周成剛，毛 亮，朱利偉，魏連魁

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部 江蘇 江陰 214431）

船載USB系統(tǒng)跟蹤數(shù)傳信號(hào)可行性研究

周成剛，毛 亮，朱利偉，魏連魁

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部 江蘇 江陰 214431）

討論了一種船載USB系統(tǒng)跟蹤數(shù)傳信號(hào)可行性的方案，為實(shí)現(xiàn)船載USB系統(tǒng)對(duì)飛船目標(biāo)跟蹤功能的備份提供了一個(gè)新的思路，該方案通過切換船載USB系統(tǒng)中跟蹤接收機(jī)軟件狀態(tài)的方式來實(shí)現(xiàn)，此方法已成功應(yīng)用于跟蹤過境數(shù)傳信號(hào)目標(biāo)的跟星訓(xùn)練中，試驗(yàn)結(jié)果表明該方案是有效的和可行的，該方案在充分利用現(xiàn)有測(cè)控設(shè)備功能，不增加輔助設(shè)備功能的基礎(chǔ)上，可以顯著提高測(cè)量船執(zhí)行神舟飛船測(cè)控任務(wù)的可靠性。

船載測(cè)控系統(tǒng)；調(diào)頻；跟蹤接收機(jī) 數(shù)傳；可靠性

S波段統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)（下文簡(jiǎn)稱USB）綜合了多種測(cè)控通信功能，具備國(guó)際聯(lián)網(wǎng)測(cè)控能力，應(yīng)用范圍廣泛，是目前我國(guó)載人航天試驗(yàn)任務(wù)的主要測(cè)控設(shè)備之一，航天測(cè)量船作為我國(guó)航天測(cè)控網(wǎng)的重要組成部分，配備有多套船載USB系統(tǒng)。

載人飛船的測(cè)控通信系統(tǒng)是與地面進(jìn)行通信，地面了解和控制飛船位置、速度、姿態(tài)及其運(yùn)行工作狀態(tài)的唯一通道，該分系統(tǒng)還可提供電視圖像和天地間對(duì)話[1]，是載人飛船飛行試驗(yàn)成功和安全返回的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。船載USB系統(tǒng)作為船載測(cè)控通信分系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)飛船入軌監(jiān)測(cè)、變軌控制、返回控制等關(guān)鍵弧段的控制任務(wù)。為了完成上述任務(wù)，船載USB系統(tǒng)必須能夠快速穩(wěn)定地跟蹤目標(biāo)。而載人飛船約九十分鐘繞地球飛行一周，速度快，對(duì)系統(tǒng)的跟蹤可靠性要求很高，因此，研究如何快速有效地穩(wěn)定地跟蹤飛船目標(biāo)就具有十分重要的意義。

針對(duì)飛船上兩臺(tái)USB應(yīng)答機(jī)天線是采取對(duì)稱安裝的現(xiàn)實(shí)，本文在研究船載USB系統(tǒng)跟蹤設(shè)備特性基礎(chǔ)上，首次提出了利用船載USB系統(tǒng)中FM跟蹤接收機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)飛船數(shù)傳信號(hào)的跟蹤，并從理論和實(shí)踐方面驗(yàn)證了船載USB系統(tǒng)跟蹤數(shù)傳信號(hào)的可行性，實(shí)現(xiàn)飛船跟蹤功能的備份，這將大大提高了船載USB系統(tǒng)對(duì)飛船實(shí)施跟蹤任務(wù)的可靠性，在測(cè)控通信試驗(yàn)任務(wù)中具有很強(qiáng)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。

1 船載USB系統(tǒng)跟蹤設(shè)備組成

船載USB系統(tǒng)跟蹤設(shè)備主要由天線、天線座、饋源、饋線、跟蹤接收機(jī)、驅(qū)動(dòng)機(jī)柜、天線控制單元和監(jiān)控計(jì)算機(jī)等組成。如圖1所示。

圖1 船載USB跟蹤設(shè)備組成框圖Fig.1 Makeup of tracking devices in the Shipborne TT&C System

天線饋源采用圓波導(dǎo)多模兩信道自跟蹤饋源，當(dāng)天線的電軸對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)肘，饋源只激勵(lì)起TE11模（和信號(hào)），而當(dāng)天線電軸偏離目標(biāo)時(shí)，饋源同時(shí)激勵(lì)起TEll模（和信號(hào)）和TE2l模（差信號(hào)），目標(biāo)在空間偏離軸向時(shí)產(chǎn)生誤差信號(hào)的原理如圖2所示。

圖2 船載USB系統(tǒng)跟蹤角誤差信號(hào)的形成Fig.2 Forming principle of the angle error signal in the Shipborne TT&C System

式中，ω為信標(biāo)信號(hào)角頻率。與此同時(shí).由于目標(biāo)偏離天線等信號(hào)軸向，在饋源的跟蹤模耦合器中激勵(lì)起高次模TE21，而模TE2l具有奇對(duì)稱的方向圖，故將它用做差模，差信道輸出的誤差電壓為：

式中：μ——差方向圖歸一化斜率；U——信號(hào)強(qiáng)度。

由此可見，角誤差信號(hào)的大小只與目標(biāo)偏離天線的大小、目標(biāo)距離遠(yuǎn)近有關(guān)，而與目標(biāo)的信號(hào)形式無關(guān)。雖然船載USB系統(tǒng)沒有跟蹤數(shù)傳信號(hào)的專用跟蹤接收設(shè)備，但具有跟蹤標(biāo)準(zhǔn)TT&C信號(hào)、擴(kuò)頻TT&C信號(hào)和FM信號(hào)的跟蹤設(shè)備，本文立足于現(xiàn)有的跟蹤接收機(jī)設(shè)備，在不增加其它任何輔助設(shè)備的情況，充分發(fā)掘設(shè)備的潛能，提出利用FM跟蹤接收機(jī)來跟蹤數(shù)傳信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)傳信號(hào)目標(biāo)的跟蹤。

2 跟蹤可行性研究

2.1 數(shù)傳信號(hào)調(diào)制特性

在神舟飛船高速數(shù)傳通信系統(tǒng)中，采用了偏置四相相移鍵控（DQPSK），原理如圖3所示。

《普通高等學(xué)校建筑面積指標(biāo)》(建標(biāo)【2018】32號(hào))規(guī)定，高校必須配置的有教師、實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)用房及場(chǎng)所、圖書館、室內(nèi)體育用房、行政用房、師生活動(dòng)用房、會(huì)堂、學(xué)生宿舍、食堂、單身教師公寓、后勤及附屬用房等十二項(xiàng)，高校選擇配置的有研究生教學(xué)及生活用房、留學(xué)生及外籍教師生活用房、專職科研機(jī)構(gòu)用房、繼續(xù)教育用房、學(xué)術(shù)交流中心用房、附屬校醫(yī)院用房等六項(xiàng)。

圖3 DQPSK調(diào)制器組成框圖Fig.3 Makeup of DQPSK modulator

在DQPSK調(diào)制器中，串/并變換是將串行輸入的高速數(shù)據(jù)比特流Rb變成雙比特流Ik和Qk。設(shè)Ik為Rb中的奇數(shù)比特，則Qk為Rb中的偶數(shù)比特。Qk經(jīng)過Tb（Rb的碼元寬度）延遲后，與Ik的脈沖波形沿對(duì)齊。然后，Ik和Qk一起送到差分編碼器，對(duì)其進(jìn)行差分編碼。CLK1和CLK2皆為時(shí)鐘信號(hào)，其周期分別為 T1和 T2（T1=2Tb，T2=Tb）。 編碼后的雙比特流 In和 Qn送至調(diào)制器，在調(diào)制器的乘法器K1和K2中，分別與正交的本振信號(hào)相乘，然后同相相加，經(jīng)帶通濾波后，得到DQPSK中頻信號(hào) S（t）。

由此可見，數(shù)傳DQPSK信號(hào)是采用正交調(diào)制技術(shù)，這是FM跟蹤接收機(jī)設(shè)備對(duì)數(shù)傳信號(hào)進(jìn)行正交解調(diào)接收的理論基礎(chǔ)。

2.2 數(shù)傳信號(hào)的跟蹤解調(diào)

2.2.1 數(shù)傳信號(hào)的接收解調(diào)

當(dāng)數(shù)傳DQPSK信號(hào)進(jìn)入FM跟蹤接收機(jī)和通道后，和通道載波接收模塊將接收的左右旋信號(hào)經(jīng)中頻信道AGC放大，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換器帶通采樣，隨后將采樣的左右旋數(shù)字域信號(hào)送FM解調(diào)模塊。FM解調(diào)模塊對(duì)數(shù)字域信號(hào)與本地?cái)?shù)字載波信號(hào)進(jìn)行NCO正交混頻[3]，得到左旋和路正交信號(hào)IL、QL與右旋和路正交信號(hào)IR、QR，數(shù)傳信號(hào)接收解調(diào)算法流程如圖4所示。

將數(shù)傳信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式如公式（1）所示，代入數(shù)傳信號(hào)接收解調(diào)模塊后，得到左旋和路正交信號(hào)IL、QL與右旋和路正交信號(hào) IR、QR的時(shí)域表達(dá)式如公式（4）～（7）所示。

圖4 數(shù)傳信號(hào)接收解調(diào)算法流程圖Fig.4 Flow chart of receiving and demodulating data transmission signal

左、右旋正交信號(hào)在接收解調(diào)模塊的分集合成器中進(jìn)行最大比分集合成后得到合成正交信號(hào) IC（t）、QC（t），其時(shí)域表達(dá)式如公式（8）和公式（9）所示。

這兩組I、Q正交信號(hào)分為3路，一路送分集合成器加權(quán)，輸出和通道合成正交信號(hào)Ic、Qc；一路送差模環(huán)，提取差模誤差；另一路送AGC檢測(cè)電路，得到AGC控制量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出到中頻信道。正交合路信號(hào)Ic、Qc送入共模環(huán)，由AFC環(huán)提取共模誤差。

共模環(huán)、差模環(huán)組成對(duì)稱分集鎖相環(huán)。共模誤差同時(shí)送到左右旋兩路NCO中，以相同方向被推到一個(gè)公共頻率上，以保證接收機(jī)的中頻信號(hào)準(zhǔn)確地落到濾波器帶寬的中心。差模誤差分兩路以相反的極性分別加到兩路的數(shù)控振蕩器上，使得兩路本地載波以相反方向被推到一個(gè)相同的公共頻率上。這樣，通過將差模信號(hào)和共模誤差信號(hào)相加后，共同控制數(shù)控振蕩器的輸出頻率，使得輸入到分集合成器上的兩路信號(hào)始終保持同頻同相，并落在設(shè)計(jì)的濾波器通帶中心頻率上。

送入共模環(huán)的正交合路信號(hào)經(jīng)載波鎖定指示檢波器提取信號(hào)，并給出載波鎖定指示電壓。跟蹤接收機(jī)的載波鎖定指示檢波器輸出電壓與接收信號(hào)的Eb/N0值緊密相關(guān)，接收信號(hào)Eb/N0技術(shù)類似于4次方costas環(huán)，不同的是用實(shí)部取代虛部，其數(shù)學(xué)表示式如公式（10）所示。

式中，e（t）為恢復(fù)出來的載波鎖定指示電壓信號(hào)。鎖定指示檢波器的輸出電壓與接收信號(hào)的Eb/N0值之間有線性關(guān)系[4]，可在跟蹤接收機(jī)監(jiān)視界面上顯示Eb/N0。

數(shù)傳信號(hào)的載波進(jìn)行本地恢復(fù)后，送給差通道，為角誤差信號(hào)解調(diào)提供和差信號(hào)歸一化的參考信息。

2.2.2 數(shù)傳信號(hào)的角誤差解調(diào)

數(shù)傳信號(hào)的角誤差解調(diào)如圖5所示。

圖5 數(shù)傳信號(hào)角誤差解調(diào)信號(hào)流程圖Fig.5 Flow chart of demodulating the angle error of data transmission signal

左右旋差信號(hào)分別與和通道提供的本振信號(hào)進(jìn)行正交混頻，得到左旋IL、QL正交差信號(hào)和右旋IR、QR正交差信號(hào)，左右旋正交差信號(hào)按照和通道提供的加權(quán)系數(shù)進(jìn)行分集合成，得到合成正交信號(hào)Ic、Qc，Ic、Qc即載有方位和俯仰誤差信息[5]。差通道合成正交信號(hào)Ic、Qc，分別代表方位誤差和俯仰誤差，經(jīng)數(shù)字窄帶濾波器濾波后，得到方位、俯仰誤差數(shù)字分量，由零值、斜率修正單元處理后，由高精度D/A輸出送伺服分系統(tǒng)完成天線的角跟蹤。

綜上所述，飛船數(shù)傳信號(hào)經(jīng)FM跟蹤接收機(jī)接收后，F(xiàn)M跟蹤接收機(jī)和通道功能模塊通過分集合成鎖相環(huán)路實(shí)現(xiàn)對(duì)載波的接收解調(diào)[6]，恢復(fù)出數(shù)傳信號(hào)的載波信號(hào)，并為差通道角誤差信號(hào)解調(diào)功能模塊提供歸一化的參考信息，如分集加權(quán)系統(tǒng)、AGC控制量、本振參考信號(hào)等。FM跟蹤接收機(jī)差通道部分通過角誤差解調(diào)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)方位、俯仰誤差信息的解調(diào)，并送給伺服分系統(tǒng)完成對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤，這是FM跟蹤接收機(jī)跟蹤解調(diào)數(shù)傳信號(hào)的理論基礎(chǔ)，這也說明了本文的冗余方案在理論上是可行的。

3 船載USB系統(tǒng)跟蹤試驗(yàn)研究

針對(duì)數(shù)傳信號(hào)調(diào)制特點(diǎn)和FM跟蹤接收機(jī)接收性能，為了確保FM跟蹤接收機(jī)能夠正常跟蹤數(shù)傳信號(hào)，根據(jù)理論分析結(jié)果，下面分別從數(shù)傳信號(hào)接收解調(diào)功能、靜態(tài)跟蹤性能和動(dòng)態(tài)跟蹤性能3個(gè)方面進(jìn)行功能性試驗(yàn)研究。

首先，為了驗(yàn)證FM跟蹤接收機(jī)對(duì)飛船數(shù)傳信號(hào)的接收解調(diào)功能，利用船載多功能數(shù)字基帶設(shè)備中數(shù)傳信號(hào)模擬源來模擬產(chǎn)生飛船的數(shù)傳DQSPK信號(hào)，并送給FM跟蹤接收機(jī)的和、差通道輸入接口，如圖6所示。結(jié)果表明：FM跟蹤接收機(jī)能夠正常鎖定多功能數(shù)字基帶產(chǎn)生的數(shù)傳DQPSK模擬信號(hào)，并正常送出角誤差解調(diào)信息。這也表明FM跟蹤接收機(jī)具有接收解調(diào)數(shù)傳DQPSK信號(hào)的功能，這也為進(jìn)行FM跟蹤接收機(jī)跟蹤數(shù)傳信號(hào)目標(biāo)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)跟蹤功能試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

圖6 跟蹤功能性試驗(yàn)流程圖Fig.6 Flow chart of the funciton to track data transmission signal

其次，為了檢驗(yàn)FM跟蹤接收機(jī)跟蹤飛船數(shù)傳信號(hào)的靜態(tài)跟蹤性能，也為了真實(shí)、全面驗(yàn)證FM跟蹤接收機(jī)跟蹤飛船數(shù)傳信號(hào)的可行性。在2011年3月進(jìn)行的“交會(huì)對(duì)接任務(wù)天地正樣對(duì)接試驗(yàn)”任務(wù)時(shí)，我船USB測(cè)控設(shè)備利用FM跟蹤接收機(jī)對(duì)放置在標(biāo)校塔上的正樣星載數(shù)傳發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的數(shù)傳信號(hào)進(jìn)行了試驗(yàn)性跟蹤。結(jié)果表明：FM跟蹤接收機(jī)能夠正常穩(wěn)定地鎖住數(shù)傳信號(hào)，并能夠正常解調(diào)出方位、俯仰角誤差電壓，對(duì)數(shù)傳DQPSK信號(hào)目標(biāo)能夠?qū)嵤┓€(wěn)定跟蹤，F(xiàn)M跟蹤接收機(jī)跟蹤數(shù)傳信號(hào)的靜態(tài)跟蹤性能良好。

最后，為了檢驗(yàn)FM跟蹤接收機(jī)跟蹤數(shù)傳信號(hào)的動(dòng)態(tài)跟蹤功能，也為了有效訓(xùn)練船載USB設(shè)備的伺服主控操作人員，船載USB系統(tǒng)多次組織利用FM跟蹤接收機(jī)來跟蹤同步星、過境目標(biāo)等數(shù)傳信號(hào)目標(biāo)。結(jié)果表明：FM跟蹤接收機(jī)能夠?yàn)樘炀€控制單元ACU設(shè)備提供準(zhǔn)確的角誤差解調(diào)信息，能夠?qū)^境目標(biāo)中的數(shù)傳信號(hào)實(shí)施穩(wěn)定跟蹤，這也說明FM跟蹤接收機(jī)跟蹤數(shù)傳信號(hào)的動(dòng)態(tài)跟蹤性能良好。

綜上所述，利用FM跟蹤接收機(jī)跟蹤數(shù)傳信號(hào)目標(biāo)不僅在理論上是可行的，而且其靜態(tài)跟蹤性能和動(dòng)態(tài)跟蹤性能也是良好的，這也表明FM跟蹤接收機(jī)跟蹤數(shù)傳信號(hào)在實(shí)踐上是可行的、有效的。

4 結(jié)束語

經(jīng)過理論分析和試驗(yàn)研究表明：FM跟蹤接收機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛船數(shù)傳信號(hào)的穩(wěn)定跟蹤解調(diào)，跟蹤性能穩(wěn)定可靠。該技術(shù)在不增加任何輔助設(shè)備的基礎(chǔ)上，成功實(shí)現(xiàn)了神舟飛船測(cè)控跟蹤功能的冗余備份，降低了對(duì)飛船目標(biāo)跟蹤失效的風(fēng)險(xiǎn)，為船載測(cè)控系統(tǒng)圓滿執(zhí)行載人航天工程后續(xù)交會(huì)對(duì)接任務(wù)提供了有益的理論和實(shí)踐指導(dǎo)，對(duì)今后進(jìn)行飛船其它功能的備份設(shè)計(jì)起到了積極作用。

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Study on feasibility of tracking the QPSK data transmission signals by shipborne TT&C system

ZHOU Cheng-gang， MAO Liang， ZHU Li-wei， WEI Lian-kui
（China Satelite Maritime Tracking and Controlling Department，Jiangyin214431，China）

This thesis is aimed at overcoming the drawbacks of Shenzhou manned spaceship tracking and controling for no backup，using of tracking the QPSK data transmission signals with the Shipborne TT&C System to implement the backup program for the first time.From three aspects of the theoretical analysis，such as the QPSK data transmission signals modulation characteristics，Shipborne TT&C System tracked the composition and carrier demodulated

.Tracking through the FM receiver receiving the QPSK data transmission signals，the static and dynamic tracking tests verify tracking of the program feasibility and effectiveness.The technology features with no additional auxiliary equipment on the basis of shipborne TT&C system，significantly reduces the risk of failure of the spaceship tracking.

shipborne TT&C system；FM；tracking receiver；data transmission；reliability

TN911

A

1674－6236（2012）06-0034-04

2012-02-07稿件編號(hào)：201202024

周成剛（1985—），男，江蘇沭陽人，碩士，工程師。研究方向：航天遠(yuǎn)洋測(cè)控技術(shù)。