射頻數(shù)字化在航天測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

王罡

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所 四川省成都市 610036）

1 國(guó)內(nèi)外測(cè)控系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有絕大部分測(cè)控站都是“煙囪”式的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。每個(gè)測(cè)控站間無(wú)法實(shí)現(xiàn)資源融和共享。隨著衛(wèi)星數(shù)目增加，航天器的運(yùn)控任務(wù)量井噴式增長(zhǎng)，對(duì)系統(tǒng)資源融合需求越來(lái)越急迫，現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)具有“資源壁壘”的先天劣勢(shì)。

對(duì)于后端的基帶資源，從20世紀(jì)90年代起，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究所紛紛開(kāi)始研發(fā)多功能綜合基帶，目前國(guó)內(nèi)的綜合基帶產(chǎn)品已經(jīng)能夠做到在一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)工控機(jī)平臺(tái)上，完成測(cè)控信號(hào)的中頻調(diào)制、中頻接收、測(cè)距、測(cè)速、遙測(cè)、遙控、中低速數(shù)傳、角跟蹤等功能。但是，目前基帶設(shè)備的處理中頻還停留在70MHz，處理帶寬也僅有20MHz，對(duì)于頻分的測(cè)控下行信號(hào)，還需依靠模擬信道鏈路分別變頻到70MHz中頻，再通過(guò)不同ADC通道數(shù)字化后處理。

而國(guó)外的部分測(cè)控系統(tǒng)已經(jīng)采用了射頻接口終端設(shè)備，能夠通過(guò)天線(xiàn)、信道及基帶等的重組來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)控站資源的共享，以較低的經(jīng)費(fèi)完成了測(cè)控站同時(shí)對(duì)多顆衛(wèi)星的測(cè)控。美國(guó)針對(duì)第三代跟蹤與中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的“天基網(wǎng)地面部分維護(hù)計(jì)劃”（SGSS）提出了基帶池的概念。該計(jì)劃已于2016年底實(shí)施，主要目標(biāo)是更換天基網(wǎng)所有的硬件和軟件，保持天基網(wǎng)至少再工作25年。SGSS在射頻直接數(shù)字化并采用“池”式結(jié)構(gòu)，每顆衛(wèi)星專(zhuān)用設(shè)備極少，用戶(hù)從池中選用空閑資源，執(zhí)行完任務(wù)后釋放資源，降低了設(shè)備量，提高了結(jié)構(gòu)靈活性和硬件利用效率，各個(gè)地面終端站可采用相同的池?？梢钥闯?，未來(lái)的測(cè)控系統(tǒng)具有射頻寬帶數(shù)字化、數(shù)字化信號(hào)的遠(yuǎn)程傳輸與交換以及軟件化信號(hào)處理的發(fā)展趨勢(shì)。

2 測(cè)控系統(tǒng)射頻數(shù)字化意義

隨著航天發(fā)射任務(wù)的增多，為解決測(cè)控設(shè)備資源緊張的問(wèn)題，通常采用增加測(cè)控站或增加站內(nèi)設(shè)備的方式解決多星、多任務(wù)的需求問(wèn)題，但這種解決方式一方面會(huì)帶來(lái)測(cè)控站規(guī)模不斷擴(kuò)大，增加建設(shè)、運(yùn)行以及維護(hù)成本，另一方面各站獨(dú)立建設(shè)，不能有效地共享資源，造成資源的浪費(fèi)。

目前，單套測(cè)控系統(tǒng)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)或多路下行信號(hào)同時(shí)處理，但由于綜合基帶設(shè)備一般都采用70MHz中頻接口，處理帶寬只有20MHz，對(duì)于不同點(diǎn)頻的下行信號(hào)，還是需要配備不同的下行信道實(shí)現(xiàn)下變頻功能，導(dǎo)致測(cè)控地面站的鏈路配置復(fù)雜，造成資源浪費(fèi)。同時(shí)，隨著新型測(cè)控體制的應(yīng)用，測(cè)控信號(hào)的帶寬已經(jīng)達(dá)到了100MHz，有必要研究測(cè)控系統(tǒng)射頻數(shù)字化技術(shù)[1]。

在測(cè)控系統(tǒng)中直接對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行帶通采樣，采樣后的信號(hào)直接進(jìn)入綜合基帶進(jìn)行解調(diào)等處理，可最大程度地通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電測(cè)控系統(tǒng)的各種功能，由于該項(xiàng)技術(shù)省去了頻綜、下變頻器等模擬單元，因此，對(duì)簡(jiǎn)化測(cè)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、提升系統(tǒng)靈活性、可靠性和可擴(kuò)展性具有重要意義。相比常見(jiàn)的中頻數(shù)字化測(cè)控系統(tǒng)而言，射頻數(shù)字化技術(shù)除了具有中頻數(shù)字化所具有的可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)外，還減少了射頻前端的復(fù)雜性，有利于簡(jiǎn)化測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和降低成本，并且可以大大提高系統(tǒng)的資源重組能力。

圖1：“煙囪”式架構(gòu)測(cè)控站

圖2：常規(guī)S頻段測(cè)控系統(tǒng)及射頻數(shù)字化后的組成簡(jiǎn)圖

3 射頻數(shù)字化測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 射頻數(shù)字化測(cè)控系統(tǒng)組成

一般情況下，一套成熟的測(cè)控設(shè)備包括天伺饋分系統(tǒng)、發(fā)射分系統(tǒng)、高頻接收分系統(tǒng)（含和差信道設(shè)備）、基帶分系統(tǒng)（含跟蹤接收機(jī)）、時(shí)頻分系統(tǒng)、監(jiān)控分系統(tǒng)、自動(dòng)化測(cè)試分系統(tǒng)、數(shù)傳傳輸分系統(tǒng)和標(biāo)校分系統(tǒng)等[2]。射頻數(shù)字化技術(shù)的目標(biāo)是在S頻段上直接數(shù)字化，達(dá)到簡(jiǎn)化測(cè)控系統(tǒng)上下行鏈路的復(fù)雜度、提高終端設(shè)備對(duì)不同測(cè)控體制的適應(yīng)性目的。測(cè)控系統(tǒng)在S頻段直接數(shù)字化后，信號(hào)的上下變頻均在數(shù)字域完成，測(cè)控鏈路中不再需要配備上下變頻設(shè)備，僅需保留下行低噪放和高功放，大大簡(jiǎn)化信道鏈路。同時(shí)，在實(shí)現(xiàn)S頻段數(shù)字化時(shí)，系統(tǒng)的下行信號(hào)處理范圍為2200MHz～2300MHz，可以直接覆蓋S頻段下行100MHz帶寬，對(duì)于多點(diǎn)頻測(cè)控任務(wù)，也僅需左旋和差以及右旋和差共四條下行鏈路，較原有中頻數(shù)字化系統(tǒng)，下行鏈路數(shù)減為原來(lái)的一半。圖2為常規(guī)S頻段測(cè)控系統(tǒng)及射頻數(shù)字化后的組成框圖。

3.2 信號(hào)傳輸方式

采用射頻數(shù)字化技術(shù)后，基于測(cè)控系統(tǒng)可重構(gòu)考慮，射頻接口綜合基帶設(shè)備部署在統(tǒng)一的機(jī)房，射頻信號(hào)需要直接從天線(xiàn)傳輸?shù)綑C(jī)房，信號(hào)傳輸性能(頻率特性、傳輸損耗、相位、時(shí)延等參數(shù))直接決定了硬件設(shè)備資源的可共用及可重組能力。因此，需對(duì)信號(hào)傳輸方式及傳輸性能進(jìn)行分析。

光通信在我國(guó)已經(jīng)有40多年的發(fā)展歷史，因其所具有的傳輸頻帶寬、容量大、抗電磁干擾、不易串音、損耗低、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。將光纖傳輸技術(shù)運(yùn)用于測(cè)控系統(tǒng)可提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力、系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性以及減小系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，能夠明顯提高系統(tǒng)的傳輸容量，并且大幅度的減小其尺寸和重量，信號(hào)傳輸過(guò)程中的能量損耗和錯(cuò)誤率也呈數(shù)量級(jí)的減少[3]。

結(jié)合射頻直接數(shù)字化技術(shù)綜合考慮，選用基于數(shù)字光纖的網(wǎng)絡(luò)傳輸方案。將射頻數(shù)字化功能與后端信號(hào)處理部分剝離開(kāi)來(lái)，射頻數(shù)字化功能作為一個(gè)獨(dú)立模塊置于天線(xiàn)中心體內(nèi)，天線(xiàn)饋源輸出信號(hào)經(jīng)場(chǎng)放放大后直接送入射頻數(shù)字化模塊，在射頻數(shù)字化模塊中，射頻ADC芯片完成信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換后，利用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)信號(hào)的并串轉(zhuǎn)換，送入光模塊，完成電光轉(zhuǎn)換后通過(guò)光纖完成遠(yuǎn)距離傳輸。后端信號(hào)處理設(shè)備直接采用光纖接口，接收到的光信號(hào)通過(guò)光模塊轉(zhuǎn)換為串行bit流，送入信號(hào)處理設(shè)備的FPGA完成信號(hào)解調(diào)。對(duì)于射頻調(diào)制信號(hào)，其工作方式類(lèi)似。

采用數(shù)字光纖傳輸方式后，可選用光纖交換網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成不同上下行測(cè)控鏈路與終端設(shè)備的任意匹配，還可擴(kuò)展通過(guò)萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)交換與傳輸。這樣一來(lái)，將公共的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)用于傳輸測(cè)控信號(hào)從根本上改變了測(cè)控信號(hào)的傳輸方式，從傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交換方式轉(zhuǎn)變?yōu)榱嘶跀?shù)據(jù)包交換的形式，改變了系統(tǒng)連接架構(gòu)。這種連接方式去掉了傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)矩陣，采用數(shù)據(jù)“池”的概念，避免了傳輸過(guò)程中信號(hào)干擾問(wèn)題，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性（通用網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展）。同時(shí)簡(jiǎn)化了設(shè)備連接，僅射頻連接電纜較原有系統(tǒng)就減少了87%，并且實(shí)現(xiàn)了多設(shè)備備份、重組更靈活。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用射頻數(shù)字化后的新一代“池”式測(cè)控體系，顛覆了現(xiàn)有測(cè)控體現(xiàn)架構(gòu)，天線(xiàn)前端信號(hào)數(shù)字化、IP網(wǎng)絡(luò)化，構(gòu)建了天線(xiàn)前端資源池；兼容不同類(lèi)型處理終端的異構(gòu)“資源池”，資源“全網(wǎng)”可見(jiàn)，可靈活調(diào)配；利用“成熟以太網(wǎng)技術(shù)”構(gòu)建開(kāi)放系統(tǒng)互連架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各種資源靈活接入，打破了傳統(tǒng)的矩陣式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交換方式，改變了系統(tǒng)的鏈接方式，具有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性和重組能力。測(cè)控射頻數(shù)字化技術(shù)滿(mǎn)足未來(lái)越來(lái)越復(fù)雜的測(cè)控任務(wù)對(duì)測(cè)控站資源調(diào)配重組的需求，可被應(yīng)用于目前幾乎所有的測(cè)控站。