CN112671488A - 一种航天器信道模拟装置及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航天器信道模拟装置及其应用方法，包括分别连接在总线上的：仿真监控模块、中频信道模拟模块、上行信道下变频模块、上行信道上变频模块、下行信道下变频模块和下行信道上变频模块。本发明能够模拟航天器在轨飞行过程中发生在航天器与地面站之间射频链路中的信号传输状态，在航天器进行射频有线状态下的测试时，能够使射频链路中的信号具备传输时间延迟、多普勒频移和功率衰减变化等航天器在轨飞行引起的各种动态信息，为器载应答机和地面设备在信号大时延和动态变化状态下的功能和性能测试提供测试条件，有助于提高航天器在发射之前进行的功能测试和性能指标考核的充分性。

Description

一种航天器信道模拟装置及其应用方法

技术领域

本发明涉及航天器测试技术领域，具体地，涉及一种航天器信道模拟装置及其应用方法。

背景技术

航天器在轨飞行过程中，因与地面站之间通信距离远，且相对地面站运动，会引起上行射频信号和下行射频信号的传输时间延迟以及多普勒频移、功率衰减变化等各种状态变化，而在航天器发射之前进行总装测试过程中以及在与地面站进行系统联试过程中，航天器与地面设备之间相对位置固定且通信距离短，航天器与地面设备之间通信的遥测、遥控和测距信号等射频信号无法模拟接近真实的信号动态特性和传输时间延迟特性，影响航天器功能和性能验证的充分性。充分的测试是航天器成功发射和在轨正常工作的重要保证，本专利旨在一定程度上解决上述技术问题，有助于提高航天器在发射之前进行功能测试和性能指标考核的充分性。

目前能够检索到的与本专利最接近的已有专利文献为《基于轨道驱动的深空信道模拟方法及装置》，该专利申请公布号为“CN 108270498 A”，该专利文献与本专利申请的不同之处在于，该专利主要描述深空信道模拟的数学算法和模型实现，而本专利申请主要描述航天器信道模拟装置的硬件实现结构以及在航天器测试中的应用方法，本专利申请既适用于近地航天器的测试也适用于深空探测器的测试。

目前没有发现其他类似相关技术的说明或报道，也尚未收集到国内外其他类似的资料。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种航天器信道模拟装置及其应用方法。

根据本发明提供的一种航天器信道模拟装置，包括分别连接在总线上的：仿真监控模块、中频信道模拟模块、上行信道下变频模块、上行信道上变频模块、下行信道下变频模块和下行信道上变频模块；

所述仿真监控模块将接收到的信道模拟场景参数转发给所述中频信道模拟模块，监控所述航天器信道模拟装置中仿真监控模块以外的其他模块的运行；

所述中频信道模拟模块对接收的中频信号进行处理后形成信道模拟后的中频信号；

所述上行信道下变频模块连接在上行射频信号输入口与所述中频信道模拟模块之间；

所述下行信道上变频模块连接在下行射频信号输出口与所述中频信道模拟模块之间；

所述上行信道上变频模块连接在上行射频信号输出口与所述中频信道模拟模块之间；

所述下行信道下变频模块连接在下行射频信号输入口与所述中频信道模拟模块之间。

优选地，还包括数据存储模块，存储对所述中频信道模拟模块接收的中频信号经过模数转换后形成中频数据；

所述仿真监控模块通过控制中频数据在数据存储模块中的延时存取实现信号传输时延模拟，通过对数据存储模块中的中频数据进行多普勒频率加载实现信号多普勒频移模拟，并将进行了信号传输时延模拟、多普勒频移模拟后的中频数据进行数模转换后形成中频信号，发送给所述中频信道模拟模块。

优选地，所述上行信道上变频模块和所述下行信道上变频模块对中频信号进行上变频得到X频段射频信号，所述上行信道下变频模块和所述下行信道下变频模块对X频段射频信号进行下变频得到中频信号。

优选地，所述中频信道模拟模块包括：

上行信道接口单元：连接所述上行信道下变频模块、所述上行信道上变频模块、上行中频信号输入口和上行中频信号输出口；

下行信道接口单元：连接所述下行信道下变频模块、所述下行信道上变频模块、下行中频信号输入口和下行中频信号输出口；

上行数据处理单元：连接在所述总线与所述上行信道接口单元之间；

下行数据处理单元：连接在所述总线与所述下行信道接口单元之间。

优选地，所述中频信号包括70MHz中频信号。

优选地，所述中频信道模拟模块对接收的中频信号进行处理包括：信号滤波、自动增益控制、模数转换、中频数据延时存取、多普勒频率加载、数模转换、程控衰减和噪声调制。

优选地，所述总线包括PXI总线。

根据本发明提供的一种航天器信道模拟装置的应用方法，采用所述的航天器信道模拟装置，执行步骤包括：

步骤1，在测试开始之前，将航天器信道模拟装置接入测试系统，位于地面测控测试系统与航天器应答机之间，通过有线射频链路互连；

步骤2，航天器信道模拟装置加电开机后，设置需要模拟的信道场景参数以及航天器应答机上下行信号频率参数；

步骤3，在地面测控测试系统和航天器加电并且建立测试状态后，启动航天器信道模拟装置的模拟功能；

步骤4，地面测控测试系统向航天器应答机发送上行遥控或测距信号，并接收航天器应答机发送的下行遥测信号或测距信号，通过航天器信道模拟装置对航天器应答机进行进行信道模拟状态下的功能和性能测试。

优选地，还包括：步骤5，在需要更改模拟的信道场景参数以及航天器应答机上下行信号频率参数时，返回步骤2进行重新设置并顺序执行步骤。

优选地，步骤1中，航天器信道模拟装置接入地面测试系统的方式包括以下两种：

方式1，射频接入方式，对于上行信号，地面测控测试系统的射频设备发射的上行射频信号接入至航天器信道模拟装置的上行射频信号输入口，航天器信道模拟装置将施加了信道模拟特性的上行射频信号通过上行射频信号输出口输出，经衰减器进行功率衰减之后，接入至航天器应答机；对于下行信号，航天器应答机发射的下行射频信号经衰减器进行功率衰减之后，接入至航天器信道模拟装置的下行射频信号输入口，航天器信道模拟装置将施加了信道模拟特性的下行射频信号通过下行射频信号输出口输出，经衰减器进行功率衰减之后，接入至地面测控测试系统射频信号测试口；

方式2，中频接入方式，对于上行信号，地面测控测试系统的中频设备发射的上行中频信号接入至航天器信道模拟装置的上行中频信号输入口，航天器信道模拟装置将施加了信道模拟特性的上行中频信号通过上行中频信号输出口输出，经上变频器进行上变频后形成上行射频信号，再经衰减器进行功率衰减之后，接入至航天器应答机；对于下行信号，航天器应答机发射的下行射频信号经衰减器进行功率衰减之后，接入至下变频器，经下变频器进行下变频后形成中频信号，接入至航天器信道模拟装置的下行中频信号输入口，航天器信道模拟装置将施加了信道模拟特性的下行中频信号通过下行中频信号输出口输出，最终接入至地面测控测试系统中频信号测试口。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明能够模拟航天器在轨飞行过程中发生在航天器与地面站之间射频链路中的信号传输状态，在航天器进行射频有线状态下的测试时，能够使射频链路中的信号具备传输时间延迟、多普勒频移和功率衰减变化等航天器在轨飞行引起的各种动态信息，为器载应答机和地面设备在信号大时延和动态变化状态下的功能和性能测试提供测试条件，有助于提高航天器在发射之前进行的功能测试和性能指标考核的充分性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一种航天器信道模拟装置的组成框图；

图2为本发明一种航天器信道模拟装置应用方法的流程图；

图3为本发明一种航天器信道模拟装置应用方法的射频接入方式；

图4为本发明一种航天器信道模拟装置应用方法的中频接入方式。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1为本发明的第一个方面，一种航天器信道模拟装置，包括PXI总线、仿真监控模块、中频信道模拟模块、高速数据存储模块、上行信道下变频模块、上行信道上变频模块、下行信道上变频模块和下行信道下变频模块，其中：

PXI总线：用于装置内各功能模块的互连，承载各功能模块之间的数据交互。

仿真监控模块：包括计算机主板和运行其上的上位机软件，用于接收用户的信道模拟场景参数，控制装置内各个功能模块的运行，并对各个功能模块的工作状态进行监视；与中频信道模拟模块相连，设置中频信道模拟模块的工作参数并采集模块的工作状态信息，将用户设置的信号射频传输频率、航天器与地面站之间距离、航天器飞行速度、加速度或轨道数据文件等信道模拟场景参数转发给中频信道模拟模块，与中频信道模拟模块配合完成距离、速度、加速度等信道模拟功能；与上行信道的上、下变频模块及下行信道的上、下变频模块相连，设置变频模块的工作参数并采集模块的工作状态信息。

中频信道模拟模块：用于接收中频信号，进行信号滤波、自动增益控制、模数转换、中频数据延时存取、多普勒频率加载、数模信号转换、程控衰减、噪声调制等处理后形成信道模拟后的中频信号；与仿真监控模块相连，接收仿真监控模块输入的信号射频传输频率、航天器与地面站之间距离、航天器飞行速度、加速度或轨道数据文件等信道模拟场景参数后，推算出需模拟的信号传输时延、信号功率衰减变化和信号多普勒频移，通过控制数据在高速数据存储模块中的延时存取实现信号传输时延模拟，通过对高速数据存储模块中的数据进行多普勒频率加载实现信号多普勒频移模拟，通过对信道接口单元中程控衰减的控制实现信号功率衰减变化的模拟；与高速数据存储模块相连，与高速数据存储模块进行中频数据的交互，通过将中频数据在高速数据处理模块的延时存取来实现信号传输时延的模拟；与上行信道下变频模块相连，接收上行信道下变频模块的中频信号；与上行信道上变频模块，输出中频信号给上行信道上变频模块；与下行信道下变频模块相连，接收下行信道下变频模块的中频信号；与下行信道上变频模块，输出中频信号给下行信道上变频模块；提供中频信号接口，可接收装置外的上行信道中频输入信号，并向装置外输出经过信道模拟处理的上行信道中频信号，并且可接收装置外的下行信道中频输入信号，并向装置外输出经过信道模拟的下行信道中频信号。

高速数据存储模块：用于中频数据的高速存取和大容量存储；与中频信道模拟模块相连，与中频信道模拟模块进行中频数据的交互，在中频信道模拟模块的控制下，通过中频数据延时存取实现信号传输时延的模拟。

上行信道下变频模块：接收上行射频信号输入口的X频段射频信号，下变频到70MHz中频信号；与中频信道模拟模块相连，向中频信道模拟模块发送中频信号；与仿真监控模块相连，接收仿真监控模块的控制，并通过PXI总线上报模块状态信息。

上行信道上变频模块：对70MHz中频信号进行上变频，输出X频段射频信号；与中频信道模拟模块相连，接收中频信道模拟模块输出的经过信道模拟的上行中频信号；与仿真监控模块相连，接收仿真监控模块的控制，并通过PXI总线上报模块状态信息。

下行信道上变频模块：对70MHz中频信号进行上变频，输出X频段射频信号；与中频信道模拟模块相连，接收中频信道模拟模块输出的经过信道模拟的下行中频信号；与仿真监控模块相连，接收仿真监控模块的控制，并通过PXI总线上报模块状态信息。

下行信道下变频模块：接收下行射频信号输入口的X频段射频信号，下变频到70MHz中频信号；与中频信道模拟模块相连，向中频信道模拟模块发送中频信号；与仿真监控模块相连，接收仿真监控模块的控制，并通过PXI总线上报模块状态信息。

本装置具备距离信息模拟功能，可以模拟航天器与地面站之间长距离引起的信号传输时延，以及距离变化引起的信号功率衰减变化；具备速度和加速度信息模拟功能，可以模拟航天器飞行运动引起的信号多普勒频移；具备信号传输时延、信号功率衰减变化和信号多普勒频移联动模拟功能。对于上述信道模拟功能，支持上行单向信道模拟、下行单向信道模拟和上下行双向信道模拟。

本装置对上行信道和下行信道的信号输入输出接口方式即支持70MHz中频信号接口，也支持X频段射频信号接口。当采用中频信号接口时，本装置能够以中频方式接入航天器测试系统；当采用射频信号接口时，本装置能够以射频方式接入航天器测试系统。

进一步的，本装置的中频信道模拟模块，包括上行信道接口单元、下行信道接口单元、上行数据处理单元和下行数据处理单元；其中，信道接口单元接收70MHz中频信号,进行中频信号滤波、AGC控制等处理后发送给数据处理单元进行信道模拟处理，并接收数据处理单元经过信道模拟处理后的中频信号，进行信号滤波、增益控制、程控衰减等处理后输出经过信道模拟的中频信号；数据处理单元接收信道接口单元的中频信号，进行A/D变换后形成中频数据，通过控制数据在高速数据存储模块中的延时存取实现信号传输时延模拟，通过对高速数据存储模块中的数据进行多普勒频率加载实现信号多普勒频移模拟，并将进行了信号传输时延、多普勒频移等信道特性模拟后的中频数据进行D/A变换后形成中频信号，发送给信道接口单元。。

如图2所示的流程图表示本发明的另一个方面，一种航天器信道模拟装置的应用方法，包含以下步骤：

步骤1，在测试开始之前，将航天器信道模拟装置接入测试系统，其位于地面测控测试系统与航天器应答机之间，通过有线射频链路互连；

步骤2，航天器信道模拟装置加电开机后，在操作界面中设置需要模拟的信号传输距离、航天器飞行速度、加速度或轨道数据文件等信道场景参数以及航天器应答机上下行信号频率参数；

步骤3，在地面测控测试系统和航天器加电并且建立测试状态后，启动航天器信道模拟装置的模拟功能；

步骤4，地面测控测试系统向航天器应答机发送上行遥控或测距信号，并接收航天器应答机发送的下行遥测信号或测距信号，则上行信号和下行信号具有时间延迟、多普勒频移和功率衰减变化等信道模拟信息，可以对航天器及其应答机进行信道模拟状态下的功能和性能测试；

步骤5，若需要更改信道模拟场景，可重复步骤2至步骤4的操作。

进一步的，在上述步骤1中，航天器信道模拟装置接入航天器测试系统的方式支持射频接入方式和中频接入方式两种。

如图3所示，为本发明一种航天器信道模拟装置应用方法的射频接入方式的示意图，在这种接入方式中，对于上行信号，地面测控测试系统的射频设备发射的上行射频信号接入至航天器信道模拟装置的上行射频信号输入口，航天器信道模拟装置将施加了信道模拟特性的上行射频信号通过上行射频信号输出口输出，经衰减器进行功率衰减之后，接入至航天器应答机；对于下行信号，航天器应答机发射的下行射频信号经衰减器进行功率衰减之后，接入至航天器信道模拟装置的下行射频信号输入口，航天器信道模拟装置将施加了信道模拟特性的下行射频信号通过下行射频信号输出口输出，经衰减器进行功率衰减之后，接入至地面测控测试系统射频信号测试口。

如图4所示，为本发明一种航天器信道模拟装置应用方法的中频接入方式的示意图，在这种接入方式中，对于上行信号，地面测控测试系统的中频设备发射的上行中频信号接入至航天器信道模拟装置的上行中频信号输入口，航天器信道模拟装置将施加了信道模拟特性的上行中频信号通过上行中频信号输出口输出，经上变频器进行上变频后形成上行射频信号，再经衰减器进行功率衰减之后，接入至航天器应答机；对于下行信号，航天器应答机发射的下行射频信号经衰减器进行功率衰减之后，接入至下变频器，经下变频器进行下变频后形成70MHz中频信号，接入至航天器信道模拟装置的下行中频信号输入口，航天器信道模拟装置将施加了信道模拟特性的下行中频信号通过下行中频信号输出口输出，最终接入至地面测控测试系统中频信号测试口。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种航天器信道模拟装置，其特征在于，包括分别连接在总线上的：仿真监控模块、中频信道模拟模块、上行信道下变频模块、上行信道上变频模块、下行信道下变频模块和下行信道上变频模块；

所述仿真监控模块将接收到的信道模拟场景参数转发给所述中频信道模拟模块，监控所述航天器信道模拟装置中仿真监控模块以外的其他模块的运行；

所述中频信道模拟模块对接收的中频信号进行处理后形成信道模拟后的中频信号；

所述上行信道下变频模块连接在上行射频信号输入口与所述中频信道模拟模块之间；

所述下行信道上变频模块连接在下行射频信号输出口与所述中频信道模拟模块之间；

所述上行信道上变频模块连接在上行射频信号输出口与所述中频信道模拟模块之间；

所述下行信道下变频模块连接在下行射频信号输入口与所述中频信道模拟模块之间。

2.根据权利要求1所述的航天器信道模拟装置，其特征在于，还包括数据存储模块，存储对所述中频信道模拟模块接收的中频信号经过模数转换后形成中频数据；

所述仿真监控模块通过控制中频数据在数据存储模块中的延时存取实现信号传输时延模拟，通过对数据存储模块中的中频数据进行多普勒频率加载实现信号多普勒频移模拟，并将进行了信号传输时延模拟、多普勒频移模拟后的中频数据进行数模转换后形成中频信号，发送给所述中频信道模拟模块。

3.根据权利要求1所述的航天器信道模拟装置，其特征在于，所述上行信道上变频模块和所述下行信道上变频模块对中频信号进行上变频得到X频段射频信号，所述上行信道下变频模块和所述下行信道下变频模块对X频段射频信号进行下变频得到中频信号。

4.根据权利要求1所述的航天器信道模拟装置，其特征在于，所述中频信道模拟模块包括：

上行信道接口单元：连接所述上行信道下变频模块、所述上行信道上变频模块、上行中频信号输入口和上行中频信号输出口；

下行信道接口单元：连接所述下行信道下变频模块、所述下行信道上变频模块、下行中频信号输入口和下行中频信号输出口；

上行数据处理单元：连接在所述总线与所述上行信道接口单元之间；

下行数据处理单元：连接在所述总线与所述下行信道接口单元之间。

5.根据权利要求1所述的航天器信道模拟装置，其特征在于，所述中频信号包括70MHz中频信号。

6.根据权利要求1所述的航天器信道模拟装置，其特征在于，所述中频信道模拟模块对接收的中频信号进行处理包括：信号滤波、自动增益控制、模数转换、中频数据延时存取、多普勒频率加载、数模转换、程控衰减和噪声调制。

7.根据权利要求1所述的航天器信道模拟装置，其特征在于，所述总线包括PXI总线。

8.一种航天器信道模拟装置的应用方法，其特征在于，采用权利要求1至7任一项所述的航天器信道模拟装置，执行步骤包括：

步骤1，在测试开始之前，将航天器信道模拟装置接入测试系统，位于地面测控测试系统与航天器应答机之间，通过有线射频链路互连；

步骤2，航天器信道模拟装置加电开机后，设置需要模拟的信道场景参数以及航天器应答机上下行信号频率参数；

步骤3，在地面测控测试系统和航天器加电并且建立测试状态后，启动航天器信道模拟装置的模拟功能；

步骤4，地面测控测试系统向航天器应答机发送上行遥控或测距信号，并接收航天器应答机发送的下行遥测信号或测距信号，通过航天器信道模拟装置对航天器应答机进行进行信道模拟状态下的功能和性能测试。

9.根据权利要求8所述的航天器信道模拟装置的应用方法，其特征在于，还包括：步骤5，在需要更改模拟的信道场景参数以及航天器应答机上下行信号频率参数时，返回步骤2进行重新设置并顺序执行步骤。

10.根据权利要求8所述的航天器信道模拟装置的应用方法，其特征在于，步骤1中，航天器信道模拟装置接入地面测试系统的方式包括以下两种：

方式1，射频接入方式，对于上行信号，地面测控测试系统的射频设备发射的上行射频信号接入至航天器信道模拟装置的上行射频信号输入口，航天器信道模拟装置将施加了信道模拟特性的上行射频信号通过上行射频信号输出口输出，经衰减器进行功率衰减之后，接入至航天器应答机；对于下行信号，航天器应答机发射的下行射频信号经衰减器进行功率衰减之后，接入至航天器信道模拟装置的下行射频信号输入口，航天器信道模拟装置将施加了信道模拟特性的下行射频信号通过下行射频信号输出口输出，经衰减器进行功率衰减之后，接入至地面测控测试系统射频信号测试口；

方式2，中频接入方式，对于上行信号，地面测控测试系统的中频设备发射的上行中频信号接入至航天器信道模拟装置的上行中频信号输入口，航天器信道模拟装置将施加了信道模拟特性的上行中频信号通过上行中频信号输出口输出，经上变频器进行上变频后形成上行射频信号，再经衰减器进行功率衰减之后，接入至航天器应答机；对于下行信号，航天器应答机发射的下行射频信号经衰减器进行功率衰减之后，接入至下变频器，经下变频器进行下变频后形成中频信号，接入至航天器信道模拟装置的下行中频信号输入口，航天器信道模拟装置将施加了信道模拟特性的下行中频信号通过下行中频信号输出口输出，最终接入至地面测控测试系统中频信号测试口。

Images