CN111770396B

CN111770396B - 一种基于光纤传输的信号生成和比对装置及方法

Info

Publication number: CN111770396B
Application number: CN202010499359.3A
Authority: CN
Inventors: 陈雷; 王飞雪; 李井源; 孙广富; 欧钢; 陈飞强; 肖志斌; 刘增军
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2020-06-04
Filing date: 2020-06-04
Publication date: 2022-02-11
Anticipated expiration: 2040-06-04
Also published as: CN111770396A

Abstract

本发明公开了一种基于光纤传输的信号生成和比对装置及方法，包括地面运控系统和民用服务平台的信息处理分系统、信号收发分系统，万兆交换机；地面运控系统和民用服务平台的信息处理分系统将需要出站的业务信息进行整理生成基带信号发送至信号收发分系统，民用服务平台的信号收发分系统负责信息帧的生成和信号扩频调制，并将信号通过光纤传送到地面运控系统，同时通过光纤传回的信号与出站信号进行比对得到时延信息，调整信号发射的相关参数。本发明利用信号交互架构和光纤传输信号与比对实现主控站与民用站信号合路发射，增强了主控站业务信息的安全性，提高了系统的时延稳定性，降低了维护维修的难度和成本。

Description

一种基于光纤传输的信号生成和比对装置及方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，特别是一种基于光纤传输的信号生成和比对装置及方法。

背景技术

卫星导航系统的信号生成和发射首先将要发送的信号进行调制和扩频，通过千兆交换机传送到发送终端，再传送到信号合路切换器，发出的信号经过上变频和功放处理再通过天线发射。

主控站地面运控系统和民用服务平台都分为信息服务分系统、信息处理分系统和信号收发分系统。在主控站信号和民用服务信号的合并发射过程中，根据民用出站信号发射的形式，地面运控系统一般采取信息层的合并发射架构。

参考图1，传统的信息交互架构下，民用服务站将需要出站的业务信息传输至主控站地面运控系统，通过主控站地面运控系统的信息处理分系统与信号收发分系统完成出站业务信息的出站，具体流程为：民用站根据出站调度策略，将出站信息按照顺序通过民用站与主控站之间的专线传输至主控站RDSS信息处理分系统。通过主控站RDSS信息处理分系统完成组帧，发送至主控站RDSS信号收发分系统，完成民用站与主控站信号合并发送，

这样的发射架构使得民用服务平台可随时被征用转换为备份主控站服务平台，生成主控站业务所需要的信息并由相同的发射链路发送，搭载信息的各个信号分量相互之间的功率比是由主控站内射频发送终端直接控制，民用站与主控站信号互干扰小。并且建设方便，民用服务平台无需射频发射链路，成本相对较低。

但是，这样的架构使得民用服务平台需要向主控站地面运控传输出站业务数据，民用站与主控站互联互通交互信息较多。这样的信息交互使得主控站信息的传输安全性降低，面临信息丢失或遭解密窃取的风险，而且民用站与主控站信息的交互也并不利于双方信息的进一步处理。

参考图2，传统的信号合路可以通过模拟信号的合路实现，民用站与主控站双方将信息组帧、扩频、调制等处理后，通过上变频生成发射信号后，民用平台可通过电缆将生成的信号传送到主控站地面运控系统的天线机房内的发送终端，通过信号合路器将两路信号合并，再通过天线发射出去。这种方式可以使得民用信号自始至终都与主控站的业务信息和信号的处理不发生交互，减少了民用站与主控站之间的信号互干扰，提高的主控站业务信息的安全性。但是，模拟信号在传输过程中的衰减非常严重，使得民用信号需要进行高功放的处理，传输过程中也会产生信号的损失。并且传统方案需要在民用服务平台建设完整的发射链路，成本非常较高。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种基于光纤传输的信号生成和比对装置及方法，有效解决了民用站与主控站信号发射在信息层交互带来的信息处理不便和信息泄露风险增高的问题，使得信息合并方式更加灵活，信息传输方式扩展升级，便于信号的发射和进一步处理。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于光纤传输的信号生成和比对装置，包括主控站地面运控系统、民用服务平台和连接二者的光纤传输系统。

其中，主控站地面运控系统包括主控站信息处理分系统、主控站信号收发分系统和天线。民用服务平台包括民用站信息处理分系统和民用站信号收发分系统。光纤传输系统采用万兆交换机和光纤，用于在地面运控系统和民用服务平台之间实现信号光交换。

民用站信息处理分系统与主控站信息处理分系统的作用是将各自的业务信息进行整合处理，生成基带信号，传送给对应的信号收发分系统进行扩频调制处理。

主控站信号收发分系统包括一个或多个发射链路、以及将多个发射链路的信号合并的波导合路器和耦合器，以及配套的频率综合单元和网络交换设备，单个发射链路包括主控站射频发送终端、功放及切换单元，发射链路的数量根据需求可以扩展，实际需要的发射链路数量取决于提供业务的卫星数量以及备份链路的数量，通产不超过8个，频率综合单元的作用是生成时间频率信号。

其中，主控站射频发送终端用于实现基带信号的信息帧形成、伪码生成、扩频编码、OQPSK调制及增益控制，形成数字信号输出，

民用站信号收发分系统与将民用站信息处理系统相连，其作用是将民用站信息处理系统传递来的基带信号进行扩频编码，再通过光纤传输至主控站地面运控系统的主控站射频发送终端，并且接收主控站地面运控系统通过光纤传回的信号，将其与发射信号进行比对，得到光纤传输的时延信息和与主控站地面运控系统的钟差，从而修正控制民用服务平台的发射信号的发射时间。

其中，民用站信号收发分系统包括民用站射频发送终端和配套组件，民用站射频发送终端用于实现基带信号的信息帧形成、伪码生成、扩频编码，并将编码后的数据通过光纤输出给主控站信号收发分系统，与主控站射频发送终端在数字域上实现民用站与主控站双方出站信号的合路和合路信号的QPSK调制、功放、上变频的处理，然后主控站信号收发分系统将信号发送给天线进行传输，完成射频发射。同时主控站信号收发分系统将信号通过光纤传回民用站信号收发分系统进行下一步的信号比对。

基于上述技术方案，本发明还包括一种基于光纤传输的信号生成和比对方法，包括以下步骤：

(1)接收到任务指令后，地面运控系统和民用服务平台通过各自的信息处理分系统，进行信息合成，生成各自的用户出站信息；

(2)主控站地面运控系统和民用服务平台各自的信息处理分系统将各自的用户出站信息发送到信号收发分系统，按规定的超帧结构，组成各自出站信息帧，通过各自生成的伪码将形成的信息帧进行扩频调制；

(3)民用服务平台通过民用站信号收发分系统的射频发送终端将生成好的包含出站信息的数字信号经过万兆交换机处理，通过万兆光缆传输至主控站的万兆交换机，通过主控站的万兆交换机和万兆光纤传送至发射机房的地面运控系统的射频发送终端；

(4)在发射机房的地面运控系统的射频发送终端中，通过万兆交换机将民用服务平台光信号转化为数字信号，同时将比对过的数字信号再转换为光信号通过万兆光纤发送回民用服务平台的信号收发分系统的射频发送终端进行相位比对，数字信号的光纤双向传递以及民用服务平台的数字信号相位比对，可以调整民用服务平台的数字信号相位延迟；

(5)经过数轮迭代比对，将民用服务平台调整好相位的数字信号按照一定的规则和功率配比与主控站出站信号进行合路，然后通过由主控站射频发送终端、功放、切换单元、波导合路器组成的发射链路，在规定时刻完成信号的OQPSK调制，生成出站信号并完成发射。

(6)民用服务平台将接收到的反馈光信号通过万兆交换机转换成数字信号进行处理，通过与之前发射信号的对比，计算出通过光纤传输信号的时延和与主控站地面运控系统的钟差，控制下一个发射信号的时延，对出站信号进行修正调整。

本发明的有益效果：

本发明中，民用信息通过自身的信号收发分系统进行扩频编码和数字化处理，通过万兆光网络发送给主控站信号收发分系统，再进行民用站与主控站信息的信号合路和发射，并且通过将信号传回民用服务平台的信号收发分系统进行比对计算，实现时延和两个系统钟差的测量，并对发射信号进行参数调整。

这样的信号生成和发射架构使得民用信息与主控站的业务信息不再通过信息层进行合成和交互，有效解决了民用站与主控站地面信号发射过程中在信息层交互带来的信息处理不便和信息泄露风险增高的问题，大大降低了民用站与主控站双方信息合并发射的信息处理难度，有效提高了系统的安全性，使得信息合并方式更加灵活，信息传输方式扩展升级，便于信号的发射和进一步处理。

同时，上述系统采用了光纤传输的方式，并且业务信号收发设备都部署在发射机房，中心机房的数字处理部分不影响时延稳定性，因此收发链路时延稳定性比较好，由于采用了光缆传输的方式，稳定的时延可以通过信号比对的方法精确得到，便于信号的调整，光缆不受电磁干扰的影响，可靠性较高，光缆的铺设和检修也比电缆方便很多，比较容易维护。

综上所述，本发明采用光纤传输民用出站信号，在发射机房的主控站射频发送终端实现民用站与主控站信号合路发射，提高了主控站业务信息的安全性，降低了双方信息合路后的处理难度，使得主控站设备得到更好的利用，同时，提升了发射链路的可靠性和时延稳定性，使得时延和系统钟差精确可测，降低了维护维修的成本和难度，使得整个信号生成和发射过程更加灵活可控。

附图说明

图1为传统卫星导航系统的信息层交互发射信号的关系原理图；

图2是传统卫星导航系统的信号合成方式的关系原理图；

图3是本发明实施例中发射链路的组成框图；

图4为本发明实施例中主控站地面运控系统和民用服务平台的功能模块示意图；

图5为本发明实施例中主控站信号收发分系统与民用站信号收发分系统的的信号比对流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

一种基于光纤传输的信号生成和比对装置，包括主控站地面运控系统、民用服务平台和连接二者的光纤传输系统，民用服务平台又称民用站，主控站地面运控系统又称主控站。

通过光纤传输民用服务平台发出的已经处理好的数字信号，将其转换为光信号发送给地面运控系统的信号收发分系统，通过万兆交换机的转换将光信号转换为数字信号，完成民用站与主控站双方的信号合路再通过GEO卫星的发射链路将信号发送出去，与此同时，光信号被传送回民用服务平台，通过与发射前信号的对比计算光纤网路传输信号的时延，再将时延信息通过千兆光纤网络的信息交互层传送给地面运控系统，实现对发射信号的时延调整。

参考图4，主控站地面运控系统和民用服务平台的处理过程如下：

民用站与主控站双方的信息处理分系统按照需求进行信息整合，将出站信息打包发送到信号收发分系统，民用站与主控站双方的信号处理分系统的射频发送终端在数字信号处理主板上将各自的出站信息按规定的超帧结构，组成各自的出站信息帧。之后，射频发送终端将出站电文进行信道编码，通过参数控制码NCO，根据信号类型配置伪码生成，然后对形成信息帧的信号进行扩频编码。

民用服务平台的出站信号经过上述的信号处理过程后，将得到的数字信号通过万兆交换机转化为光信号，再通过光纤传输到主控站地面运控系统的发射机房的射频发送终端。

参考图3，在主控站地面运控系统的发射机房的发送终端，万兆光纤网络传来的民用信号通过万兆交换机转换成数字信号，民用站与主控站两路数字信号通过射频发送终端在数字信号处理主板按照一定的规则和功率配比进行数字信号合路，并对合路后的信号的发送参数进行控制，生成数字载波完成OQPSK调制，再通过增益控制、滤波、DA转换。通过射频发送终端的射频模块对模拟信号上变频为射频信号，使得信号满足发射要求。后续的功放及切换单元、波导合路器实现信号的功率放大及合并输入收发天线，最终通过天线发射至卫星。

参考图5，主控站地面运控系统将光信号转换为数字信号，同时将比对后的数字信号转换回光信号再次通过万兆光纤网络传送回民用站信号收发分系统，民用站信号收发分系统通过万兆交换机将其转换为数字信号，通过信号双向传输的时间和伪距，计算光纤传输的时延和民用服务平台与主控站地面运控系统之间的钟差，计算方法如下：

主控站地面运控系统的时钟为t₀，测量得到的伪距值为ρ₀，通过自身时钟测的传输时间为τ₀，得到的两个系统之间的距离d₀₁＝c×τ₀，c为光速值，则伪距值的表达式为：

ρ₀＝d₀₁+c(t₁-t₀)；

民用服务平台的时钟为t₁，测量得到的伪距值为ρ₁，过自身时钟测的传输时间为τ₁，得到的两个系统之间的距离：

d₁₀＝c×τ₁；

则伪距值的表达式为：

ρ₁＝d₁₀+c(t₀-t₁)；

根据光纤信号的传输性质可以知道，往返两个系统之间的时间大致相当，所以可将d₀₁和d₁₀看作近似相等的两个值，主控站地面运控系统和民用服务平台之间的接收机钟差值δ＝t₁-t₀就可通过上述得到的值求出，求得的钟差

根据计算得到的时延和钟差值，民用服务平台会再通过光纤传输调整过的信号给主控站地面运控系统，主控站地面运控系统再将信号传回进行比对计算，再将信号调整后发给地面运控系统，按照这样的流程循环往复，最终时延值和钟差值会逐渐收敛，根据最后的收敛结果，再调整发射信号，通过光纤传给主控站地面运控系统，与主控站发射信号进行合路发射。

通过比对和计算得到光纤传输时延和钟差对民用服务平台的出站信号进行时延的调整，使得主控站地面运控系统在进行民用站与主控站双方的信息合路时得到更准确的信号信息，便于双方信号的合成。

需要注意的是，本发明可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施，例如，本发明的各个装置可采用专用集成电路(ASIC)或任何其他类似硬件设备来实现。在一个实施例中，本发明的软件程序可以通过处理器执行以实现上文所述步骤或功能。同样地，本发明的软件程序(包括相关的数据结构)可以被存储到计算机可读记录介质中，例如，RAM存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本发明的一些步骤或功能可采用硬件来实现，例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims

1.一种基于光纤传输的信号生成和比对装置，其特征在于，包括：主控站地面运控系统、民用服务平台和光纤传输系统；

所述主控站地面运控系统包括主控站信息处理分系统、主控站信号收发分系统和天线，所述主控站信息处理分系统与主控站信号收发分系统相连以用于对主控站的业务信息进行整合生成基带信号并发送给主控站信号收发分系统；所述主控站信号收发分系统用于将基带信号进行扩频调制得到主控站出站信号，然后再将主控站出站信号和民用出站信号进行合路得到合路信号并且对合路信号进行处理后通过天线发送，同时将信号通过光纤传输系统传回民用服务平台进行下一步的信号比对；

所述民用服务平台包括民用站信息处理分系统和民用站信号收发分系统，所述民用站信息处理分系统与民用站信号收发分系统相连以用于对民用服务平台的业务信息进行整合生成基带信号并发送给民用站信号收发分系统，所述民用站信号收发分系统用于将民用站信息处理分系统传递来的基带信号进行扩频编码得到民用站出站信号，所述民用站信号收发分系统通过所述光纤传输系统与主控站信号收发分系统相连以用于传输民用站出站信号并且接收主控站信号收发分系统传回的信号，将其与之前发射信号进行比对，得到光纤传输的时延信息与主控站地面运控系统的钟差，从而修正控制民用服务平台发射信号的发射时间。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传输的信号生成和比对装置，其特征在于：所述主控站信号收发分系统包括天线、一个或多个发射链路，多个发射链路通过波导合路器连接天线，所述发射链路包括依次连接的主控站射频发送终端、功放和波导切换单元，所述主控站射频发送终端的输入端分别与主控站信息处理分系统和民用站信号收发分系统相连，所述波导合路器的输出端连接天线以用于完成射频发射。

3.根据权利要求2所述的基于光纤传输的信号生成和比对装置，其特征在于：所述波导合路器的输出端与主控站收发天线之间设置有耦合器。

4.根据权利要求2所述的基于光纤传输的信号生成和比对装置，其特征在于：所述主控站信号收发分系统还包括用于生成时间频率信号的频率综合单元，所述频率综合单元与主控站射频发送终端相连。

5.一种基于光纤传输的信号生成和比对方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、接收到任务指令后，主控站地面运控系统和民用服务平台通过各自的信息处理分系统，进行信息合成，生成各自的用户出站信息；

S2、主控站地面运控系统和民用服务平台各自的信息处理分系统将各自的用户出站信息发送到各自的信号收发分系统，信号收发分系统按照出站信息生成各自的出站信号；

S3、民用站信号收发分系统将生成好的包含出站信息的民用站出站信号通过光缆传输至主控站信号收发分系统；

S4、主控站信号收发分系统将出站信号通过光纤发送回民用站信号收发分系统进行相位比对，调整民用服务平台的民用出站信号相位延迟；

S5、重复步骤S3-S4进行数轮迭代比对，主控站信号收发分系统将调整好相位的民用站出站信号与主控站出站信号进行合路，然后将合路信号通过发射链路在规定时刻完成信号的OQPSK调制，生成最终出站信号并通过天线完成发射；

S6、民用服务平台接收主控站信号收发分系统反馈的光信号，然后将接收到的反馈光信号转换成数字信号与之前发射信号进行对比，计算出与主控站地面运控系统的钟差，然后根据钟差算出通过光纤传输信号的时延并控制下一个发射信号的时延，对民用站出站信号进行修正调整。

6.根据权利要求5所述的基于光纤传输的信号生成和比对方法，其特征在于：所述步骤S2中生成各自的出站信号的具体步骤为：

S2a、将出站信息按规定的超帧结构，组成各自的出站信息帧；

S2b、信号收发分系统中的射频发送终端将出站电文进行信道编码，通过参数控制码NCO，根据信号类型配置伪码生成，然后对形成信息帧的信号进行扩频编码。

7.根据权利要求5所述的基于光纤传输的信号生成和比对方法，其特征在于：所述步骤S6中钟差的计算公式为

其中c为光速值，ρ₀为主控站地面运控系统的伪距值，ρ₁为民用服务平台的伪距值。