基于力位協(xié)同控制的航天器多路射頻頻譜監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

吳 敏，王學(xué)良

(中國科學(xué)院 微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 200120)

0 引言

實時監(jiān)測多路射頻信號，可以實現(xiàn)對射頻頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的控制，射頻信號在許多領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用，例如衛(wèi)星通信、無線電廣播、航天器控制等領(lǐng)域。力位協(xié)同控制是通過將力量信息與位置信息有效融合，使航天器多路射頻驅(qū)動結(jié)構(gòu)到達(dá)指定位置，實現(xiàn)航天器多路射頻部件之間的完美配合。在航天器多路射頻頻譜監(jiān)測過程中，力位協(xié)同控制是產(chǎn)生運(yùn)動軌跡、估計調(diào)姿誤差、估計調(diào)姿機(jī)構(gòu)力位的基礎(chǔ)。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，對多路射頻信號的監(jiān)測，主要監(jiān)測的內(nèi)容是射頻信號的傳輸范圍和測量精度，實時監(jiān)測無線電廣播電視基站對多路射頻信號，主要監(jiān)測射頻信號的強(qiáng)度以及射頻數(shù)據(jù)的變化，對射頻信號的監(jiān)測意義重大[1-2]。

隨著航天器技術(shù)的快速發(fā)展，基于力位協(xié)同控制，射頻信號影響著航天器測試的質(zhì)量，航天器與地面建立聯(lián)系的通信鏈路，其數(shù)量隨著射頻信號的增強(qiáng)而增多，通信鏈路越多，航天器與地面測控站的信息交互越頻繁，因此對射頻信號進(jìn)行有效的監(jiān)測可以提高航天器與地面測控站的信息交互強(qiáng)度。文獻(xiàn)[3]提出基于開關(guān)矩陣的衛(wèi)星通信測控站多路頻譜監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，利用接入基帶上行中頻信號，獲取遙控信號頻譜，通過USB接口連接計算機(jī)與頻譜分析儀，實現(xiàn)頻譜分析儀實時顯示，基于開關(guān)矩陣，采用串行EEPROM器件，內(nèi)集成總線為雙線串行進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用MAX3232芯片實現(xiàn)多路頻譜監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程，實現(xiàn)衛(wèi)星通信測控站多路頻譜監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。文獻(xiàn)[4]提出載人航天器與伴隨衛(wèi)星間射頻系統(tǒng)電磁兼容性分析方法，建立了基于射頻系統(tǒng)收發(fā)參數(shù)的電磁干擾安全裕度模型，分析了載人航天器接收天線伴隨發(fā)射天線所產(chǎn)生的等效干擾。從載人航天器與伴隨衛(wèi)星的在軌電磁兼容的角度出發(fā)，給出了航天器之間兼容工作的最小相對距離計算方法。雖然上述研究取得一定進(jìn)展，但頻率偏差較大、掃頻和隨機(jī)掃頻對射頻頻譜的監(jiān)測效果較差。為了解決以上出現(xiàn)的問題，設(shè)計了基于力位協(xié)同控制的航天器多路射頻頻譜監(jiān)測系統(tǒng)，給出了硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程，最后通過實驗研究，驗證了本文系統(tǒng)的工作效果。

1 基于力位協(xié)同控制的航天器多路射頻頻譜監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于力位協(xié)同控制的航天器多路射頻頻譜監(jiān)測系統(tǒng)硬件主要由頻譜分析儀、單片機(jī)和控制單元三部分組成[5-6]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于力位協(xié)同控制的航天器多路射頻頻譜監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 頻譜分析儀設(shè)計

基于力位協(xié)同控制的航天器多路射頻頻譜監(jiān)測系統(tǒng)中的頻譜分析儀是本文系統(tǒng)的重要設(shè)備，該頻譜分析儀的測量范圍為2～39.88 GHz，屬于頻率覆蓋中頻范圍，在3～4 GHz的頻段上，具有-100 dBm的噪聲電平，分辨率帶寬為5 GHz，可以同時監(jiān)測4路射頻信號[7]。頻譜分析儀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 頻譜分析儀結(jié)構(gòu)

針對頻譜分析儀的控制接口，考慮力位協(xié)同控制，可采用其他系列的控制接口，因為頻譜分析儀的控制接口基本上是相同的，因此可以交替進(jìn)行使用，這樣大大提升了航天器多路射頻頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的通用性[8]。

1.2 單片機(jī)設(shè)計

基于力位協(xié)同控制的航天器多路射頻頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的單片機(jī)為監(jiān)測系統(tǒng)的CPU，該單片機(jī)的生產(chǎn)成本較低，具有所占體積較小、使用功耗較低的優(yōu)勢，是一款性能較好的單片機(jī)[9-10]，考慮力位協(xié)同控制，充分滿足了航天器與地面測控站的信息交互需求。單片機(jī)最大工作頻率是72 MHz，內(nèi)置32 K字節(jié)的閃光點、2個計時器、20 K字節(jié) RAM、2個同步串行通訊接口、4個異步串行通訊接口、多個I/O接口和UART接口、6個SPI接口，其內(nèi)核為ARM16位的8051[11-12]。單片機(jī)串口如圖3所示。

圖3 單片機(jī)串口

該單片機(jī)還具有1個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為2 μs，轉(zhuǎn)換范圍為0～7.2 V，對航天器射頻頻譜具有保持功能，滿足航天器多路射頻頻譜監(jiān)測系統(tǒng)對射頻信號的采樣需求，提升了射頻信號的刷新率，實現(xiàn)了對射頻頻譜的監(jiān)測和控制[13-14]。

監(jiān)測系統(tǒng)的電路主要為系統(tǒng)提供電源，并進(jìn)行短路保護(hù)、失調(diào)電壓的調(diào)零，電路選用單電源為系統(tǒng)進(jìn)行供電，瞬時電壓最高可達(dá)12 V，最低電壓為1.8 V，工作電壓為8.5 V，工作電流為3.3 A，由于系統(tǒng)單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器不能采集負(fù)值，因此需要將航天器多路射頻信號進(jìn)行放大，并添加直流偏置電壓，電壓輸入范圍為0～5 V，電壓采集精度為5 mV。系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

1.3 控制單元設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)的控制單元采用TI公司生產(chǎn)的商用PC機(jī)，內(nèi)置雙核CPU，其工作主頻最高可達(dá)3.45 GHz，正常工作頻率為2.58 GHz，具有8 GB的內(nèi)存，可存儲多種射頻頻譜數(shù)據(jù)，控制單元的內(nèi)部配置了網(wǎng)卡，可為多路射頻信號的傳輸提供較高的網(wǎng)速[15]?？刂茊卧Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 控制單元結(jié)構(gòu)

控制單元內(nèi)具有一款成本較低、精度較高的放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，放大器的放大倍數(shù)為1～15 000倍，能使單片機(jī)內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器放大多路射頻信號，A/D轉(zhuǎn)換器屬于16位逐次逼近型轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速度快，可迅速將多路射頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以方便航天器與地面測控站進(jìn)行信息交互，以保證多路射頻信號通過各種接口進(jìn)行傳輸，控制單元主要實現(xiàn)對監(jiān)測系統(tǒng)中頻譜分析儀和單片機(jī)的控制，以及對多路射頻頻譜進(jìn)行監(jiān)測[16]。

2 基于力位協(xié)同控制的航天器多路射頻頻譜監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于力位協(xié)同控制的航天器多路射頻頻譜監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。

圖6 基于力位協(xié)同控制的航天器多路射頻頻譜監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程

首先，對多路射頻信號的頻譜進(jìn)行切換。頻譜分析儀和監(jiān)測軟件建立連接后，頻譜分析儀識別控制命令庫中的控制命令，并向系統(tǒng)發(fā)送控制命令，搜索命令庫中的頻譜切換命令，轉(zhuǎn)換成程序語言。通過程序語言向航天器提供控制接口，在頻譜分析儀上設(shè)置射頻信號的頻譜帶寬參數(shù)，將頻譜帶寬參數(shù)代入頻譜程序語言內(nèi)，同時基于力位協(xié)同控制，將頻譜切換命令封裝成功能函數(shù)，通過功能函數(shù)判斷頻譜帶寬參數(shù)是否超出了頻譜分析儀的限定范圍，若超出限定范圍，則構(gòu)建射頻信號控制命令，對射頻信號控制命令的長度以及頻譜帶寬參數(shù)進(jìn)行初始化，若未超出頻譜分析儀的限定范圍，則根據(jù)頻譜切換命令對多路射頻信號的頻譜進(jìn)行切換[17-18]。

然后，顯示多路射頻信號的頻譜。對多路射頻信號的頻譜切換完畢后，為了實時顯示切換后的頻譜，需要向頻譜分析儀發(fā)送控制命令，頻譜分析儀接收控制命令后，保存當(dāng)前切換的多路射頻信號的頻譜圖像。保存完成后，通過無線通信傳輸系統(tǒng)將保存的頻譜圖像發(fā)送至頻譜監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)接收頻譜圖像后，將其以GIF文件格式進(jìn)行存儲?？紤]力位協(xié)同控制，監(jiān)測系統(tǒng)的控制單元通過查詢控制命令找到監(jiān)測系統(tǒng)存儲的頻譜圖像文件，并以堆方式讀取頻譜圖像文件，讀取完畢后將其臨時存儲到流對象指針內(nèi)，頻譜分析儀通過頻譜切換過程中創(chuàng)建的功能函數(shù)對頻譜圖像進(jìn)行初始化，通過控制單元調(diào)用功能函數(shù)中的射頻信號響應(yīng)函數(shù)，調(diào)用完畢后按照刷新控制命令刷新頻譜圖像所在的內(nèi)存區(qū)域，并將刷新信息定時發(fā)送出去，功能函數(shù)對發(fā)送出去的刷新消息進(jìn)行及時響應(yīng)，頻譜分析儀得到響應(yīng)消息后，發(fā)送頻譜圖像顯示控制命令，監(jiān)測系統(tǒng)接收頻譜圖像顯示的控制命令后，顯示多路射頻信號的頻譜圖像[19-20]。

最后，對射頻信號的頻譜進(jìn)行監(jiān)測。多路射頻信號的頻譜顯示完畢后，需要對其進(jìn)行實時監(jiān)測，在監(jiān)測時，需要讀寫每路射頻信號的測量數(shù)據(jù)，測量每路射頻信號的頻譜帶寬、顯示電平、中心頻率等參數(shù)；測量完畢后，對測量的射頻信號的數(shù)據(jù)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測通道的類別對射頻信號的頻譜進(jìn)行輪巡監(jiān)測。

3 實驗結(jié)果與分析

為了驗證本文設(shè)計的基于力位協(xié)同控制的航天器多路射頻頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的實際工作效果，將基于動態(tài)頻率選擇技術(shù)的航天器射頻頻譜監(jiān)測系統(tǒng)與本文系統(tǒng)進(jìn)行對比實驗。實驗的相關(guān)參數(shù)為：頻譜更新的時間間隔為2 ms，每個射頻信號的頻譜分辨率設(shè)置為20 dBm，輸入功率在-30～-10 dBm動態(tài)范圍內(nèi)，輸入頻率范圍為5～50 GHz，為保證實驗結(jié)果的有效性和嚴(yán)謹(jǐn)性，其他實驗條件均相同。

基于以上設(shè)置的實驗參數(shù)，首先針對不同系統(tǒng)的頻率偏差進(jìn)行實驗。將多路射頻信號的頻譜輸入到頻譜分析儀中，切換微波開關(guān)矩陣，多次測量在不同的頻率范圍內(nèi)多路射頻信號的頻譜偏移量，利用監(jiān)測系統(tǒng)中的場放設(shè)備收集頻率數(shù)據(jù)，為了獲得精度較高的頻率偏差，需要多采集不同頻率下的頻偏值，并對頻率數(shù)據(jù)和多路射頻信號進(jìn)行擬合，擬合后的頻偏量和不同頻率下的頻偏差值可反映監(jiān)測系統(tǒng)的頻率偏差情況，頻率偏差越高，系統(tǒng)對航天器多路射頻頻譜的監(jiān)測效果越差，頻率偏差越低，監(jiān)測效果越好，本文設(shè)計的基于力位協(xié)同控制的航天器多路射頻頻譜監(jiān)測系統(tǒng)對比結(jié)果如圖7所示。

圖7 頻譜偏置校正圖

通過圖7可以看出，通過對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，本文系統(tǒng)的頻率偏差較低，頻譜校正后偏差與溫度—頻偏特性曲線基本一致。由此驗證了本文系統(tǒng)的頻率偏差監(jiān)測效更好。針對監(jiān)測系統(tǒng)中掃頻和隨機(jī)掃頻對多路射頻帶寬頻譜的監(jiān)測效果進(jìn)行對比實驗，監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。

圖8 帶寬頻譜監(jiān)測結(jié)果

由圖8可知，采用頻譜分析儀分析監(jiān)測并保存250 s的多路射頻信號，利用掃頻和隨機(jī)掃頻對多路射頻數(shù)據(jù)進(jìn)行離線操作，由于多路射頻信號中的下行鏈路信號較為穩(wěn)定，且下行鏈路信號的傳輸信道變化較小，在利用掃頻進(jìn)行離線操作時，設(shè)置掃頻的采樣時間間隔為25 s，對下行鏈路信號頻譜的采樣只需要6次即可，隨機(jī)掃頻的采樣時間間隔設(shè)置為12.5 s，需要進(jìn)行12次采樣。對于多路射頻信號中的時變信號，其傳輸速度較快，且頻率變化范圍較大，不容易捕捉時變信號頻譜的變化，因此采用掃頻對時變信號頻譜進(jìn)行采樣的時間間隔為30 s，采樣次數(shù)為5次，隨機(jī)掃頻對時變信號頻譜的采樣時間間隔為50 s，采樣次數(shù)為3次，采樣完成后統(tǒng)計掃頻和隨機(jī)掃頻的頻譜采樣數(shù)值，兩種監(jiān)測系統(tǒng)的掃頻和隨機(jī)掃頻的頻譜監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。

圖9 掃頻和隨機(jī)掃頻頻譜監(jiān)測結(jié)果

由圖9可知，對于多路射頻信號中下行鏈路信號的頻譜監(jiān)測，本文系統(tǒng)中掃頻和隨機(jī)掃頻的頻譜監(jiān)測數(shù)值較高；對于多路射頻信號中時變信號的頻譜監(jiān)測，本文設(shè)計的基于力位協(xié)同控制的航天器多路射頻頻譜監(jiān)測系統(tǒng)中，掃頻和隨機(jī)掃頻對時變信號頻譜的監(jiān)測數(shù)值較高。由此可見，本文系統(tǒng)的掃頻和隨機(jī)掃頻可以很好地完成頻譜監(jiān)測。

綜上所述，本文設(shè)計的基于力位協(xié)同控制的航天器多路射頻頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的頻率偏差更低，掃頻和隨機(jī)掃頻對多路射頻頻譜的監(jiān)測效果更好。

4 結(jié)束語

為了解決以往航天器射頻頻譜監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)的：頻率偏差較高、掃頻和隨機(jī)掃頻的頻譜監(jiān)測效果差等問題，本文設(shè)計了基于力位協(xié)同控制的航天器多路射頻頻譜監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件方面設(shè)計了頻譜分析儀、單片機(jī)、電路、控制單元，完成了對多路射頻頻譜的采樣、切換和控制，軟件方面給出了軟件流程，最后通過實驗研究驗證了本文系統(tǒng)具有更低的頻率偏差，多路射頻頻譜的監(jiān)測效果更好。