CN115276838B - 一种面向多任务的遥外安一体化综合测控站 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向多任务的遥外安一体化综合测控站，包括：射频前端组合模块，用于对下行射频信号进行接收和处理；对上行射频信号进行处理后整带发射；射频矩阵单元，用于对下行射频信号进行功率均衡和分路处理，以及对安控射频信号和上行外测射频信号进行合路处理得到上行射频信号；综合处理终端，用于对下行射频信号进行处理得到遥测信号和下行外测信号，以及对安控指令和上行外测数据进行处理，得到安控射频信号和上行外测射频信号。通过本发明实现了遥测、外测和安控等天线和信道设备的一体化和综合化设计，减少了设备数量，压缩了设备体积，实现了对飞行器进行不同体制遥测、外测和安控等功能的综合测试、性能评价和安全控制。

Description

一种面向多任务的遥外安一体化综合测控站

技术领域

本发明属于飞行器测控技术领域，尤其涉及一种面向多任务的遥外安一体化综合测控站。

背景技术

测控站作为航天型号任务地面设备的重要组成部分，通过与飞行器测控系统建立无线通信链路，实现遥测信号接收、安控信号输出以及前返向外测信号收发处理等，完成对飞行器测控系统进行综合测试、性能评价和功能控制。

传统的测控站普遍采用特定设备实现特定功能的思路进行设计，导致其功能单一、设备离散、集成度和通用性较差。随着飞行器测控手段的不断丰富和完善，为实现不同频段、不同体制遥测、外测和安控等测控功能，一个型号任务需要配置多套不同功能的测控站，导致地面系统设备规模大、系统结构复杂、可靠性降低、使用和维护的难度大大增加；同时，为满足不同飞行器的测控需求，需要研制不同功能的测控站，基本上是“一个型号飞行器对应一套测控站”，这将导致测控站产品的型谱复杂、复用率低、研制成本高。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种面向多任务的遥外安一体化综合测控站，实现了遥测、外测和安控等天线和信道设备的一体化和综合化，减少了设备数量，压缩了设备体积，可应用于弹、箭、星、船等不同飞行器测控领域，用于对飞行器进行不同体制遥测、外测和安控等功能的综合测试、性能评价和安全控制，为不同航天型号任务飞行试验的顺利开展提供重要支撑。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种面向多任务的遥外安一体化综合测控站，包括：射频前端组合模块、射频矩阵单元和综合处理终端；

射频前端组合模块，用于对整个工作频段内的下行射频信号进行整带接收，对下行射频信号进行滤波和放大处理后发送至射频矩阵单元；

射频矩阵单元，用于对射频前端组合模块发送来的经滤波和放大处理后的下行射频信号进行功率均衡和分路处理后，发送至综合处理终端；

综合处理终端，用于对射频矩阵单元发送来的功率均衡和分路处理后的下行射频信号进行二次滤波和放大处理、以及零中频接收处理和基带解调处理，解析得到遥测信号和下行外测信号；并将遥测信号和下行外测信号上报给上位机。

在上述面向多任务的遥外安一体化综合测控站中，射频前端组合模块，包括：宽带接收天线、第一分路器、第一S频段带通滤波器、第一C频段带通滤波器、第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、第一合路器、宽带发射天线、第二合路器、第二S频段带通滤波器、第二C频段带通滤波器、L频段带通滤波器、第一功率放大器、第二功率放大器、第三功率放大器和第二分路器；其中，宽带接收天线接第一分路器的输入端；第一分路器的输出端分别接第一S频段带通滤波器和第一C频段带通滤波器连接；第一S频段带通滤波器与第一低噪声放大器连接后接第一合路器，第一C频段带通滤波器与第二低噪声放大器连接后接第一合路器；第二分路器的输出端分别接第一功率放大器、第二功率放大器和第三功率放大器；第一功率放大器与第二S频段带通滤波器连接后接第二合路器，第二功率放大器与第二C频段带通滤波器连接后接第二合路器，第三功率放大器与L频段带通滤波器连接后接第二合路器；第二合路器输出端接宽带发射天线。

在上述面向多任务的遥外安一体化综合测控站中，宽带接收天线接收飞行器测控终端发送的下行射频信号，将下行射频信号发送给第一分路器；第一分路器将输入的下行射频信号按功率平均分成2路，将2路信号分别发送给第一S频段带通滤波器和第一C频段带通滤波器进行滤波处理，分别输出S频段下行射频信号和C频段下行射频信号；将S频段下行射频信号和C频段下行射频信号分别发送给第一低噪声放大器和第二低噪声放大器进行放大处理；将放大处理后的S频段下行射频信号和C频段下行射频信号发送给第一合路器，将放大处理后的S频段下行射频信号和C频段下行射频信号按功率合成为1路，将合路信号发送给射频矩阵单元。

在上述面向多任务的遥外安一体化综合测控站中，综合处理终端，包括：若干块宽带收发一体化处理板、VPX总线和计算机主板；其中，各宽带收发一体化处理板分别通过VPX总线与计算机主板连接；

宽带收发一体化处理板，用于对由射频矩阵单元发送来的功率均衡和分路处理后的下行射频信号进行二次滤波和放大处理、以及零中频接收处理和基带解调处理，解析得到遥测信号和下行外测信号，并通过VPX总线将遥测信号和下行外测信号发送给计算机主板；

VPX总线，用于对计算机主板、各宽带收发一体化处理板供电，并实现计算机主板与各宽带收发一体化处理板之间的互联通信；

计算机主板，用于运行上位机软件，实现对各宽带收发一体化处理板的状态监视和控制；以及，实现对遥测信号和下行外测信号的采集、存储、显示。

在上述面向多任务的遥外安一体化综合测控站中，宽带收发一体化处理板，包括：宽带滤波器、窄带滤波器、带通滤波器、放大器、自动增益控制放大器AGC、捷变收发器和基带处理单元；其中，宽带滤波器、窄带滤波器和自动增益控制放大器AGC依次连接后，接捷变收发器；带通滤波器、放大器依次连接后，接捷变收发器；捷变收发器与基带处理单元相连；其中，各宽带收发一体化处理板共用一个基带处理单元；

宽带滤波器对输入的下行射频信号进行宽带滤波处理，滤除工作频带外的干扰信号，将过滤后的信号发送给窄带滤波器；窄带滤波器对输入信号进行带通滤波处理，将过滤后的窄带信号发送给捷变收发器；捷变收发器利用其芯片内部集成的射频处理模块首先对输入信号进行低噪声放大处理，放大后的信号进入混频器，混频器输出的基带信号经过放大和滤波处理后发送给模数转换模块ADC，模数转换模块ADC将基带信号变换为数字基带信号，将数字基带信号发送给基带处理单元；基带处理单元对输入的数字基带信号进行接收、解调、解码处理，得到遥测信号和下行外测信号，并将遥测信号和下行外测信号通过VPX总线上报给计算机主板。

本发明还公开了一种面向多任务的遥外安一体化综合测控站，包括：射频前端组合模块、射频矩阵单元和综合处理终端；

综合处理终端，用于对下传的安控指令和上行外测数据进行编码和调制处理、以及零中频发射处理，得到安控射频信号和上行外测射频信号；将安控射频信号和上行外测射频信号分别进行放大和滤波处理，并发送给射频矩阵单元；

射频矩阵单元，用于对综合处理终端发送来的经放大和滤波处理后的安控射频信号和上行外测射频信号进行合路处理后，得到上行射频信号，将上行射频信号发送至射频前端组合模块；

射频前端组合模块，用于对整个工作频段内的上行射频信号进行分段滤波和放大处理，对上行射频信号进行整带发射。

在上述面向多任务的遥外安一体化综合测控站中，射频前端组合模块，包括：宽带接收天线、第一分路器、第一S频段带通滤波器、第一C频段带通滤波器、第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、第一合路器、宽带发射天线、第二合路器、第二S频段带通滤波器、第二C频段带通滤波器、L频段带通滤波器、第一功率放大器、第二功率放大器、第三功率放大器和第二分路器；其中，宽带接收天线接第一分路器的输入端；第一分路器的输出端分别接第一S频段带通滤波器和第一C频段带通滤波器连接；第一S频段带通滤波器与第一低噪声放大器连接后接第一合路器，第一C频段带通滤波器与第二低噪声放大器连接后接第一合路器；第二分路器的输出端分别接第一功率放大器、第二功率放大器和第三功率放大器；第一功率放大器与第二S频段带通滤波器连接后接第二合路器，第二功率放大器与第二C频段带通滤波器连接后接第二合路器，第三功率放大器与L频段带通滤波器连接后接第二合路器；第二合路器输出端接宽带发射天线。

在上述面向多任务的遥外安一体化综合测控站中，第二分路器接收射频矩阵单元发送的上行射频信号，将输入的1路上行射频信号按功率平均分成3路，将3路均分后的射频信号分别发送给第二S频段带通滤波器、第二C频段带通滤波器和L频段带通滤波器进行滤波处理，分别输出S频段上行射频信号、C频段上行射频信号和L频段上行射频信号，将S频段上行射频信号、C频段上行射频信号和L频段上行射频信号分别发送给第一功率放大器、第二功率放大器和第三功率放大器进行放大处理，将放大后的S频段上行射频信号、C频段上行射频信号和L频段上行射频信号发送给第二合路器按功率合成为1路，将合成信号发送给宽带发射天线；宽带发射天线将输入的上行射频信号转换为特定极化方式的空间电磁波，并按规定的方向发射出去。

在上述面向多任务的遥外安一体化综合测控站中，综合处理终端，包括：若干块宽带收发一体化处理板、VPX总线和计算机主板；其中，各宽带收发一体化处理板分别通过VPX总线与计算机主板连接；

宽带收发一体化处理板，用于对安控指令和上行外测数据进行编码和调制处理、以及零中频发射处理，得到安控射频信号和上行外测射频信号；将安控射频信号和上行外测射频信号分别进行放大和滤波处理，并发送给射频矩阵单元；

VPX总线，用于对计算机主板、各宽带收发一体化处理板供电，并实现计算机主板与各宽带收发一体化处理板之间的互联通信；

计算机主板，用于运行上位机软件，实现对各宽带收发一体化处理板的状态监视和控制；提供安控人机交互界面，实现安控指令的编辑和发送控制；以及实现对安控射频信号和上行外测射频信号的采集、解算、存储、显示。

在上述面向多任务的遥外安一体化综合测控站中，宽带收发一体化处理板，包括：宽带滤波器、窄带滤波器、带通滤波器、放大器、自动增益控制放大器AGC、捷变收发器和基带处理单元；其中，宽带滤波器、窄带滤波器和自动增益控制放大器AGC依次连接后，接捷变收发器；带通滤波器、放大器依次连接后，接捷变收发器；捷变收发器与基带处理单元相连；其中，各宽带收发一体化处理板共用一个基带处理单元；

基带处理单元接收计算机主板下传的安控指令和上行外测数据进行编码和调制处理，将调制后的数字基带信号发送给捷变收发器；捷便收发器利用其芯片内部集成的射频处理模块首先对数字基带信号进行滤波和插值处理，输出所需速率的数字基带信号，通过数模转换器DAC将所述所需速率的数字基带信号变换为基带信号，变换后的基带信号进入混频器，混频器输出的信号经过低噪声放大后发送给放大器；放大器对输入的信号进行功率放大后，发送给带通滤波器；带通滤波器对输入的信号进行带通滤波，滤除带外干扰，得到安控射频信号和上行外测射频信号。

本发明具有以下优点：

(1)本发明公开了一种面向多任务的遥外安一体化综合测控站，通过对射频前端组合模块、射频矩阵单元和综合处理终端的优化设计，实现了测控站射频处理部分的一体化和小型化设计，在实现不同频段不同体制遥测、外测、安控等测控功能、满足不同任务测控需求的前提下，将设备规模压缩到传统设备的20％；可适应飞行器地面系统低成本、小型化、综合化和通用化的发展趋势，满足高强度航天发射任务的需求，解决了传统设备存在的功能单一、设备离散和通用性差等问题。

(2)本发明公开了一种面向多任务的遥外安一体化综合测控站，射频前端组合模块采用多功能射频综合一体化设计，在宽带范围内完成不同体制遥测、外测和安控等信号的整带接收和发射，实现了遥测、外测和安控等不同任务天线和信道设备的一体化、综合化和小型化设计，减少了设备数量，压缩了设备体积。

(3)本发明公开了一种面向多任务的遥外安一体化综合测控站，通过对综合处理终端进行基于AD9361的射频收发链路一体化设计，实现了射频到基带的零中频处理，将传统射频收发链路涉及的滤波器、变频器、放大器等集成在一个芯片内，实现了射频收发链路设备的一体化、芯片化设计。

(4)本发明公开了一种面向多任务的遥外安一体化综合测控站，综合处理终端采用基于AD9361的宽带数字化射频收发链路的设计，实现了射频信号的零中频收发处理，避免了大部分中频信道设备的使用，并通过子带重构实现了不同任务信号的并行处理，实现了射频收发链路中滤波器、变频器和放大器等模块的一体化、芯片化和综合化。

(5)本发明公开了一种面向多任务的遥外安一体化综合测控站，综合处理终端采用基于全可编程片上系统(SoC)芯片ZYNQ的可重构基带处理单元，通过加载不同的硬件处理IP核和软件模块即可完成特定的测控功能，实现了测控站的功能重构，达到了通用化的应用效果。

附图说明

图1是本发明实施例中一种面向多任务的遥外安一体化综合测控站的结构框图；

图2是本发明实施例中一种射频前端组合模块的结构框图；

图3是本发明实施例中一种宽带收发一体化处理板的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

如图1，在本实施例中，该面向多任务的遥外安一体化综合测控站包括：射频前端组合模块、射频矩阵单元和综合处理终端。其中，该面向多任务的遥外安一体化综合测控站包括上行处理和下行处理两个流程，为了便于描述，下面将上行处理和下行处理两个流程分开进行了描述。

对于下行处理流程，具体有：

射频前端组合模块，用于对整个工作频段内的下行射频信号进行整带接收，对下行射频信号进行滤波和放大处理后发送至射频矩阵单元。射频矩阵单元，用于对射频前端组合模块发送来的经滤波和放大处理后的下行射频信号进行功率均衡和分路处理后，发送至综合处理终端。综合处理终端，用于对射频矩阵单元发送来的功率均衡和分路处理后的下行射频信号进行二次滤波和放大处理、以及零中频接收处理和基带解调处理，解析得到遥测信号和下行外测信号；并将遥测信号和下行外测信号上报给上位机。

在本实施例中，如图2，射频前端组合模块具体可以包括：宽带接收天线、第一分路器、第一S频段带通滤波器、第一C频段带通滤波器、第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、第一合路器、宽带发射天线、第二合路器、第二S频段带通滤波器、第二C频段带通滤波器、L频段带通滤波器、第一功率放大器、第二功率放大器、第三功率放大器和第二分路器。其中，宽带接收天线接第一分路器的输入端；第一分路器的输出端分别接第一S频段带通滤波器和第一C频段带通滤波器连接；第一S频段带通滤波器与第一低噪声放大器连接后接第一合路器，第一C频段带通滤波器与第二低噪声放大器连接后接第一合路器；第二分路器的输出端分别接第一功率放大器、第二功率放大器和第三功率放大器；第一功率放大器与第二S频段带通滤波器连接后接第二合路器，第二功率放大器与第二C频段带通滤波器连接后接第二合路器，第三功率放大器与L频段带通滤波器连接后接第二合路器；第二合路器输出端接宽带发射天线。

优选的，射频前端组合模块的具体信号处理流程如下：宽带接收天线接收飞行器测控终端发送的下行射频信号，将下行射频信号发送给第一分路器；第一分路器将输入的下行射频信号按功率平均分成2路，将2路信号分别发送给第一S频段带通滤波器和第一C频段带通滤波器进行滤波处理，分别输出S频段下行射频信号和C频段下行射频信号；将S频段下行射频信号和C频段下行射频信号分别发送给第一低噪声放大器和第二低噪声放大器进行放大处理；将放大处理后的S频段下行射频信号和C频段下行射频信号发送给第一合路器，将放大处理后的S频段下行射频信号和C频段下行射频信号按功率合成为1路，将合路信号发送给射频矩阵单元。

在本实施例中，如图1，综合处理终端具体可以包括：若干块宽带收发一体化处理板、VPX总线和计算机主板。其中，各宽带收发一体化处理板分别通过VPX总线与计算机主板连接。

优选的，宽带收发一体化处理板，用于对由射频矩阵单元发送来的功率均衡和分路处理后的下行射频信号进行二次滤波和放大处理、以及零中频接收处理和基带解调处理，解析得到遥测信号和下行外测信号，并通过VPX总线将遥测信号和下行外测信号发送给计算机主板。VPX总线，用于对计算机主板、各宽带收发一体化处理板供电，并实现计算机主板与各宽带收发一体化处理板之间的互联通信。计算机主板，用于运行上位机软件，实现对各宽带收发一体化处理板的状态监视和控制；以及，实现对遥测信号和下行外测信号的采集、存储、显示。

进一步的，如图3，宽带收发一体化处理板具体可以包括：宽带滤波器、窄带滤波器、带通滤波器、放大器、自动增益控制放大器AGC、捷变收发器和基带处理单元。其中，宽带滤波器、窄带滤波器和自动增益控制放大器AGC依次连接后，接捷变收发器；带通滤波器、放大器依次连接后，接捷变收发器；捷变收发器与基带处理单元相连；各宽带收发一体化处理板共用一个基带处理单元。

进一步的，宽带收发一体化处理板的具体信号处理流程如下：宽带滤波器对输入的下行射频信号进行宽带滤波处理，滤除工作频带外的干扰信号，将过滤后的信号发送给窄带滤波器；窄带滤波器对输入信号进行带通滤波(通带的中心频率和带宽可配置)处理，将过滤后的窄带信号发送给捷变收发器；捷变收发器利用其芯片内部集成的射频处理模块首先对输入信号进行低噪声放大处理，放大后的信号进入混频器，混频器输出的基带信号经过放大和滤波处理后发送给模数转换模块ADC，模数转换模块ADC将基带信号变换为数字基带信号，将数字基带信号发送给基带处理单元；基带处理单元可采用片上系统SoC芯片ZYNQ加载运行特定的FPGA(可编程阵列逻辑)软件电路的方式，对输入的数字基带信号进行接收、解调、解码处理，得到遥测信号和下行外测信号，并将遥测信号和下行外测信号通过VPX总线上报给计算机主板。

对于上行处理流程，具体有：

综合处理终端，用于对下传的安控指令和上行外测数据进行编码和调制处理、以及零中频发射处理，得到安控射频信号和上行外测射频信号；将安控射频信号和上行外测射频信号分别进行放大和滤波处理，并发送给射频矩阵单元。射频矩阵单元，用于对综合处理终端发送来的经放大和滤波处理后的安控射频信号和上行外测射频信号进行合路处理后，得到上行射频信号，将上行射频信号发送至射频前端组合模块。射频前端组合模块，用于对整个工作频段内的上行射频信号进行分段滤波和放大处理，对上行射频信号进行整带发射。

在本实施例中，如图2，射频前端组合模块具体包括：宽带接收天线、第一分路器、第一S频段带通滤波器、第一C频段带通滤波器、第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、第一合路器、宽带发射天线、第二合路器、第二S频段带通滤波器、第二C频段带通滤波器、L频段带通滤波器、第一功率放大器、第二功率放大器、第三功率放大器和第二分路器。其中，宽带接收天线接第一分路器的输入端；第一分路器的输出端分别接第一S频段带通滤波器和第一C频段带通滤波器连接；第一S频段带通滤波器与第一低噪声放大器连接后接第一合路器，第一C频段带通滤波器与第二低噪声放大器连接后接第一合路器；第二分路器的输出端分别接第一功率放大器、第二功率放大器和第三功率放大器；第一功率放大器与第二S频段带通滤波器连接后接第二合路器，第二功率放大器与第二C频段带通滤波器连接后接第二合路器，第三功率放大器与L频段带通滤波器连接后接第二合路器；第二合路器输出端接宽带发射天线。

优选的，射频前端组合模块的具体信号处理流程如下：第二分路器接收射频矩阵单元发送的上行射频信号，将输入的1路上行射频信号按功率平均分成3路，将3路均分后的射频信号分别发送给第二S频段带通滤波器、第二C频段带通滤波器和L频段带通滤波器进行滤波处理，分别输出S频段上行射频信号、C频段上行射频信号和L频段上行射频信号，将S频段上行射频信号、C频段上行射频信号和L频段上行射频信号分别发送给第一功率放大器、第二功率放大器和第三功率放大器进行放大处理，将放大后的S频段上行射频信号、C频段上行射频信号和L频段上行射频信号发送给第二合路器按功率合成为1路，将合成信号发送给宽带发射天线；宽带发射天线将输入的上行射频信号转换为特定极化方式的空间电磁波，并按规定的方向发射出去。

在本实施例中，如图1，综合处理终端具体包括：若干块宽带收发一体化处理板、VPX总线和计算机主板。其中，各宽带收发一体化处理板分别通过VPX总线与计算机主板连接。

优选的，宽带收发一体化处理板，用于对安控指令和上行外测数据进行编码和调制处理、以及零中频发射处理，得到安控射频信号和上行外测射频信号；将安控射频信号和上行外测射频信号分别进行放大和滤波处理，并发送给射频矩阵单元。VPX总线，用于对计算机主板、各宽带收发一体化处理板供电，并实现计算机主板与各宽带收发一体化处理板之间的互联通信。计算机主板，用于运行上位机软件，实现对各宽带收发一体化处理板的状态监视和控制；提供安控人机交互界面，实现安控指令的编辑和发送控制；以及实现对安控射频信号和上行外测射频信号的采集、解算、存储、显示。

进一步的，如图3，宽带收发一体化处理板具体可以包括：宽带滤波器、窄带滤波器、带通滤波器、放大器、自动增益控制放大器AGC、捷变收发器和基带处理单元。其中，宽带滤波器、窄带滤波器和自动增益控制放大器AGC依次连接后，接捷变收发器；带通滤波器、放大器依次连接后，接捷变收发器；捷变收发器与基带处理单元相连；各宽带收发一体化处理板共用一个基带处理单元。

进一步的，宽带收发一体化处理板的具体信号处理流程如下：基带处理单元接收计算机主板下传的安控指令和上行外测数据进行编码和调制处理，将调制后的数字基带信号发送给捷变收发器；捷便收发器利用其芯片内部集成的射频处理模块首先对数字基带信号进行滤波和插值处理，输出所需速率的数字基带信号，通过数模转换器DAC将所述所需速率的数字基带信号变换为基带信号，变换后的基带信号进入混频器，混频器输出的信号经过低噪声放大后发送给放大器；放大器对输入的信号进行功率放大后，发送给带通滤波器；带通滤波器对输入的信号进行带通滤波，滤除带外干扰，得到安控射频信号和上行外测射频信号。

在本实施例中，宽带收发一体化处理板卡支持2个频点信号的接收和2个频点信号的输出，收发信号的频率范围为70MHz～6GHz，支持的通道带宽范围为200kHz～56MHz，以满足不同体制信号的传输要求。射频矩阵单元采用有源补偿和功分的策略，对输入的下行射频信号先进行低噪声放大，再将放大后的信号按功率平均分路，以实现各分路信号与输入的下行射频信号的功率保持均衡。宽带接收天线采用右旋圆极化天线，宽带发射天线采用左旋圆极化天线，以实现1GHz～6GHz范围内射频信号的接收和发射。VPX总线是基于高速串行总线的新一代总线标准，采用高速差分连接器，连接紧密，插损小，误码率低，且能支持VME和PCI并行总线协议，模块加固和制冷增强方面有一定优势，可满足苛刻的军用环境。

在上述实施例的基础上，下面结合面向多任务的遥外安一体化综合测控站的具体设计思想进行说明。

一、总体设计

面向多任务的遥外安一体化综合测控站主要由射频前端组合模块、射频矩阵单元和综合处理终端等组成。其中，射频前端组合模块集成了宽带接收天线、宽带发射天线、带通滤波器、低噪声放大器和功放等组件，共同完成射频信号的接收、发射、滤波和放大等处理。射频矩阵单元主要用于对射频信号进行功率均衡和分路处理。综合处理终端集成了多块宽带收发一体化处理板，每块宽带收发一体化处理板由射频收发和基带处理两部分组成。

在测试过程中，该一体化综合测控站与飞行器建立上、下行双向无线链路，对于下行信号而言，射频前端组合模块利用宽带接收天线对整个工作频段内的射频信号进行整带接收，并对其进行滤波和放大，输出的信号经射频矩阵单元进行功率均衡和分路处理，进入综合处理终端后由宽带收发一体化处理板对其进行滤波、放大、零中频接收处理和基带解调处理，解析出遥测信号和下行外测信号并通过总线上报给上位机；上行信号的处理流程与下行信号互逆，由宽带发射天线输出安控射频信号和上行外测射频信号，完成对飞行器的控制和测量。可见，该一体化综合测控站可完成对飞行器遥测、外测、安控信号的实时高精度处理，实现对飞行器整体及各部件的工作性能检查和评判，并完成对飞行器飞行轨迹测量和控制。

二、射频前端组合模块设计

为满足飞行器复杂测控需求，传统测控站需要配置满足不同频段、不同体制的遥测、外测、安控等功能的发射天线、接收天线、滤波器、低噪声放大器、功率放大器等信道设备，导致测控站前端设备的数量成倍增加，设备之间的连接关系复杂，使用维护的难度增大，产品的可靠性得不到保障。

本实施例通过对测控站射频前端设备进行优化设计，将满足不同任务的接收天线和发射天线分别进行宽带化、一体化和综合化设计，同时将宽带接收天线、宽带发射天线、滤波器和放大器等TR组件进行集成化和综合化设计，形成射频前端组合模块，实现宽带范围内不同频段、不同体制遥测、外测和安控等信号的整带接收、发射、滤波和放大处理。

进一步的，本实施采用宽频圆极化平面螺旋天线分别实现1GHz～6GHz范围内射频信号的接收和发射，其中，宽带接收天线采用右旋圆极化天线，宽带发射天线采用左旋圆极化天线，基本能覆盖飞行器C、S和L等频段的测控需求；接收天线的主波束增益为-4dB，通过其后的带通滤波器和低噪声放大器(LNA)对接收信号进行滤波和低噪声放大处理后，可保证接收链路的接收品质因数(G/T)满足总体要求；发射天线的主波束增益为-4dB，通过带通滤波器和功率放大器(PA)对发射信号进行功率放大和滤波处理后，可保证系统的有效辐射功率(EIRP)满足总体要求。射频前端组合模块可实现宽带范围内不同任务信号地有效接收和发射，满足不同任务的测控需求。

此外，当需要对测控站的工作频段进行拓展时，可利用其它频段的天线和收发组件(TR)进行替换，实现Ka、X等频段信号的收发处理。

三、宽带收发一体化处理板

射频收发链路集成于综合处理终端内，主要负责对射频前端组合模块输入和输出的射频信号进行滤波、放大、A/D、D/A处理，并将A/D处理后的数字基带信号输出给后端的基带处理单元进行解调、解码和解密处理，将D/A处理后的射频信号输出给射频前端组合模块进行放大、滤波和天线输出处理。

宽带收发一体化处理板以ADI公司推出的高性能、高集成的捷变收发器件AD9361为核心，采用零中频处理架构，将传统的射频收发链路涉及的大部分处理电路集成在一个芯片内，包括射频放大器、模拟滤波器、数字滤波器、混频器、SPI接口、12位的ADC和DAC等，对设备的集成化、小型化和综合化具有相当重要的意义。AD9361具备2个接收通道和2个发射通道，每个独立的接收通道中集成了独立的自动增益控制(AGC)、直流失调校正和正交校正等电路，为下一级数字基带处理节省了上述功能所需的资源。另外可利用FMC接口与片上系统芯片ZYNQ进行通信。

下行信号进入宽带收发一体化处理板后，首先经宽带滤波器滤除带外杂散，由LNA对其进行低噪声放大，再经窄带电调滤波器(中心频点和带宽可设置)进行滤波，实现不同功能信号的子带重构；重构的子带信号由AD9361(输入输出频点可设置)对其进行零中频接收和A/D采样，通过FMC接口将采样输出的基带数字信号送至SoC芯片ZYNQ，完成基带信号的接收、解调、解码等处理。上行信号与下行信号的处理互逆。采用AD9361实现了射频到基带之间的零中频双向转换，为后续数字信号处理提供了数字配置接口，实现了宽带射频信号收发一体化和数字化，大大压缩了设备数量和体积，改善了设备使用的灵活性。

四、基于ZYNQ的可重构基带处理单元设计

基带处理单元主要负责对射频收发链路输入和输出的数字基带信号进行调制、解调、编码、解码等处理，同时负责系统的整体调度控制和前级射频模块、数据接口模块的配置等。

一体化综合测控站后端的基带处理单元以Xilinx推出的片上系统(SoC)芯片ZYNQ为核心，采用通用、开放的体系结构，通过集成在ZYNQ内部的ARM实现了软件功能可编程，通过FPGA实现了硬件功能可编程，通过AXI接口实现了芯片内ARM和FGPA之间的数据快速交互。通过Xilinx公司的Vivado开发组件开发硬件IP核，将基带部分耗时的数字信号处理工作交给FPGA来完成；通过SDK工具开发软件模块，将前级射频模块、数据接口模块的配置等交给ARM来实现，发挥FPGA和ARM处理器各自的优势，同时也能降低设备的体积，增加系统的灵活性。

基带处理单元通过加载硬件IP核和软件处理模块完成特定的测控功能，实现了软件定义功能即软件无线电(SDR)。采用硬件IP核模块化设计方法，对调制和解调的功能进行IP封装，实现了基带数据PCM-FM、PCM-DPSK-FM、PCM-CDMA-BPSK、PCM-QPSK等体制的调制和解调处理；对编码和解码的功能进行封装，实现了PCM数据卷积、RS、TPC、MSD等方式的编码和解码处理；通过加载不同的软件模块和参数，实现了前级射频链路、数据接口模块的动态配置。基于ZYNQ的基带处理单元实现了测控站的功能重构，可满足不同型号任务的测控需求，从而达到“一机多能”的应用效果。

综上所述，在本发明中，射频前端组合模块采用多功能射频一体化设计，在宽带范围内完成不同体制遥测、外测和安控等信号的整带接收和发射，实现了不同任务天线和信道设备的一体化和小型化设计；采用基于AD9361的射频收发链路一体化设计，实现了射频到基带的零中频处理，将传统射频收发链路涉及的滤波器、变频器、放大器等集成在一个芯片内，实现了射频收发链路设备的一体化、芯片化设计。以上方法共同实现了测控站射频处理部分的一体化和小型化设计，在实现不同频段不同体制遥测、外测、安控等测控功能，满足不同任务测控需求的前提下，将设备规模压缩到传统设备的20％。

进一步的，在本发明中，射频前端组合模块采用多功能射频综合化设计，在宽带范围内实现了不同任务信号的整带接收和发射；射频收发链路采用多相滤波的方式对不同任务信号进行子带重构，并将重构的多路子带信号送后端同时进行零中频收发处理和基带处理。以上方法共同实现了测控站的综合化设计，在配置单套设备的前提下，可同时实现不同体制遥测、外测和安控等测控功能，大大提高了测控站的综合处理能力，节省了型号研制成本。

此外，在本发明中，后端的基带处理单元以Xilinx推出的SoC芯片ZYNQ为核心，采用通用、开放的体系结构，将基带部分耗时的数字信号处理开发成硬件IP核并交给FPGA来完成；将前级射频模块、数据接口模块的配置等开发成软件模块并交给ARM来实现，这样可同时发挥FPGA和ARM的各自优势。通过加载不同的硬件IP核和软件处理模块即可完成特定的测控功能，实现了测控站的功能重构和通用化设计，具备“一机多能”的应用效果，大大提高了测控站产品的复用率，缩短了型号研制时间，节省了研制成本。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，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、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种面向多任务的遥外安一体化综合测控站，其特征在于，包括：射频前端组合模块、射频矩阵单元和综合处理终端；

射频前端组合模块，用于对整个工作频段内的下行射频信号进行整带接收，对下行射频信号进行滤波和放大处理后发送至射频矩阵单元；以及，对整个工作频段内的上行射频信号进行分段滤波和放大处理，对上行射频信号进行整带发射；

射频矩阵单元，用于对射频前端组合模块发送来的经滤波和放大处理后的下行射频信号进行功率均衡和分路处理后，发送至综合处理终端；以及，对综合处理终端发送来的经放大和滤波处理后的安控射频信号和上行外测射频信号进行合路处理后，得到上行射频信号，将上行射频信号发送至射频前端组合模块；

综合处理终端，用于对射频矩阵单元发送来的功率均衡和分路处理后的下行射频信号进行二次滤波和放大处理、以及零中频接收处理和基带解调处理，解析得到遥测信号和下行外测信号；并将遥测信号和下行外测信号上报给上位机；以及对下传的安控指令和上行外测数据进行编码和调制处理、以及零中频发射处理，得到安控射频信号和上行外测射频信号；将安控射频信号和上行外测射频信号分别进行放大和滤波处理，并发送给射频矩阵单元；

其中：

射频前端组合模块，包括：宽带接收天线、第一分路器、第一S频段带通滤波器、第一C频段带通滤波器、第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、第一合路器、宽带发射天线、第二合路器、第二S频段带通滤波器、第二C频段带通滤波器、L频段带通滤波器、第一功率放大器、第二功率放大器、第三功率放大器和第二分路器；其中，宽带接收天线接第一分路器的输入端；第一分路器的输出端分别接第一S频段带通滤波器和第一C频段带通滤波器连接；第一S频段带通滤波器与第一低噪声放大器连接后接第一合路器，第一C频段带通滤波器与第二低噪声放大器连接后接第一合路器；第二分路器的输出端分别接第一功率放大器、第二功率放大器和第三功率放大器；第一功率放大器与第二S频段带通滤波器连接后接第二合路器，第二功率放大器与第二C频段带通滤波器连接后接第二合路器，第三功率放大器与L频段带通滤波器连接后接第二合路器；第二合路器输出端接宽带发射天线；

宽带接收天线接收飞行器测控终端发送的下行射频信号，将下行射频信号发送给第一分路器；第一分路器将输入的下行射频信号按功率平均分成2路，将2路信号分别发送给第一S频段带通滤波器和第一C频段带通滤波器进行滤波处理，分别输出S频段下行射频信号和C频段下行射频信号；将S频段下行射频信号和C频段下行射频信号分别发送给第一低噪声放大器和第二低噪声放大器进行放大处理；将放大处理后的S频段下行射频信号和C频段下行射频信号发送给第一合路器，将放大处理后的S频段下行射频信号和C频段下行射频信号按功率合成为1路，将合路信号发送给射频矩阵单元；第二分路器接收射频矩阵单元发送的上行射频信号，将输入的1路上行射频信号按功率平均分成3路，将3路均分后的射频信号分别发送给第二S频段带通滤波器、第二C频段带通滤波器和L频段带通滤波器进行滤波处理，分别输出S频段上行射频信号、C频段上行射频信号和L频段上行射频信号，将S频段上行射频信号、C频段上行射频信号和L频段上行射频信号分别发送给第一功率放大器、第二功率放大器和第三功率放大器进行放大处理，将放大后的S频段上行射频信号、C频段上行射频信号和L频段上行射频信号发送给第二合路器按功率合成为1路，将合成信号发送给宽带发射天线；宽带发射天线将输入的上行射频信号转换为特定极化方式的空间电磁波，并按规定的方向发射出去；

综合处理终端，包括：若干块宽带收发一体化处理板、VPX总线和计算机主板；其中，各宽带收发一体化处理板分别通过VPX总线与计算机主板连接；

宽带收发一体化处理板，用于对由射频矩阵单元发送来的功率均衡和分路处理后的下行射频信号进行二次滤波和放大处理、以及零中频接收处理和基带解调处理，解析得到遥测信号和下行外测信号，并通过VPX总线将遥测信号和下行外测信号发送给计算机主板；以及，对安控指令和上行外测数据进行编码和调制处理、以及零中频发射处理，得到安控射频信号和上行外测射频信号；将安控射频信号和上行外测射频信号分别进行放大和滤波处理，并发送给射频矩阵单元；

VPX总线，用于对计算机主板、各宽带收发一体化处理板供电，并实现计算机主板与各宽带收发一体化处理板之间的互联通信；

计算机主板，用于运行上位机软件，实现对各宽带收发一体化处理板的状态监视和控制；提供安控人机交互界面，实现安控指令的编辑和发送控制；以及，实现对遥测信号、下行外测信号和上行外测射频信号的采集、存储、显示；

宽带收发一体化处理板，包括：宽带滤波器、窄带滤波器、带通滤波器、放大器、自动增益控制放大器AGC、捷变收发器和基带处理单元；其中，宽带滤波器、窄带滤波器和自动增益控制放大器AGC依次连接后，接捷变收发器；带通滤波器、放大器依次连接后，接捷变收发器；捷变收发器与基带处理单元相连；其中，各宽带收发一体化处理板共用一个基带处理单元；

宽带滤波器对输入的下行射频信号进行宽带滤波处理，滤除工作频带外的干扰信号，将过滤后的信号发送给窄带滤波器；窄带滤波器对输入信号进行带通滤波处理，将过滤后的窄带信号发送给捷变收发器；捷变收发器利用其芯片内部集成的射频处理模块首先对输入信号进行低噪声放大处理，放大后的信号进入混频器，混频器输出的基带信号经过放大和滤波处理后发送给模数转换模块ADC，模数转换模块ADC将基带信号变换为数字基带信号，将数字基带信号发送给基带处理单元；基带处理单元对输入的数字基带信号进行接收、解调、解码处理，得到遥测信号和下行外测信号，并将遥测信号和下行外测信号通过VPX总线上报给计算机主板；

基带处理单元接收计算机主板下传的安控指令和上行外测数据进行编码和调制处理，将调制后的数字基带信号发送给捷变收发器；捷便收发器利用其芯片内部集成的射频处理模块首先对数字基带信号进行滤波和插值处理，输出所需速率的数字基带信号，通过数模转换器DAC将所述所需速率的数字基带信号变换为基带信号，变换后的基带信号进入混频器，混频器输出的信号经过低噪声放大后发送给放大器；放大器对输入的信号进行功率放大后，发送给带通滤波器；带通滤波器对输入的信号进行带通滤波，滤除带外干扰，得到安控射频信号和上行外测射频信号。