衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)出入站信號(hào)與信息切換控制設(shè)計(jì)

北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心 李洪力 劉 冰 張 婷 楊 華

引言：本文針對(duì)某衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)壽命末期空間衛(wèi)星和地面設(shè)備超壽運(yùn)行，故障發(fā)生率增高，故障維修時(shí)間長(zhǎng)等問題，提出了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)出入站信號(hào)與信息整體快速切換、多選組合控制的總體設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了出入站信號(hào)與信息切換控制系統(tǒng)，通過采用高性能多通道信號(hào)開關(guān)矩陣快速切換技術(shù)和多路出站信息快速同步切換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)出入站信號(hào)與信息的冗余備份和切換控制，提高了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。

1.前言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供全天候、全天時(shí)、高精度的導(dǎo)航定位服務(wù)，在國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要作用。使用GEO衛(wèi)星組網(wǎng)的某衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在壽命末期，出現(xiàn)空間段衛(wèi)星超壽命運(yùn)行，整星故障概率大大增加，一旦出現(xiàn)整星故障，容易造成系統(tǒng)服務(wù)的長(zhǎng)時(shí)間中斷。同時(shí)地面設(shè)備也面臨老化嚴(yán)重、故障發(fā)生率增高等問題，其中信號(hào)收發(fā)分系統(tǒng)的地面天線為大型機(jī)械設(shè)備，一旦發(fā)生故障，維修時(shí)間較長(zhǎng)；信息處理分系統(tǒng)的軟硬件設(shè)備一些型號(hào)已經(jīng)停產(chǎn)，故障維修也非常不便。

針對(duì)上述問題，該衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已構(gòu)建了一套備份地面天線和一套備份信息處理分系統(tǒng)作為備份設(shè)備。但是，備份地面天線接入系統(tǒng)使用，需對(duì)出入站信號(hào)電纜進(jìn)行重新配置連接，涉及到信號(hào)電平的調(diào)整及不同鏈路設(shè)備組合時(shí)延的修改，操作過程復(fù)雜且用時(shí)較長(zhǎng)；備份信息處理分系統(tǒng)接入系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)出站信息的選擇輸出，需要對(duì)出站信息電纜進(jìn)行物理中斷，操作風(fēng)險(xiǎn)大且用時(shí)較長(zhǎng)。

為實(shí)現(xiàn)出入站信號(hào)及信息快速準(zhǔn)確的切換，本文提出了出入站信號(hào)與信息整體快速切換、多選組合控制的總體設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了出入站信號(hào)與信息切換控制系統(tǒng)，通過采用高性能多通道信號(hào)開關(guān)矩陣快速切換技術(shù)和多路出站信息快速同步切換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)出入站信號(hào)與信息的冗余備份和切換控制，提高了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。

2.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)計(jì)思路

2.1.1 信號(hào)選擇切換設(shè)備設(shè)計(jì)思路

1）設(shè)備實(shí)現(xiàn)方式的選擇

由于系統(tǒng)要求出、入站信號(hào)選擇切換設(shè)備對(duì)整顆衛(wèi)星的2個(gè)發(fā)射中頻信號(hào)和2個(gè)接收中頻信號(hào)進(jìn)行同時(shí)切換，其設(shè)備實(shí)現(xiàn)方式可分為兩種：集中式和分散式。集中式指所有切換設(shè)備放到一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，通過機(jī)箱本地監(jiān)控或遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制設(shè)備同時(shí)切換，分散式指根據(jù)設(shè)備功能不同將其做成不同機(jī)箱，通過監(jiān)控程序?qū)崿F(xiàn)不同信號(hào)的同時(shí)切換。集中式的優(yōu)點(diǎn)是不借助外部計(jì)算機(jī)，直接通過機(jī)箱前面板即可實(shí)現(xiàn)所有信號(hào)的同時(shí)切換，缺點(diǎn)是機(jī)箱內(nèi)設(shè)備量大，其可靠性、電性能、可維修性均較差；分散式的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)箱內(nèi)設(shè)備量小，可靠性和可維修性高，研制難度較低，缺點(diǎn)是必須通過外部計(jì)算機(jī)才能實(shí)現(xiàn)所有信號(hào)同時(shí)切換。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)可靠性要求較高的實(shí)際情況，采用分散式設(shè)備實(shí)現(xiàn)方案。

2）信號(hào)切換方案的選擇

對(duì)于中頻窄帶信號(hào)的切換來說，主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式：微波同軸機(jī)電開關(guān)和電子開關(guān)。在信號(hào)工作頻率不高、功率較低、帶寬較窄、設(shè)備工作環(huán)境條件很好的條件下，兩種方案的電性能（穩(wěn)定性、插損、隔離度、駐波等方面）沒有明顯差異，但考慮到高可靠性、長(zhǎng)壽命、可重復(fù)性等系統(tǒng)需求，采用電子開關(guān)的方案來實(shí)現(xiàn)。

2.1.2 信息選擇切換設(shè)備設(shè)計(jì)思路

1）設(shè)備實(shí)現(xiàn)方式的選擇

根據(jù)系統(tǒng)要求，信息切換的主要任務(wù)是對(duì)信息處理分系統(tǒng)和備份信息處理分系統(tǒng)送來的信息進(jìn)行切換，其設(shè)備實(shí)現(xiàn)方式同樣可分為兩種：集中式和分散式。集中式是指使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)插箱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)信息切換的所有功能，分散式是指根據(jù)功能不同將其做成多個(gè)機(jī)箱。集中式的結(jié)構(gòu)緊促，可通過機(jī)箱前面板的監(jiān)控實(shí)現(xiàn)本地切換，但是由此帶來的可靠性問題將十分突出。由于信息選擇設(shè)備是串入到系統(tǒng)中的，所有信息出入均要經(jīng)過本設(shè)備，如果該設(shè)備出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，而這一點(diǎn)是必須要避免的。分散式的設(shè)備量大，但是每個(gè)設(shè)備的功能單一。根據(jù)系統(tǒng)要求可將信息切換設(shè)備分成兩種標(biāo)準(zhǔn)模塊（機(jī)箱）：信息分配器和信息切換器，信息分配器主要功能是對(duì)備份信號(hào)處理單元輸出的6路信息進(jìn)行一分二；信息切換器主要功能是對(duì)主信息和備份信息進(jìn)行選擇輸出。雖然分散式方案設(shè)備量有所增加，但是帶來的好處是顯而易見的，如果使用單一機(jī)箱來完成系統(tǒng)要求，那么設(shè)備出現(xiàn)故障，必然導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運(yùn)行；而現(xiàn)在使用多個(gè)機(jī)箱來實(shí)現(xiàn)，能夠保證在單一機(jī)箱出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)仍然能夠正常工作。鑒于上述分析，采用分散式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

2）信息切換方案的選擇

根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)目的是將輸入信息進(jìn)行選擇輸出，根據(jù)此要求可有多種實(shí)現(xiàn)方案。設(shè)備可由單片機(jī)+繼電器來實(shí)現(xiàn)，或者可由單片機(jī)+FPGA實(shí)現(xiàn)，還可以用單片機(jī)+數(shù)字開關(guān)來實(shí)現(xiàn)等等。

系統(tǒng)對(duì)信息切換選擇設(shè)備的主要性能指標(biāo)是傳輸時(shí)延、切換時(shí)間和信號(hào)電平幅度等。同時(shí)，針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備長(zhǎng)年累月在線工作的實(shí)際情況，對(duì)可靠性的要求非常高。

幾種可能的實(shí)現(xiàn)方案之間的特點(diǎn)分析如表1所示，綜合比較各實(shí)現(xiàn)方案的性能，方案“單片機(jī)＋FPGA”是最佳方案，也是選定的實(shí)現(xiàn)方案。

表1 信息切換實(shí)現(xiàn)方案的性能比對(duì)

2.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

出入站信號(hào)與信息切換控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)出入站中頻信號(hào)和信息的切換，在整個(gè)系統(tǒng)中的切換控制關(guān)系如圖1所示。

圖1 出入站信號(hào)與信息切換控制系統(tǒng)原理圖

出入站信號(hào)與信息切換控制系統(tǒng)由出入站信號(hào)切換控制設(shè)備、信息切換控制設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備三大部分組成。其中出入站信號(hào)切換控制設(shè)備包括2套入站信號(hào)切換器和2套出站信號(hào)切換器，信息切換控制設(shè)備包括信息分路器和2套信息切換器，監(jiān)控設(shè)備包括本地控制計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)卡、N-PORT和交換機(jī)等。出入站信號(hào)與信息切換控制系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 出入站信號(hào)與信息切換控制系統(tǒng)設(shè)備組成圖

出入站信號(hào)選擇切換設(shè)備采用分散式、模塊化方案，各信號(hào)切換器的動(dòng)作由監(jiān)控軟件來統(tǒng)一控制，入站信號(hào)切換器（I頻點(diǎn)）能實(shí)現(xiàn)所有衛(wèi)星一頻點(diǎn)的入站信號(hào)切換，入站信號(hào)切換器（II頻點(diǎn)）能實(shí)現(xiàn)所有衛(wèi)星二頻點(diǎn)的入站信號(hào)切換，出站信號(hào)切換器（I頻點(diǎn)）能實(shí)現(xiàn)所有衛(wèi)星一頻點(diǎn)的出站信號(hào)切換，出站信號(hào)切換器（II頻點(diǎn)）能實(shí)現(xiàn)所有衛(wèi)星二頻點(diǎn)的出站信號(hào)切換，出入站信號(hào)輸入輸出關(guān)系圖如圖3所示。

圖3 出入站信號(hào)切換選擇設(shè)備信號(hào)輸入輸出關(guān)系圖

根據(jù)系統(tǒng)要求，信息切換選擇設(shè)備輸入12路信息處理分系統(tǒng)輸出的信息（分為6路主信息、6路備信息），6路備份信息處理分系統(tǒng)輸出的信息，輸出12路信息至信號(hào)收發(fā)分系統(tǒng)（分為6路主信息、6路備信息）。信息切換選擇設(shè)備先要將6路備份信息處理分系統(tǒng)輸出的信息進(jìn)行一分二，產(chǎn)生6路主信息、6路備信息。原6路主信息將與新6路主信息進(jìn)行二選一輸出，原6路備信息則與新6路備信息進(jìn)行二選一輸出，這樣就能夠產(chǎn)生系統(tǒng)所需的12路輸出信息（包括6路主信息、6路備信息）。信息切換選擇設(shè)備信息輸入輸出關(guān)系圖如圖4所示。

圖4 信息切換選擇設(shè)備信息輸入輸出關(guān)系圖

2.3 系統(tǒng)單機(jī)設(shè)備方案設(shè)計(jì)

2.3.1 入站信號(hào)切換器設(shè)計(jì)

入站信號(hào)切換器由電源模塊（1：1備份）、4×3矩陣開關(guān)、監(jiān)控板、液晶顯示及鍵盤等部分組成。電源模塊負(fù)責(zé)提供設(shè)備內(nèi)部各模塊的工作電源。4×3矩陣開關(guān)是該分機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，實(shí)現(xiàn)入站中頻信號(hào)的備份切換。監(jiān)控單元、液晶顯示及鍵盤負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行顯示和控制等。

入站信號(hào)切換器原理框圖如圖5所示。

圖5 入站信號(hào)切換器原理框圖

2.3.2 出站信號(hào)切換器設(shè)計(jì)

出站信號(hào)切換器與入站信號(hào)切換器的組成及原理相同，僅信號(hào)切換路徑不同，由電源模塊、3×4矩陣開關(guān)、監(jiān)控板、液晶顯示及鍵盤等部分組成。電源模塊負(fù)責(zé)提供設(shè)備內(nèi)部各模塊的工作電源。3×4矩陣開關(guān)是該分機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，實(shí)現(xiàn)出站中頻信號(hào)的備份切換。監(jiān)控單元、液晶顯示及鍵盤負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行顯示和控制等。

出站信號(hào)切換器原理框圖如下圖6所示。

圖6 出站信號(hào)切換器原理框圖

2.3.3 出站信息分配器設(shè)計(jì)

出站信息分配器是出站信息切換選擇設(shè)備的重要組成部分，主要目的是將備份信息處理分系統(tǒng)輸出的6路信息進(jìn)行分路輸出，按照原信息處理分系統(tǒng)輸出的信息分類為6路主信號(hào)、6路備信號(hào)。由于出站信息分配器不需要進(jìn)行有關(guān)控制操作，因此，出站信息分配器內(nèi)部組成比較簡(jiǎn)單，主要由電源模塊、信息分路單元以及液晶顯示等組成。電源模塊負(fù)責(zé)提供內(nèi)部各模塊的工作電源。信息分路單元完成出站信息分配器絕大部分功能，包括信息分路、信息檢測(cè)、狀態(tài)上報(bào)、狀態(tài)顯示輸出等。液晶顯示主要目的是顯示當(dāng)前設(shè)備工作狀態(tài)。

出站信息分配器原理框圖如圖7所示。

圖7 出站信息分配器原理框圖

2.3.4 出站信息切換器設(shè)計(jì)

出站信息切換器是出站信息切換選擇設(shè)備的核心組成部分，實(shí)現(xiàn)絕大部分信息切換選擇的功能，主要由電源模塊、信息切換單元以及液晶顯示、鍵盤等組成。電源模塊負(fù)責(zé)提供內(nèi)部各模塊的工作電源。信息切換單元完成出站信息切換器絕大部分功能，包括信息切換、信息檢測(cè)、狀態(tài)上報(bào)、狀態(tài)顯示輸出等。液晶顯示主要目的是顯示當(dāng)前設(shè)備工作狀態(tài)。鍵盤主要用于本地顯示控制和信息切換控制。

出站信息切換器的原理框圖如圖8所示。

圖8 出站信息切換器原理框圖

3.結(jié)束語

本文進(jìn)行了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)出入站信號(hào)與信息切換控制系統(tǒng)總體方案及單機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)，通過采用高性能多通道信號(hào)開關(guān)矩陣快速切換技術(shù)和多路出站信息快速同步切換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)出入站信號(hào)與信息的冗余備份和切換控制，提高了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，同時(shí)為我國(guó)后續(xù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)提供了參考。