適用于多星并行測試的應(yīng)答機設(shè)計方法與驗證*

王 淦，竇 驕，紀文章，何 釤，謝英澤

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司 北京 100094）

引 言

自20 世紀80 年代末以來，小衛(wèi)星從最初的起步階段，經(jīng)過發(fā)展階段，發(fā)展到現(xiàn)在的應(yīng)用階段。隨著小衛(wèi)星技術(shù)的不斷成熟，以及小衛(wèi)星單星功能和性能的大幅提升，使小衛(wèi)星具備裝備化、實用化的特點[1]。同時，由于小衛(wèi)星體積小、質(zhì)量輕、可提供的能源有限，且單星載荷需要高度集成化[2]，故此效能發(fā)揮受限，使得小衛(wèi)星已經(jīng)從單顆衛(wèi)星任務(wù)發(fā)展成為集群、編隊和巨型星座[3]任務(wù)，如鴻雁星座、九天衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)、OneWeb 星座、StarLink 計劃等。

隨著低成本、研制周期短的小衛(wèi)星星座以及編隊衛(wèi)星的發(fā)展，依托于傳統(tǒng)的衛(wèi)星測試方式已經(jīng)無法滿足“一箭多星”、衛(wèi)星組網(wǎng)等批量被測衛(wèi)星的測試需求，為了有效降低成本、減少測試時間、提升測試效率，衛(wèi)星批產(chǎn)化、并行化測試技術(shù)逐漸受到青睞[4,5]。本文從應(yīng)答機的功能和應(yīng)答機在整星測試中起到的作用出發(fā)，總結(jié)了傳統(tǒng)衛(wèi)星測試中應(yīng)答機的測試方法以及局限性，提出一種通過地面測試設(shè)備和星上應(yīng)答機復(fù)用星上的遙控RS422 接口、遙測RS422 接口的方式實現(xiàn)多星并行測試的方法，突破了多星并行測試的瓶頸，并成功應(yīng)用于某星座衛(wèi)星的并行測試，提升了測試效率。

1 應(yīng)答機的設(shè)計

1.1 功能

測控應(yīng)答機與地面測控系統(tǒng)、星務(wù)系統(tǒng)、天線系統(tǒng)一起配合完成星地測控任務(wù)，主要具有如下功能[6,7]：

①向地面測控站發(fā)射下行載波多普勒跟蹤信標(biāo)，引導(dǎo)地面站捕獲衛(wèi)星，同時將衛(wèi)星遙測信息下傳地面；

②接收地面測控站發(fā)送的上行遙控信號，完成解調(diào)，并對解調(diào)后的遙控信號進行處理，產(chǎn)生上行遙控數(shù)據(jù)并發(fā)送給星務(wù)系統(tǒng)；

③與地面測控系統(tǒng)配合完成衛(wèi)星的測距、測速功能；

④完成應(yīng)答機自身遙測信息的采集，并發(fā)送給星務(wù)系統(tǒng)處理；同時，接收來自星務(wù)系統(tǒng)的指令信息，對自身工作狀態(tài)進行控制。

1.2 方案介紹

測控應(yīng)答機方案如圖1 所示[8,9]。

測控應(yīng)答機由雙工器、接收通道、發(fā)射通道和基帶模塊組成。其中，雙工器使接收信號和發(fā)射信號隔離，保證接收通道、發(fā)射通道同時正常工作。

測控應(yīng)答機在接收、解析上行遙控數(shù)據(jù)時，首先，通過雙工器，接收通道對射頻信號進行變頻、放大、濾波等處理后輸出中頻信號給基帶模塊；然后，基帶模塊進行同步，并解析產(chǎn)生遙控數(shù)據(jù)；最后，基帶模塊通過RS422 接口輸出給星務(wù)系統(tǒng)。其中，應(yīng)答機是遙控數(shù)據(jù)的發(fā)送端，RS422 接口采用DS26LV31ATM 芯片，采用三線（時鐘、數(shù)據(jù)和門控）制進行傳輸。

測控應(yīng)答機在接收、發(fā)射下行遙測數(shù)據(jù)時，首先，通過RS422 接口從星務(wù)系統(tǒng)接收遙測數(shù)據(jù)；然后，對遙測數(shù)據(jù)進行調(diào)制、變頻、放大等處理形成射頻信號；最后，測控應(yīng)答機將射頻信號發(fā)送到地面測控系統(tǒng)。其中，應(yīng)答機是遙測數(shù)據(jù)的接收端，RS422 接口采用DS26LV32ATM 芯片，采用二線（時鐘和數(shù)據(jù)）制進行傳輸。

1.3 整星測試中的作用

根據(jù)測控應(yīng)答機的功能可知，測控應(yīng)答機在整星測試階段主要完成兩個方面的任務(wù)：

圖1 測控應(yīng)答機方案Fig.1 Diagram of transponder scheme

①功能和性能測試：測控應(yīng)答機作為整星的重要單機之一，其功能和性能指標(biāo)測試是整星測試的一部分；

②保通道功能：測控應(yīng)答機是星地通信的唯一通道，在其它系統(tǒng)測試過程中，測控應(yīng)答機要保證通道正常，輔助整星其它系統(tǒng)遙測的確認和指令的控制。

1.4 傳統(tǒng)應(yīng)答機的局限性

在基于傳統(tǒng)測控應(yīng)答機設(shè)計的整星測試中，測控應(yīng)答機是進行功能、性能測試或者整星保通道功能測試（即配合整星其它系統(tǒng)進行測試）過程中始終占用地面測試系統(tǒng)的一體化測控設(shè)備，如圖2 所示。多星并行測試時只能依靠單臺多通道一體化測控設(shè)備或者多臺單通道一體化測控設(shè)備實現(xiàn)，無法做到測試效率和測試成本的最優(yōu)化。

圖2 整星測試Fig.2 Diagram of satellite testing

2 并行測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

并行測試系統(tǒng)是為了解決星座中多顆衛(wèi)星同時進行測試的問題，因此系統(tǒng)需要同時具備多顆衛(wèi)星的通信信道。相對于單顆衛(wèi)星的測試系統(tǒng)而言，并行測試系統(tǒng)需要解決如下問題：

①具備應(yīng)答機功能和性能測試條件；

②具備同時提供多星的上行遙控通道；

③具備同時提供多星的下行遙測通道；

④避免多顆衛(wèi)星同時測試時互相干擾。

在星座設(shè)計中多顆衛(wèi)星的測控應(yīng)答機具有功能一致、性能統(tǒng)一、設(shè)計狀態(tài)一致性良好等特點，所以，對任意一臺測控應(yīng)答機的測試結(jié)果可以在整個星座的所有測控應(yīng)答機中進行舉一反三，測試數(shù)據(jù)共用。

充分利用測控應(yīng)答機在整星中的功能、性能測試和保通道測試這兩個功能的特點，并結(jié)合傳統(tǒng)測控應(yīng)答機的設(shè)計方案，地面測控系統(tǒng)可以使用一套傳統(tǒng)的一體化測控設(shè)備對多顆衛(wèi)星的測控應(yīng)答機的功能、性能進行輪流測試；通過對星上測控應(yīng)答機與星務(wù)系統(tǒng)間的RS422 接口進行復(fù)用的方式，實現(xiàn)多條遙測和遙控通道，保證多星并行測試過程中保通道的功能。同時，復(fù)用RS422 接口的方式需要地面測控系統(tǒng)配置具有RS422 收發(fā)功能和網(wǎng)口傳輸功能的PXI 板卡，PXI 板卡通過網(wǎng)口與總控系統(tǒng)進行連接，因此地面測控系統(tǒng)的后端總控系統(tǒng)可以完全繼承，不需做任何改動。

2.2 應(yīng)答機的設(shè)計更改

RS422 發(fā)送芯片DS26LV31ATM 的工作模式受到EN 和EN*管腳的控制，其真值表如表1 所示。

由真值表可知，當(dāng)EN 管腳為低電平、EN*管腳為高電平時，輸出引腳為三態(tài)模式，且輸出模式不受輸入引腳影響。

在傳統(tǒng)測控應(yīng)答機設(shè)計中，測控應(yīng)答機與星務(wù)系統(tǒng)之間RS422 接口的EN 和EN*通過上拉方式，使兩個管腳一直為高電平，因此RS422 芯片為一直有效狀態(tài)。

測控應(yīng)答機與星務(wù)系統(tǒng)的遙控RS422 接口，當(dāng)門控信號有效時，時鐘信號輸出；當(dāng)門控信號無效時，時鐘信號不輸出。時鐘信號的上升沿與數(shù)據(jù)變化對齊，下降沿與數(shù)據(jù)位中間對齊，要求在時鐘下降沿時取數(shù)。數(shù)據(jù)有效時門控有效，門控為低電平有效。波形圖如圖3 所示，其中，符號“”代表省略的傳輸比特。

測控應(yīng)答機與星務(wù)系統(tǒng)的遙測RS422 接口，無門控信號，時鐘信號一直發(fā)送。其上升沿與數(shù)據(jù)變化對齊，下降沿與數(shù)據(jù)位中間對齊，下降沿取數(shù)。波形圖如圖4 所示。

通過對星上測控應(yīng)答機與星務(wù)系統(tǒng)間的RS422 接口進行復(fù)用，可以提供另外一條星地測控通道，保證整星的保通道測試，如圖5 所示。其中，星地測控通道1 可以完成測控應(yīng)答機的功能、性能測試和整星保通道測試；星地測控通道2 僅可以完成整星保通道測試。

測控應(yīng)答機和地面測控系統(tǒng)（PXI 板卡RS422端口）作為遙控數(shù)據(jù)的發(fā)送端，都可以發(fā)送遙控數(shù)據(jù)給星務(wù)系統(tǒng)。地面測控系統(tǒng)與星上測控應(yīng)答機通過“線與”的方式復(fù)用RS422 接口，兩個星地測控通道無法同時使用RS422 接口進行上行遙控數(shù)據(jù)發(fā)送；當(dāng)兩個星地測控通道分時使用星地測控通道時，無效的測控通道的RS422 接口門控信號為高電平，有效的測控通道的RS422 接口門控信號需要拉低才能進行正常遙控數(shù)據(jù)傳輸，在傳統(tǒng)測控應(yīng)答機中由于“線與”的方式，一個高電平與一個低電平進行線與始終為高電平，因此無法進行數(shù)據(jù)傳輸。

表1 RS422 真值表Table 1 RS422 true table

圖3 遙控數(shù)據(jù)傳輸時序圖Fig.3 Time sequence diagram of tele-command transmission

圖4 遙測數(shù)據(jù)傳輸時序圖Fig.4 Time sequence diagram of telemetry transmission

圖5 測控應(yīng)答機并行測試方案Fig.5 Design diagram of parallel testing scheme for transponder

根據(jù)真值表可知，當(dāng)設(shè)置EN 管腳為低電平，EN*管腳為高電平時，無論輸入高電平還是低電平，輸出都是三態(tài)模式。在三態(tài)模式下，高電平與三態(tài)進行線與為高電平，低電平與三態(tài)進行線與為低電平，則其它測控通道便可以通過RS422 接口進行數(shù)據(jù)傳輸。通過將星上測控應(yīng)答機和地面PXI 遙控數(shù)據(jù)的發(fā)送RS422 的EN 管腳和EN*管腳改為可配置，來實現(xiàn)星上測控應(yīng)答機和地面PXI 遙控數(shù)據(jù)發(fā)送在三態(tài)狀態(tài)和正常狀態(tài)下的切換。遙控數(shù)據(jù)傳輸波形圖如圖6 所示。

測控應(yīng)答機和地面測控系統(tǒng)作為遙測數(shù)據(jù)的接收端，均等待星務(wù)系統(tǒng)發(fā)送遙測數(shù)據(jù)。遙測數(shù)據(jù)通過二線RS422 進行傳輸，時鐘線和數(shù)據(jù)線在整星測試過程中一直有效。地面測試系統(tǒng)和測控應(yīng)答機通過采用合理的匹配設(shè)計，可以同時接收星務(wù)系統(tǒng)通過RS422 發(fā)送來的遙測數(shù)據(jù)，時序圖如圖4 所示。

圖6 并行測試中遙控數(shù)據(jù)傳輸時序圖Fig.6 Time sequence diagram of tele-command transmission in parallel testing

2.3 應(yīng)答機設(shè)計更改后特點

通過更改星上測控應(yīng)答機的遙控RS422 接口設(shè)計實現(xiàn)整星并行測試的設(shè)計方法具備如下特點和優(yōu)勢：

①功能完善

對測控應(yīng)答機在整星測試中的兩個作用進行分離考慮，地面測控系統(tǒng)可以通過一套一體化測控設(shè)備實現(xiàn)測控應(yīng)答機功能、性能的測試；同時，通過復(fù)用RS422 接口的方式，實現(xiàn)測控應(yīng)答機的保通道功能，達到測控應(yīng)答機在整星測試中的作用全覆蓋的目的，實現(xiàn)星座的并行測試。

②低成本

文獻[4]和文獻[5]中提出通過地面測試系統(tǒng)進行通用化、平臺化等方式實現(xiàn)整星并行測試，均需要多套一體化測控設(shè)備作為通道接收整星遙測數(shù)據(jù)或者發(fā)送遙控數(shù)據(jù)，設(shè)計中除了需要地面額外的軟、硬件開發(fā)外還需要多臺一體化測控設(shè)備，而單臺一體化測控設(shè)備造價非常高。

相比于文獻[4]和文獻[5]等以前的并行化設(shè)計，通過更改星上測控應(yīng)答機的方式實現(xiàn)并行化僅需要實現(xiàn)RS422 接收和網(wǎng)口發(fā)送數(shù)據(jù)的PXI 板卡的開發(fā)以及測控應(yīng)答機的適應(yīng)性改造，成本更低。

③通用性強

通過更改星上測控應(yīng)答機的遙控RS422接口設(shè)計實現(xiàn)整星并行測試的設(shè)計方法對傳統(tǒng)衛(wèi)星采用的測控應(yīng)答機具有良好的通用性，不用區(qū)分測控應(yīng)答機的工作頻段、體制等。

④可擴展性強

在整星測控應(yīng)答機的設(shè)計保持一致的情況下，星座中每增加一顆衛(wèi)星僅需要地面測控系統(tǒng)增加一塊PXI 板卡即可實現(xiàn)多星的并行測試。

3 并行測試系統(tǒng)的應(yīng)用

適用于多星并行測試的應(yīng)答機設(shè)計方法已經(jīng)成功應(yīng)用于某星座（5 顆衛(wèi)星）的整星并行測試，完整的星座測試系統(tǒng)如圖7 所示。

星座系統(tǒng)中5 顆衛(wèi)星狀態(tài)完全一樣，測控應(yīng)答機的功能、性能在整星中的作用和設(shè)計也完全一樣。在星座測試過程中，總控系統(tǒng)可以將開關(guān)矩陣切換至5 顆衛(wèi)星中的任意一顆衛(wèi)星（下述以衛(wèi)星1 為例），使衛(wèi)星1 的射頻通道與一體化測控設(shè)備進行連接，同時總控系統(tǒng)需要設(shè)置衛(wèi)星1 的PXI 板卡遙控RS422接口為三態(tài)模式，此時總控系統(tǒng)可以通過一體化測控設(shè)備對應(yīng)答機的射頻性能指標(biāo)等進行完整測試，也可以通過一體化測控設(shè)備給衛(wèi)星1 發(fā)送遙控數(shù)據(jù)。一體化測控設(shè)備可以將接收并解析的遙測數(shù)據(jù)，通過千兆以太網(wǎng)發(fā)送至數(shù)據(jù)庫和每個遙測顯示終端。

圖7 星座并行測試系統(tǒng)Fig.7 Multi-satellites parallel testing

在衛(wèi)星1 占用一體化測控設(shè)備時，其它四顆衛(wèi)星可以通過PXI 板卡的RS422 接口接收整星遙測數(shù)據(jù)，發(fā)送遙控數(shù)據(jù)。

目前，通過本文的并行測試方法已經(jīng)成功完成某衛(wèi)星星座的初樣、正樣、環(huán)境試驗等所有研制階段測試項目，衛(wèi)星星座完成發(fā)射，在軌運行穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

針對星座系統(tǒng)設(shè)計中衛(wèi)星數(shù)量多、研制周期短、測試任務(wù)重等特點，設(shè)計并實現(xiàn)了適用于多星并行測試的應(yīng)答機設(shè)計方法。同時，介紹了該應(yīng)答和設(shè)計方法在某星座系統(tǒng)測試中的成功應(yīng)用，為小規(guī)模星座組網(wǎng)測試提供了切實可行的解決方法，為后續(xù)大型或巨型星座的自動化測試與并行測試相結(jié)合的測試方法奠定了基礎(chǔ)。