基于Web的多體制中頻測控一體機設計與實現(xiàn)*

夏珍珠,朱曉輝,李紹旸

(中國空間技術研究院,北京 100094)

0 引 言

測控基帶設備是衛(wèi)星地面TT&C測試、測控模擬和地面站測控業(yè)務中的核心單機。傳統(tǒng)的地面測試系統(tǒng)中采用功能強大的引進設備Cortex CRT,該產(chǎn)品采用了通用化的工控機硬件平臺和先進的軟件無線電技術,其優(yōu)點是性能優(yōu)異、通用化強。在衛(wèi)星地面測試過程中需配合信號源、頻譜儀、開關矩陣、上變頻器、下變頻器、功率計、頻率計及示波器等設備,雖然引進設備功能完備,但系統(tǒng)集成度低、連接關系復雜、信號中繼環(huán)節(jié)多等缺點降低了系統(tǒng)整體可靠性。同時,其實現(xiàn)關鍵功能的核心技術不可控,發(fā)生與其相關的異常現(xiàn)象時由于涉及測控數(shù)據(jù)等關鍵信息難以協(xié)調外方展開深入分析,也無法針對需求做定制化開發(fā),這成為制約系統(tǒng)集成度和測試效率進一步提高的瓶頸。

隨著我國航天事業(yè)的快速發(fā)展,出現(xiàn)了統(tǒng)一S 頻段(Unified S-band,USB)、統(tǒng)一C 頻段(Unified C-band,UCB)、非相干擴頻等多種測控信號體制共存的現(xiàn)狀[1]。本文針對衛(wèi)星測控體制多樣化的發(fā)展趨勢,研制了基于Web的多體制中頻測控一體機以適應多體制測控、高集成、小型化和智能化的測控設備。針對上述需求,完成了測控一體機硬件和軟件的設計。硬件采用軟件無線電架構,大部分功能在數(shù)字基帶中實現(xiàn),在物理電路上將FPGA模塊和ARM模塊設計為一塊電路板。軟件設計包括核心數(shù)字基帶算法、測控任務管理軟件和嵌入式網(wǎng)頁的開發(fā),可通過Web瀏覽器和TCP/IP遠程監(jiān)控測控一體機,設備配置靈活,測控體制和功能可動態(tài)重構。

1 傳統(tǒng)的測控基帶設備

CORTEX CRT是法國ZODIAC DATA SYSTEM公司設計制造的遙測、遙控和測距集成基帶處理設備,代表了當前測控基帶設備的國際先進水平,具有遙測處理、多普勒測量、衛(wèi)星遙控、衛(wèi)星測距、遙測模擬和遙控自環(huán)比對等功能,是傳統(tǒng)衛(wèi)星測試系統(tǒng)中的核心單機。其主要功能是完成多路測控信號的調制解調,為衛(wèi)星或衛(wèi)星模擬系統(tǒng)提供可靠的測控鏈路,同時滿足衛(wèi)星測控分系統(tǒng)功能性能測試的需求。傳統(tǒng)基帶設備存在以下不足:一是技術不透明,對偶爾發(fā)生的丟幀等異?，F(xiàn)象難以展開深入的分析;二是設備功能復雜,操作繁復;三是不具備功率、頻率測量功能,為實現(xiàn)相關測試任務必須在系統(tǒng)中單獨配置功率計和頻率計;四是不支持傳輸音單載波信號輸出,為實現(xiàn)相關測試任務必須在系統(tǒng)中單獨配置信號源設備。

綜上,通過對CORTEX CRT的硬件和功能性能分析發(fā)現(xiàn),可將遙測、遙控、測距、側音載波輸出、功率測量和頻率測量功能集成于一臺設備中,達到減少信號鏈路、縮減設備數(shù)量和體積的目的。

2 設計目標和原理

2.1 設計目標

測控一體機的設計主要解決兩個方面的需求:一是提高衛(wèi)星遙測、遙控和跟蹤系統(tǒng)的測試效率;二是多種測控信號體制的融合。

1)提高測試系統(tǒng)的測試效率

為了提高測試效率,需要降低地面測控系統(tǒng)的復雜度和提高系統(tǒng)的自動化水平。測控一體機的設計不僅具備遙測、遙控和測距功能,還具有遙測模擬、側音載波輸出、功率測量和頻率測量的功能,在系統(tǒng)測試階段可減少信號源、功率計和頻率計等設備,從而減少了測試系統(tǒng)的中繼環(huán)節(jié),降低了系統(tǒng)的復雜度。為了提高系統(tǒng)的自動化水平,測控一體機的網(wǎng)絡化設計采用基于C/S架構的TCP/IP網(wǎng)絡接口設計實現(xiàn)序列化執(zhí)行測試項目,采用基于B/S架構的嵌入式Web設計來實現(xiàn)遠程更改配置和測控體制切換。

2)測控信號體制融合

測控一體機的設計具備三種常用的測控信號體制的調制解調,配置設備參數(shù)時,匹配中頻信號的輸入和輸出調制解調方式即可實現(xiàn)不同測控體制的遙測、遙控和測距功能,設備的配置參數(shù)存儲在設備中,設備啟動后點擊配置參數(shù)切換按鈕可一鍵式完成測控體制的切換。

3)相比同類產(chǎn)品的優(yōu)勢

當前主流的同類型產(chǎn)品均是基于工控機架構,以FPGA為核心的數(shù)字信號處理板卡完成遙測、遙控和跟蹤信號的處理。多體制中頻測控一體機的優(yōu)勢在于與整個衛(wèi)星地面測試系統(tǒng)的緊密融合和功能集成,可靈活切換測控體制,同一套測試系統(tǒng)適用于不同測控體制的測試需求,實現(xiàn)了高水平的自動化測試。

2.2 設計原理

測控一體機的設計借鑒軟件無線電思想,整體設計為輸入中頻模擬信號,由ADC轉換為數(shù)字信號輸出至FPGA完成數(shù)字變頻、信號捕獲以及數(shù)字信號的調制解調處理,FPGA輸出的數(shù)字信號經(jīng)DAC轉換為模擬信號輸出。測控一體機數(shù)字化和網(wǎng)絡化設計包括帶通采樣、內插處理、抽取處理和嵌入式Web技術等方面。

2.2.1 帶通采樣

測控一體機的輸入和輸出信號是中心頻率為70 MHz的帶通信號,采用帶通采樣可有效降低采樣速率,使用較低的釆樣速率即可還原輸入信號的特性,降低了后續(xù)數(shù)字信號處理的難度。

設一個頻帶限制在(fL,fH)內的時間連續(xù)信號x(t),信號帶寬B=fH-fL,令M=fH/B-N,N為不大于fH/B的最大正整數(shù),采樣頻率滿足

(1)

則可以由抽樣序列無失真的重建原始信號x(t)[2]。測控一體機的帶通采樣在中頻接收電路中實現(xiàn),ADC采樣頻率為100 MHz,60～80 MHz的中頻信號經(jīng)采樣后轉換為20～40 MHz的數(shù)字信號由FPGA繼續(xù)降頻處理。

2.2.2 內插和抽取處理

抽取是軟件無線電接收機的理論基礎,內插是軟件無線電發(fā)射機的理論基礎,內插和抽取均在FPGA中完成。

在測控一體機的發(fā)射端,為了使數(shù)據(jù)速率與載波速率相匹配,需要對數(shù)據(jù)進行內插操作,以提高數(shù)據(jù)的采樣速率。為了能恢復原始信號,內插后進行低通濾波。

在測控一體機的接收端,ADC后的數(shù)據(jù)速率很高,無法對全部數(shù)據(jù)進行處理,通過抽取操作進行重采樣,以降低數(shù)據(jù)速率。為了防止信號抽取后產(chǎn)生混疊,抽取前用數(shù)字低通濾波器根據(jù)抽取后的采樣率對信號進行濾波處理。

2.2.3 嵌入式Web實現(xiàn)原理

嵌入式Web服務器BOA監(jiān)聽超文本傳輸協(xié)議(Hyper Text Transfer Protocol,HTTP)端口80,當客戶端向服務器發(fā)起連接請求后,客戶端和服務器之間經(jīng)過交互協(xié)議建立連接。服務器對客戶端的HTTP請求進行解析,創(chuàng)建相應的通用網(wǎng)關接口(Common Gateway Interface,CGI)應用程序進程,并將客戶端請求信息傳遞至CGI應用程序進程。CGI應用程序讀取從Web服務器傳遞的客戶端請求信息,對請求進行解析和處理后將處理結果返回至Web服務器,由Web服務器生成HTTP響應信息返回至客戶端。

3 總體設計

多體制中頻測控一體機主要實現(xiàn)USB、UCB和非相干擴頻測控體制的遙控信號調制、遙測信號解調,以及測距測速。USB測控體制的上行載波和下行載波調制方式均采用調相(Phase Modulation,PM)。UCB測控體制的上行載波調制方式為調頻(Frequency Modulation,FM),下行載波調制方式為PM。非相干擴頻測控體制調制方式為PCM-CDMA-BPSK。多體制中頻測控一體機的主要技術指標如表1所示。

表1 多體制中頻測控一體機主要技術指標

如圖1所示,多體制中頻測控一體機主要由機箱、電源模塊、中頻數(shù)字信號處理模塊組成。

圖1 多體制中頻測控一體機組成

圖1中電源模塊對測控一體機提供直流二次電源。嵌入式系統(tǒng)模塊是以高性能ARM處理器和嵌入式Linux為核心的嵌入式微系統(tǒng),實現(xiàn)任務管理與調度、數(shù)據(jù)的處理與存儲、程序控制和網(wǎng)絡通信等功能。FPGA模塊實現(xiàn)信號的調制、解調等數(shù)字基帶信號處理。中頻接收電路接收中心頻率為70 MHz、帶寬為20 MHz的中頻模擬信號,輸出數(shù)字信號至FPGA。中頻發(fā)射電路發(fā)射中心頻率為70 MHz、帶寬為20 MHz的中頻模擬信號。視頻接收電路接收模擬視頻信號,輸出數(shù)字信號至FPGA。視頻發(fā)射電路輸出0～1 MHz的視頻模擬信號。時鐘管理電路負責內外部頻標信號的選擇和生成中頻信號處理模塊所使用的時鐘。時碼輸入電路采集IRIG-B時碼,輸出信號至FPGA。中頻接收和發(fā)射、視頻接收和發(fā)射、頻標管理、時碼管理、FPGA模塊和嵌入式系統(tǒng)模塊由一塊PCB 板實現(xiàn)[3-5],所有硬件模塊安裝于高為1U的通用機箱中。

4 硬件設計

基于Web的多體制中頻測控一體機的硬件電路模塊主要用于實現(xiàn)中頻信號的輸入/輸出和視頻信號的輸入/輸出,并完成相關的信號處理。

4.1 嵌入式系統(tǒng)設計

嵌入式系統(tǒng)的主要任務是運行任務管理軟件,實現(xiàn)設備的任務調度、數(shù)據(jù)存儲和網(wǎng)絡通信控制。系統(tǒng)硬件主要包括ARM處理器、存儲器和以太網(wǎng)絡等對外接口電路。

處理器選用工作主頻1.0 GHz的工業(yè)級ARM器件。處理器外接DDR3 SDRAM作為系統(tǒng)擴展內存,外接Nand Flash作為遙測數(shù)據(jù)、配置參數(shù)、日志信息及其他關鍵數(shù)據(jù)的非易失存儲,對遙測數(shù)據(jù)進行不間斷緩存,且緩存數(shù)據(jù)掉電不丟失。

對外數(shù)據(jù)接口采用雙路冗余備份的千兆以太網(wǎng)口作為主要數(shù)據(jù)交互接口,既滿足現(xiàn)階段使用需求,也具備可擴展空間。

操作系統(tǒng)使用嵌入式Linux系統(tǒng),基于開源的Linux內核進行定制化裁剪,并單獨開發(fā)了針對FPGA信號處理模塊的驅動軟件,實現(xiàn)應用軟件與硬件設備層隔離,保障了系統(tǒng)的性能、可靠性及軟件的可移植性。

4.2 FPGA模塊電路設計

FPGA模塊包括FPGA及其所需的電源、時鐘、加載和調試接口等電路。

FPGA選用Xilinx公司的Virtex-7系列高性能器件,完成基帶信號的數(shù)字調制、解調。作為數(shù)字信號處理模塊的核心器件,FPGA負責所有中頻和視頻信號的處理工作,包括采集和發(fā)射電路。中頻接收電路的兩路ADC、中頻發(fā)射電路的兩路DAC、視頻電路的ADC和視頻電路的DAC均與FPGA相連。FPGA內部實現(xiàn)的功能還包括與ARM處理器的專用接口、中斷管理、時鐘管理等。主要模塊如下:

信號處理:實現(xiàn)70 MHz模擬中頻和基帶信號的采集與生成。

與ARM接口:實現(xiàn)FPGA與ARM之間的數(shù)據(jù)傳輸,ARM根據(jù)上位機或嵌入式網(wǎng)頁下發(fā)的指令將對應的配置參數(shù)寫入FPGA的指定寄存器或是從指定的寄存器讀取數(shù)據(jù)。

中斷管理:管理FPGA輸出至ARM的中斷信號,主要包括中頻接收通道1中斷、中頻接收通道2中斷、遙控接收中斷和遙測發(fā)送中斷共四種類型的中斷,確保ARM在響應FPGA中斷的同時FPGA不再上傳新的中斷。

參數(shù)配置管理:接收嵌入式系統(tǒng)模塊下傳的配置參數(shù),使FPGA根據(jù)用戶配置參數(shù)工作。同時,參數(shù)配置管理子模塊將FPGA的參數(shù)配置、工作狀態(tài)等狀態(tài)信息傳送給嵌入式系統(tǒng)模塊,再通過網(wǎng)口傳輸給上位機軟件或嵌入式網(wǎng)頁用于設備監(jiān)控。

時鐘管理:FPGA共輸入3路時鐘,分別用于對外接口信號的處理時鐘,包括100 MHz的A/D采樣時鐘、500 MHz的D/A轉換時鐘和20 MHz的時頻轉換時鐘。

本地時標:FPGA的本地時間管理模塊,產(chǎn)生FPGA本地時標信息,為遙控幀數(shù)據(jù)、遙測幀數(shù)據(jù)加入時標信息。本地時標模塊支持上位機授時,同時支持上位機讀取FPGA本地時標,時標信息包括年、天、小時、分鐘、秒、毫秒、微秒,精度為1 μs。

溫度采集:利用Virtex-7芯片自帶的系統(tǒng)監(jiān)控功能,采集FPGA芯片溫度發(fā)送至ARM主控模塊,通過網(wǎng)口傳輸給上位機軟件或嵌入式網(wǎng)頁進行實時監(jiān)控。

LED控制:FPGA數(shù)字信號處理模塊控制兩路中頻輸入和輸出共4路LED。

4.3 中頻接收電路設計

中頻接收電路主要完成中心頻率為70 MHz、帶寬為20 MHz、輸入功率動態(tài)范圍為-90～0 dBm的中頻模擬信號接收,模數(shù)轉換后輸出數(shù)字信號至FPGA模塊。圖2為中頻接收電路的原理框圖。

圖2 中頻接收電路原理

濾波電路采用兩級帶通濾波,前級帶通濾波器用于濾除輸入信號的諧波和其他雜散分量,后級帶通濾波器用于ADC采樣時的抗混疊濾波。功率調整由固定增益放大器和數(shù)控衰減器組成,數(shù)控衰減器由FPGA依據(jù)數(shù)字檢波或功率檢測的結果來調節(jié)。ADC將模擬中頻信號轉換為數(shù)字信號輸出至FPGA。

4.4 中頻發(fā)射電路設計

中頻發(fā)射電路主要完成中心頻率為70 MHz、帶寬為20 MHz、輸出功率動態(tài)范圍為-90～0 dBm的中頻模擬信號輸出。圖3為中頻發(fā)射電路的原理框圖。

DAC接收FPGA輸出的中頻數(shù)字信號,將數(shù)字信號轉換為模擬信號。濾波電路采用兩級帶通濾波,用于濾除輸出信號的諧波和其他雜散分量。功率調整由固定增益放大器和數(shù)控衰減器組成,數(shù)控衰減器的衰減量由FPGA程序控制。

4.5 視頻接收電路設計

視頻接收電路接收模擬視頻信號,經(jīng)過低通濾波器、差分放大和模數(shù)轉換后輸出數(shù)字信號。

低通濾波器對視頻輸入信號進行低通濾波,差分放大器用于將單端信號轉換為差分信號,ADC將模擬視頻信號轉換為數(shù)字信號輸出至FPGA。

4.6 視頻發(fā)射電路設計

視頻發(fā)射電路將數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模轉換、差分放大和低通濾波器后,輸出視頻信號。

DAC接收FPGA輸出的視頻數(shù)字信號,將數(shù)字信號轉換為模擬信號。差分放大器將差分信號轉換為單端信號,并進行幅度放大。低通濾波器實現(xiàn)模擬信號的濾波和放大輸出。

5 軟件設計

5.1 任務管理軟件設計

任務管理軟件運行在ARM處理器上,開發(fā)環(huán)境為Linux操作系統(tǒng)。任務管理軟件架構如圖4所示。

圖4 任務管理軟件架構

5.1.1 接口程序設計

TCP/IP通信服務:作為服務器端為遙測獲取、遙控操作、參數(shù)配置、設備監(jiān)視和測距操作等客戶端分別提供相應的Socket通信服務端口,客戶端連接服務器端Socket端口與服務端按照數(shù)據(jù)交互協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互,服務端處理處理客戶端請求并返回應答。

FPGA驅動通信服務:與FPGA驅動進行數(shù)據(jù)交互,實現(xiàn)遙控數(shù)據(jù)的發(fā)送、遙測數(shù)據(jù)的接收、FPGA狀態(tài)信息采集和FPGA工作參數(shù)的設置。

CGI通信服務:與Web后端CGI程序通過共享內存進行數(shù)據(jù)交互,實現(xiàn)工作模式控制、參數(shù)設置和狀態(tài)查詢。

5.1.2 核心功能

任務管理和調度:接收以太網(wǎng)絡遙控、測距、參數(shù)配置等指令,執(zhí)行相應的任務并返回執(zhí)行結果,如遙測數(shù)據(jù)緩存和發(fā)送、測距測速的邏輯控制、遙控數(shù)據(jù)的接收發(fā)送和自環(huán)比對。

狀態(tài)監(jiān)測:收集測控一體機的各種狀態(tài)信息,包括FPGA的狀態(tài)信息,如FPGA系統(tǒng)監(jiān)控功能中所有被監(jiān)測信號的量值;硬件狀態(tài),如當前風扇轉速和FLASH檢測狀態(tài);軟件狀態(tài),如當前工作狀態(tài)、IP地址和TCP端口連接狀態(tài)等。

自檢測:系統(tǒng)啟動時進行加電自檢測,檢測項目包括存儲器讀寫、與FPGA通信、以太網(wǎng)絡接口、LED巡檢和風扇檢測。自檢完成后收集自檢數(shù)據(jù)信息并存入日志。

故障告警:當自檢測失敗,或狀態(tài)監(jiān)測信息超出設置的閾值時,通過LED告警燈上報故障告警信息,故障信息存入日志。

日志管理:緩存部分遙測、存儲告警信息、存儲配置參數(shù)、存儲啟動自檢測記錄等。

5.2 數(shù)字基帶信號處理軟件設計

數(shù)字基帶信號處理軟件運行在FPGA器件中,主要完成中頻測控信號的調制解調和測距算法的實現(xiàn),以及功率計算、頻率計算、信噪比估計等測量輔助功能[6-11]。為了在同一臺硬件中實現(xiàn)針對UCB、USB和非相干擴頻測控體制的應用,在數(shù)字基帶信號處理軟件中設計了兩套并行的基帶信號處理算法,其中一套負責處理UCB、USB測控體制,另一套負責處理非相干擴頻測控體制。

5.2.1 UCB、USB測控體制

圖5為UCB、USB測控體制數(shù)字基帶信號處理算法原理框圖。

圖5 UCB、USB測控體制數(shù)字基帶信號處理軟件算法原理

模數(shù)轉換部分:為了降低后續(xù)數(shù)據(jù)處理速率,對中頻輸入信號進行帶通采樣,實現(xiàn)頻偏的一次下搬移。載波跟蹤完成后,信號從中頻變?yōu)榛鶐А?/p>

捕獲跟蹤部分:采用FFT算法進行中頻信號的快速捕獲,同時結合唐檢測器來完成檢測判決。載波初始捕獲完成后,系統(tǒng)將進入載波跟蹤環(huán)節(jié),采用鎖相環(huán)進行載波的跟蹤,同時完成調相信號的解調,輸出基帶信號給下一級模塊進行處理。

信號分離部分:為了避免在解調過程中相互影響,采用帶通濾波器的方法將遙測副載波信號和測距信號分離。

解調部分:遙測副載波信號的BPSK信號采用相干解調的方法。對于數(shù)字調相信號,相干檢測過程與理論上的最優(yōu)解調的方法相符合,可以在較低的信噪比下工作。

測距采用接收發(fā)射比相法計算相差及解模糊,完成距離測量。

5.2.2 非相干擴頻測控體制

非相干擴頻測控體制數(shù)字基帶信號處理算法主要包括捕獲、跟蹤兩大功能模塊[12-16],其中,捕獲模塊包含偽碼相位捕獲、載波頻率捕獲、數(shù)據(jù)位捕獲,這三個子模塊串行工作;跟蹤模塊包含偽碼相位跟蹤、載波頻率跟蹤、數(shù)據(jù)位跟蹤,這三個子模塊并行工作。圖6為非相干擴頻測控體制數(shù)字基帶信號處理算法原理框圖。

圖6 非相干擴頻測控體制數(shù)字基帶信號處理軟件算法原理

5.3 嵌入式網(wǎng)頁設計

嵌入式網(wǎng)頁實現(xiàn)遠程用戶通過Web瀏覽器登錄訪問多體制測控一體機,通過網(wǎng)頁設置遙控、遙測、測距等相關參數(shù)信息,采集并顯示整機所有的工作狀態(tài)參數(shù),完成對設備的監(jiān)控。圖7為嵌入式網(wǎng)頁設計原理框圖[17]。

圖7 嵌入式網(wǎng)頁設計原理

5.3.1 Web前端網(wǎng)頁設計

Web前端網(wǎng)頁采用HTML、JavaScript、CSS、jQuery和AJAX技術實現(xiàn)。HTML和CSS實現(xiàn)頁面的呈現(xiàn)效果,JavaScript、jQuery和AJAX實現(xiàn)網(wǎng)頁的動態(tài)交互。由JavaScript監(jiān)聽瀏覽器用戶操作事件,創(chuàng)建XMLHttpRequest對象,執(zhí)行send方法向服務器發(fā)送請求,XMLHttpRequest對象獲取返回數(shù)據(jù),解析數(shù)據(jù)后完成頁面數(shù)據(jù)的動態(tài)更新。

5.3.2 Web服務器

嵌入式Web服務器采用Boa服務器,嵌入式Boa服務器相比與其他嵌入式服務器更加精簡且便于開發(fā)。Boa服務器主要完成嵌入式系統(tǒng)與客戶端的網(wǎng)絡通信功能,建立Web 瀏覽器與嵌入式服務器的HTTP 連接,監(jiān)聽瀏覽器請求,根據(jù)瀏覽器的請求調用相應的CGI程序并返回應答。

5.3.3 CGI程序

CGI程序主要完成與Boa服務器和任務管理軟件的通信。CGI 程序解析前端網(wǎng)頁的請求,成功獲取數(shù)據(jù)后返回數(shù)據(jù)內容至網(wǎng)頁顯示。CGI 程序與任務管理軟件均采用C語言編寫,可以直接采用內存共享的方式進行數(shù)據(jù)交互,將任務管理軟件采集的遙控、遙測、測距以及設備狀態(tài)信息發(fā)送至瀏覽器網(wǎng)頁顯示。CGI 程序與任務管理軟件進行數(shù)據(jù)交互的流程如圖8所示。

圖8 CGI程序與任務管理軟件數(shù)據(jù)交互流程

6 測試結果和應用

6.1 衛(wèi)星地面測試應用

在衛(wèi)星地面測試階段,地面設備與衛(wèi)星之間采用射頻有線或無線連接,如圖9所示。以多體制中頻測控一體機為核心,圖中的相關設備負責建立并維持被測衛(wèi)星與地面測試系統(tǒng)之間的TT&C鏈路,形成閉合的測試回路,功率計、頻譜儀、示波器用于上下行測控信號監(jiān)視。

圖9 衛(wèi)星地面測試TT&C連接圖

完成系統(tǒng)硬件連接設置后,遠程訪問設備的Web頁面,首頁如圖10所示,包括中頻接收(Intermediate Frequency Receive,IFR)、中頻調制(Intermediate Frequency Modulation,IFM)、測距單元(Ranging Unit,RAU)、遙測模擬(Telemetry Simulation,TMS)、遙控單元(Telecommand Unit,TCU)、遙測單元(Telemetry Unit,TMU)等模塊,根據(jù)測控需求加載或修改輸入輸出配置可直接切換為不同的測控體制工作模式,配置信息存儲在設備中。

圖10 Web頁面首頁

6.2 測距測試

根據(jù)圖9所示的測試連接環(huán)境,分別使用多體制中頻測控一體機和Cortex CRT進行距離測量測試。

6.2.1 UCB測距體制

UCB測距體制上行FM,下行PM,測距音的主音頻率為27.777 78 kHz,傳輸音頻率為19 kHz,次音頻率為3 968.25 Hz,283.45 Hz和35.43 Hz,測量次數(shù)為100次。下行遙測為48 kHz的單載波,測控一體機與Cortex測試結果如表2和表3所示,記錄的測量方差為主音和次音測量的最大方差值。

表3 不同輸出調制頻偏下的測距結果

下行信號加調遙測后進行測距測試,測控一體機與Cortex測量方差如表4所示。

表4 加調遙測下行信號的測距結果

在加調和不加調遙測下行信號的情況下,針對不同的輸出功率和調制頻偏,測控一體機與Cortex測距結果一致。

6.2.2 USB測距體制

USB測距體制上下行均為PM模式,測距音主音頻率為100 kHz,次音頻率包括20 kHz,16 kHz,16.8 kHz,16.16 kHz,16.032 kHz和16.008 kHz,測量次數(shù)為100次。測控一體機與Cortex測距結果如表5所示。

表5 USB測距體制的測距結果

USB測距體制下,測控一體機與Cortex測距結果一致。

6.2.3 非相干擴頻測控體制

非相干擴頻測控體制采用非相干偽碼測距和多普勒測速,上、下行信號采用測距幀結構,幀內信息為測距信息。非相干擴頻測控體制下的測距結果如表6所示。

表6 非相干擴頻測控體制測距結果

非相干擴頻測控體制下,測控一體機與Cortex測距結果一致。

6.3 遙測遙控測試

遙測遙控測試使用Cortex STS模擬衛(wèi)星進行遙控指令解調和模擬遙測輸出,測試時使用同軸電纜將測控一體機和Cortex CRT分別與Cortex STS直連。

UCB和USB測控體制下行遙測副載波設置為65 536 Hz,碼速率為4 096 b/s。非相干擴頻測控體制下行遙測偽碼速率為10.23 Mchip/s,碼速率為4 096 b/s。每項測試發(fā)送遙測7 200條,測試結果如表7所示。

表7 遙測解調測試結果

UCB和USB測控體制上行遙控副載波設置為8 000 Hz,碼速率為1 000 b/s。非相干擴頻測控體制上行遙控偽碼速率為10.23 Mchip/s,碼速率為1 000 b/s。每項測試發(fā)送指令1 000條,包含執(zhí)行脈沖,測試結果如表8所示。

表8 遙控發(fā)令測試結果

測控一體機與Cortex在遙控測試中均能正確完成指令發(fā)送和遙測解調,接收Eb/N0值一致。

7 結 論

作為衛(wèi)星地面TT&C測試、測控模擬和地面站測控業(yè)務的核心設備,基于Web的多體制中頻測控一體機能夠完全替代引進產(chǎn)品,涵蓋了USB、UCB和非相干擴頻測控體制的遙控信號調制、遙測信號解調,以及測距測速,并具備高集成、小型化、智能化等明顯優(yōu)勢。整個測控一體機的設計具有良好的通用拓展性,大部分功能在數(shù)字基帶中實現(xiàn),測控碼速率、碼長等內容可設置,滿足USB、UCB和非相干擴頻測控的業(yè)務需求,具有良好的應用前景。