CN116015349A - 一种抗干扰测量一体化天基测控终端 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及卫星通信技术领域，提供一种抗干扰测量一体化天基测控终端，其包括：基带模块、射频模块、电源模块、功放模块组成，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，在前向捕获跟踪算法中设计有抗干扰模块。基带模块接收飞行器上各类遥测数据，在频域对干扰信号进行数字滤波，并用与前向同步后的返向长码对返向遥测进行扩频处理。本发明设计的抗干扰测量通信一体化天基测控终端，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、抗干扰设计，减少了设备数量，降低了系统重量、体积，极大地提升了终端的抗干扰能力，可靠性大大增强。
Description
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种抗干扰测量一体化天基测控终端。
背景技术
当前测控通信系统以直扩为主，直扩系统的特点是多址能力好、抗多径效应能力强，频谱利用率高。随着微波武器、大功率干扰设备的研制，传统的以直扩为主的测控产品在战时的可靠性逐步降低，地方微波武器、大功率干扰设备极易造成我方测控设备损坏或功能丧失，在战争对抗时期，敌方可以侦破、恶意复制、转发测控信号造成我方航天器失控、损坏等。
因此，如何设计抗干扰能力强的一体化天基测控终端，成为亟待解决的问题。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种抗干扰测量一体化天基测控终端，其包括：基带模块、射频模块、电源模块、功放模块，其中：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；
所述前向捕获跟踪算法中设计有抗干扰模块，该抗干扰模块采用频域限幅滤波算法；数字中频信号输入后与本地载波进行混频并进行低通滤波，得到解调信号；对解调后的信号加海明窗，并将加窗后的数据进行快速傅里叶变换，将信号转换至变换域；根据变换域能量值，通过跟门限比较进行限幅滤波，当功率值大于门限，则将其置零输出，小于门限，该值不变，此处门限值通过多次功率值加权平均求出；限幅滤波后的变换域数据做傅里叶逆变换，将其转换回时域；对转换回时域的同相、正交数据做低通滤波处理，滤波处理后的数据通过与本地载波进行混频合路，合路后的数据输出至后续进行捕获处理；
基带模块接收飞行器上各类遥测数据，在频域对干扰信号进行数字滤波，滤波后的数据转回时域进行解调、解扩，将指令或数据传送至上面级进行处理，并用与前向同步后的返向长码对返向遥测进行扩频处理。
优选的方案中，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电源，其中12V、-5V、+5V电源通过内总线输出到射频模块，+5V电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。
优选的方案中，基带模块接收来自S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，电路上包括A/D、D/A、信号处理FPGA、程序存储器PROM、刷新控制FPGA、电平转换芯片、二次电源；
终端前向长/短PN码属于速率/倍周期的情况，前向在进行长码捕获的时候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；前向长码捕获后将码相位信息同步到返向长码中，同时用返向长码对返向遥测信息进行扩频处理；地面站接收到终端的返向遥测信息后提取码相位信息，与地面站发送的前向码相位信息联合解算给出飞行器轨道距离，从而实现在轨测距。
优选的方案中，所述射频模块与功放模块进行了一体化设计，实现了设备优异的电磁兼容性和大功耗条件下的良好散热；射频模块包括S射频接收模块与S射频发射模块，S射频接收模块与S射频发射模块都有单独的本振单元、电源处理单元，以防止信号间的串扰；射频接收模块由滤波器、低噪声放大单元、下变频单元、中频放大单元、本阵单元组成；S射频发射模块由滤波器、小信号放大单元、调制单元、分路器、本阵单元组成；功放模块由控制电路、驱动放大链路、功率放大电路构成，将射频模块送来的射频信号放大至终端所需的功率电平，送至终端；
优选的方案中，所述射频模块中，前向接收通道中第一滤波器后，采用窄带滤波器，用于抑制带外大功率干扰信号，同时第一滤波器后设计有限幅器，对落在信号带内高于-4dBm的信号进行限幅。
本发明的有益效果为：
本发明设计的抗干扰测量通信一体化天基测控终端，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、抗干扰设计，减少了设备数量，降低了系统重量、体积，极大地提升了终端的抗干扰能力，可靠性大大增强。
附图说明
图1为本发明一种抗干扰测量一体化天基测控终端的原理框图；
图2为前向捕获跟踪抗干扰模块原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，另外，在以下的实施方式中记载的各结构的形态只不过是例示，本发明并不限定于在以下的实施方式中记载的各结构，在本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式都属于本发明保护的范围。
参照图1-2，本发明抗干扰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，提供一种抗干扰测量一体化天基测控终端，其包括基带模块、射频模块、电源模块、功放模块，其中射频模块接收前向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；所述前向捕获跟踪算法中设计有抗干扰模块，该抗干扰模块采用频域限幅滤波算法；数字中频信号输入后与本地载波进行混频并进行低通滤波，得到解调信号；对解调后的信号加海明窗，并将加窗后的数据进行快速傅里叶变换，将信号转换至变换域；根据变换域能量值，通过跟门限比较进行限幅滤波，当功率值大于门限，则将其置零输出，小于门限，该值不变，此处门限值通过多次功率值加权平均求出；限幅滤波后的变换域数据做傅里叶逆变换，将其转换回时域；对转换回时域的同相、正交数据做低通滤波处理，滤波处理后的数据通过与本地载波进行混频合路，合路后的数据输出至后续进行捕获处理。
基带模块接收飞行器上各类遥测数据，在频域对干扰信号进行数字滤波，滤波后的数据转回时域进行解调、解扩，将指令或数据传送至上面级进行处理，并用与前向同步后的返向长码对返向遥测进行扩频处理。
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电源，其中12V、-5V、+5V电源通过内总线输出到射频模块，+5V电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。
基带模块接收来自S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，电路上包括A/D、D/A、信号处理FPGA、程序存储器PROM、刷新控制FPGA、电平转换芯片、二次电源。
终端前向长/短PN码属于速率/倍周期的情况，前向在进行长码捕获的时候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；前向长码捕获后将码相位信息同步到返向长码中，同时用返向长码对返向遥测信息进行扩频处理；地面站接收到终端的返向遥测信息后提取码相位信息，与地面站发送的前向码相位信息联合解算给出飞行器轨道距离，从而实现在轨测距。所述射频模块与功放模块进行了一体化设计，实现了设备优异的电磁兼容性和大功耗条件下的良好散热；射频模块包括S射频接收模块与S射频发射模块，S射频接收模块与S射频发射模块都有单独的本振单元、电源处理单元，以防止信号间的串扰；射频接收模块由滤波器、低噪声放大单元、下变频单元、中频放大单元、本阵单元组成；S射频发射模块由滤波器、小信号放大单元、调制单元、分路器、本阵单元组成；功放模块由控制电路、驱动放大链路、功率放大电路构成，将射频模块送来的射频信号放大至终端所需的功率电平，送至终端；所述射频模块中，前向接收通道中第一滤波器后，采用窄带滤波器，用于抑制带外大功率干扰信号，同时第一滤波器后设计有限幅器，对落在信号带内高于-4dBm的信号进行限幅。
本发明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：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；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；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，本发明中采取以下方式进行处理：
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。
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；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；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。
本发明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。
本发明采用功放和中继终端一体化集成设计终端具有S中继信号收、发功能，接收S中继前向遥控射频信号，经频模块对射频信号进行放大、滤波处理，有效抑制带外大功率干扰信号，同时利用限幅器对落在带内的强电平信号进行限幅。基带模块通过软件抗干扰设计，在频域对干扰信号进行数字滤波，滤波后的数据转回时域进行解调、解扩，将指令或数据传送至上面级进行处理，并用与前向同步后的返向长码对返向遥测进行扩频处理；终端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输出S中继遥测射频信号。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。终端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，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。
考虑到箭上环境复杂，多种无线设备工作，且发射功功率较大，存在干扰上面级前向接收的情况，针对可能存在干扰信号在硬件和软件上进行了针对性设计：
在天基测控终端的射频模块中，前向接收通道中第一滤波器后，采用窄带滤波器设计，有效抑制带外大功率干扰信号，同时第一滤波器后设计有限幅器，对落在信号带内高于-4dBm的信号进行限幅，防止干扰信号能量过大，导致低噪声放大单元饱和而工作异常。
在前向捕获跟踪算法中设计有抗干扰模块，该抗干扰模块采用频域限幅滤波算法。数字中频信号输入后与本地载波(载波生成)进行混频并进行低通滤波，得到解调信号；对解调后的信号加海明窗，并将加窗后的数据进行快速傅里叶变换，将信号转换至变换域；根据变换域能量值，通过跟门限比较进行限幅滤波，当功率值大于门限，则将其置零输出，小于门限，该值不变，此处门限值通过多次功率值加权平均求出；限幅滤波后的变换域数据做傅里叶逆变换，将其转换回时域；对转换回时域的同相、正交数据做低通滤波处理，滤波处理后的数据通过与本地载波进行混频合路，合路后的数据输出至后续进行捕获等处理。
本发明设计的抗干扰测量通信一体化天基测控终端，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、抗干扰设计，减少了设备数量，降低了系统重量、体积，极大地提升了终端的抗干扰能力，可靠性大大增强。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种抗干扰测量一体化天基测控终端，其特征在于，其包括基带模块、射频模块、电源模块、功放模块，其中：
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；
所述前向捕获跟踪算法中设计有抗干扰模块，该抗干扰模块采用频域限幅滤波算法；数字中频信号输入后与本地载波进行混频并进行低通滤波，得到解调信号；对解调后的信号加海明窗，并将加窗后的数据进行快速傅里叶变换，将信号转换至变换域；根据变换域能量值，通过跟门限比较进行限幅滤波，当功率值大于门限，则将其置零输出，小于门限，该值不变，此处门限值通过多次功率值加权平均求出；限幅滤波后的变换域数据做傅里叶逆变换，将其转换回时域；对转换回时域的同相、正交数据做低通滤波处理，滤波处理后的数据通过与本地载波进行混频合路，合路后的数据输出至后续进行捕获处理；
基带模块接收飞行器上各类遥测数据，在频域对干扰信号进行数字滤波，滤波后的数据转回时域进行解调、解扩，将指令或数据传送至上面级进行处理，并用与前向同步后的返向长码对返向遥测进行扩频处理。
2.根据权利要求1所述的一种抗干扰测量一体化天基测控终端，其特征在于：
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电源，其中12V、-5V、+5V电源通过内总线输出到射频模块，+5V电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。
3.根据权利要求1所述的一种抗干扰测量一体化天基测控终端，其特征在于：
基带模块接收来自S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，电路上包括A/D、D/A、信号处理FPGA、程序存储器PROM、刷新控制FPGA、电平转换芯片、二次电源；
终端前向长/短PN码属于速率/倍周期的情况，前向在进行长码捕获的时候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；前向长码捕获后将码相位信息同步到返向长码中，同时用返向长码对返向遥测信息进行扩频处理；地面站接收到终端的返向遥测信息后提取码相位信息，与地面站发送的前向码相位信息联合解算给出飞行器轨道距离，从而实现在轨测距。
4.根据权利要求1所述的一种抗干扰测量一体化天基测控终端，其特征在于：所述射频模块与功放模块进行了一体化设计，实现了设备优异的电磁兼容性和大功耗条件下的良好散热；射频模块包括S射频接收模块与S射频发射模块，S射频接收模块与S射频发射模块都有单独的本振单元、电源处理单元，以防止信号间的串扰；射频接收模块由滤波器、低噪声放大单元、下变频单元、中频放大单元、本阵单元组成；S射频发射模块由滤波器、小信号放大单元、调制单元、分路器、本阵单元组成；功放模块由控制电路、驱动放大链路、功率放大电路构成，将射频模块送来的射频信号放大至终端所需的功率电平，送至终端。
5.根据权利要求4所述的一种抗干扰测量一体化天基测控终端，其特征在于：
所述射频模块中，前向接收通道中第一滤波器后，采用窄带滤波器，用于抑制带外大功率干扰信号，同时第一滤波器后设计有限幅器，对落在信号带内高于-4dBm的信号进行限幅。
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