CN113078934B - 基于微纳卫星平台的vhf测控通信接收机及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于微纳卫星平台的VHF测控通信接收机及其实现方法，包括：依次连接的信号预选滤波器、射频组件模块、信号处理终端模块和VHF调制单元，其中：VHF信号注入信号预选滤波器，信号预选滤波器接收地面VHF遥控业务指令信息后将经筛选的信号传输至射频组件模块，射频组件模块将信号变频至中频并输送至信号处理终端模块，信号处理终端模块将双极性零值基带信号反馈至VHF调制单元并发送至星务，VHF调制单元产生零值监测信号并传输回射频组件模块。本发明具有零值基带信号的实时在轨自监测功能，能够对通道时延、数字处理环节带来的零值漂移监测、补偿，有效克服空间电磁强干扰环境，满足地面遥控信号稳定接收处理需求。

Description

基于微纳卫星平台的VHF测控通信接收机及其实现方法
技术领域
本发明涉及的是一种微纳卫星领域的技术，具体是一种基于微纳卫星平台的VHF测控通信接收机及其实现方法。
背景技术
测控通信接收机是卫星的重要有效载荷设备之一，其接收处理的遥控信号及星务系统生成的遥测信号保证了工程任务的成功实施。本发明涉及接收机在信号体制上进行了测距和数传分离方案，负责上行信号测距、测速，以及与卫星时频、星务和主业务载荷的信息互联互通等。同时针对现有微纳卫星平台约束及空间电磁强干扰环境，进行了紧凑型、低功耗、高可靠及高集成度体系设计，且根据星上具体业务需求可进行定制化更改，满足未来多平台搭载条件。
发明内容
本发明针对现有微纳卫星平台资源受到约束、空间在轨强电磁干扰的缺陷，提出一种基于微纳卫星平台的VHF测控通信接收机及其实现方法，针对微纳卫星平台资源约束情况，按照紧凑化设计思想对测控通信接收机进行一体化设计，同时在测控信号上进行了码分多址CDMA设计，使其兼具测控、数据传输、零值基带信号的实时在轨自监测功能，满足未来微纳卫星测控任务需求。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于微纳卫星平台的VHF测控通信接收机，包括依次连接的信号预选滤波器、射频组件模块、信号处理终端模块和VHF调制单元，其中：VHF信号注入信号预选滤波器，信号预选滤波器接收地面VHF遥控业务指令信息后将经筛选的信号传输至射频组件模块，射频组件模块将信号变频至中频并输送至信号处理终端模块，信号处理终端模块将双极性零值基带信号反馈至VHF调制单元并发送至星务，VHF调制单元产生零值监测信号并传输回射频组件模块以实现对单机射频通道的时延变化进行在线零值监测。
所述的射频组件模块包括：两级自动增益控制(AGC，Autonomous Gain Control)单元和本振电路，其中：第一级AGC单元、本振电路和第二级AGC单元依次连接。
所述的第一级AGC单元为衰减单元；所述的第二级AGC单元为增益单元。
所述的信号处理终端模块包括：相连的DSP芯片和FPGA芯片。
所述的VHF调制单元包括：单独二次电源供电的本振电路。
技术效果
与现有技术相比，本发明技术效果包括：1)具有零值基带信号的实时在轨自监测功能，能够对通道时延、数字处理环节带来的零值漂移监测、补偿，有效克服空间电磁强干扰环境，满足地面遥控信号稳定接收处理需求；2)设计高度集成的系统，缓解现有微纳卫星平台资源约束问题，满足星载电子产品的要求；3)单机具备在轨可重构功能，当地面站需要对星载软件进行维护时，可以通过VHF遥控注入新的软件代码，星务接收注入数据并运行新的程序，在轨重构完毕后遥测返回地面进行验证；4)测控单机针对商用微纳卫星平台设计，选取VHF业余无线电频段，对国家航天型号任务不产生干扰；具有紧凑型的尺寸，对重量及整机功耗均进行了优化。
附图说明
图1为本发明的示意图；
图2为射频组件模块的示意图；
图3为信号处理终端模块的示意图；
图4为VHF调制单元的示意图；
图中：信号预选滤波器1、射频组件模块2、信号处理终端模块3、VHF调制单元4。
具体实施方式
如图1所示，本实施例涉及一种微纳卫星平台的VHF测控通信接收机，包括：依次连接的信号预选滤波器1、射频组件模块2、信号处理终端模块3和VHF调制单元4，其中：VHF信号注入信号预选滤波器1，信号预选滤波器1接收地面VHF遥控业务指令信息后将经筛选的信号传输至射频组件模块2，射频组件模块2将信号变频至中频并输送至信号处理终端模块3，信号处理终端模块3将双极性零值基带信号反馈至VHF调制单元4并发送至星务，VHF调制单元4产生零值监测信号并传输回射频组件模块2以实现对单机射频通道的时延变化进行在线零值监测。
本实施例涉及上述VHF测控通信接收机的VHF测控方法，具体包括以下步骤：
第一步：为了满足VHF测控信号同时兼具有测距、数传功能，在信号体制设计上采用码分多址CDMA体制，卫星具有测距通道和数据传输通道，通道同时分配两个扩频码，其中I支路扩频码为CUP，Q支路扩频码为PUP。信号通过如下公式表述：
Signal＝AcC(t)DUP(t)cos(2πft+φ)+ApP(t)DUP(t)cos(2πft+φ)，其中：C表示测距码I支路伪码；P表示长码；AC表示调制于载波的普通测距码振幅；AP表示调制于载波的精密测距码振幅；DUP表示测距码上调制的数据码；f表示载波频率；φ表示载波初相。
第二步：VHF注入信号预选滤波器1，信号预选滤波器1接收地面VHF遥控业务指令信息后，筛选带内信号并滤除杂波传输至射频组件模块2。
第三步：射频组件模块2接收信号预选滤波器1传来的信号及零值监测信号进行低噪声放大，将中心频点145MHz的VHF遥控注入信号变频至中频信号传输至信号处理终端模块3，通过两级串连的AGC衰减、增益自动分配以保证在干扰下信号稳定输出，使单机具有良好的线性特性。
如图2所示，所述的射频组件模块2包括：两级自动增益控制(AGC，AutonomousGain Control)单元和本振电路，其中：第一级AGC单元、本振电路和第二级AGC单元依次连接，本振电路单独供电。
所述的第一级AGC单元为衰减单元，包括：依次连接的第一隔离器、限幅低噪放大器、电调衰减、第二隔离器和镜像抑制滤波器。
所述的第二级AGC单元为增益单元，包括：依次连接的低通滤波器、中频放大器、带通滤波器和可控增益放大器。
两级AGC衰减、增益按照如下方式工作：
1)当接收机输入信号电平较小(约-130dBm)时，第一级衰减单元处于最小衰减状态，第二级增益单元提供最大增益状态，第二级增益单元随着输入电平增大增益逐渐减小，输入电平增大到一定值(约-100dBm)时，第二级增益单元处于最小增益状态，第一级衰减单元随着电平增大衰减逐渐增大；
2)当输入信号电平较大时，第一级衰减单元处于最大衰减状态，第二级增益单元提供最小增益状态，第二级增益单元随着输入电平减小增益逐渐增大，输入电平减小到一定值时，第二级增益单元处于最大增益状态，第一级衰减单元随着电平减小衰减逐渐减小。通过上述规划，能使接收机在干扰信号下有较好的线性特性又不恶化信噪比。
两级AGC分段工作既能保证较大的动态范围，又能在大干扰信号输入下，尽可能防止接收饱和，减小信号失真。经过预算，射频组件模块2的限幅器电路的抗过激能力为8dBm，并且两级AGC还提供遥测信息至外星务接口以反映AGC工作状况。
第四步：信号处理终端模块3对中频信号进行AD采样，获取中频数字信号，正交下变频至基带后依照码分多址的方式对注入信号进行捕获跟踪与解调，获得遥控命令发送至星务并将双极性零值基带信号反馈至VHF调制单元4。
如图3所示，所述的信号处理终端模块3包括：相互连接的DSP芯片、APA1000、FPGA芯片和外围电路。
所述的DSP芯片设有可编程只读存储器(PROM)，该PROM为UT28F256LVQLC-65UPC，配置为32K×16bit PROM作为BOOT程序和部分系统软件代码存储；在与PROM相同的基地址空间上配置FLASH MEM:512K×16bit以调试测试，避免使用FLASH测试子板引起的接触不良导致不能正常加载的问题。
当地面站需要对星载软件维护时，通过遥控注入新的软件代码，星务计算机接收注入数据，并将通过遥测返回地面验证，验证正确后，发遥控指令，星务计算机运行新的程序。当星载软件确认测试定型后，一次编程固化于PROM，贴片安装于电路板上。保证产品上能用EEPROM或FLASH芯片验证PROM空间上的软件配置。
所述的FPGA来自AD采样后的中频数字信号，正交下变频至基带，实现地面注入信号的接收处理、捕获、跟踪、获得遥控命令后发送至外部接口传输星务系统，同时提供双极性基带数字信号至VHF调制单元4作为在轨检测使用。
所述的AD采样的AD转换器采用AD9288器件，接收中频模拟信号进行处理，采样钟由FPGA提供。
所述的信号处理终端模块3的工作输入时钟为10MHz，通过固定频率锁相源产生60MHz时钟，转换为逻辑门电路(TTL)并整形后传输至FPGA作为器件的工作钟，并提供给AD9288作为采样钟，同时FPGA分频产生30MHz提供给DSP作为器件的工作钟。
所述的整形，是指将10MHz基准时钟变换为65MHz后，将此正弦波时钟信号经过TTL转换电路整形为方波信号，送入FPGA作为工作钟。
第五步：VHF调制单元4将双极性零值基带信号分别进行微波直接BPSK调制，产生零值检测信号，传输回第三步的射频组件模块2，实现对单机射频通道的时延变化进行在线零值检测，同时对外提供零值检测反馈测试耦合口。
如图4所示，所述的VHF调制单元4自带本振电路，由10.23MHz参考信号产生143.22MHz本振信号供调制使用，单独二次电源供电且通过本振功率两档可调实现调制信号输出功率的两档选择。
本实施例采用以下方式对VHF测控通信接收机的优劣进行评价：
1)时延稳定性指标：利用信号处理终端模块3，分别测试最高、最低两种输入信号电平条件下，测试通道时延稳定性。
2)测距精度指标：利用信号处理终端模块3，分别测试各种输入信号电平、各种信号频率动态、各种干扰条件下的测距随机误差，采用单调速率调度算法(RMS)得到测距精度指标。
3)误码率指标：利用信号处理终端模块3接收输入信号，在信号接收工作门限和各种干扰条件下，测试误码率性能指标。
经过测试和事后数据统计，本实施例测得相关指标如下：
1)时延稳定度指标：≤0.3ns/100000s，测试结果见表1；测试方法：利用VHF测控通信接收机试验验证设备，分别测试最高、最低两种输入信号电平条件下，测试通道时延稳定性。
表1时延稳定性测试
Figure BDA0002354773540000051
2)测距精度指标：优于0.3ns，测试结果见表2；测试方法：利用VHF测控通信接收机试验验证设备，分别测试各种输入信号频率动态、各种干扰条件下的测距随机误差，分别测试开关机、失锁重捕、时间同步条件下的时延不确定度，采用RMS统计得到测距精度指标。
表2测距精度指标测试
Figure BDA0002354773540000052
/>
3)误码率指标：优于1×10-8，测试结果见表3；测试方法：利用VHF测控通信接收机试验验证设备产生输入信号，在接收机工作门限和各种干扰条件下，测试误码率性能指标。
表3误码率测试
测试条件 C/N<sub>0</sub>(BPSK) 测试结果 备注
信号功率-111dBm 44dB 0 捕获门限
信号功率-127dBm 44dB 0 捕获门限
信号功率-111dBm 44dB 0 跟踪门限
信号功率-127dBm 44dB 0 跟踪门限
以上指标满足工程应用需求及航天测控类接收机行业标准。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (1)

1.一种基于微纳卫星平台的VHF测控通信接收机，其特征在于，包括：依次连接的信号预选滤波器、射频组件模块、信号处理终端模块和VHF调制单元，其中：VHF信号注入信号预选滤波器，信号预选滤波器接收地面VHF遥控业务指令信息后将经筛选的信号传输至射频组件模块，射频组件模块将信号变频至中频并输送至信号处理终端模块，信号处理终端模块将双极性零值基带信号反馈至VHF调制单元并发送至星务，VHF调制单元产生零值监测信号并传输回射频组件模块以实现对单机射频通道的时延变化进行在线零值监测；
所述的通信是指：
1)采用码分多址CDMA体制，卫星具有测距通道和数据传输通道，通道同时分配两个扩频码，其中I支路扩频码为CUP，Q支路扩频码为PUP，该信号表述为：Signal＝AcC(t)DUP(t)cos(2πft+φ)+ApP(t)DUP(t)cos(2πft+φ)，其中：C为测距码I支路伪码，P为长码，AC为调制于载波的普通测距码振幅，AP为调制于载波的精密测距码振幅，DUP为测距码上调制的数据码，f为载波频率，φ为载波初相，
2)VHF注入信号预选滤波器，信号预选滤波器接收地面VHF遥控业务指令信息后，筛选带内信号并滤除杂波传输至射频组件模块；
3)射频组件模块接收信号预选滤波器传来的信号及零值监测信号进行低噪声放大，将中心频点145MHz的VHF遥控注入信号变频至中频信号传输至信号处理终端模块，通过两级串连的AGC衰减、增益自动分配以保证信号稳定输出；
4)信号处理终端模块对中频信号进行AD采样，获取中频数字信号，正交下变频至基带后依照码分多址的方式对注入信号进行捕获跟踪与解调，获得遥控命令发送至星务并将双极性零值基带信号反馈至VHF调制单元；
5)VHF调制单元将双极性零值基带信号分别进行微波直接BPSK调制，产生零值检测信号，传输回射频组件模块实现对单机射频通道的时延变化进行在线零值检测，同时对外提供零值检测反馈测试耦合口；
所述的增益自动分配具体是指：两级AGC分别为第一级衰减单元和第二级增益单元以调整两级AGC的起控电平，当接收机输入信号达到-130dBm水平时，第一级衰减单元处于最小衰减状态，第二级增益单元提供最大增益状态，第二级增益单元随着输入电平增大增益逐渐减小，输入电平增大到-100dBm水平时，第二级增益单元处于最小增益状态，第一级衰减单元随着电平增大衰减逐渐增大；当输入信号达到-70dBm水平时，第一级衰减单元处于最大衰减状态，第二级增益单元提供最小增益状态，第二级增益单元随着输入电平减小增益逐渐增大，输入电平减小到一定值时，第二级增益单元处于最大增益状态，第一级衰减单元随着电平减小衰减逐渐减小；
所述的射频组件模块包括：两级自动增益控制AGC单元和本振电路，其中：第一级AGC单元、本振电路和第二级AGC单元依次连接；
所述的第一级AGC单元为衰减单元；所述的第二级AGC单元为增益单元；
所述的信号处理终端模块包括：相连的DSP芯片和FPGA芯片；
所述的VHF调制单元包括：单独二次电源供电的本振电路。
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