CN109782263B - 一种Ka频段多通道高精度航天测距应答机 - Google Patents

Abstract

本发明一种Ka频段多通道高精度航天测距应答机，包括：二次电源模块、微波通道模块和数字处理模块；所述微波通道模块包括Ka接收通道、Ka发射通道及校准通道；其中Ka接收通道包括第一波导隔离器、输入耦合器、低噪放大器、MEMS滤波器、第一级混频器、第一中频滤波器、第一中频放大器、第二级混频器、第二中频滤波器、第二中频放大器、第一数控衰减器；Ka发射通道包括：发射锁相源、第三混频器、微波调制器、驱动放大器、功率放大器、滤波器、输出耦合器、第二波导隔离器；校准通道包括固定衰减器、校准混频器、第二数控衰减器。本发明可在线零值实时标校，达到厘米级的测量精度，实现卫星的事后米级测定轨目的。

Description

一种Ka频段多通道高精度航天测距应答机

技术领域

本发明属于航天测控技术领域，涉及一种Ka频段多通道高精度航天测距应答机。

背景技术

影响高精度航天器测定轨精度的因素，包括测量几何、测量元素精度、大气修正精度、站址测量精度、数据处理方法等诸多方面。由于天地设备工作在Ka频段，可以显著减小大气电离层对测量精度的影响，因此Ka频段测距应答机是高精度测量的重要组成部分，直接影响系统的测距精度。该应答机作为卫星平台的关键子系统，除配合完成星地距离测量外，还承担着卫星遥测数据调制发射、遥控数据接收解调等任务。

随着卫星应用的不断深入，对卫星的测定轨精度需求不断提高，特别对高轨卫星，部分卫星的定轨要求需要厘米级测距精度和多站测量相配合才能满足。目前，星载Ka频段测控应答机的测距精度在分米级水平，难以满足高精度定轨的应用需求。

发明内容

发明所要解决的课题是，针对现有技术中Ka频段测控应答机的测距精度在分米级水平，难以满足高精度定轨的应用需求的问题。

用于解决课题的技术手段是，本发明提出一种Ka频段多通道高精度航天测距应答机，实现应答机的在线零值实时标校，实现了厘米级测量精度的目的。

本发明提出的一种Ka频段多通道高精度航天测距应答机，包括：连接二次电源模块的微波通道模块和数字处理模块；

其中，所述微波通道模块包括Ka接收通道、Ka发射通道及校准通道，其中Ka接收通道将接收的上行Ka频段微波信号依次经第一波导隔离器、输入耦合器、低噪放大器、MEMS滤波器进入第一级混频器并与输入的第一级本振信号混频形成第一中频信号；将第一中频信依次经第一中频滤波器、第一中频放大器进入第二级混频器并与输入的第二本振信号混频形成第二中频信号；将第二中频信号依次经第二中频滤波器、第二中频放大器、第一数控衰减器后输入数字处理模块；所述Ka发射通道将发射锁相源产生的下行射频信号与数字处理模块产生的中频信号输入第三混频器形成发射本振信号，并将发射本振信号与数字处理模块产生的正交基带信号输入微波调制器完成Ka频段微波直接调制后，依次经过驱动放大器、功率放大器、滤波器、输出耦合器得到下行发射信号，并由第二波导隔离器输出；所述校准通道将Ka发射通道中输出耦合器所输出下行发射信号经固定衰减器调整功率后，由校准混频器将下行发射信号与输入的校准本振信号混频形成校准接收信号并经第二数控衰减器后输入Ka接收通道的输入耦合器；

所述数字处理模块对Ka接收通道输出的第二中频信号进行A/D转换，得到数字信号并根据数字信号进行解扩解调、译码处理，完成测量和遥控；并产生测量和遥测的正交基带信号输入Ka发射通道；并进行测量和遥控信号的发送与接收。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述微波通道模块还包括用于产生第一本振信号、第二本振信号、校准本振信号的本振模块。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述数字处理模块包括A/D转换电路、第一基带处理单元、第二基带处理单元、D/A转换电路、直接数字频率合成器DDS和接口电路。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述数字处理模块还包括监控FPGA，用于对第一和第二基带处理单元的工作状态的监控和参数刷新。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述校准通道还包括利用数字鉴相器对输入的校准本振信号解调。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述校准通道中固定衰减器将下行发射信号调整至上行Ka频段微波信号相等功率。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述校准通道中校准混频器进行群时延波动控制。

发明效果为：

本发明的Ka频段多通道高精度航天测距应答机，通过使用在线零值校准射频通道，实时测量设备零值，使用得到的实时设备零值标校星地距离测量值，达到了星地距离系统误差小于3厘米。该方法可以消除因硬件电路在温度变化、信号强度变化及随时间老化过程中设备零值变化。

本发明通过微波通道模块中的Ka接收通道、Ka发射通道及校准通道和数字处理模块配合，实现应答机的在线零值实时标校，进而达到厘米级的测量精度，从而实现卫星的事后米级测定轨目的。因此，本发明的Ka频段多通道高精度航天测距应答机可达到厘米级的测量精度，用于实现卫星的事后米级定轨精度。

附图说明

图1为本发明中微波通道模块的结构示意图。

图2为本发明中数字处理模块的结构示意图。

具体实施方式

以下，基于附图针对本发明进行详细地说明。

本发明设计了一种Ka频段多通道高精度航天测距应答机，主要包括：连接二次电源模块的微波通道模块和数字处理模块；其中，二次电源模块，用于电源滤波、电压转换和应答机指令执行；微波通道模块，用于微波信号的接收、发射和自校，以及产生系统时钟基准；数字处理模块，用于接收信号的A/D转换、伪码和载波的捕获跟踪、测量信号处理、自校信号处理、遥控遥测信息处理。

具体地，所述微波通道模块的结构如图1所示，主要包括：Ka接收通道、Ka发射通道及校准通道。

其中，所述Ka接收通道包括：BJ320的第一波导隔离器、输入耦合器、低噪放大器、MEMS滤波器、第一级混频器、第一中频滤波器、第一中频放大器、第二级混频器、第二中频滤波器、第二中频放大器、第一数控衰减器。该通道将接收的上行Ka频段微波信号依次经第一波导隔离器、输入耦合器、低噪放大器、MEMS滤波器进入第一级混频器并与输入的第一级本振信号混频形成第一中频信号；将第一中频信依次经第一中频滤波器、第一中频放大器进入第二级混频器并与输入的第二本振信号混频形成第二中频信号；将第二中频信号依次经第二中频滤波器、第二中频放大器、第一数控衰减器后输入数字处理模块。

其中，所述Ka发射通道包括：发射锁相源、第三混频器、微波调制器、驱动放大器、功率放大器、滤波器、输出耦合器、BJ180的第二波导隔离器。该通道将发射锁相源产生的下行射频信号与数字处理模块产生的中频信号输入第三混频器形成发射本振信号，并将发射本振信号与数字处理模块产生的正交基带信号输入微波调制器完成Ka频段微波直接调制后，依次经过驱动放大器、功率放大器、滤波器、输出耦合器得到下行发射信号，并由第二波导隔离器输出。

所述校准通道，包括固定衰减器、校准混频器、第二数控衰减器。该通道中，将Ka发射通道中输出耦合器所输出下行发射信号经固定衰减器调整功率后，由校准混频器将下行发射信号与输入的校准本振信号混频形成校准接收信号并经第二数控衰减器后输入Ka接收通道的输入耦合器。

所述数字处理模块，主要对Ka接收通道输出的第二中频信号进行A/D转换，得到数字信号并根据数字信号进行解扩解调、译码处理，完成测量和遥控；并产生测量和遥测的正交基带信号输入Ka发射通道；并进行测量和遥控信号的发送与接收。

所述数字处理模块的结构如图2所示，主要包括：A/D转换电路、第一基带处理单元FPGA1、第二基带处理单元FPGA2、D/A转换电路、直接数字频率合成器DDS和接口电路，还可以包括监控FPGA。所述第一基带处理单元FPGA1、第二基带处理单元FPGA2用于伪码和载波的捕获跟踪、测量信号处理、自校信号处理、遥控遥测信息处理，所述监控FPGA用于完成所述基带处理FPGA工作状态的监控和关键参数的实时刷新处理；所述A/D转换电路，用于对来自微波通道模块的接收第二中频信号进行A/D转换，将产生的数字信号发送给所述第一基带处理单元FPGA1；所述直接数字频率合成器DDS用于产生发射通道所需的中频正交基带信号；所述接口电路用于和综合电子模块之间进行遥控、遥测信号的发送与接收。

优选地，所述微波通道模块还包括用于产生第一本振信号、第二本振信号、校准本振信号的本振模块。所述校准通道还包括利用数字鉴相器对输入的校准本振信号解调。所述校准通道中校准混频器进行群时延波动控制。

本发明应答机的工作原理如下：

以Ka频段高精度扩频应答机为例，从地面测控站发送的上行Ka频段微波信号，经卫星天线后输出到Ka频段高精度应答机的接收通道，在接收通道中上行Ka频段微波信号进行下变频、放大得到第二中频信号后进入数字处理模块，在数字处理模块中进行解扩解调、译码处理，完成测量、遥控功能；由数字处理模块生成测量、遥测的正交基带信号经发射通道QPSK调制后经功放，放大后至天线并发射出去，由地面测控站接收；同时发射通道通过输出耦合器将下行发射信号耦合至校准通道，在校准通道中上变频、衰减后再耦合至接收通道，最后进入数字处理模块，实现对接收滤波器、发射滤波器、功放、发射通道、接收通道及数字处理的组合时延变化量，即在线实时零值标校。

微波通道模块中Ka接收通道实现对Ka频段上行信号的信号放大、变频、增益数控调整，输出一路中频信号至数字处理单元；Ka发射通道实现对两路I/Q基带信号的QPSK微波直接调制，并放大至下行所需电平输出；校准通道采用输出耦合器将下行信号送入校准变频器，再通过数控衰减器将下行发射信号调整至与上行Ka频段微波信号功率相等，最后经过输入耦合器送入接收通道；本振模块可以产生接收通道、发射通道及自校通道所需的本振信号。

在线零值校准射频通道的Ka接收通道、Ka发射通道需要严格控制群时延波动，通过适当增加信号带宽、尽量减少射频滤波器等措施，达到收发通道在测量信号带宽内组合群时延小于25ns。

在线零值校准射频通道的校准通道引入的附加零值需要在单机交付前利用矢量网络分析仪进行测量标定，标定后认为其随时间的老化引起的设备零值变化可以忽略。因此其群时延需要重点控制，校准通道使用具有宽带特性的衰减器和混频器，它们的带宽远大于信号带宽，因此测量信号带宽内的群时延特性为准线性；而且混频器和衰减器均为无源器件，时间老化对其性能影响较小。通过以上措施可以达到附加零值对厘米级系统误差无显著影响。

在线零值校准通道的本振源均使用了底噪较好的数字鉴相器，达到本振信号抖动不大于2°，并且不会发生相位翻转及跳周等异常现象。

在传统应答机中，一般在单机交付前使用外部通用变频器配合地面检测设备进行应答机零值测量，其误差通常为米级。传统方法不仅系统误差较大，而且也不能反应随着卫星长期使用，元器件老化引起的设备零值变化。本发明设计的多通道高精度航天测距应答机，通过使用在线零值校准射频通道，实时测量设备零值，使用得到的实时设备零值标校星地距离测量值，达到了星地距离系统误差小于3厘米。该方法可以消除因硬件电路在温度变化、信号强度变化及随时间老化过程中设备零值变化。

数字处理模块的硬件平台均使用了宇航级元器件，能够适应空间高轨卫星的空间环境。数字处理硬件为满足高精度处理要求，进行了三点特殊设计，第一使用高稳定的系统时钟，特别是模数转换器ADC，减少时钟抖动及采样误差对测量精度的影响；第二，采用数字频率合成器产生下行测量信号，达到载波和伪码同步；第三，合理规划片间信号传输，避免高精度测量处理因传输引入误差。基带信号处理使用了高精度测距算法，接收模块同时处理一路遥控信号、三路上行测距信号、以及自校信号，包含下行测量信号与下行遥测信号，对六路扩频信号进行伪码和载波捕获及跟踪，多址干扰对消，测量信号处理，自校信号处理等；发射模块包含测量帧的组帧及扩频调制、遥测数据流的扩频调制。

综上，本发明通过自校通道和自校信号处理模块，实现应答机的在线零值实时标校，进而达到厘米级的测量精度，从而实现卫星的事后米级测定轨目的。

需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种Ka频段多通道高精度航天测距应答机，其特征在于，包括：连接二次电源模块的微波通道模块和数字处理模块；

其中，所述微波通道模块包括Ka接收通道、Ka发射通道及校准通道，其中Ka接收通道将接收的上行Ka频段微波信号依次经第一波导隔离器、输入耦合器、低噪放大器、MEMS滤波器进入第一级混频器并与输入的第一级本振信号混频形成第一中频信号；将第一中频信依次经第一中频滤波器、第一中频放大器进入第二级混频器并与输入的第二本振信号混频形成第二中频信号；将第二中频信号依次经第二中频滤波器、第二中频放大器、第一数控衰减器后输入数字处理模块；

所述Ka发射通道将发射锁相源产生的下行射频信号与数字处理模块产生的中频信号输入第三混频器形成发射本振信号，并将发射本振信号与数字处理模块产生的正交基带信号输入微波调制器完成Ka频段微波直接调制后，依次经过驱动放大器、功率放大器、滤波器、输出耦合器得到下行发射信号，并由第二波导隔离器输出；

所述校准通道将Ka发射通道中输出耦合器所输出下行发射信号经固定衰减器调整功率后，由校准混频器将下行发射信号与输入的校准本振信号混频形成校准接收信号并经第二数控衰减器后输入Ka接收通道的输入耦合器；其中，所述固定衰减器、所述校准混频器和所述第二数控衰减器的带宽均大于信号带宽；

所述数字处理模块对Ka接收通道输出的第二中频信号进行A/D转换，得到数字信号并根据数字信号进行解扩解调、译码处理，完成测量和遥控；并产生测量和遥测的正交基带信号输入Ka发射通道；并进行测量和遥控信号的发送与接收；

其中，所述Ka频段多通道高精度航天测距应答机对接收滤波器、发射滤波器、功放、发射通道、接收通道及数字处理的组合时延变化量，进行在线实时零值标校；

产生所述第一级本振信号、所述第二级本振信号、和所述校准本振信号的本振源均使用数字鉴相器。

2.根据权利要求1所述的Ka频段多通道高精度航天测距应答机，其特征在，所述微波通道模块还包括用于产生第一本振信号、第二本振信号、校准本振信号的本振模块。

3.根据权利要求1所述的Ka频段多通道高精度航天测距应答机，其特征在，所述数字处理模块包括A/D转换电路、第一基带处理单元、第二基带处理单元、D/A转换电路、直接数字频率合成器DDS和接口电路。

4.根据权利要求3所述的Ka频段多通道高精度航天测距应答机，其特征在，所述数字处理模块还包括监控FPGA，用于对第一和第二基带处理单元的工作状态的监控和参数刷新。

5.根据权利要求1所述的Ka频段多通道高精度航天测距应答机，其特征在，所述校准通道还包括利用数字鉴相器对输入的校准本振信号解调。

6.根据权利要求1所述的Ka频段多通道高精度航天测距应答机，其特征在，所述校准通道中固定衰减器将下行发射信号调整至上行Ka频段微波信号相等功率。

7.根据权利要求1所述的Ka频段多通道高精度航天测距应答机，其特征在，所述校准通道中校准混频器进行群时延波动控制。

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