同頻遙測信號雙方向轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用*

李成娟，張 研，顧炎極，張曉莉，蔣麗鳳

（1.中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，北京 100037；2.中國人民解放軍63601部隊，甘肅 酒泉 732750；3.北京中科航天人才服務(wù)有限公司，北京 100032）

0 引 言

自2014年我國提出“鼓勵民間資本研制、發(fā)射和運營商業(yè)遙感衛(wèi)星，提供市場化、專業(yè)化服務(wù)”以及2015年軍民融合發(fā)展上升到國家戰(zhàn)略層面后，我國商業(yè)航天迎來了快速發(fā)展的契機。五年來，國內(nèi)多家民營火箭公司如北京藍箭、零壹空間等，成為商業(yè)航天的先行者并且均執(zhí)行了首次發(fā)射任務(wù)。雖然任務(wù)中出現(xiàn)了不同程度上的失利，但總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，如何確保在發(fā)射各個環(huán)節(jié)中實時準確掌握航天器狀態(tài)變得尤為重要。特別是在航天器待發(fā)段期間，通過地面遙測設(shè)備以及監(jiān)控站接收遙測信號，全面了解和掌握航天器的各項工作指標，確保其工作狀態(tài)正常。

目前，受塔架復(fù)雜環(huán)境影響，地面遙測設(shè)備接收的一般都是散射信號，多徑干擾嚴重，信號極不穩(wěn)定，無法穩(wěn)定獲取遙測數(shù)據(jù)，且監(jiān)控站與航天器相距較遠，接收的遙測信號質(zhì)量較差[1]。此外，由于不同航天器發(fā)射地點不同，為保證遙測信號的穩(wěn)定接收，地面遙測設(shè)備只能在有限區(qū)域部署，使得同時兼顧多任務(wù)的遙測信號穩(wěn)定接收更加困難。

在此背景下，為滿足航天器待發(fā)段期間遙測信號的測試轉(zhuǎn)發(fā)要求，設(shè)計了同頻遙測信號雙方向轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)，可解決遙測信號不穩(wěn)定的問題，確保地面遙測設(shè)備和監(jiān)控站雙向的信號接收、解調(diào)正常。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

針對塔架復(fù)雜環(huán)境引起的多徑干擾影響，導(dǎo)致遙測信號接收不穩(wěn)定、解調(diào)判讀困難的難題，設(shè)計適應(yīng)“塔架特殊電磁環(huán)境”、“具備兼顧多任務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)能力”、“具有主備雙鏈路、雙方向獨立轉(zhuǎn)發(fā)”；“深度自動增益控制（Automatic Gain Control，AGC）設(shè)計、大動態(tài)范圍”；“網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控、可視化操作、無人值守、遠程精確調(diào)控”等特點的一體化解決方案。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

同頻遙測信號雙方向轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)由六部分組成：定向轉(zhuǎn)發(fā)天線、同頻轉(zhuǎn)發(fā)主機、預(yù)處理設(shè)備、光傳輸部分、監(jiān)控部分以及輔助設(shè)備，具體如圖1所示。系統(tǒng)支持多任務(wù)的遙測信號分時轉(zhuǎn)發(fā)。不同任務(wù)，前端采用不同的定向轉(zhuǎn)發(fā)天線以及預(yù)處理通道、光纖傳輸通道傳輸信號；后端則是共用同頻轉(zhuǎn)發(fā)主機，其采用主備鏈路熱備份設(shè)計。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1.3 轉(zhuǎn)發(fā)模式

系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)模式采用有線與無線相結(jié)合、微波光纖中繼轉(zhuǎn)發(fā)的方式。其中，有線無線相結(jié)合轉(zhuǎn)發(fā)是前端、后端與外部系統(tǒng)的接口均采用無線方式，系統(tǒng)內(nèi)則采用有線傳輸方式；微波光纖中繼轉(zhuǎn)發(fā)是預(yù)處理器與同頻轉(zhuǎn)發(fā)主機之間，通過光端機將微波信號轉(zhuǎn)換成光信號，采用光纖實現(xiàn)遠距離、可靠轉(zhuǎn)發(fā)。而預(yù)處理設(shè)備與定向轉(zhuǎn)發(fā)天線之間，以及同頻轉(zhuǎn)發(fā)主機與發(fā)射天線之間均采用射頻線纜連接，完成微波信號的傳輸。

1.4 系統(tǒng)組成及功能

系統(tǒng)由硬件設(shè)備以及監(jiān)控軟件組成，其中硬件設(shè)備組成如圖2所示，包括定向轉(zhuǎn)發(fā)天線、預(yù)處理設(shè)備、光傳輸通道、同頻轉(zhuǎn)發(fā)主機、發(fā)射天線。定向轉(zhuǎn)發(fā)天線接收航天器遙測同頻無線信號；多通道預(yù)處理設(shè)備對多路同頻信號進行分路窄帶濾波、功率均衡調(diào)控；光傳輸模塊完成射頻信號與光信號的轉(zhuǎn)換及遠距離傳輸；同頻轉(zhuǎn)發(fā)主機包含切換開關(guān)、小信號放大模塊、濾波模塊、功率放大模塊，負責(zé)完成對同頻信號的自動增益控制、濾波及功率放大；發(fā)射天線負責(zé)完成向地面遙測設(shè)備及監(jiān)控站雙方向的遙測信號定向輻射，包括水平極化發(fā)射天線以及垂直極化發(fā)射天線。

圖2 同頻遙測信號雙方向轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)

1.5 關(guān)鍵技術(shù)

（1）多通道預(yù)處理技術(shù)：對多路同頻遙測信號進行分頻、分路調(diào)理，實現(xiàn)了多路同頻遙測信號的并行處理，同時能夠?qū)崿F(xiàn)有效信號的隔離，避免多信號的混疊以及強信號對弱信號的壓制，有效解決了塔架特殊電磁環(huán)境下的多路電磁信號間的相互干擾問題，保證多路遙測信號同時準確的轉(zhuǎn)發(fā)[2]。能滿足地面遙測設(shè)備或監(jiān)控站對遙測信號的遠距離信號接收。

（2）“雙獨立鏈路分路功率調(diào)控、兩組定向天線發(fā)射”設(shè)計，可同時兼顧地面遙測設(shè)備、監(jiān)控站兩個方向的轉(zhuǎn)發(fā)[3]。由于地面遙測設(shè)備、監(jiān)控站兩個接收端與發(fā)射天線的距離不同、接收方位指向不同，故采用兩路獨立的功率放大通道，可分路調(diào)控每一通道的輸出信號功率大小，同時采用兩組“高增益、窄波束、低副瓣、極化隔離”的發(fā)射天線，確保兩個方向上均能接收到穩(wěn)定的遙測轉(zhuǎn)發(fā)信號且有效抑制干擾[4]。

（3）同頻轉(zhuǎn)發(fā)主機采用深度自動增益控制技術(shù)（AGC），提高信號動態(tài)范圍且微步進可調(diào)控，具有微弱信號接收處理能力，通過調(diào)控可準確滿足遙測系統(tǒng)的接口電平要求，可改善因信號不穩(wěn)定帶來的接收機性能下降的影響[5]。

1.6 工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖3所示，根據(jù)任務(wù)需求，首先選通前端相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)通道。以通道一為例進行說明。由定向天線一負責(zé)接收多路同頻遙測無線信號，并傳輸至多通道預(yù)處理1進行信號分路濾波、調(diào)控、功率均衡，抑制同頻干擾，提高有用信號信噪比，然后輸出至光傳輸通道1。光傳輸通道1接收多通道預(yù)處理設(shè)備1傳輸?shù)纳漕l信號，并將其轉(zhuǎn)化成光信號，通過光纖進行長距離光信號傳輸，并最終將光信號恢復(fù)成原射頻信號，傳輸給同頻轉(zhuǎn)發(fā)主機。

其次，對同頻轉(zhuǎn)發(fā)主機進行主備鏈路選通。如圖3所示，同頻轉(zhuǎn)發(fā)主機采用主備雙鏈路冗余設(shè)計。在任務(wù)執(zhí)行中設(shè)置為主路鏈路信號轉(zhuǎn)發(fā)。即發(fā)射任務(wù)一的遙測信號首先經(jīng)過主路小信號放大模塊1進行信號放大，然后經(jīng)過主路濾波模塊、主路功分模塊后，輸出兩路信號。其中一路信號進入主路地面遙測設(shè)備方向的信號功率放大模塊1；另外一路信號則進入主路監(jiān)控站方向的信號功率放大模塊進行信號功率放大2。

最后，通過極化隔離的兩個不同發(fā)射天線將遙測信號同時向地面遙測設(shè)備、監(jiān)控站雙方向轉(zhuǎn)發(fā)。

2 應(yīng)用實例

2.1 系統(tǒng)測試

利用信號源作為系統(tǒng)測試的信號輸入，通過頻譜儀監(jiān)視信號經(jīng)過該系統(tǒng)鏈路轉(zhuǎn)發(fā)后的信號輸出情況，系統(tǒng)測試鏈路如圖4所示。根據(jù)指標要求固定信號源輸入（高、中、低電平輸入），通過頻譜儀監(jiān)控輸出，并調(diào)整前、后端設(shè)備衰減至輸出穩(wěn)定在指標要求的動態(tài)范圍內(nèi)，并標定動態(tài)范圍最大值及最小值時的設(shè)備衰減設(shè)置值，具體測試數(shù)據(jù)如表1～表6所示。

圖4 系統(tǒng)測試鏈路框圖

2.2 測試結(jié)果

1）一通道至遙測設(shè)備下行鏈路測試見表1，一通道各支路間的隔離情況見表2。

表1 下行鏈路測試（一通道至遙測設(shè)備）

表2 一通道各支路間的隔離情況

2）二通道至遙測設(shè)備下行鏈路測試見表3，二通道各支路間的隔離情況見表4。

表3 下行鏈路測試（二通道至遙測設(shè)備）

表4 二通道各支路間的隔離情況/dB

3）一通道至監(jiān)控站下行鏈路測試見表5。

表5 下行鏈路測試（一通道至監(jiān)控站）

4）二通道至監(jiān)控站下行鏈路測試見表6。

表6 下行鏈路測試（二通道至監(jiān)控站）

2.3 測試小結(jié)

經(jīng)過實際測試：（1）預(yù)處理器各支路同時轉(zhuǎn)發(fā)時的相鄰頻點信號隔離度良好，均滿足≥60 dB的隔離要求；（2）經(jīng)同頻遙測系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)輻射的信號正常、質(zhì)量良好；到達接收端的信號電平均滿足地面遙測設(shè)備以及監(jiān)控站的解調(diào)要求。

3 結(jié) 語

商業(yè)航天發(fā)射任務(wù)期間，特別是在航天器代發(fā)段階段，地面遙測設(shè)備以及監(jiān)控站均存在無法穩(wěn)定接收遙測信號的問題。因此，設(shè)計研發(fā)了同頻信號雙方向轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)已完成實際測試，經(jīng)檢驗：性能良好，雙方向接收端接收的信號電平符合解調(diào)要求。