CN103501203A - 一种适用于遥感卫星激光星地通信链路测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于遥感卫星激光星地通信链路测试系统，包括地面终端模拟系统、信号解调处理系统和数据显示终端。本发明设计的验证测试系统主要满足卫星在总装厂和大型环境试验状态下的功能和性能测试，提供了与星上接收相匹配的上行动态激光信号，具有与星上终端建立正常的星地通信链路，模拟地面激光通信站发送上行信标信号，接收解调卫星下行激光通信信号，能够完成上下行链路光信号传输误码率测试、数据率测试和光能测量，能够完成发射波长和发射功率的测试，该测试系统测试功能全面。

Description

一种适用于遥感卫星激光星地通信链路测试系统

技术领域

本发明涉及一种测试系统，尤其涉及一种适用于遥感卫星激光星地通信链路测试系统，属于卫星系统级综合测试领域。

背景技术

星载激光通信系统利用激光作为数据传输的载体，完成与激光地面站捕获跟踪和星地双向数据传输任务，满足用户对高质量、大容量、高码率数据通信传输需求，激光通信对大容量信息进行实时传递，具有高可靠性和高保密性的特点。根据卫星运行轨道，地面综合测试按飞行程序仿真星地捕获跟踪流程，具体过程如下：卫星入地面站可视弧段前星载激光通信开启工作模式。根据轨道预报，当卫星激光通信终端进入激光地面站可见弧段时，由地面站终端发射捕获信标光，激光通信的APT（Acquisition Point Tracking）子系统对地面激光通信终端不确定区域进行扫描。当卫星终端接收天线捕获到地面终端发送的信标信号后，星上终端和地面终端同时进入跟踪状态，并进行双向光束闭环跟踪。当跟踪稳定时，卫星与地面站系统之间通过星地链路传输信道进行双向通信，完成数据的传输、获取与处理。激光通信链路测试方法验证了飞行程序设计的合理性和可行性，对卫星激光通信终端的关键技术指标进行了考核评估。

星载激光通信技术的应用处于刚刚起步阶段，对于地面综合测试来讲，更加没有形成一套完整的体系和标准。该激光星地通信链路验证系统和测试方法是国内首次在整星系统级测试阶段应用，模拟验证并实现了星地链路间通信。该测试方法的实现与应用，对于未来激光通信综合测试形成统一的标准提供重要工程意义。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于遥感卫星激光星地通信链路测试系统，测试功能全面。

本发明的技术解决方案是：一种适用于遥感卫星激光星地通信链路测试系统，包括地面终端模拟系统、信号解调处理系统和数据显示终端；

地面终端模拟系统包括跟踪捕获天线、由分光模块、发射模块和接收CCD模块组成的光信号收发单元、光电转换模块、主控单元和光性能测试模块，跟踪捕获天线接收遥感卫星发出的光信号，将接收到的光信号转发至分光模块，分光模块对光信号进行分光形成两路光信号，其中一路由光性能测试模块进行测试，另外一路光信号由接收CCD模块进行成像并计算出入射光角度偏差，计算结果发送给主控单元进行分析处理，成像后的信号由光电转换模块转换成电信号并传送至信号解调处理系统，光电转化模块的工作状态由主控单元进行监控，主控单元控制发射模块发出光信号，发射模块发射出的光信号经分光模块和跟踪捕获天线后发射至遥感卫星；

信号解调处理系统由信号解调及位同步单元、数据处理终端组成，信号解调及位同步单元对光电转换模块转换成的电信号进行解调、放大和位同步，输出一路时钟信号和一路通信码信号，两路信号输入到数据处理终端中进行数据处理和误码分析，数据处理终端的处理结果在数据显示终端中进行显示。

还包括跟踪复测系统，跟踪复测系统对遥感卫星下传的数据进行分析和复算，跟踪复测系统的分析复算结果在数据显示终端中进行显示。

所述发射模块由光源和精确瞄准装置组成，精确瞄准装置的偏转角度由主控单元进行控制。所述光性能测试模块由光功率测试仪、光谱仪误码分析仪组成，用于完成对入射光束进行出瞳光功率、光束散角、接收灵敏度和视场角进行测试。所述跟踪捕获天线由物镜、支架和转台组成。

本发明与现有技术相比的有益效果为：本发明设计的验证测试系统主要满足卫星在总装厂和大型环境试验状态下的功能和性能测试，提供了与星上接收相匹配的上行动态激光信号，具有与星上终端建立正常的星地通信链路，模拟地面激光通信站发送上行信标信号，接收解调卫星下行激光通信信号，能够完成上下行链路光信号传输误码率测试、数据率测试和光能测量，能够完成发射波长和发射功率的测试，该测试系统测试功能全面。

附图说明

图1为本发明的系统组成原理图；

图2为本发明数据处理终端的系统组成原理图；

图3为本发明的测试流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明。

测试系统的组成原理如图1所示，由地面终端模拟系统1、信号解调处理系统2、跟踪复测系统3和数据显示终端11组成；

地面终端模拟系统1包括跟踪捕获天线4、由分光模块12、发射模块13和接收CCD模块14组成的光信号收发单元5、光电转换模块6、主控单元7和光性能测试模块8，跟踪捕获天线4接收遥感卫星发出的光信号，将接收到的光信号转发至分光模块12，分光模块12对光信号进行分光形成两路光信号，其中一路由光性能测试模块8进行测试，另外一路光信号由接收CCD模块14进行成像并计算出入射光角度偏差，计算结果发送给主控单元7进行分析处理，成像后的信号由光电转换模块6转换成电信号并传送至信号解调处理系统2，主控单元7控制发射模块13发出光信号，发射模块13发射出的光信号经分光模块12和跟踪捕获天线4后发射至遥感卫星。地面终端模拟系统1主要用于模拟地面激光通信站，对卫星激光通信终端进行瞄准、捕获和跟踪功能测试，同时对接收光信号进行束散角等光学性能检测。

跟踪捕获天线4由物镜光路系统、天线支架和转台组成。物镜光路为透射式成像物镜系统，透射波段为800～840nm和1540～1560nm，采用两种模块镀膜实现，用于测量卫星激光通信终端的多种光学通道。物镜光路系统安装在天线支架上，支架部分能够进行旋转角度调整、俯仰角度调整、上下位移调整三个方向的精密调整。天线支架安装在转台上，转台部分旋转角度调整和俯仰角度调整范围为±20°，转速精度优于50s。转台部分上下位移调整范围大于150mm，调整精度优于50mm。

光信号收发平台5安装在跟踪捕获天线4后端，包括分光模块12，发射模块13，接收CCD模块14。分光模块12用于实现对入射和发射光束的分光，第一个面镀分光膜，分光比为1：1；第二个面镀增透膜，透射率为99.9%。发射模块13主要用于检测激光通信终端的接收和捕获跟踪性能，发射模块13主要由光源和精瞄装置组成，采用精瞄装置实现光束动态偏转以检测激光通信终端的跟踪性能。为了测量激光通信终端的多种光学通道，接收CCD模块14要与卫星激光通信终端的发射光束指标匹配。

光电转化模块6将接收到的信号进行光电转换后，传送至信号解调处理系统2，主要包括APD组件、前置放大器、高压生成电路、阈值判决比较器、时钟/数据恢复电路等组成。采用集成前置放大器的APD，以降低噪声提高接收灵敏度。APD组件的输出信号微弱，需采用高增益宽带放大器对信号进一步放大，放大倍数设计为20倍。阈值判决电路采用高速比较器，阈值判决点设定为信号幅值的1/2，其功能为将前置放大器输出的模拟信号转换为高低电平的数字码流。时钟/数据恢复电路采用时钟数据恢复芯片，从接收的数字码流中提取出时钟信号并按此时钟恢复出同步的数据信号。

主控单元7作为地面终端模拟系统的核心处理器，对发射模块13工作状态、发射光束偏转角度、接收光斑信号位置等进行实时控制，以实现对卫星激光通信终端功能的检测。主控单元7与接收CCD模块14间进行控制和数据读取，根据接收到的光斑位置信息通过D/A和A/D对发射模块进行闭环控制。同时，对光电转化模块6的APD的工作状态通过RS232总线进行监控。

光性能测试模块8由光功率测试仪、光谱仪和误码分析仪等设备组成，测试时，与接收CCD模块14配合使用，完成对入射光束进行出瞳光功率、光束束散角、接收灵敏度和视场角等测试功能。

信号解调处理系统2由信号解调及位同步单元9、数据处理终端10组成，主要用于完成信号解调、放大与位同步，信号解调及位同步单元9对光电转换模块6转换成的电信号进行解调、放大和位同步，输出一路时钟信号和一路通信码信号，两路信号输入到数据处理终端10中进行数据处理和误码分析，数据处理终端10的处理结果在数据显示终端11中进行显示；

如图2所示，所述数据处理终端10由数据采集、解析与记录单元15、数据服务单元16、误码分析单元17和遥测数据比对单元18组成，数据服务单元16与数据采集、解析、记录单元15之间由千兆网通信板实现网络通信，数据采集、解析与记录单元15接收来自信号解调及位同步单元9的LVDS信号形式的数据流并进行帧同步和解码处理形成基带信号，将处理后的基带信号进行解析、存储和误码分析，数据服务单元16对数据采集、解析与记录单元15输出的信号进行遥测接收处理、FTP服务、数据订阅服务和历史数据回放，遥测数据比对单元18接收来自跟踪复测系统3和数据服务单元16的遥测数据，通过卫星星时和地面时钟匹配进行对比分析，并将结果在数据显示终端11进行显示，误码分析单元17对数据采集、解析与记录单元15解析出的信号进行误码率统计；其中数据采集、解析与记录单元15由解调数据采集处理模块19、基带信号解析模块20、数据存储模块21和时序控制模块22组成，数据服务单元16由遥测数据接收处理模块23、FTP服务模块24、数据订阅服务模块25和历史数据回放模块26组成。

数据显示终端11，利用通信总线实现由数据服务单元16传输的不同码速率数据传输状态模拟显示。同时，卫星数据分析结果、跟踪复测检测结果，误码分析结果和遥测数据比对分析结果等数据均通过数据显示终端11动态显示，以实现很好的人机交互。

跟踪复测系统3对遥感卫星下传的数据进行分析和复算，跟踪复测系统3的分析复算结果在数据显示终端11中进行显示。APT复测系统3主要用于在地面接收卫星激光通信终端遥控遥测数据并模拟星上激光通信终端运行情况。APT复测系统3根据卫星激光通信终端接收到的1553B总线数据、遥控指令等，解析出时序控制指令、初始化参数、卫星轨道参数、卫星姿态参数、时钟同步信号等，通过软件进行预算和仿真处理，在地面反演、预报预测并仿真激光通信终端的工作运行状态。根据终端每次试验时的输入参数，预测出初始化完成状态、瞄准状态、捕获状态、跟踪状态、通信状态和维护状态等。

利用本发明测试系统的测试过程如图3所示，提供可在有线和无线两种情况下的测试方法，对卫星激光通信链路系统的瞄准、捕获、跟踪和通信功能验证，同时对卫星激光通信终端的关键技术指标进行考核评估。

一、有线链路情况：

1）测试系统与卫星激光通信终端建立有线连接；

2）卫星激光通信终端接收开机指令，各单机开机工作；

3）卫星激光通信终端根据上注的程序在入地面站可视范围内前15分钟开启预备模式，并根据星历数据和卫星姿态数据，启动预测运算程序。预备模式快结束时，卫星终端根据接收和计算得到的轨道和姿态信息控制二维转台由零位指向地面激光通信终端可能出现的区域；

4）地面模拟激光通信地面站进入可视弧段，地面终端向卫星发送信标光，此时，地面终端和卫星终端分别相向方向进行瞄准，瞄准完毕后，地面终端开始在捕获不确定区域进行扫描，卫星终端连续多场天线扫描，探测器检测捕获信标光信号；

5）当卫星终端检测到地面信标光信号后，立刻停止扫描，调整瞄准位置，向地面终端发出回馈光信号。终端收到回馈光信号后，停止扫描，调整瞄准位置，由星上粗瞄装置捕获地面信标并锁定位置；

6）星上激光通信终端完成对地激光通信站捕获后，粗瞄装置与精瞄装置配合进行复合式跟踪，星上终端与地面激光通信终端进行双向光束闭环跟踪，完成精瞄；

7）地面终端模拟系统向星上发送2Mbps的信号光，将星上解调、误码分析后的结果通过总线下传；

8）跟踪稳定后，卫星终端与地面终端开始进行双向通信：向地面站发射通信信号（下行通信），同时接收地面站的通信信号（上行通信）。双向通信开始后，星地链路系统开始高速或低速通信模式测试；

9）低速通信模式测试时，卫星终端数据源输出20Mbps下行数据，经地面终端设备接收、解调后，送误码比对单元，进行实时的误码比对，判断系统的误码率是否满足的要求，并利用数据处理终端和显示终端检查并记录数据，对记录数据统计分析，得到输出码速率。

高速通信模式测试时，卫星终端数据源输出252/504Mbps下行数据，高速复接器与高速通信单元开机，经地面终端设备接收、解调和分析，重复低速通信模式测试内容；

10）传输一定时间后，发送终端数据源输出禁止指令；

11）通信结束后，卫星终端和地面终端断电，回传激光跟瞄数据，测试结束，恢复（温度恢复）。

二、无线链路情况：

1）测试系统与卫星激光通信终端建立无线连接；

2）卫星激光通信终端接收开机指令，各单机开机工作；

3）调整地面终端物镜系统转台和天线支架，使卫星终端出瞳与地面终端的物镜系统相对准，并将地面终端CCD至于物镜系统焦面处；

4）开启卫星终端激光器，调整地面终端二维转台角度，使聚焦光束完全入射APD探测器的CCD，确保整个链路光路准直；

5）卫星激光通信终端根据上注的程序在入地面站可视范围内前15分钟开启预备模式，并根据星历数据和卫星姿态数据，启动预测运算程序。预备模式快结束时，卫星终端根据接收和计算得到的轨道和姿态信息控制二维转台由零位指向地面激光通信终端可能出现的区域；

6）地面模拟激光通信地面站进入可视弧段，地面终端向卫星发送信标光，此时，地面终端和卫星终端分别相向方向进行瞄准，瞄准完毕后，地面终端开始在捕获不确定区域进行扫描，卫星终端连续多场天线扫描，探测器检测捕获信标光信号；

7）当卫星终端检测到地面信标光信号后，立刻停止扫描，调整瞄准位置，向地面终端发出回馈光信号。终端收到回馈光信号后，停止扫描，调整瞄准位置，由星上粗瞄装置捕获地面信标并锁定位置；

8）星上激光通信终端完成对地激光通信站捕获后，粗瞄装置与精瞄装置配合进行复合式跟踪，星上终端与地面激光通信终端进行双向光束闭环跟踪，完成精瞄；

9）地面终端模拟系统向星上发送2Mbps的信号光，将星上解调、误码分析后的结果通过总线下传；

10）跟踪稳定后，卫星终端与地面终端开始进行双向通信：向地面站发射通信信号（下行通信），同时接收地面站的通信信号（上行通信）。双向通信开始后，星地链路系统开始高速或低速通信模式测试；

11）低速通信模式测试时，卫星终端数据源输出20Mbps下行数据，经地面终端设备接收、解调后，送误码比对单元，进行实时的误码比对，判断系统的误码率是否满足的要求，并利用数据处理终端和显示终端检查并记录数据，对记录数据统计分析，得到输出码速率。

高速通信模式测试时，卫星终端数据源输出252/504Mbps下行数据，高速复接器与高速通信单元开机，经地面终端设备接收、解调和分析，重复低速通信模式测试内容；

12）传输一定时间后，发送终端数据源输出禁止指令；

13）通信结束后，回传激光跟瞄数据，卫星终端和地面终端断电，测试结束，恢复（温度恢复）。

所描述的测试方法中，在卫星激光通信终端完成捕获、跟踪和通信过程中，利用APT复测系统对下传数据进行复算，接收并验证捕获、跟踪和通信过程数管总线指令和遥测的正确性以及卫星终端工作的正确性。所描述的激光通信星地链路测试系统在激光通信模式下，利用光谱仪测量星上激光发射的光谱特性，完毕后将光谱仪换为光功率计，测量星上激光发射的功率特性。根据测得光功率的大小，结合分系统测试时所测得的一些指标，分析可得最大传输距离。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (7)

1.一种适用于遥感卫星激光星地通信链路测试系统，其特征在于：包括地面终端模拟系统（1）、信号解调处理系统（2）和数据显示终端（11）；

地面终端模拟系统（1）包括跟踪捕获天线（4）、由分光模块（12）、发射模块（13）和接收CCD模块（14）组成的光信号收发单元（5）、光电转换模块（6）、主控单元（7）和光性能测试模块（8），跟踪捕获天线（4）接收遥感卫星发出的光信号，将接收到的光信号转发至分光模块（12），分光模块（12）对光信号进行分光形成两路光信号，其中一路由光性能测试模块（8）进行测试，另外一路光信号由接收CCD模块（14）进行成像并计算出入射光角度偏差，计算结果发送给主控单元（7）进行分析处理，成像后的信号由光电转换模块（6）转换成电信号并传送至信号解调处理系统（2），光电转化模块（6）的工作状态由主控单元（7）进行监控，主控单元（7）控制发射模块（13）发出光信号，发射模块（13）发射出的光信号经分光模块（12）和跟踪捕获天线（4）后发射至遥感卫星；

信号解调处理系统（2）由信号解调及位同步单元（9）、数据处理终端（10）组成，信号解调及位同步单元（9）对光电转换模块（6）转换成的电信号进行解调、放大和位同步，输出一路时钟信号和一路通信码信号，两路信号输入到数据处理终端（10）中进行数据处理和误码分析，数据处理终端（10）的处理结果在数据显示终端（11）中进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种适用于遥感卫星激光星地通信链路测试系统，其特征在于：还包括跟踪复测系统（3），跟踪复测系统（3）对遥感卫星下传的数据进行分析和复算，跟踪复测系统（3）的分析复算结果在数据显示终端（11）中进行显示。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于遥感卫星激光星地通信链路测试系统，其特征在于：所述发射模块（13）由光源和精确瞄准装置组成，精确瞄准装置的偏转角度由主控单元（7）进行控制。

4.根据权利要求1或2所述的一种适用于遥感卫星激光星地通信链路测试系统，其特征在于：所述光性能测试模块（8）由光功率测试仪、光谱仪误码分析仪组成，用于完成对入射光束进行出瞳光功率、光束散角、接收灵敏度和视场角进行测试。

5.根据权利要求1或2所述的一种适用于遥感卫星激光星地通信链路测试系统，其特征在于：所述跟踪捕获天线（4）由物镜、支架和转台组成。

6.根据权利要求1所述的一种适用于遥感卫星激光星地通信链路测试系统，其特征在于：所述数据处理终端（10）由数据采集、解析与记录单元（15）、数据服务单元（16）和误码分析单元（17）组成，数据服务单元（16）与数据采集、解析、记录单元（15）之间由千兆网通信板实现网络通信，数据采集、解析与记录单元（15）接收来自信号解调及位同步单元（9）的LVDS信号形式的数据流并进行帧同步和解码处理形成基带信号，将处理后的基带信号进行解析、存储和误码分析，数据服务单元（16）对数据采集、解析与记录单元（15）输出的信号进行遥测接收处理、FTP服务、数据订阅服务和历史数据回放，误码分析单元（17）对数据采集、解析与记录单元（15）解析出的信号进行误码率统计；其中数据采集、解析与记录单元（15）由解调数据采集处理模块（19）、基带信号解析模块（20）、数据存储模块（21）和时序控制模块（22）组成，数据服务单元(16)由遥测数据接收处理模块（23）、FTP服务模块（24）、数据订阅服务模块（25）和历史数据回放模块（26）组成。

7.根据权利要求2所述的一种适用于遥感卫星激光星地通信链路测试系统，其特征在于：所述数据处理终端（10）由数据采集、解析与记录单元（15）、数据服务单元（16）、误码分析单元（17）和遥测数据比对单元（18）组成，数据服务单元（16）与数据采集、解析、记录单元（15）之间由千兆网通信板实现网络通信，数据采集、解析与记录单元（15）接收来自信号解调及位同步单元（9）的LVDS信号形式的数据流并进行帧同步和解码处理形成基带信号，将处理后的基带信号进行解析、存储和误码分析，数据服务单元（16）对数据采集、解析与记录单元（15）输出的信号进行遥测接收处理、FTP服务、数据订阅服务和历史数据回放，遥测数据比对单元（18）接收来自跟踪复测系统（3）和数据服务单元（16）的遥测数据，通过卫星星时和地面时钟匹配进行对比分析，并将结果在数据显示终端（11）进行显示，误码分析单元（17）对数据采集、解析与记录单元（15）解析出的信号进行误码率统计；其中数据采集、解析与记录单元（15）由解调数据采集处理模块（19）、基带信号解析模块（20）、数据存储模块（21）和时序控制模块（22）组成，数据服务单元(16)由遥测数据接收处理模块（23）、FTP服务模块（24）、数据订阅服务模块（25）和历史数据回放模块（26）组成。

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