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

        2021-12-22 13:18:08王學(xué)良
        計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制 2021年12期
        關(guān)鍵詞:掃頻航天器分析儀

        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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多路射頻信號(hào),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制,射頻信號(hào)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(dòng)結(jié)構(gòu)到達(dá)指定位置,實(shí)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(cè)過程中,力位協(xié)同控制是產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)軌跡、估計(jì)調(diào)姿誤差、估計(jì)調(diào)姿機(jī)構(gòu)力位的基礎(chǔ)。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,對(duì)多路射頻信號(hào)的監(jiān)測(cè),主要監(jiān)測(cè)的內(nèi)容是射頻信號(hào)的傳輸范圍和測(cè)量精度,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無線電廣播電視基站對(duì)多路射頻信號(hào),主要監(jiān)測(cè)射頻信號(hào)的強(qiáng)度以及射頻數(shù)據(jù)的變化,對(duì)射頻信號(hào)的監(jiān)測(cè)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(hào)影響著航天器測(cè)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(hào)的增強(qiáng)而增多,通信鏈路越多,航天器與地面測(cè)控站的信息交互越頻繁,因此對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)可以提高航天器與地面測(cè)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(cè)控站多路頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì),利用接入基帶上行中頻信號(hào),獲取遙控信號(hào)頻譜,通過USB接口連接計(jì)算機(jī)與頻譜分析儀,實(shí)現(xiàn)頻譜分析儀實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)多路頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件流程,實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信測(cè)控站多路頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。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(duì)距離計(jì)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(duì)射頻頻譜的監(jiān)測(cè)效果較差。為了解決以上出現(xiàn)的問題,設(shè)計(jì)了基于力位協(xié)同控制的航天器多路射頻頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng),給出了硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程,最后通過實(shí)驗(yàn)研究,驗(yàn)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(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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

        1.1 頻譜分析儀設(shè)計(jì)

        基于力位協(xié)同控制的航天器多路射頻頻譜監(jiān)測(cè)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(cè)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(shí)監(jiān)測(cè)4路射頻信號(hào)[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(duì)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?yàn)轭l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(cè)系統(tǒng)的通用性[8]。

        1.2 單片機(jī)設(shè)計(jì)

        基于力位協(xié)同控制的航天器多路射頻頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的單片機(jī)為監(jiān)測(cè)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(shì),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(cè)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(diǎn)、2個(gè)計(jì)時(shí)器、20 K字節(jié) RAM、2個(gè)同步串行通訊接口、4個(gè)異步串行通訊接口、多個(gè)I/O接口和UART接口、6個(gè)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(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換時(shí)間為2 μs,轉(zhuǎn)換范圍為0~7.2 V,對(duì)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(cè)系統(tǒng)對(duì)射頻信號(hào)的采樣需求,提升了射頻信號(hào)的刷新率,實(shí)現(xiàn)了對(duì)射頻頻譜的監(jiān)測(cè)和控制[13-14]。

        監(jiān)測(cè)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(shí)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(hào)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(cè)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

        1.3 控制單元設(shè)計(jì)

        監(jiān)測(cè)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(chǔ)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(hào)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(hào),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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),以方便航天器與地面測(cè)控站進(jìn)行信息交互,以保證多路射頻信號(hào)通過各種接口進(jìn)行傳輸,控制單元主要實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中頻譜分析儀和單片機(jī)的控制,以及對(duì)多路射頻頻譜進(jìn)行監(jiān)測(cè)[16]。

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

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

        首先,對(duì)多路射頻信號(hào)的頻譜進(jìn)行切換。頻譜分析儀和監(jiān)測(cè)軟件建立連接后,頻譜分析儀識(shí)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(hào)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(shí)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(hào)控制命令,對(duì)射頻信號(hào)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(duì)多路射頻信號(hào)的頻譜進(jìn)行切換[17-18]。

        然后,顯示多路射頻信號(hào)的頻譜。對(duì)多路射頻信號(hào)的頻譜切換完畢后,為了實(shí)時(shí)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(hào)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(cè)系統(tǒng),監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收頻譜圖像后,將其以GIF文件格式進(jìn)行存儲(chǔ)??紤]力位協(xié)同控制,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制單元通過查詢控制命令找到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存儲(chǔ)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(shí)存儲(chǔ)到流對(duì)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(duì)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(hào)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(shí)發(fā)送出去,功能函數(shù)對(duì)發(fā)送出去的刷新消息進(jìn)行及時(shí)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(cè)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(hào)的頻譜圖像[19-20]。

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

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

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

        基于以上設(shè)置的實(shí)驗(yàn)參數(shù),首先針對(duì)不同系統(tǒng)的頻率偏差進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將多路射頻信號(hào)的頻譜輸入到頻譜分析儀中,切換微波開關(guān)矩陣,多次測(cè)量在不同的頻率范圍內(nèi)多路射頻信號(hào)的頻譜偏移量,利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的場(chǎng)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(duì)頻率數(shù)據(jù)和多路射頻信號(hào)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(cè)系統(tǒng)的頻率偏差情況,頻率偏差越高,系統(tǒng)對(duì)航天器多路射頻頻譜的監(jiān)測(cè)效果越差,頻率偏差越低,監(jiān)測(cè)效果越好,本文設(shè)計(jì)的基于力位協(xié)同控制的航天器多路射頻頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)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(duì)實(shí)驗(yàn)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(yàn)證了本文系統(tǒng)的頻率偏差監(jiān)測(cè)效更好。針對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中掃頻和隨機(jī)掃頻對(duì)多路射頻帶寬頻譜的監(jiān)測(cè)效果進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示。

        圖8 帶寬頻譜監(jiān)測(cè)結(jié)果

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

        圖9 掃頻和隨機(jī)掃頻頻譜監(jiān)測(cè)結(jié)果

        由圖9可知,對(duì)于多路射頻信號(hào)中下行鏈路信號(hào)的頻譜監(jiān)測(cè),本文系統(tǒng)中掃頻和隨機(jī)掃頻的頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)值較高;對(duì)于多路射頻信號(hào)中時(shí)變信號(hào)的頻譜監(jiān)測(cè),本文設(shè)計(jì)的基于力位協(xié)同控制的航天器多路射頻頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,掃頻和隨機(jī)掃頻對(duì)時(shí)變信號(hào)頻譜的監(jiān)測(cè)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(cè)。

        綜上所述,本文設(shè)計(jì)的基于力位協(xié)同控制的航天器多路射頻頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的頻率偏差更低,掃頻和隨機(jī)掃頻對(duì)多路射頻頻譜的監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)效果差等問題,本文設(shè)計(jì)了基于力位協(xié)同控制的航天器多路射頻頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)硬件方面設(shè)計(jì)了頻譜分析儀、單片機(jī)、電路、控制單元,完成了對(duì)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(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)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(cè)效果更好。

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