軟件無線電技術(shù)在航天測控應(yīng)答機(jī)中的應(yīng)用

金駿 孫晨 王文偉 江勇

【摘要】 測控應(yīng)答機(jī)是航天器測控通信分系統(tǒng)的核心組成部分，配合地面測控網(wǎng)完成對航天器的測距測速，以及傳輸遙控、遙測等信息的任務(wù)。各類航天器測控通信分系統(tǒng)所采用的測控應(yīng)答機(jī)，其工作頻率、工作帶寬、碼速率、調(diào)制體制、編碼體制和測距體制各不相同。采用軟件無線電技術(shù)，利用軟件可重配置、可重編程以及多頻帶多模式的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)測控應(yīng)答機(jī)的通用化和小型化。本文介紹了軟件無線電技術(shù)在測控應(yīng)答機(jī)中的應(yīng)用方法及研究進(jìn)展，介紹了軟件無線電應(yīng)答機(jī)的抗輻照設(shè)計(jì)，最后介紹了自主無線電技術(shù)在未來深空探測應(yīng)答機(jī)中的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】 測控應(yīng)答機(jī) 軟件無線電 測控通信 自主無線電Application of Software Radio Technology in Aerospace TT&C; Transponder

Jin Jun， Sun Chen， Wang Wenwei， Jiang Yong

Abstract： TT&C; transponder is core part of spacecraft C&T; subsystem and it can finish the tasks of measuring range & velocity of a spacecraft， transmitting telecommand & telemetry information， etc. in cooperation with ground TT&C; network. TT&C; transponders in different spacecraft C&T; subsystems have various operating frequency， operating bandwidth， bit rate， modulation system， coding system and ranging system. Universalization and miniaturization of TT&C; transponders can be realized by taking advantage of software reconfiguration， reprogramming and multi-band multi-mode characteristics of software defined radio （SDR） technology. This article introduced application methods and research progress of SDR technology in TT&C; transponders. Radiation resistant design of SDR TT&C; transponders is also described. Finally the article introduced the application prospect of autonomous radio technology in future deep space TT&C; transponders.

Key Words： TT&C; transponder， software defined radio， C&T;， autonomous radio

一、引言

測控應(yīng)答機(jī)是航天器（衛(wèi)星、飛船、探測器）測控通信（C&T;）分系統(tǒng)的核心組成部分，是航天器與地面站之間進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)的主要通道之一，配合地面測控網(wǎng)完成對航天器的測控（TT&C;）任務(wù)。測控應(yīng)答機(jī)的主要功能如下：

1、對來自地面站的測距和測速信號進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，完成地面對航天器的跟蹤及軌道測量；

2、接收來自地面站的遙控信息；

3、將航天器上的各類遙測數(shù)據(jù)發(fā)送至地面站。

各類航天器測控通信分系統(tǒng)所采用的測控應(yīng)答機(jī)，其工作頻率、工作帶寬、碼速率、調(diào)制體制、編碼體制和測距體制各不相同。就工作頻率而言，主要有S波段、C波段、X波段、 Ka波段四種；就調(diào)制體制而言，分PM/PM體制、FM/PM體制、擴(kuò)頻體制等；就編碼體制而言，有PCM、PPM、ADPCM、PACM等；就測距體制而言，分純側(cè)音測距、偽碼測距和音碼混合測距等。由于各類測控通信系統(tǒng)之間體制標(biāo)準(zhǔn)各異，因此相對應(yīng)的測控應(yīng)答機(jī)設(shè)備也無法通用。針對不同的測控通信系統(tǒng)，需要分別研制不同的應(yīng)答機(jī)，或者在同一臺應(yīng)答機(jī)上集成不同的功能，這樣無疑在成本和時(shí)間進(jìn)度上加重了研制負(fù)擔(dān)，也增加了設(shè)備的復(fù)雜性。

軟件無線電技術(shù)是本世紀(jì)初發(fā)展起來的通信領(lǐng)域的重大技術(shù)突破。采用軟件無線電技術(shù)，利用軟件可重配置、可重編程以及多頻帶多模式的特點(diǎn)，使多個軟件模塊在同一個硬件平臺上實(shí)現(xiàn)不同的標(biāo)準(zhǔn)，同一臺測控應(yīng)答機(jī)就可以兼容兩種甚至多種測控通信體制，實(shí)現(xiàn)測控應(yīng)答機(jī)的通用化，從而降低開發(fā)成本，縮短研制周期，也更容易保障產(chǎn)品的質(zhì)量。另外，軟件無線電技術(shù)還能簡化測控應(yīng)答機(jī)的硬件電路，實(shí)現(xiàn)小型化。

二、測控應(yīng)答機(jī)的基本工作原理

一種傳統(tǒng)測控應(yīng)答機(jī)的原理框圖如圖21所示。該應(yīng)答機(jī)由鎖相接收機(jī)和相干發(fā)射機(jī)兩部分組成。鎖相接收機(jī)包括低噪聲放大器（LNA）、混頻器（Mixer）、自動增益控制（AGC）、倍頻電路、載波跟蹤環(huán)和相干解調(diào)電路等部分。接收機(jī)接收的上行射頻信號，經(jīng)過下變頻和自動增益控制后輸出中頻信號。中頻信號分為兩路，其中一路進(jìn)入載波跟蹤環(huán)，另一路進(jìn)入相干解調(diào)電路。

載波跟蹤環(huán)包括鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）、壓控晶振（VCXO）和分頻器，用于對上行載波進(jìn)行鎖定、跟蹤。載波跟蹤環(huán)輸出的信號分別用作接收本振、發(fā)射本振和相干解調(diào)器（Demodulator）的基準(zhǔn)信號。相干解調(diào)器輸出信號經(jīng)濾波后分別為測距信號和遙控BPSK信號。其中測距信號還要送往發(fā)射機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

相干發(fā)射機(jī)包括倍頻電路、調(diào)相器（PM）、功率放大器（PA）等。測距信號和遙測DPSK信號相加后直接調(diào)相在發(fā)射本振上，經(jīng)功放放大后下行輸出。

三、軟件無線電應(yīng)答機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法

3.1軟件無線電應(yīng)答機(jī)的射頻接收前端

測控應(yīng)答機(jī)的射頻接收前端電路包括低噪聲放大器、混頻器、自動增益控制等部分。軟件無線電應(yīng)答機(jī)對射頻前端的要求是通用性好。由于軟件無線電應(yīng)答機(jī)往往是多信道多模式同時(shí)工作，因此射頻帶寬要足夠?qū)挘芨采w不同的頻點(diǎn)或體制。

圖2為一種能兼容統(tǒng)一載波純側(cè)音測距和偽碼測距兩種測控體制的軟件無線電應(yīng)答機(jī)接收前端，可同時(shí)接收處理純側(cè)音測距的PM信號和偽碼測距的BPSK信號。該接收機(jī)采用了一個I/Q解調(diào)器來處理中頻信號。當(dāng)上行信號為PM信號時(shí)，由I/Q解調(diào)器中的一路（Q路）進(jìn)行載波提取，后續(xù)載波跟蹤環(huán)的環(huán)路濾波器在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)；而當(dāng)上行信號為BPSK信號時(shí)，I/Q解調(diào)器輸出I路信號和Q路信號，送入科斯塔斯環(huán)中進(jìn)行載波恢復(fù)，其乘法器和環(huán)路濾波器均在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)。對于兩種測控體制，該射頻接收前端做到了完全通用。數(shù)字部分則可通過裝載不同的軟件來實(shí)現(xiàn)不同的功能，充分體現(xiàn)了軟件無線電的靈活性。

3.2數(shù)字下變頻（DDC）技術(shù)

數(shù)字下變頻（DDC）技術(shù)也經(jīng)常用于多模式測控應(yīng)答機(jī)中。數(shù)字下變頻模塊由數(shù)字混頻器、數(shù)控振蕩器（NCO）和低通濾波器構(gòu)成。占有較寬頻帶的兩個或多個射頻信號作為一個整體下變頻到接近基帶的位置，A/D轉(zhuǎn)換后，NCO與數(shù)字混頻器實(shí)現(xiàn)正交下變頻，在基帶I、Q采用數(shù)字低通濾波器來實(shí)現(xiàn)不同測控信號的選擇。與模擬下變頻相比，數(shù)字下變頻不存在混頻器雜散、本振相噪等技術(shù)難題，且具有通過軟件進(jìn)行控制修改等優(yōu)點(diǎn)。

文獻(xiàn)[1]介紹了一種既能滿足統(tǒng)一S波段（USB）測控要求，又能滿足跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）要求的雙模應(yīng)答機(jī)。該應(yīng)答機(jī)同時(shí)接收寬帶擴(kuò)頻信號和窄帶調(diào)相信號，對兩種信號統(tǒng)一以1/fs進(jìn)行采樣。數(shù)字下變頻之后，采用窄帶濾波器提取載波的方式對兩種模式進(jìn)行識別，并對兩種信號采用不同的處理算法。

3.3數(shù)字調(diào)制發(fā)射機(jī)

傳統(tǒng)的PM/PM體制測控應(yīng)答機(jī)，下行調(diào)相通常采用射頻直接調(diào)相法。在軟件無線電應(yīng)答機(jī)中，可采用DDS實(shí)現(xiàn)中頻數(shù)字調(diào)相。在DDS的相位累加器與相位-幅度ROM之間加上一個相位加法器即可實(shí)現(xiàn)PM調(diào)相（圖3）。通過改變相位字，可使DDS的輸出信號產(chǎn)生所需要的相移。DDS調(diào)相有更高的溫度穩(wěn)定性和抗干擾能力，但難點(diǎn)在于調(diào)制度的控制時(shí)序生成[2]。

文獻(xiàn)[3]介紹了一種全數(shù)字調(diào)制的發(fā)射機(jī)，利用NCO和CORDIC算法（坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算方法）實(shí)現(xiàn)多種碼速率、帶寬和調(diào)制方式的調(diào)制信號，占用硬件資源小，可在一塊FPGA上實(shí)現(xiàn)NRZ/BPSK/PM、SP-L/PM、QPSK三種調(diào)制方式的VHDL代碼。CORDIC算法可以只利用移位、相加等簡單的邏輯操作便可以產(chǎn)生正弦信號，結(jié)構(gòu)靈活簡單，還能得到較高的調(diào)制精度（圖4）。

3.4數(shù)字載波跟蹤環(huán)

測控應(yīng)答機(jī)中的載波鎖定、跟蹤環(huán)路可采用低中頻數(shù)字采樣方案，整個過程在數(shù)字域中完成（圖5）。中頻信號帶通采樣，經(jīng)過正交下變頻和低通濾波后，在信號處理模塊中選出所需要的載波信號頻率特征，控制NCO的輸出頻率，從而完成FFT載波捕獲和載波跟蹤。采用FFT頻率引導(dǎo)方式只需一次引導(dǎo)就可捕獲較大頻偏并跟蹤一定的頻率變化率，相比自然牽引方式捕獲速度更快，可在較寬的多普勒頻偏范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)應(yīng)答機(jī)的迅速鎖定。信號處理模塊還要控制DDS的輸出頻率，輸出相干載波用于后續(xù)的轉(zhuǎn)發(fā)和調(diào)制解調(diào)。對于采用了數(shù)字載波跟蹤環(huán)的測控應(yīng)答機(jī)來說，由于多普勒頻偏不會引起轉(zhuǎn)發(fā)相位誤差，因此可以大幅減小測距漂移誤差，實(shí)現(xiàn)高精度測速測距[4]。

3.5軟件無線電應(yīng)答機(jī)的抗輻照設(shè)計(jì)

軟件無線電應(yīng)答機(jī)通常采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）作為硬件實(shí)現(xiàn)平臺。FPGA具有可編程、高集成度、高速和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。但由于測控應(yīng)答機(jī)工作于太空環(huán)境，宇宙射線和高能粒子會對應(yīng)答機(jī)的正常運(yùn)行產(chǎn)生一定的威脅?；贔PGA等邏輯器件的軟件無線電應(yīng)答機(jī)對于單粒子效應(yīng)尤為敏感[5]，因此針對FPGA的抗輻照設(shè)計(jì)應(yīng)十分重視。

具有航天成功應(yīng)用經(jīng)歷的FPGA主要有兩類，一類為一次性編程的反熔絲型FPGA，另一類為可重編程的SRAM型FPGA。相比較而言，SRAM型的FPGA雖然在邏輯門資源、動態(tài)重構(gòu)等方面優(yōu)勢明顯，但其對單粒子效應(yīng)尤其是單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）的敏感使其在宇航領(lǐng)域的應(yīng)用受限，而反熔絲型的FPGA則對單粒子效應(yīng)免疫。

為充分利用兩種類型FPGA各自的優(yōu)勢，通常采取用反熔絲型FPGA和反熔絲型PROM對SRAM型FPGA進(jìn)行監(jiān)控的方法。基帶處理過程由SRAM型FPGA負(fù)責(zé)，但在設(shè)備運(yùn)行過程中，反熔絲型FPGA定時(shí)讀取SRAM型FPGA中的數(shù)據(jù)并與反熔絲型PROM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，若發(fā)現(xiàn)存在異常則進(jìn)行重配置。采用這種方法，就可以兼顧邏輯門資源的充分利用和抗輻照可靠性的實(shí)現(xiàn)。

3.6用于深空探測的自主無線電技術(shù)

2004年，美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）提出的深空自主無線電（Deep Space Autonomous Radio， DSAR）技術(shù)可以認(rèn)為是未來深空探測應(yīng)答機(jī)中軟件無線電技術(shù)的一個發(fā)展方向。該技術(shù)能利用人工智能、現(xiàn)代信號處理等前沿科技，在未知無線電環(huán)境下，僅通過觀測信號，就能自動識別無線電信號在碼速率、協(xié)議和調(diào)制類型等方面的區(qū)別，從而對軟件進(jìn)行重新配置，實(shí)現(xiàn)各種無線電數(shù)據(jù)的接收和處理。自主無線電技術(shù)無需從地面獲取信號特性，便可自動軟件重配從而與不同的探測器進(jìn)行通信。

另一方面，自主無線電克服了深空測控通信的盲目性，使深空探測器處理突發(fā)事件的能力加強(qiáng)，從而適應(yīng)各種未知的空間環(huán)境。比如，深空探測器在某外星球下降和著陸的過程中，將產(chǎn)生非常劇烈而不確定的多普勒變化和通信鏈路信噪比惡化。

采用了自主無線電技術(shù)的測控應(yīng)答機(jī)，能夠?qū)碜赃b遠(yuǎn)地球的無線電信號進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，快速重配鏈路參數(shù)，從而以近乎最佳的方法處理劇烈的多普勒變化和信噪比變化，確保信號收發(fā)的有效性和可靠性[6]。

四、結(jié)論

測控應(yīng)答機(jī)作為宇航應(yīng)用設(shè)備，工作環(huán)境十分惡劣，因此對質(zhì)量可靠性的要求極為嚴(yán)格。采用軟件無線電技術(shù)，可以把不同測控通信體制的應(yīng)答機(jī)統(tǒng)一到一個標(biāo)準(zhǔn)化的通用硬件平臺，更容易實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制。另外，基于軟件無線電的測控應(yīng)答機(jī)在性能參數(shù)上受環(huán)境溫度、工作時(shí)長、供電質(zhì)量等因素影響較小，性能一致性較好，易于實(shí)現(xiàn)測控應(yīng)答機(jī)的批量生產(chǎn)。軟件無線電技術(shù)必將成為未來測控應(yīng)答機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在航天測控通信領(lǐng)域引發(fā)新的革命，深刻地改變?nèi)祟愄剿饔钪娴姆绞健?/p>

參 考 文 獻(xiàn)

[1]莫乾坤，何晨.星載數(shù)字化TDRSS/USB雙模應(yīng)答機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn).無線通信技術(shù)，2008，3，55-58

[2] A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis. Analog Device Inc.， 1999

[3]姜建文，張朝杰，金小軍，金仲和.基于CORDIC算法的微小衛(wèi)星發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23（1），57-61

[4]L. Simone， D. Gelfusa， S. Cocchi. A Novel Digital Platform for Deep Space Transponders. IEEE Aerospace Conference Proceedings， 2004， 1432-1445

[5] Microsemi. FPGA Reliability and the Sunspot Cycle. Microsemi Corporation， September 2011

[6]李海濤，馮貴年，朱智勇.深空測控應(yīng)答機(jī)技術(shù).清華大學(xué)出版社，2014