高速數(shù)傳基帶接收低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)閃鎖異常分析

陳愛平，孫海忠，羅 強(qiáng)

高速數(shù)傳基帶接收低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)閃鎖異常分析

陳愛平1，孫海忠2，羅 強(qiáng)3

（1 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所 北京 10094 2 中國衛(wèi)星發(fā)射測(cè)控系統(tǒng)部 北京 100011 3 中國西南電子技術(shù)研究所 成都 610036）

針對(duì)某衛(wèi)星工程應(yīng)用中出現(xiàn)的衛(wèi)星過頂時(shí)高速數(shù)傳基帶閃鎖問題，基于低軌衛(wèi)星的高動(dòng)態(tài)二階多普勒特性，分析得出了數(shù)傳基帶載波跟蹤環(huán)路帶寬過窄是造成幀同步閃鎖的原因，通過增加環(huán)路帶寬的方法實(shí)現(xiàn)三階跟蹤環(huán)路穩(wěn)定接收高動(dòng)態(tài)低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)的能力，通過模擬測(cè)試得出了結(jié)論，在不高于600Mbps速率QPSK、OQPSK調(diào)制方式下載波跟蹤環(huán)路均可穩(wěn)定跟蹤。

高速數(shù)傳基帶；載波跟蹤環(huán)；幀同步閃鎖

引 言

衛(wèi)星高速數(shù)傳廣泛應(yīng)用于氣象、海洋、資源、環(huán)境、通信、遙感和偵察等眾多領(lǐng)域，為各類星載有效載荷所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)提供傳輸通路，實(shí)現(xiàn)高速信息的獲取。根據(jù)衛(wèi)星應(yīng)用目的不同，衛(wèi)星采用不同的軌道高度，如遙感衛(wèi)星大多為軌道高度小于1000km太陽同步低軌衛(wèi)星，中繼衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星大多采用地球同步軌道衛(wèi)星。在上世紀(jì)八九十年代，國外以Landsat衛(wèi)星和Spot衛(wèi)星為代表的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸碼率已經(jīng)達(dá)到百兆比特每秒水平；我國在上世紀(jì)九十年代末期進(jìn)入傳輸型衛(wèi)星時(shí)代，從最初的“風(fēng)云一號(hào)”“風(fēng)云二號(hào)”的幾兆、十幾兆比特每秒，發(fā)展到資源一號(hào)、資源二號(hào)的一、二百兆比特每秒，2013年至2018年期間我國又先后成功發(fā)射了高分系列遙感衛(wèi)星，其中高分二號(hào)具備雙通道450Mb/s數(shù)傳速率，數(shù)據(jù)總速率達(dá)到900Mb/s。

高碼率數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求也推動(dòng)著高速調(diào)制解調(diào)器研發(fā)水平的極大提高。目前高速解調(diào)器已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在的Gbps水平。早期國內(nèi)的高速解調(diào)器市場(chǎng)主要被歐美公司占領(lǐng)，典型的有法國INSNEC公司、Alcatel公司、美國的RT Logical公司，其中IN-SNEC公司的產(chǎn)品市場(chǎng)份額最大。

隨著對(duì)高碼速率數(shù)據(jù)解調(diào)技術(shù)的深入研究，我國航天領(lǐng)域自研的高碼率數(shù)傳基帶已開始用于實(shí)際工程應(yīng)用中，能夠在保證傳輸數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下，大幅度提高星地?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的傳輸能力。

在高碼率衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，QPSK調(diào)制技術(shù)對(duì)于相位抖動(dòng)很敏感。載波恢復(fù)電路就需要很小的環(huán)路帶寬。另一方面，由于射頻震蕩源的頻率不穩(wěn)定和多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的頻率偏移大到幾百kHz。載波恢復(fù)電路必須在這些條件下都能鎖定，正確地解調(diào)出基帶信號(hào)，以便位時(shí)鐘恢復(fù)環(huán)路可以準(zhǔn)確地恢復(fù)位定時(shí)信號(hào)從而完成數(shù)據(jù)判決。

星地高速數(shù)傳系統(tǒng)中衛(wèi)星與地面站的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)引起多普勒效應(yīng)，使得地面站接收到的信號(hào)頻率發(fā)生變化。多普勒頻移的大小與衛(wèi)星軌道高度、軌道類型、地面站位置等因素有關(guān)。當(dāng)?shù)孛嬲究吹叫l(wèi)星從地平面升起時(shí)，有最大的正多普勒頻移；當(dāng)衛(wèi)星通過地面站正上方時(shí)，多普勒頻移為零；當(dāng)衛(wèi)星從地平面消失時(shí)，有最大的負(fù)多普勒頻移。而當(dāng)衛(wèi)星過地面站正上方時(shí)，地面系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生的多普勒動(dòng)態(tài)的一階加速度和二階加速度最大，因此中低軌道衛(wèi)星、特別是低軌衛(wèi)星由于軌道較低，對(duì)數(shù)傳基帶提出了更高的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性要求。

1 異?，F(xiàn)象描述

2017年12月，西亞某衛(wèi)星地面站首次執(zhí)行遙感衛(wèi)星高速數(shù)傳接收任務(wù)，高速數(shù)傳基帶接收前兩圈次任務(wù)正常。但在后續(xù)任務(wù)執(zhí)行中，出現(xiàn)幀同步頻繁失鎖（以下簡稱“閃鎖”），同時(shí)伴有載波偶爾失鎖情況。

表1 數(shù)傳基帶接收高碼率遙感數(shù)據(jù)異常現(xiàn)象記錄

圖1 幀同步閃鎖異常時(shí)星座圖旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象

高速數(shù)傳基帶的主要異?，F(xiàn)象如表1所示。

歸納主要的異常現(xiàn)象如下：

①高速數(shù)傳基帶設(shè)備在衛(wèi)星的不同過境軌道圈次中表現(xiàn)出不同的狀態(tài)。如上表所示，第1、2、12過境圈次中，高速數(shù)傳基帶數(shù)據(jù)接收、鎖定完全正常；第10、11圈次僅左旋通道正常，其余圈次幀同步均有閃鎖現(xiàn)象；

②所有閃鎖現(xiàn)象均出現(xiàn)在衛(wèi)星過頂前后；

③在閃鎖期間，從高速數(shù)傳基帶設(shè)備上報(bào)的星座圖顯示中觀察到星座圖有旋轉(zhuǎn)（見圖1），但觀察信號(hào)頻譜無異常。

④以上異常現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)3臺(tái)高速數(shù)傳基帶表象均一致。

2 數(shù)據(jù)接收問題分析

2.1 數(shù)傳基帶接收解調(diào)處理流程

高速數(shù)傳基帶從信號(hào)接收到幀同步之間主要包括載波環(huán)路模塊、位同步模塊、均衡器模塊、幀同步模塊。信號(hào)接收解調(diào)處理流程如下圖2所示。

2.2 故障樹分析

以任務(wù)中出現(xiàn)的幀同步閃鎖為頂事件，根據(jù)接收解調(diào)處理流程對(duì)可能導(dǎo)致故障的硬件和軟件進(jìn)行逐層分析，經(jīng)過化簡，得到故障樹如圖3所示。

圖2 數(shù)傳基帶接收解調(diào)處理流程

圖3 故障分析樹

通過分析，可以排除事件X1和事件X3可能產(chǎn)生幀同步失鎖的原因。但事件X2和事件X4無法排除。對(duì)于事件X2，均衡器異常會(huì)導(dǎo)致后續(xù)幀同步失鎖，當(dāng)均衡器持續(xù)不收斂時(shí)，還會(huì)激活載波環(huán)路假鎖判定機(jī)制，對(duì)載波環(huán)路進(jìn)行復(fù)位，引發(fā)載波失鎖。而對(duì)于事件X4載波環(huán)路異常會(huì)導(dǎo)致載波失鎖，造成基帶信號(hào)失真從而使幀同步閃鎖。實(shí)際任務(wù)中的故障現(xiàn)象集中發(fā)生在衛(wèi)星過頂前后，此時(shí)衛(wèi)星瞬時(shí)加加速度導(dǎo)致的載波多普勒二次變化率最大，對(duì)載波環(huán)路的捕獲、跟蹤能力要求也最高。

針對(duì)事件X2均衡器異常和事件X4載波環(huán)路異常都有可能導(dǎo)致幀同步發(fā)生閃鎖的問題，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步做分離試驗(yàn)，排除了均衡器本身故障。因此，故障定位為事件X4載波環(huán)路異常。

2.3 故障定位確認(rèn)

根據(jù)衛(wèi)星軌道高度500km和數(shù)傳頻率，可以計(jì)算出地面系統(tǒng)接收到的多普勒值。計(jì)算結(jié)果表明，衛(wèi)星過頂前后加加速度最大，多普勒二次變化率近70Hz/s2。高速數(shù)傳基帶載波跟蹤環(huán)路采用三階環(huán)設(shè)計(jì)，其特性為對(duì)衛(wèi)星加加速度應(yīng)力敏感，此時(shí)需要數(shù)傳基帶使用環(huán)路帶寬足夠?qū)挼娜A鎖相環(huán)或者使用更高階鎖相環(huán)[1]。

圖4 載波環(huán)路設(shè)計(jì)

通過進(jìn)一步排查載波環(huán)路設(shè)計(jì)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)環(huán)路濾波器帶寬設(shè)計(jì)較窄，導(dǎo)致環(huán)路跟蹤性能較差。對(duì)于低軌衛(wèi)星的多普勒動(dòng)態(tài)尤其是多普勒二次變化率動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力不足，從而在多普勒動(dòng)態(tài)發(fā)生變化的條件下容易發(fā)生載波失鎖，進(jìn)而導(dǎo)致幀同步閃鎖現(xiàn)象。

因此故障定位確認(rèn)為載波環(huán)路跟蹤異常。

2.4 載波環(huán)設(shè)計(jì)與分析

高速數(shù)傳基帶的載波環(huán)路設(shè)計(jì)如圖4所示。

采樣信號(hào)與本地相干載波相乘，得到基帶數(shù)據(jù)。鑒相器提取相位誤差，經(jīng)三階環(huán)平滑后，產(chǎn)生誤差控制信號(hào)，控制本地NCO產(chǎn)生本地相干載波。環(huán)路中可控參數(shù)為三階環(huán)環(huán)路濾波器的帶寬。

環(huán)路傳遞函數(shù)

為環(huán)路總增益，得到環(huán)路帶寬

根據(jù)三階鎖相環(huán)特性，三階環(huán)對(duì)于頻率階躍（速度）、頻率斜升（加速度）應(yīng)力為不敏感環(huán)路，穩(wěn)態(tài)誤差為0。但對(duì)于多普勒二次變化率（加加速度）應(yīng)力敏感，環(huán)路鎖定條件為穩(wěn)態(tài)誤差小于π/4[2,3]。

對(duì)于存在多普勒二次變化率（加加速度），環(huán)路穩(wěn)態(tài)誤差計(jì)算如下

式中，

因此，理想狀態(tài)下，（無噪）設(shè)計(jì)環(huán)路能容忍的最大多普勒二次變化率理論值為200Hz/s2。

2.5 原有環(huán)路多普勒動(dòng)態(tài)適應(yīng)測(cè)試

為進(jìn)一步分析驗(yàn)證原有環(huán)路帶寬對(duì)于多普勒動(dòng)態(tài)的適應(yīng)能力，分別做了針對(duì)不同信噪比條件下不同的多普勒一次變化率（加速度）和多普勒二次變化率（加加速度）適應(yīng)能力試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，信噪比越高，三階環(huán)帶寬越寬，對(duì)于信號(hào)的多普勒動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力越強(qiáng)。原有環(huán)路對(duì)多普勒一次變化率滿足要求；對(duì)多普勒二次變化率的容忍極限為100Hz/s2，隨著信噪比降低原有環(huán)路對(duì)多普勒二次變化率的適應(yīng)力下降到80Hz/s2以下，當(dāng)進(jìn)一步加入幅度掃描，幅度變化范圍30dB，幅度變化率每秒鐘1dB，原有環(huán)路對(duì)多普勒二次變化率適應(yīng)能力進(jìn)一步下降，此時(shí)僅能容忍40Hz/s2的多普勒二次變化率。

根據(jù)原有環(huán)路帶寬對(duì)多普勒動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力的測(cè)試結(jié)果，與故障現(xiàn)場(chǎng)的多普勒動(dòng)態(tài)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)分析：通過現(xiàn)場(chǎng)S頻段測(cè)控基帶從故障圈次提取的測(cè)速數(shù)據(jù)，經(jīng)過差分平滑處理后得到多普勒一次變化率和多普勒二次變化率如圖5所示。從測(cè)控S頻段歸一化至X頻段后，多普勒一次變化率約5.5kHz/s，多普勒二次變化率瞬時(shí)超過70Hz/s2。

（a）多普勒一次變化率 （b）多普勒二次變化率

通過機(jī)理分析和針對(duì)性的測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，原載波環(huán)路設(shè)計(jì)時(shí)未考慮多普勒二次變化率的影響。而實(shí)際任務(wù)中尤其是衛(wèi)星過頂前后加加速度帶來的多普勒二次變化率超過原環(huán)路帶寬的適應(yīng)范圍，故發(fā)生前文所述故障現(xiàn)象。

3 更改措施及試驗(yàn)結(jié)果

3.1 更改措施

修改載波環(huán)路中三階鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬參數(shù)，在滿足捕獲靈敏度的前提下增加環(huán)路帶寬，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，新的環(huán)路設(shè)計(jì)參數(shù)使環(huán)路帶寬比原有環(huán)路帶寬6.35kHz提高近四倍，直接測(cè)得的環(huán)路帶寬為22kHz，能適應(yīng)200Hz/s2以內(nèi)的二階多普勒動(dòng)態(tài)。

3.2 模擬驗(yàn)證

用模擬源產(chǎn)生包含多普勒二次變化率的信號(hào)，掃描范圍±1MHz，多普勒一次變化率為20kHz/s，多普勒二次變化率為200Hz/s2。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 多普勒動(dòng)態(tài)（含二次變化率）適應(yīng)能力測(cè)試（Eb/N0=1）（采用1/2卷積+RS(223,255),4倍交織編碼）

圖6 更改環(huán)路帶寬前后的收星對(duì)比驗(yàn)證

3.3 現(xiàn)場(chǎng)收星驗(yàn)證

利用地面站高速數(shù)傳基帶設(shè)備兩個(gè)解調(diào)通道對(duì)載波環(huán)路帶寬更改前后做了實(shí)際收星的對(duì)比驗(yàn)證，即接收解調(diào)1為原環(huán)路帶寬，接收解調(diào)2為更改后的環(huán)路帶寬。對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，使用原環(huán)路帶寬的接收解調(diào)通道1幀同步有閃鎖現(xiàn)象，而增加環(huán)路帶寬的接收解調(diào)通道2幀同步工作正常。

多個(gè)圈次的實(shí)際收星對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果表明，更改措施有效。

4 結(jié)束語

本文分析了工程應(yīng)用中高速數(shù)傳基帶在接收低軌高動(dòng)態(tài)下衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)的閃鎖的機(jī)理，并通過模擬測(cè)試進(jìn)一步復(fù)現(xiàn)了問題出現(xiàn)的原因。通過增加環(huán)路帶寬的方法實(shí)現(xiàn)了三階環(huán)路穩(wěn)定跟蹤高動(dòng)態(tài)多普勒低軌衛(wèi)星。通過試驗(yàn)表明：此方法在速率不高于600Mb/s時(shí)穩(wěn)定有效。多普勒動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力驗(yàn)證結(jié)果表明：采用三階環(huán)路濾波器只要增大環(huán)路帶寬仍可對(duì)二階多普勒變化信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)定可靠捕獲。

[1] 杜瑜. 三階數(shù)字鎖相環(huán)環(huán)路參數(shù)的設(shè)計(jì)方法[J/OL]. 電訊技術(shù), 2007(5).DOI:10.3969/j.issn.1001-893X.2007.05.040.

[2] PAULO S R. Digital signal processing system analysis and design[M]. Cambridge University Press, 2002.

[3] MA Jun, LI Mike, MARLETT Mark. A new measurement and analysis method for a third order PLL transfer function[J/OL].International Test Conf,2005 IEEE. 2005. https://www.researchgate.net/publication/265880372.

Flash-lock analysis of HDR reception data from LEO remote satellite

CHEN Aiping1, SUN Haizhong2, LUO Qiang3

（1. Beijing Institute of Telemetry and Telecommunications Technology, Beijing 100094, China; 2. China Satellite Launch and Tracking Control General, Beijing 100011, China; 3. South-west China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China）

Aiming at the flash-lock phenomenon of the HDR when the satellite passes the zenith of the ground station, and based on the characteristics of the level-2 Doppler frequency of the LEO satellite with high dynamic, the conclusion is drawn which the bandwidth of the carrier tracking PLL is too narrow to track the level-2 Doppler rate of the high dynamic target. After adding the bandwidth of the carrier PLL, it is achieved the HDR receiving the high bit rate data with high dynamic from LEO satellite. The test result indicates that the HDR works normally and stably with QPSK and OQPSK scheme below the 600Mbps data rate.

HDR BBE; Carrier tracking PLL; Frame synchronizer flash-lock

TN91

A

CN11-1780(2019)03-0068-05

陳愛平 1970年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控專業(yè)領(lǐng)域。

孫海忠 1982年生，碩士，工程師，主要研究方向航天測(cè)控專業(yè)領(lǐng)域。

羅 強(qiáng) 1986年生，碩士，工程師，主要研究方向航天數(shù)傳領(lǐng)域。

2019-03-14

2019-05-05

TEL:010-68382327 010-68382557

Email:ycyk704@163.com