CN104483682B - S波段统一测控系统及其侧音提取模块和测距音转发方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种侧音提取模块，该模块包含：锁相环，其接收并跟踪卫星接收的正弦测距音信号，获取并输出正弦测距音信号的频率和相位；数字频率综合器，其电路连接锁相环的输出端；数字频率综合器根据锁相环输出的频率和相位，再生并输出正弦测距音信号。本发明采用环路带宽窄，环路噪声小，跟踪精度高的数字科斯塔斯环跟踪地面站发出的正弦测距音信号，得到测距正弦波信号的频率和相位，进而采用数字频率综合器复制出此信号，送到下行链路调制器中对下行载波进行调相，系统稳定性高，消耗资源少，减小了系统复杂度，又进一步减小了资源消耗；具有小跟踪带宽，具有更高的跟踪精度，从而实现了测距信号的高精度转发。

Description

S波段统一测控系统及其侧音提取模块和测距音转发方法
技术领域
本发明公开一种卫星测控应答机中测距音信号高精度转发技术，具体涉及一种S波段统一测控系统及其侧音提取模块和测距音转发方法。
背景技术
S波段统一（USB）测控系统对卫星测距，采用的是侧音轮发的测距体制，其基本原理是：地面站向卫星发出1组特定频率的正弦波信号，经卫星应答机转发后再由地面站接收，测出发送信号与接收信号之间的相位差并折算出电磁波传输的距离。
在这一处理流程中，星上应答机主要负责转发地面站发送的测距信号，传统的USB测控应答机一般采用带通滤波的方法来转发测距侧音。卫星应答机首先通过16kHz、20kHz、100kHz的带通滤波器将侧音副载波信号分离出来，然后将遥测副载波和分离出来的测距副载波通过调相器调制在下行载波上经过功放后发射出去。
侧音信号因为要进行比相测距，有精度的要求，所以对滤波器的性能要求就比较高，8kHz（遥控副载波）、16kHz、20kHz、100kHz频率相距较近，要彼此滤除需要较大的代价，这些特点决定了用于侧音转发的滤波器的阶数会比较高，所以传统的窄带滤波转发方法需要消耗的资源大；另外，在卫星测控领域，卫星距离从几百千米到几十万千米不等，造就了卫星测距系统通信距离远，传播损耗大，信号高动态等特点，因此卫星应答机所接收的上行信号信噪比很低，并伴有较大的多普勒频移，带通滤波转发的方法没有对信号进行深度处理，使得转发的测距信号的信噪比较低，无法保证地面站的测距精度。
发明内容
本发明提供一种S波段统一测控系统及其侧音提取模块和测距音转发方法，比传统方法减小了资源消耗，同时提高了转发侧音信号的质量。
为实现上述目的，本发明提供一种侧音提取模块，其特点是，该模块包含：
锁相环，其接收并跟踪卫星接收的正弦测距音信号，获取并输出正弦测距音信号的频率和相位；
数字频率综合器，其电路连接锁相环的输出端；数字频率综合器根据锁相环输出的频率和相位，再生并输出正弦测距音信号。
上述锁相环采用数字科斯塔斯环。
上述锁相环包含：
形成环路的第一混频器、电路连接第一混频器输出端的第一低通滤波器、第二混频器、环路滤波器；
形成环路的第三混频器、电路连接第三混频器输出端的第二低通滤波器、第二混频器、环路滤波器；
其中，环路滤波器输出端电路连接数字频率综合器，第一混频器和第三混频器的输入端连接输入信号与数字频率综合器的输出；第二混频器输入端电路连接第一低通滤波器和第二低通滤波器的输出端。
一种S波段统一测控系统，其包含地面站及与地面站通信连接的卫星测控应答机；其特点是，该卫星测控应答机包含：
载波跟踪环路，其接收地面向卫星的输入信号，恢复出载波信号；
第四混频器，其输入端电路连接载波跟踪环路的输出端，第四混频器接收载波信号以及卫星的输入信号，混频输出基带信号；
精测音提取模块，其输入端电路连接第四混频器输出端，接收基带信号提取出精测音并输出；
第五混频器，其输入端接收精测音提取模块输出的精测音及该精测音的调制指数信号，进行混频加权后输出第一调相信号；
次侧音提取模块，其输入端电路连接第四混频器输出端，接收基带信号提取出次侧音并输出；
第六混频器，其输入端接收次侧音提取模块输出的次侧音及该次侧音的调制指数信号，进行混频加权后输出第二调相信号；
下行载波相位调制输出模块，其输入端电路连接第五混频器和第六混频器的输出端，接收第一调相信号和第二调相信号对下行载波信号进行调相，并输出下行载波信号至地面；
上述精测音提取模块和次侧音提取模块采用如权利要求1至3中任意一项权利要求所述的侧音提取模块。
一种上述S波段统一测控系统的测距音转发方法，其特点是，该方法包含：
S波段统一测控系统中卫星测控应答机接收由地面站发出的一组不同频率的正弦测距音信号；
卫星测控应答机转发正弦测距音信号返回地面站；
地面站根据其发送的正弦测距音信号与经过卫星测控应答机转发的正弦测距音信号之间的相位差，得出电磁波传输的距离；
其中，卫星测控应答机的转发方法采用锁相环跟踪转发的方法。
上述卫星测控应答机转发正弦测距音信号返回地面站包含：
载波跟踪环路接收地面站发出的一组不同频率的正弦测距音信号，并恢复出正弦测距音信号的载波信号；
第四混频器将卫星测控应答机接收的正弦测距音信号与载波信号混频，输出正弦测距音信号的基带信号；
精测音提取模块接收正弦测距音信号的基带信号提取出精测音，精测音经过其调制指数加权后输出；
次侧音提取模块接收正弦测距音信号的基带信号提取出次侧音，次侧音经过其调制指数加权后输出；
下行载波相位调制输出模块根据经过调制指数加权的精测音与次侧音，对下行载波进行调相后发回至地面站，其中下行载波为卫星测控应答机转发的正弦测距音信号。
上述精测音提取模块提取精测音与次侧音提取模块提取次侧音都采用锁相环跟踪转发的方法，其具体包含：
精测音提取模块或次侧音提取模块中的锁相环跟踪精测音或次侧音的相位和频率；
精测音提取模块或次侧音提取模块中的数字频率综合器根据相位和频率，分别再生出精测音或次侧音。
本发明S波段统一测控系统及其侧音提取模块和测距音转发方法和现有技术相比，其优点在于，本发明针对卫星通信距离远，传播损耗大，接收信号信噪比低的问题，本发明采用环路带宽窄，环路噪声小，跟踪精度高的数字科斯塔斯环跟踪地面站发出的正弦测距音信号，得到测距正弦波信号的频率和相位，进而采用数字频率综合器（DDS）复制出此信号，送到下行链路调制器中对下行载波进行调相；这一方案中科斯塔斯环跟踪环路和再生信号的频率综合器都采用全数字电路实现，系统稳定性高；数字科斯塔斯环路节省了传统滤波器的乘累加单元，消耗资源少；对侧音采用数字DDS再生的方式，转发的实现不依赖于系统采样率，从而避免了传统实现方法的插值和插值滤波，减小了系统复杂度，又进一步减小了资源消耗；科斯塔斯环跟踪环路具有小很多的跟踪带宽，因而较传统方法具有更高的跟踪精度，从而实现了测距信号的高精度转发。
附图说明
图1为本发明S波段统一测控系统中卫星测控应答机的原理图；
图2为本发明侧音提取模块的原理框图；
图3为本发明数字科斯塔斯环原理框图；
图4为本发明测距音转发方法的流程图；
图5为精测音跟踪效果图；
图6为次侧音跟踪效果图。
具体实施方式
以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。
S波段统一测控系统的工作原理为地面测控站向卫星发出一组不同频率的正弦测距音信号，然后经过卫星应答机接收转发回地面，测出发送信号与接收信号之间的相位差，从而折算出电磁波传输的距离。本发明的特点在于，本方案中对正弦测距音信号的转发采用锁相环跟踪转发的方法。
如图1所示，为一种S波段统一测控系统中卫星测控应答机的实施例。S波段统一测控系统包含地面测控站及与地面测控站通信连接的卫星测控应答机。
卫星测控应答机包含：载波跟踪环路101、第四混频器102、精测音提取模块103、第五混频器105、次侧音提取模块104、第六混频器106、下行载波相位调制输出模块107。
载波跟踪环路101通过快速捕获算法接收地面测控站向卫星发送的输入信号，输入信号经过载波跟踪环路101恢复出载波信号。在S波段统一测控中输入信号为一组不同频率的正弦测距音信号。
第四混频器102输入端电路连接载波跟踪环路101的输出端，第四混频器102接收载波跟踪环路101输出的载波信号以及卫星的输入信号，通过混频输出正弦测距音信号的基带信号。
精测音提取模块103输入端电路连接第四混频器102的输出端，接收基带信号提取出精测音并输出。
第五混频器105输入端接收精测音提取模块103输出的精测音及该精测音对应的调制指数信号，进行混频加权后输出第一调相信号。
次侧音提取模块104输入端电路连接第四混频器102的输出端，接收基带信号提取出次侧音并输出。
第六混频器106输入端接收次侧音提取模块104输出的次侧音及该次侧音对应的调制指数信号，进行混频加权后输出第二调相信号。
下行载波相位调制输出模块107输入端电路连接第五混频器105和第六混频器106的输出端，接收第一调相信号和第二调相信号对下行载波信号进行调相，并输出下行载波信号至地面测控站。
其中精测音提取模块103和次侧音提取模块104采用相同的侧音提取模块。
如图2所示，为侧音提取模块的实施例，该模块包含：锁相环210和数字频率综合器（数字DDS）220。
锁相环210接收并跟踪卫星接收的正弦测距音信号，获取并输出正弦测距音信号的频率和相位。数字频率综合器220电路连接锁相环的输出端，数字频率综合器200根据锁相环输出的频率和相位，再生并输出正弦测距音信号。
相位锁定环路（PLL）简称锁相环，它是以锁定输入载波信号的相位为目标的一种载波环实现形式，它通过不断地调整其输出信号的相位，使输出信号与输入信号之间的相位时刻保持一致。锁相环最显著的优势就是具有良好的窄带滤波特性。在实际工程中，环路信噪比大于等于6dB时，环路能够较好的工作。因为一般环路的通频带比环路输入端的前置通频带窄的多，环路信噪比明显高于输入信噪比，故环路能在低输入信噪比条件下工作。因此，将环路设计成窄带，即可把淹没在噪声中的微弱信号提取出来。USB测控系统测距信号是单频正弦波信号，采用锁相环跟踪环路，因为锁相环的窄带滤波特性，环路可以带来很高的跟踪精度，这样就可以精确跟踪到正弦波信号的频率和相位，进而复制出此正弦波信号。将此信号送到下行链路调制器中对下行载波进行调相，即实现了测距信号的高精度转发。
本发明中跟踪侧音信号的锁相环210采用数字科斯塔斯环（costas），资源消耗少，跟踪精度高。
如图3所示，为科斯塔斯环的原理框图，其中锁相环210包含：形成环路的第一混频器211、电路连接第一混频器211输出端的第一低通滤波器212、第二混频器213、环路滤波器214。形成环路的第三混频器215、电路连接第三混频器215输出端的第二低通滤波器216、第二混频器213、环路滤波器214。其中，环路滤波器214输出端电路连接数字频率综合器220，第一混频器211和第三混频器215的输入端连接输入信号V1与数字频率综合器220的输出，数字频率综合器220的输出V2传输至第一混频器211输入端，输出V3传输至第三混频器215输入端，第一混频器211对信号V1和V2混频后输出信号V4，第三混频器215对信号V1和V3混频后输出信号V5。第一混频器211的输出信号V4传输至第一低通滤波器212进行滤波输出信号V6，第三混频器215的输出信号V5传输至第二低通滤波器216进行滤波后输出信号V7。第二混频器213输入端电路连接第一低通滤波器212和第二低通滤波器213的输出端，接收信号V6和V7，进行混频后输出至环路滤波器214，环路滤波器214对信号滤波后输出信号至数字频率综合器220。
根据图3所示，数字科斯塔斯环原理具体如下：
设输入信号，数字频率综合器220输出的两路互为正交的本地载波分别为：
其中，为输入信号的载波频率，t为时间，为数字频率综合器220输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差。
信号V1分别与V2、V3相乘后得：
经过低通滤波后，得到：
V6、V7经过鉴相器就得到误差信号。
如图4所示，本发明还公开了一种S波段统一测控系统的测距音转发方法，该方法包含以下步骤：
步骤1、S波段统一测控系统中，地面测控站向卫星发送一组不同频率的正弦测距音信号，卫星测控应答机接收由地面站发出的一组不同频率的正弦测距音信号。
步骤2、卫星测控应答机转发正弦测距音信号返回地面站。卫星测控应答机的转发方法采用锁相环跟踪转发的方法。
步骤2.1、载波跟踪环路接收地面站发出的一组不同频率的正弦测距音信号，并恢复出正弦测距音信号的载波信号。
步骤2.2、第四混频器将卫星测控应答机接收的正弦测距音信号与载波信号混频，输出正弦测距音信号的基带信号。
步骤2.3、精测音提取模块接收正弦测距音信号的基带信号提取出精测音，精测音经过其调制指数加权后输出。
次侧音提取模块接收正弦测距音信号的基带信号提取出次侧音，次侧音经过其调制指数加权后输出。
精测音提取模块提取精测音与次侧音提取模块提取次侧音都采用锁相环跟踪转发的方法，其具体包含：
精测音提取模块或次侧音提取模块中的锁相环跟踪精测音或次侧音的相位和频率。
精测音提取模块或次侧音提取模块中的数字频率综合器根据相位和频率，分别再生出精测音或次侧音。
步骤2.4、下行载波相位调制输出模块根据经过调制指数加权的精测音与次侧音，对下行载波进行调相后发回至地面站，其中下行载波为卫星测控应答机转发的正弦测距音信号。
步骤3、地面站根据其发送的正弦测距音信号与经过卫星测控应答机转发的正弦测距音信号之间的相位差，得出电磁波传输的距离。
本实施采用科斯塔斯环跟踪侧音信号的频率和相位，通过仿真验证了在较低的信噪比时精测音和次侧音仍具有很好的跟踪特性。
如图5所示，为信噪比是-15db时精测音的跟踪效果图。如图6所示，为信噪比是-15db时次侧音的跟踪效果图。其中红色线条表示的是原始侧音信号，蓝色线条表示的是根据数字科斯塔斯环跟踪的频率和相位通过数字DDS再生出的侧音信号。从跟踪效果图上可以看出，在信噪比较低时，原始信号的幅度和相位都有一定程度的失真，而再生信号基本消除了这些失真的同时，又保证了频率和相位和原始信号一致。从图5和图6可以看出，再生信号比原始信号具有更好的信号特征，从而为地面站的高精度测距提供了保证。
本实施例首先利用数字科斯塔斯环获得侧音信号的频率和相位，然后利用数字DDS产生此频率和相位的侧音信号来实现侧音信号的转发。这种实现方式自由灵活，不受限于系统原有的采样率。在原有实现方式中，为了保证侧音信号的滤波效果（8kHz，16kHz，100kHz副载波彼此彼此滤除），通常需要将采样率降下来之后再进行带通滤波，而发送端采样率一般根据发送端中频信号频率确定，这样要实现侧音的转发需要将带通滤波后的信号经过插值和插值后滤波才能转发，而插值的倍数（发送端采样率和接收端采样率的商）一般较高，这需要消耗很多的插值滤波器资源且系统实现复杂。而本实施方案实现方式灵活，资源消耗小，系统实现简单，稳定性跟高。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种侧音提取模块，其特征在于，该模块包含：
锁相环，其接收并跟踪卫星接收的正弦测距音信号，获取并输出正弦测距音信号的频率和相位；
数字频率综合器，其电路连接锁相环的输出端；数字频率综合器根据锁相环输出的频率和相位，再生并输出正弦测距音信号。
2.如权利要求1所述的侧音提取模块，其特征在于，所述锁相环采用数字科斯塔斯环。
3.如权利要求1或2所述的侧音提取模块，其特征在于，所述锁相环包含：
形成环路的第一混频器、电路连接第一混频器输出端的第一低通滤波器、第二混频器、环路滤波器；
形成环路的第三混频器、电路连接第三混频器输出端的第二低通滤波器、第二混频器、环路滤波器；
其中，环路滤波器输出端电路连接数字频率综合器，第一混频器和第三混频器的输入端连接输入信号与数字频率综合器的输出；第二混频器输入端电路连接第一低通滤波器和第二低通滤波器的输出端。
4.一种S波段统一测控系统，其包含地面站及与地面站通信连接的卫星测控应答机；其特征在于，所述卫星测控应答机包含：
载波跟踪环路，其接收地面站向卫星的输入信号，恢复出载波信号；
第四混频器，其输入端电路连接载波跟踪环路的输出端，第四混频器接收载波信号以及卫星的输入信号，混频输出基带信号；
精侧音提取模块，其输入端电路连接第四混频器输出端，接收基带信号提取出精侧音并输出；
第五混频器，其输入端接收精侧音提取模块输出的精侧音及该精侧音的调制指数信号，进行混频加权后输出第一调相信号；
次侧音提取模块，其输入端电路连接第四混频器输出端，接收基带信号提取出次侧音并输出；
第六混频器，其输入端接收次侧音提取模块输出的次侧音及该次侧音的调制指数信号，进行混频加权后输出第二调相信号；
下行载波相位调制输出模块，其输入端电路连接第五混频器和第六混频器的输出端，接收第一调相信号和第二调相信号对下行载波信号进行调相，并输出调相后的下行载波信号至地面站；
上述精侧音提取模块和次侧音提取模块采用如权利要求1至3中任意一项权利要求所述的侧音提取模块。
5.一种如权利要求4所述S波段统一测控系统的测距音转发方法，其特征在于，该方法包含：
S波段统一测控系统中卫星测控应答机接收由地面站发出的一组不同频率的正弦测距音信号；
卫星测控应答机转发正弦测距音信号返回地面站；
地面站根据其发送的正弦测距音信号与经过卫星测控应答机转发的正弦测距音信号之间的相位差，得出电磁波传输的距离；
其中，卫星测控应答机的转发方法采用锁相环跟踪转发的方法；
所述精侧音提取模块提取精侧音与次侧音提取模块提取次侧音都采用锁相环跟踪转发的方法，其具体包含：
精侧音提取模块或次侧音提取模块中的锁相环跟踪精侧音或次侧音的相位和频率；
精侧音提取模块或次侧音提取模块中的数字频率综合器根据相位和频率，分别再生出精侧音或次侧音。
6.如权利要求5所述测距音转发方法，其特征在于，所述卫星测控应答机转发正弦测距音信号返回地面站包含：
载波跟踪环路接收地面站发出的一组不同频率的正弦测距音信号，并恢复出载波信号；
第四混频器将卫星测控应答机接收的正弦测距音信号与载波信号混频，输出含有正弦测距音信号的基带信号；
精侧音提取模块接收正弦测距音信号的基带信号提取出精侧音，精侧音经过其调制指数加权后输出；
次侧音提取模块接收正弦测距音信号的基带信号提取出次侧音，次侧音经过其调制指数加权后输出；
下行载波相位调制输出模块根据经过调制指数加权的精侧音与次侧音，对下行载波进行调相后发回至地面站。
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卫星测距的关键技术研究与实现;陈维超;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 基础科学辑》;20140115(第1期);9-10，19-20 *
多功能数字应答机信号处理技术;周林;《电讯技术》;20051231(第5期);147-150 *

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