CN112187339A - 一种测量通信一体化天基测控终端 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种测量通信一体化天基测控终端，采用功放和中继终端一体化集成设计技术，以及模块化设计方式，包括基带模块、射频模块、电源模块和功放模块，终端具有S中继信号收、发功能，接收前向S中继遥控射频信号，经射频模块对射频信号进行放大、滤波处理，基带模块解调、解扩将指令或数据传送至上面级进行处理；另外，基带模块接收飞行器上各类遥测数据，经射频模块变频、功放模块放大和滤波处理后输出S中继遥测射频信号。本方案通过测量通信一体化天基测控终端设计技术，实现了上面级的中继在轨测控功能和在轨测距功能，通过中继终端与功放的一体化设计，实现了减少了设备数量，降低了系统重量、体积、功耗，提高了效率与可靠性。

Description

一种测量通信一体化天基测控终端
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种测量通信一体化天基测控终端。
背景技术
随着空间飞行器通信技术的发展，卫星通信在航天器上得到广泛应用，上面级作为新兴的空间飞行器，作用介于运载火箭和航天器之间，具有自主在轨机动能力，上面级没有装备天基测控终端时，无法实现天基在轨测控，在轨测控只能依靠测量船，限制了上面级的测控范围和机动范围，而传统天基测控一般采用中继终端、功放独立设置形式，互不关联，设备数量多，资源浪费且效率较低。
发明内容
本发明针对上面级天基测控问题，提出一种测量通信一体化天基测控终端，实现了上面级的中继在轨测控功能和在轨测距功能，减少了设备数量，降低了系统重量、体积和功耗，并提高了效率与可靠性。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种测量通信一体化天基测控终端，终端具有S中继信号收、发功能，所述终端包括基带模块、射频模块、电源模块和功放模块，电源模块为基带模块、射频模块和功放模块提供对应电源；
射频模块接收前向S中继遥控射频信号，经放大、滤波处理和基带模块解调与解扩，将指令或数据传送至上面级进行处理，采用伪码相干体制，使用前向同步后的返向长码对返向遥测进行扩频处理；前向捕获采用了并行捕获方法，缩短了前向短码和长码捕获时间，降低了错捕概率，同时可以适应中继星多种工作模式；返向采用了相位传递技术，返向数据始终采用前向长码调制，不会因为前向链路中断后导致地面站重捕，保证了返向遥测数据的连续性；
基带模块接收上面级各类遥测数据，经射频模块变频、功放模块放大和滤波处理后输出返向S中继遥测射频信号。
进一步的，所述基带模块包括422接口电路和S基带信号处理单元，所述422接口电路与S基带信号处理单元相连，S基带信号处理单元接收来自射频模块的前向遥控中频信号并解扩解调输出指令信息，将本机自身遥测输出给上面级信息采集系统，同时接收来自上面级的遥测数据，进行返向遥测组帧、编码、调制输出零中频遥测信号。
进一步的，所述射频模块包括射频接收模块和射频发射模块：
所述射频接收模块包括依次连接的第一滤波器、低噪声放大单元、下变频单元和中频放大单元，第一滤波器的输入端接收前向S中继遥控射频信号，中频放大单元的输出端通过AD模块与S基带信号处理单元的输入端相连；射频模块接受的前向S中继遥控射频信号经射频模块的射频接收模块进行放大、滤波处理后传输至基带模块，由S基带信号处理单元分析处理后将自身遥测数据传输至上面级进行处理；
所述射频发射模块包括依次连接的低通滤波器、调制单元、π衰单元、第一放大器和第一隔离器，S基带信号处理单元的输出端通过DA模块与低通滤波器的输入端相连，第一隔离器的输出端与功放模块的输入端相连，其中，所述下变频单元和调制单元均与其对应的本振单元相连；S基带信号处理单元接收上面级各类遥测数据，经过处理由DA模块输出至射频模块，经射频模块的射频发射模块进行变频处理后传输至功放模块进行放大和滤波处理，输出返向S中继遥测射频信号。
进一步的，所述功放模块包括依次连接的第一衰减器、驱动放大电路、第二衰减器、第二滤波器、功率放大电路和第二隔离器，第一衰减器的输入端与第一隔离器相连，将射频模块送来的射频信号放大至终端所需的功率电平。
进一步的，所述电源模块包括依次连接的熔断器电路、浪涌抑制电路、EMI滤波电路和DC-DC转换电路，熔断器电路接输入电源，经过处理后输出对应的电压为基带模块、射频模块和功放模块提供对应的电压。
进一步的，所述前向捕获采用并行捕获方法的具体原理如下：
a)前向短码采用伪码8路并行、载波并行的搜索方式，大大缩短了短码的捕获时间；
b)改进错锁退出机制，采用噪声码辅助验证的方式，降低误锁、错锁的概率；
采用环路锁定状态跟踪反馈的方式，使环路因错锁能够及时退出；短码跟踪过程中，载波和伪码锁定状态下，若检测到解调数据符号翻转，但是限定时间仍无法位同步成功，则退出跟踪，返回初始的短码捕获态；
c)利用复合高阶环路跟踪技术，实现了扩频体制下高动态数字扩频接收机，动态跟踪能力提高了2个数量级以上。
进一步的，由于箭载设备载波多普勒等动态较大，限制相干伪码测距功能的应用，采用伪码相干体制时，需要做以下处理：
a)终端前向长/短PN码属于等速率/倍周期的情况，前向在进行长码捕获的时候充分利用短码的捕获信息进行捕获引导，以加快长码的捕获速度；
b)长码转发时机为短码译码同步后；
通过改进长码转发时机由载波伪码锁定后改为短码译码同步，避免了天基测控终端因链路锁定不稳定而导致长码搜索时间增加，同时大大提高长码捕获成功概率，降低错误概率；
c)对相关累积后的数据进行2048点FFT运算，提高捕获精度，使长码测距精度达到1.5米以下；
d)前向短码断开时，将前向捕获跟踪的码相位锁定后，提供给返向长码产生链路，保证返向链路不会因为码相位的跳变，导致返向链路断开重捕。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本方案通过测量通信一体化天基测控终端设计技术，实现了上面级的中继在轨测控功能和在轨测距功能，通过中继终端与功放的一体化设计，实现了减少了设备数量，降低了系统重量、体积、功耗，提高了效率与可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例所述一体化天基测控终端的原理框图。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。
本方案提出一种测量通信一体化天基测控终端，采用功放和中继终端一体化集成设计技术，以及模块化设计方式，如图1所示，主要包括基带模块、射频模块、电源模块和功放模块，终端具有S中继信号收、发功能，接收前向S中继遥控射频信号，经射频模块对射频信号进行放大、滤波处理，基带模块解调、解扩将指令或数据传送至上面级进行处理，采用伪码相干体制，使用前向同步后的返向长码对返向遥测进行扩频处理；基带模块接收飞行器上各类遥测数据，经射频模块变频、功放模块放大和滤波处理后输出S中继遥测射频信号。
本方案中，终端自动实时将内部的工程遥测信息采集后插入遥测帧下传，接收和响应飞行器各种指令；地面接收到中继返向信号后提取返向码相位信息，与前向码相位信息联合解算，实现上面级在轨测距功能。
本发明测量通信一体化天基测控终端具有S频段中继功能，按照一体化、组合化设计思路，将S中继功能分解到多种模块实现；S中继功能接收采用中频采样、发射采用零中频直接调制设计方案，继续参考图1：
所述基带模块包括422接口电路和S基带信号处理单元，所述422接口电路与S基带信号处理单元相连，S基带信号处理单元接收来自射频模块的前向遥控中频信号并解扩解调输出指令信息，将本机自身遥测输出给上面级信息采集系统，同时接收来自上面级的遥测数据，进行返向遥测组帧、编码、调制输出零中频遥测信号，实现上面级中继测控功能。当前向长码同步后，返向采用已同步的伪码对遥测数据进行扩频、BPSK调制，地面测控站根据发送与接收到的伪码延时计算出航天器到中继卫星与中继卫星到测控站的总距离，实现中继在轨测距功能；
所述射频模块包括射频接收模块和射频发射模块，为了保证射频模块的正常工作，设计时着重考虑了收发通道的隔离度和射频模块与功放模块电磁兼容问题，射频接收模块和射频发射模块都设计有单独的本振单元和电源处理单元，以防止信号间的串扰，射频收发模块的射频信号进行了窄带滤波设计，实现了良好的收发隔离性能，收发隔离度大于150dB，其中：
所述射频接收模块包括依次连接的第一滤波器、低噪声放大单元、下变频单元和中频放大单元，第一滤波器的输入端接收前向S中继遥控射频信号，中频放大单元的输出端通过AD模块与S基带信号处理单元的输入端相连；射频模块接受的前向S中继遥控射频信号经射频模块的射频接收模块进行放大、滤波处理后传输至基带模块，由S基带信号处理单元分析处理后将自身遥测数据传输至上面级进行处理；
所述射频发射模块包括依次连接的低通滤波器、调制单元、π衰单元、第一放大器和第一隔离器，S基带信号处理单元的输出端通过DA模块与低通滤波器的输入端相连，第一隔离器的输出端与功放模块的输入端相连，其中，所述下变频单元和调制单元均与其对应的本振单元相连；S基带信号处理单元接收上面级各类遥测数据，经过处理由DA模块输出至射频模块，经射频模块的射频发射模块进行变频处理后传输至功放模块进行放大和滤波处理，输出返向S中继遥控射频信号；
所述电源模块包括依次连接的熔断器电路、浪涌抑制电路、EMI滤波电路和DC-DC转换电路，熔断器电路接输入电源，经过处理后输出对应的电压为基带模块、射频模块和功放模块提供对应的电压；本实施例中，如图1所示，电源模块将外部输入的一次28V电源经过熔断器电路、浪涌电流抑制电路、EMI滤波电路、电路处理之后，变换成设备内部所用的+28V、+5V、-5V、12V、其中12V、-5V、+5V通过内总线输出到射频模块，+5V通过内总线输出到基带模块，+28V通过内总线输出到功放模块。
所述功放模块包括依次连接的第一衰减器、驱动放大电路、第二衰减器、第二滤波器、功率放大电路和第二隔离器，第一衰减器的输入端与第一隔离器相连，将射频模块送来的射频信号放大至终端所需的功率电平，输出返向S中继遥控射频信号送至终端天馈。
其中，本实施例中在进行数据分析处理时，为了适应箭载产品的快速捕获、错锁及时退出、高动态下的稳定跟踪要求，在前向捕获算法上采用如下方式进行处理：
a)前向短码采用伪码8路并行、载波并行的搜索方式，大大缩短了短码的捕获时间，为中继链路的快速建立提供了基础，通过改进前向短码捕获方式，由载波并行、伪码串行的方式改为伪码8路并行、载波并行的搜索方式，使短码的捕获时间降低在5s以内，为天基测控终端实现中继链路的快速建立提供了基础；
b)改进错锁退出机制，采用噪声码辅助验证的方式，降低误锁、错锁的概率；
采用环路锁定状态跟踪反馈的方式，使环路因错锁能够及时退出；短码跟踪过程中，载波和伪码锁定状态下，若检测到解调数据符号翻转，但是限定时间仍无法位同步成功，则退出跟踪，返回初始的短码捕获态，能同时适应中继星多种工作模式；即在载波和伪码锁定状态下，错锁退出机制由不检测位同步锁定状态改为若检测到解调数据符号翻转，但是限定时间仍无法位同步成功，则退出跟踪，使天基测控终端在链路发生故障时，能及时退出，重新建链，提高了天地链路的稳定性；
c)利用复合高阶环路跟踪技术，实现了扩频体制下高动态数字扩频接收机，动态跟踪能力提高了2个数量级以上。
由于箭载设备载波多普勒等动态较大，限制相干伪码测距功能的应用。为攻克箭载设备的相干伪码测距技术，本实施例中采取以下方式进行处理：
a)终端前向长/短PN码属于等速率/倍周期的情况，前向在进行长码捕获的时候充分利用短码的捕获信息进行捕获引导，以加快长码的捕获速度；
b)长码转发时机为短码译码同步后；
通过改进长码转发时机由载波伪码锁定后改为短码译码同步，避免了天基测控终端因链路锁定不稳定而导致长码搜索时间增加，大大提高天基测控终端长码转发成功率，使天地间测距通道在10s以内建立，同时大大提高长码捕获成功概率，降低错误概率；
c)对相关累积后的数据进行2048点FFT运算，提高捕获精度，使长码测距精度达到1.5米以下；
d)前向短码断开时，将前向捕获跟踪的码相位锁定后，提供给返向长码产生链路，保证返向链路不会因为码相位的跳变，导致返向链路断开重捕。有效维持返向链路的稳定，减少地面站断开重捕的时间，增加测距测量时间。
本实施例中，一体化天基测控终端的各组成模块间采用止口搭接技术，通过内总线实现模块间的信息互联，同时采用窄带滤波技术，将射频模块与功放模块进行了一体化设计，实现了大功率发射条件下设备优异的电磁兼容性和良好散热性。通过飞行试验验证，上面级中继测控终端捕获跟踪及解调、测距指标满足研制总要求。
本发明实现了上面级中继测控功能，兼顾中继在轨测距功能，通过一体化、组合化设计，减少了设备数量，降低了系统重量、体积，提高了效率与可靠性。信号处理过程中采用多项创新技术，减少了前向链路的捕获时间，提高了天地链路的稳定性，提升了航天器的测距精度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种测量通信一体化天基测控终端，终端具有S中继信号收、发功能，其特征在于，所述终端包括基带模块、射频模块、电源模块和功放模块，电源模块为基带模块、射频模块和功放模块提供对应电源；
射频模块接收前向S中继遥控射频信号，经放大、滤波处理和基带模块解调与解扩，将指令或数据传送至上面级进行处理，采用伪码相干体制，使用前向同步后的返向长码对返向遥测进行扩频处理；前向捕获采用并行捕获方法，返向采用相位传递技术，返向数据始终采用前向长码调制；
基带模块接收上面级各类遥测数据，经射频模块变频、功放模块放大和滤波处理后输出返向S中继遥测射频信号。
2.根据权利要求1所述的测量通信一体化天基测控终端，其特征在于：所述基带模块包括422接口电路和S基带信号处理单元，所述422接口电路与S基带信号处理单元相连，S基带信号处理单元接收来自射频模块的前向遥控中频信号并解扩解调输出指令信息，将本机自身遥测输出给上面级信息采集系统，同时接收来自上面级的遥测数据，进行返向遥测组帧、编码、调制输出零中频遥测信号。
3.根据权利要求1所述的测量通信一体化天基测控终端，其特征在于：所述射频模块包括射频接收模块和射频发射模块：
所述射频接收模块包括依次连接的第一滤波器、低噪声放大单元、下变频单元和中频放大单元，第一滤波器的输入端接收前向S中继遥控射频信号，中频放大单元的输出端通过AD模块与S基带信号处理单元的输入端相连；
所述射频发射模块包括依次连接的低通滤波器、调制单元、π衰单元、第一放大器和第一隔离器，S基带信号处理单元的输出端通过DA模块与低通滤波器的输入端相连，第一隔离器的输出端与功放模块的输入端相连，其中，所述下变频单元和调制单元均与其对应的本振单元相连；S基带信号处理单元经DA模块与射频模块相连。
4.根据权利要求1所述的测量通信一体化天基测控终端，其特征在于：所述功放模块包括依次连接的第一衰减器、驱动放大电路、第二衰减器、第二滤波器、功率放大电路和第二隔离器，第一衰减器的输入端与第一隔离器相连，将射频模块送来的射频信号放大至终端所需的功率电平。
5.根据权利要求1所述的测量通信一体化天基测控终端，其特征在于：所述电源模块包括依次连接的熔断器电路、浪涌抑制电路、EMI滤波电路和DC-DC转换电路，熔断器电路接输入电源，经过处理后输出对应的电压为基带模块、射频模块和功放模块提供对应的电压。
6.根据权利要求1所述的测量通信一体化天基测控终端，其特征在于：所述前向捕获采用并行捕获方法的具体原理如下：
a)前向短码采用伪码8路并行、载波并行的搜索方式；
b)改进错锁退出机制，采用噪声码辅助验证的方式；
采用环路锁定状态跟踪反馈的方式，使环路因错锁及时退出；短码跟踪过程中，载波和伪码锁定状态下，若检测到解调数据符号翻转，但是限定时间仍无法位同步成功，则退出跟踪，返回初始的短码捕获态；
c)利用复合高阶环路跟踪技术，实现扩频体制下高动态数字扩频接收机。
7.根据权利要求1所述的测量通信一体化天基测控终端，其特征在于：采用伪码相干体制时，需要做以下处理：
a)前向在进行长码捕获的时候充分利用短码的捕获信息进行捕获引导；
b)长码转发时机为短码译码同步后；
c)对相关累积后的数据进行2048点FFT运算，使长码测距精度达到1.5米以下；
d)前向短码断开时，将前向捕获跟踪的码相位锁定后，提供给返向长码产生链路。
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