中通設(shè)備調(diào)整天線俯仰使天線在俯仰上對準(zhǔn)衛(wèi)星，信號強(qiáng)度值趨于穩(wěn)定，最終系統(tǒng)鎖定目標(biāo)衛(wèi)星。

5 結(jié)束語

本文研究了目前動中通識別跟蹤系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，根據(jù)動中通系統(tǒng)實(shí)際工作場景，提出了雙源衛(wèi)星識別跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，利用信標(biāo)信號頻帶窄、強(qiáng)度弱，而衛(wèi)星電視信號頻帶寬、強(qiáng)度強(qiáng)的特點(diǎn)，用衛(wèi)星信標(biāo)信號識別衛(wèi)星，用衛(wèi)星電視信號跟蹤衛(wèi)星，完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)功能測試，解決了當(dāng)前動中通衛(wèi)星信號識別跟蹤系統(tǒng)通用性差、設(shè)計(jì)復(fù)雜的問題。該方案設(shè)計(jì)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，可快速響應(yīng)衛(wèi)星信號強(qiáng)度的變化，指示測控系統(tǒng)調(diào)整天線波束指向，能夠保證通信鏈路實(shí)時(shí)暢通。