夏珍珠,朱曉輝,李紹旸

(中國空間技術(shù)研究院,北京 100094)

0 引 言

測控基帶設(shè)備是衛(wèi)星地面TT&C測試、測控模擬和地面站測控業(yè)務(wù)中的核心單機(jī)。傳統(tǒng)的地面測試系統(tǒng)中采用功能強(qiáng)大的引進(jìn)設(shè)備Cortex CRT,該產(chǎn)品采用了通用化的工控機(jī)硬件平臺(tái)和先進(jìn)的軟件無線電技術(shù),其優(yōu)點(diǎn)是性能優(yōu)異、通用化強(qiáng)。在衛(wèi)星地面測試過程中需配合信號(hào)源、頻譜儀、開關(guān)矩陣、上變頻器、下變頻器、功率計(jì)、頻率計(jì)及示波器等設(shè)備,雖然引進(jìn)設(shè)備功能完備,但系統(tǒng)集成度低、連接關(guān)系復(fù)雜、信號(hào)中繼環(huán)節(jié)多等缺點(diǎn)降低了系統(tǒng)整體可靠性。同時(shí),其實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵功能的核心技術(shù)不可控,發(fā)生與其相關(guān)的異?，F(xiàn)象時(shí)由于涉及測控?cái)?shù)據(jù)等關(guān)鍵信息難以協(xié)調(diào)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(jìn)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(kuò)頻等多種測控信號(hào)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(jī)以適應(yīng)多體制測控、高集成、小型化和智能化的測控設(shè)備。針對上述需求,完成了測控一體機(jī)硬件和軟件的設(shè)計(jì)。硬件采用軟件無線電架構(gòu),大部分功能在數(shù)字基帶中實(shí)現(xiàn),在物理電路上將FPGA模塊和ARM模塊設(shè)計(jì)為一塊電路板。軟件設(shè)計(jì)包括核心數(shù)字基帶算法、測控任務(wù)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(yuǎn)程監(jiān)控測控一體機(jī),設(shè)備配置靈活,測控體制和功能可動(dòng)態(tài)重構(gòu)。

1 傳統(tǒng)的測控基帶設(shè)備

CORTEX CRT是法國ZODIAC DATA SYSTEM公司設(shè)計(jì)制造的遙測、遙控和測距集成基帶處理設(shè)備,代表了當(dāng)前測控基帶設(shè)備的國際先進(jìn)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(jī)。其主要功能是完成多路測控信號(hào)的調(diào)制解調(diào),為衛(wèi)星或衛(wèi)星模擬系統(tǒng)提供可靠的測控鏈路,同時(shí)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(shè)備存在以下不足:一是技術(shù)不透明,對偶爾發(fā)生的丟幀等異常現(xiàn)象難以展開深入的分析;二是設(shè)備功能復(fù)雜,操作繁復(fù);三是不具備功率、頻率測量功能,為實(shí)現(xiàn)相關(guān)測試任務(wù)必須在系統(tǒng)中單獨(dú)配置功率計(jì)和頻率計(jì);四是不支持傳輸音單載波信號(hào)輸出,為實(shí)現(xiàn)相關(guān)測試任務(wù)必須在系統(tǒng)中單獨(dú)配置信號(hào)源設(shè)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(cè)音載波輸出、功率測量和頻率測量功能集成于一臺(tái)設(shè)備中,達(dá)到減少信號(hào)鏈路、縮減設(shè)備數(shù)量和體積的目的。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)和原理

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

測控一體機(jī)的設(shè)計(jì)主要解決兩個(gè)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(hào)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(fù)雜度和提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。測控一體機(jī)的設(shè)計(jì)不僅具備遙測、遙控和測距功能,還具有遙測模擬、側(cè)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(hào)源、功率計(jì)和頻率計(jì)等設(shè)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(fù)雜度。為了提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平,測控一體機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)采用基于C/S架構(gòu)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)序列化執(zhí)行測試項(xiàng)目,采用基于B/S架構(gòu)的嵌入式Web設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程更改配置和測控體制切換。

2)測控信號(hào)體制融合

測控一體機(jī)的設(shè)計(jì)具備三種常用的測控信號(hào)體制的調(diào)制解調(diào),配置設(shè)備參數(shù)時(shí),匹配中頻信號(hào)的輸入和輸出調(diào)制解調(diào)方式即可實(shí)現(xiàn)不同測控體制的遙測、遙控和測距功能,設(shè)備的配置參數(shù)存儲(chǔ)在設(shè)備中,設(shè)備啟動(dòng)后點(diǎn)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(dāng)前主流的同類型產(chǎn)品均是基于工控機(jī)架構(gòu),以FPGA為核心的數(shù)字信號(hào)處理板卡完成遙測、遙控和跟蹤信號(hào)的處理。多體制中頻測控一體機(jī)的優(yōu)勢在于與整個(gè)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(shí)現(xiàn)了高水平的自動(dòng)化測試。

2.2 設(shè)計(jì)原理

測控一體機(jī)的設(shè)計(jì)借鑒軟件無線電思想,整體設(shè)計(jì)為輸入中頻模擬信號(hào),由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出至FPGA完成數(shù)字變頻、信號(hào)捕獲以及數(shù)字信號(hào)的調(diào)制解調(diào)處理,FPGA輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。測控一體機(jī)數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)包括帶通采樣、內(nèi)插處理、抽取處理和嵌入式Web技術(shù)等方面。

2.2.1 帶通采樣

測控一體機(jī)的輸入和輸出信號(hào)是中心頻率為70 MHz的帶通信號(hào),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(hào)的特性,降低了后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理的難度。

設(shè)一個(gè)頻帶限制在(fL,fH)內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號(hào)x(t),信號(hào)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(hào)x(t)[2]。測控一體機(jī)的帶通采樣在中頻接收電路中實(shí)現(xiàn),ADC采樣頻率為100 MHz,60～80 MHz的中頻信號(hào)經(jīng)采樣后轉(zhuǎn)換為20～40 MHz的數(shù)字信號(hào)由FPGA繼續(xù)降頻處理。

2.2.2 內(nèi)插和抽取處理

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

在測控一體機(jī)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(jìn)行內(nèi)插操作,以提高數(shù)據(jù)的采樣速率。為了能恢復(fù)原始信號(hào),內(nèi)插后進(jìn)行低通濾波。

在測控一體機(jī)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(jìn)行處理,通過抽取操作進(jìn)行重采樣,以降低數(shù)據(jù)速率。為了防止信號(hào)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(hào)進(jìn)行濾波處理。

2.2.3 嵌入式Web實(shí)現(xiàn)原理

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

3 總體設(shè)計(jì)

多體制中頻測控一體機(jī)主要實(shí)現(xiàn)USB、UCB和非相干擴(kuò)頻測控體制的遙控信號(hào)調(diào)制、遙測信號(hào)解調(diào),以及測距測速。USB測控體制的上行載波和下行載波調(diào)制方式均采用調(diào)相(Phase Modulation,PM)。UCB測控體制的上行載波調(diào)制方式為調(diào)頻(Frequency Modulation,FM),下行載波調(diào)制方式為PM。非相干擴(kuò)頻測控體制調(diào)制方式為PCM-CDMA-BPSK。多體制中頻測控一體機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 多體制中頻測控一體機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

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

圖1 多體制中頻測控一體機(jī)組成

圖1中電源模塊對測控一體機(jī)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(shí)現(xiàn)任務(wù)管理與調(diào)度、數(shù)據(jù)的處理與存儲(chǔ)、程序控制和網(wǎng)絡(luò)通信等功能。FPGA模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)等數(shù)字基帶信號(hào)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(hào),輸出數(shù)字信號(hào)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(hào)。視頻接收電路接收模擬視頻信號(hào),輸出數(shù)字信號(hào)至FPGA。視頻發(fā)射電路輸出0～1 MHz的視頻模擬信號(hào)。時(shí)鐘管理電路負(fù)責(zé)內(nèi)外部頻標(biāo)信號(hào)的選擇和生成中頻信號(hào)處理模塊所使用的時(shí)鐘。時(shí)碼輸入電路采集IRIG-B時(shí)碼,輸出信號(hào)至FPGA。中頻接收和發(fā)射、視頻接收和發(fā)射、頻標(biāo)管理、時(shí)碼管理、FPGA模塊和嵌入式系統(tǒng)模塊由一塊PCB 板實(shí)現(xiàn)[3-5],所有硬件模塊安裝于高為1U的通用機(jī)箱中。

4 硬件設(shè)計(jì)

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

4.1 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)的主要任務(wù)是運(yùn)行任務(wù)管理軟件,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)通信控制。系統(tǒng)硬件主要包括ARM處理器、存儲(chǔ)器和以太網(wǎng)絡(luò)等對外接口電路。

處理器選用工作主頻1.0 GHz的工業(yè)級(jí)ARM器件。處理器外接DDR3 SDRAM作為系統(tǒng)擴(kuò)展內(nèi)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(guān)鍵數(shù)據(jù)的非易失存儲(chǔ),對遙測數(shù)據(jù)進(jìn)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(kuò)展空間。

操作系統(tǒng)使用嵌入式Linux系統(tǒng),基于開源的Linux內(nèi)核進(jìn)行定制化裁剪,并單獨(dú)開發(fā)了針對FPGA信號(hào)處理模塊的驅(qū)動(dòng)軟件,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件與硬件設(shè)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(shè)計(jì)

FPGA模塊包括FPGA及其所需的電源、時(shí)鐘、加載和調(diào)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(hào)的數(shù)字調(diào)制、解調(diào)。作為數(shù)字信號(hào)處理模塊的核心器件,FPGA負(fù)責(zé)所有中頻和視頻信號(hào)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(nèi)部實(shí)現(xiàn)的功能還包括與ARM處理器的專用接口、中斷管理、時(shí)鐘管理等。主要模塊如下:

信號(hào)處理:實(shí)現(xiàn)70 MHz模擬中頻和基帶信號(hào)的采集與生成。

與ARM接口:實(shí)現(xiàn)FPGA與ARM之間的數(shù)據(jù)傳輸,ARM根據(jù)上位機(jī)或嵌入式網(wǎng)頁下發(fā)的指令將對應(yīng)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(hào),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(yīng)FPGA中斷的同時(shí)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(shí),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(jī)軟件或嵌入式網(wǎng)頁用于設(shè)備監(jiān)控。

時(shí)鐘管理:FPGA共輸入3路時(shí)鐘,分別用于對外接口信號(hào)的處理時(shí)鐘,包括100 MHz的A/D采樣時(shí)鐘、500 MHz的D/A轉(zhuǎn)換時(shí)鐘和20 MHz的時(shí)頻轉(zhuǎn)換時(shí)鐘。

本地時(shí)標(biāo):FPGA的本地時(shí)間管理模塊,產(chǎn)生FPGA本地時(shí)標(biāo)信息,為遙控幀數(shù)據(jù)、遙測幀數(shù)據(jù)加入時(shí)標(biāo)信息。本地時(shí)標(biāo)模塊支持上位機(jī)授時(shí),同時(shí)支持上位機(jī)讀取FPGA本地時(shí)標(biāo),時(shí)標(biāo)信息包括年、天、小時(shí)、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(jī)軟件或嵌入式網(wǎng)頁進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

LED控制:FPGA數(shù)字信號(hào)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(shè)計(jì)

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(dòng)態(tài)范圍為-90～0 dBm的中頻模擬信號(hào)接收,模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)字信號(hào)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(jí)帶通濾波,前級(jí)帶通濾波器用于濾除輸入信號(hào)的諧波和其他雜散分量,后級(jí)帶通濾波器用于ADC采樣時(shí)的抗混疊濾波。功率調(diào)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(jié)果來調(diào)節(jié)。ADC將模擬中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出至FPGA。

4.4 中頻發(fā)射電路設(shè)計(jì)

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(dòng)態(tài)范圍為-90～0 dBm的中頻模擬信號(hào)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(hào),將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。濾波電路采用兩級(jí)帶通濾波,用于濾除輸出信號(hào)的諧波和其他雜散分量。功率調(diào)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(shè)計(jì)

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

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

4.6 視頻發(fā)射電路設(shè)計(jì)

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

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

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 任務(wù)管理軟件設(shè)計(jì)

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

圖4 任務(wù)管理軟件架構(gòu)

5.1.1 接口程序設(shè)計(jì)

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

FPGA驅(qū)動(dòng)通信服務(wù):與FPGA驅(qū)動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,實(shí)現(xiàn)遙控?cái)?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(shè)置。

CGI通信服務(wù):與Web后端CGI程序通過共享內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,實(shí)現(xiàn)工作模式控制、參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)查詢。

5.1.2 核心功能

任務(wù)管理和調(diào)度:接收以太網(wǎng)絡(luò)遙控、測距、參數(shù)配置等指令,執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)并返回執(zhí)行結(jié)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?cái)?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(jī)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(hào)的量值;硬件狀態(tài),如當(dāng)前風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和FLASH檢測狀態(tài);軟件狀態(tài),如當(dāng)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(dòng)時(shí)進(jìn)行加電自檢測,檢測項(xiàng)目包括存儲(chǔ)器讀寫、與FPGA通信、以太網(wǎng)絡(luò)接口、LED巡檢和風(fēng)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(dāng)自檢測失敗,或狀態(tài)監(jiān)測信息超出設(shè)置的閾值時(shí),通過LED告警燈上報(bào)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(chǔ)告警信息、存儲(chǔ)配置參數(shù)、存儲(chǔ)啟動(dòng)自檢測記錄等。

5.2 數(shù)字基帶信號(hào)處理軟件設(shè)計(jì)

數(shù)字基帶信號(hào)處理軟件運(yùn)行在FPGA器件中,主要完成中頻測控信號(hào)的調(diào)制解調(diào)和測距算法的實(shí)現(xiàn),以及功率計(jì)算、頻率計(jì)算、信噪比估計(jì)等測量輔助功能[6-11]。為了在同一臺(tái)硬件中實(shí)現(xiàn)針對UCB、USB和非相干擴(kuò)頻測控體制的應(yīng)用,在數(shù)字基帶信號(hào)處理軟件中設(shè)計(jì)了兩套并行的基帶信號(hào)處理算法,其中一套負(fù)責(zé)處理UCB、USB測控體制,另一套負(fù)責(zé)處理非相干擴(kuò)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(hào)處理算法原理框圖。

圖5 UCB、USB測控體制數(shù)字基帶信號(hào)處理軟件算法原理

模數(shù)轉(zhuǎn)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(hào)進(jìn)行帶通采樣,實(shí)現(xiàn)頻偏的一次下搬移。載波跟蹤完成后,信號(hào)從中頻變?yōu)榛鶐А?/p>

捕獲跟蹤部分:采用FFT算法進(jìn)行中頻信號(hào)的快速捕獲,同時(shí)結(jié)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(jìn)入載波跟蹤環(huán)節(jié),采用鎖相環(huán)進(jìn)行載波的跟蹤,同時(shí)完成調(diào)相信號(hào)的解調(diào),輸出基帶信號(hào)給下一級(jí)模塊進(jìn)行處理。

信號(hào)分離部分:為了避免在解調(diào)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(hào)和測距信號(hào)分離。

解調(diào)部分:遙測副載波信號(hào)的BPSK信號(hào)采用相干解調(diào)的方法。對于數(shù)字調(diào)相信號(hào),相干檢測過程與理論上的最優(yōu)解調(diào)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(jì)算相差及解模糊,完成距離測量。

5.2.2 非相干擴(kuò)頻測控體制

非相干擴(kuò)頻測控體制數(shù)字基帶信號(hào)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(gè)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(gè)子模塊并行工作。圖6為非相干擴(kuò)頻測控體制數(shù)字基帶信號(hào)處理算法原理框圖。

圖6 非相干擴(kuò)頻測控體制數(shù)字基帶信號(hào)處理軟件算法原理

5.3 嵌入式網(wǎng)頁設(shè)計(jì)

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

圖7 嵌入式網(wǎng)頁設(shè)計(jì)原理

5.3.1 Web前端網(wǎng)頁設(shè)計(jì)

Web前端網(wǎng)頁采用HTML、JavaScript、CSS、jQuery和AJAX技術(shù)實(shí)現(xiàn)。HTML和CSS實(shí)現(xiàn)頁面的呈現(xiàn)效果,JavaScript、jQuery和AJAX實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁的動(dòng)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(wù)器發(fā)送請求,XMLHttpRequest對象獲取返回?cái)?shù)據(jù),解析數(shù)據(jù)后完成頁面數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新。

5.3.2 Web服務(wù)器

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

5.3.3 CGI程序

CGI程序主要完成與Boa服務(wù)器和任務(wù)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?cái)?shù)據(jù)內(nèi)容至網(wǎng)頁顯示。CGI 程序與任務(wù)管理軟件均采用C語言編寫,可以直接采用內(nèi)存共享的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,將任務(wù)管理軟件采集的遙控、遙測、測距以及設(shè)備狀態(tài)信息發(fā)送至瀏覽器網(wǎng)頁顯示。CGI 程序與任務(wù)管理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的流程如圖8所示。

圖8 CGI程序與任務(wù)管理軟件數(shù)據(jù)交互流程

6 測試結(jié)果和應(yīng)用

6.1 衛(wèi)星地面測試應(yīng)用

在衛(wèi)星地面測試階段,地面設(shè)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(jī)為核心,圖中的相關(guān)設(shè)備負(fù)責(zé)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(jì)、頻譜儀、示波器用于上下行測控信號(hào)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(shè)置后,遠(yuǎn)程訪問設(shè)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(diào)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(chǔ)在設(shè)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(jī)和Cortex CRT進(jìn)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(jī)與Cortex測試結(jié)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(diào)制頻偏下的測距結(jié)果

下行信號(hào)加調(diào)遙測后進(jìn)行測距測試,測控一體機(jī)與Cortex測量方差如表4所示。

表4 加調(diào)遙測下行信號(hào)的測距結(jié)果

在加調(diào)和不加調(diào)遙測下行信號(hào)的情況下,針對不同的輸出功率和調(diào)制頻偏,測控一體機(jī)與Cortex測距結(jié)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(jī)與Cortex測距結(jié)果如表5所示。

表5 USB測距體制的測距結(jié)果

USB測距體制下,測控一體機(jī)與Cortex測距結(jié)果一致。

6.2.3 非相干擴(kuò)頻測控體制

非相干擴(kuò)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(hào)采用測距幀結(jié)構(gòu),幀內(nèi)信息為測距信息。非相干擴(kuò)頻測控體制下的測距結(jié)果如表6所示。

表6 非相干擴(kuò)頻測控體制測距結(jié)果

非相干擴(kuò)頻測控體制下,測控一體機(jī)與Cortex測距結(jié)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(jìn)行遙控指令解調(diào)和模擬遙測輸出,測試時(shí)使用同軸電纜將測控一體機(jī)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(shè)置為65 536 Hz,碼速率為4 096 b/s。非相干擴(kuò)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(xiàng)測試發(fā)送遙測7 200條,測試結(jié)果如表7所示。

表7 遙測解調(diào)測試結(jié)果

UCB和USB測控體制上行遙控副載波設(shè)置為8 000 Hz,碼速率為1 000 b/s。非相干擴(kuò)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(xiàng)測試發(fā)送指令1 000條,包含執(zhí)行脈沖,測試結(jié)果如表8所示。

表8 遙控發(fā)令測試結(jié)果

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

7 結(jié) 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(wù)的核心設(shè)備,基于Web的多體制中頻測控一體機(jī)能夠完全替代引進(jìn)產(chǎn)品,涵蓋了USB、UCB和非相干擴(kuò)頻測控體制的遙控信號(hào)調(diào)制、遙測信號(hào)解調(diào),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(gè)測控一體機(jī)的設(shè)計(jì)具有良好的通用拓展性,大部分功能在數(shù)字基帶中實(shí)現(xiàn),測控碼速率、碼長等內(nèi)容可設(shè)置,滿足USB、UCB和非相干擴(kuò)頻測控的業(yè)務(wù)需求,具有良好的應(yīng)用前景。