射频数字化在航天测控系统中的应用
发布时间：2021-09-13
摘 要：本文主要研究了射频数字化在航天测控系统中的应用。随着我国航天事业的发展，越来越多的航天发射任务和大量在轨运行的侦察、通信、测绘、导航、遥感卫星对飞行器测控系统提出了越来越高的要求，预计未来数年将加速发展，这将对测控和数据传输设备提出更高更新的要求。面临这一问题，本文主要结合当前国内外测控系统的现状，阐述了射频数字化测控系统的体系结构及工作方式，旨在通过技术应用，推动行业发展，对测控系统未来的发展具有积极意义。
关键词：测控;射频数字化;基带
1国内外测控系统现状
目前国内现有绝大部分测控站都是“烟囱”式的系统架构，如图1所示。每个测控站间无法实现资源融和共享。随着卫星数目增加，航天器的运控任务量井喷式增长，对系统资源融合需求越来越急迫，现有系统架构具有“资源壁垒”的先天劣势。
对于后端的基带资源，从20世纪90年代起，国内相关研究所纷纷开始研发多功能综合基带，目前国内的综合基带产品已经能够做到在一台标准工控机平台上，完成测控信号的中频调制、中频接收、测距、测速、遥测、遥控、中低速数传、角跟踪等功能。但是，目前基带设备的处理中频还停留在70MHz，处理带宽也仅有20MHz，对于频分的测控下行信号，还需依靠模拟信道链路分别变频到70MHz中频，再通过不同ADC通道数字化后处理。
而国外的部分测控系统已经采用了射频接口终端设备，能够通过天线、信道及基带等的重组来实现测控站资源的共享，以较低的经费完成了测控站同时对多颗卫星的测控。美国针对第三代跟踪与中继卫星系统的“天基网地面部分维护计划”(SGSS)提出了基带池的概念。该计划已于2016年底实施，主要目标是更换天基网所有的硬件和软件，保持天基网至少再工作25年。SGSS在射频直接数字化并采用“池”式结构，每颗卫星专用设备极少，用户从池中选用空闲资源，执行完任务后释放资源，降低了设备量，提高了结构灵活性和硬件利用效率，各个地面终端站可采用相同的池。可以看出，未来的测控系统具有射频宽带数字化、数字化信号的远程射频数字化在航天测控系统中的应用王罡(中国电子科技集团公司第十研究所四川省成都市610036)传输与交换以及软件化信号处理的发展趋势。
2测控系统射频数字化意义
随着航天发射任务的增多，为解决测控设备资源紧张的问题，通常采用增加测控站或增加站内设备的方式解决多星、多任务的需求问题，但这种解决方式一方面会带来测控站规模不断扩大，增加建设、运行以及维护成本，另一方面各站独立建设，不能有效地共享资源，造成资源的浪费。
目前，单套测控系统已经能够实现同时对多个目标或多路下行信号同时处理，但由于综合基带设备一般都采用70MHz中频接口，处理带宽只有20MHz，对于不同点频的下行信号，还是需要配备不同的下行信道实现下变频功能，导致测控地面站的链路配置复杂，造成资源浪费。同时，随着新型测控体制的应用，测控信号的带宽已经达到了100MHz，有必要研究测控系统射频数字化技术[1]。
在测控系统中直接对射频信号进行带通采样，采样后的信号直接进入综合基带进行解调等处理，可最大程度地通过软件实现无线电测控系统的各种功能，由于该项技术省去了频综、下变频器等模拟单元，因此，对简化测控系统硬件结构、提升系统灵活性、可靠性和可扩展性具有重要意义。相比常见的中频数字化测控系统而言，射频数字化技术除了具有中频数字化所具有的可靠性好、抗干扰能力强等优点外，还减少了射频前端的复杂性，有利于简化测控系统的设计和降低成本，并且可以大大提高系统的资源重组能力。
3射频数字化测控系统结构
3.1射频数字化测控系统组成
一般情况下，一套成熟的测控设备包括天伺馈分系统、发射分系统、高频接收分系统(含和差信道设备)、基带分系统(含跟踪接收机)、时频分系统、监控分系统、自动化测试分系统、数传传输分系统和标校分系统等[2]。射频数字化技术的目标是在S频段上直接数字化，达到简化测控系统上下行链路的复杂度、提高终端设备对不同测控体制的适应性目的。测控系统在S频段直接数字化后，信号的上下变频均在数字域完成，测控链路中不再需要配备上下变频设备，仅需保留下行低噪放和高功放，大大简化信道链路。同时，在实现S频段数字化时，系统的下行信号处理范围为2200MHz～2300MHz，可以直接覆盖S频段下行100MHz带宽，对于多点频测控任务，也仅需左旋和差以及右旋和差共四条下行链路，较原有中频数字化系统，下行链路数减为原来的一半。图2为常规S频段测控系统及射频数字化后的组成框图。
3.2信号传输方式
采用射频数字化技术后，基于测控系统可重构考虑，射频接口综合基带设备部署在统一的机房，射频信号需要直接从天线传输到机房，信号传输性能(频率特性、传输损耗、相位、时延等参数)直接决定了硬件设备资源的可共用及可重组能力。因此，需对信号传输方式及传输性能进行分析。
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光通信在我国已经有40多年的发展历史，因其所具有的传输频带宽、容量大、抗电磁干扰、不易串音、损耗低、体积小、重量轻等优点。将光纤传输技术运用于测控系统可提高整个系统的抗干扰能力、系统机动性以及减小系统数据传输的误码率，能够明显提高系统的传输容量，并且大幅度的减小其尺寸和重量，信号传输过程中的能量损耗和错误率也呈数量级的减少[3]。
结合射频直接数字化技术综合考虑，选用基于数字光纤的网络传输方案。将射频数字化功能与后端信号处理部分剥离开来，射频数字化功能作为一个独立模块置于天线中心体内，天线馈源输出信号经场放放大后直接送入射频数字化模块，在射频数字化模块中，射频ADC芯片完成信号的模数转换后，利用FPGA芯片实现信号的并串转换，送入光模块，完成电光转换后通过光纤完成远距离传输。后端信号处理设备直接采用光纤接口，接收到的光信号通过光模块转换为串行bit流，送入信号处理设备的FPGA完成信号解调。对于射频调制信号，其工作方式类似。
采用数字光纤传输方式后，可选用光纤交换网络来完成不同上下行测控链路与终端设备的任意匹配，还可扩展通过万兆网络实现射频信号的网络交换与传输。这样一来，将公共的网络传输技术用于传输测控信号从根本上改变了测控信号的传输方式，从传统的点对点交换方式转变为了基于数据包交换的形式，改变了系统连接架构。这种连接方式去掉了传统开关矩阵，采用数据“池”的概念，避免了传输过程中信号干扰问题，具有很强的扩展性(通用网络接口实现扩展)。同时简化了设备连接，仅射频连接电缆较原有系统就减少了87%，并且实现了多设备备份、重组更灵活。
4结束语
采用射频数字化后的新一代“池”式测控体系，颠覆了现有测控体现架构，天线前端信号数字化、IP网络化，构建了天线前端资源池;兼容不同类型处理终端的异构“资源池”，资源“全网”可见，可灵活调配;利用“成熟以太网技术”构建开放系统互连架构，实现各种资源灵活接入，打破了传统的矩阵式点对点交换方式，改变了系统的链接方式，具有极强的可扩展性和重组能力。测控射频数字化技术满足未来越来越复杂的测控任务对测控站资源调配重组的需求，可被应用于目前几乎所有的测控站。——论文作者：王罡
