輕小型無輔助星載北斗短報(bào)文通信機(jī)應(yīng)用及工程實(shí)現(xiàn)研究

紀(jì)春國

中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院 上海 200000

引言

星載北斗短報(bào)文通信機(jī)是面向衛(wèi)星應(yīng)用，利用北斗短報(bào)文系統(tǒng)的雙向通道，形成全球信息傳輸?shù)碾p向鏈路，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳、控制信息動(dòng)態(tài)上注等功能，使衛(wèi)星具備超視距監(jiān)測(cè)與控制能力[1]。

1 星載北斗短報(bào)文通信機(jī)設(shè)計(jì)要求

1.1 星載北斗短報(bào)文通信機(jī)功能要求

星載北斗短報(bào)文通信機(jī)功能要求主要是以下幾個(gè)方面：

1.1.1 短報(bào)文雙向通信功能，利用北斗短報(bào)文服務(wù)，將觀測(cè)數(shù)據(jù)以短報(bào)文的形式，將數(shù)據(jù)回傳至境內(nèi)地面站；同時(shí)境內(nèi)地面站也可將業(yè)務(wù)控制信息，通過北斗衛(wèi)星發(fā)送給星載北斗短報(bào)文終端，形成信息傳輸?shù)碾p向鏈路。

1.1.2 與衛(wèi)星平臺(tái)的交互功能，包括短報(bào)文業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和工程測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的交互。

1.2 星載北斗短報(bào)文通信機(jī)工作原理

1.2.1 星載北斗短報(bào)文系統(tǒng)組成。利用北斗衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球RDSS報(bào)文收發(fā)功能，由短報(bào)文通信機(jī)（A、B機(jī)冷備）、固放微波網(wǎng)絡(luò)天線[2]及電纜組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1.2.2 北斗短報(bào)文發(fā)送信號(hào)流。北斗短報(bào)文通信機(jī)通過FPGA將星務(wù)分系統(tǒng)要發(fā)送的數(shù)據(jù)封裝成短報(bào)文幀，然后送給AD9361,由其進(jìn)行上變頻為射頻信號(hào)[3]，射頻信號(hào)經(jīng)過合路和功分后可在固放微波網(wǎng)絡(luò)的固態(tài)功放A或者固態(tài)功放B中放大成強(qiáng)信號(hào)，強(qiáng)信號(hào)通過大功率開關(guān)、腔體濾波器后，發(fā)送至短報(bào)文發(fā)射天線。

1.2.3 北斗短報(bào)文接收信號(hào)流。接收天線接收北斗衛(wèi)星信號(hào)后經(jīng)過微波網(wǎng)絡(luò)功分成兩路，分別發(fā)送至短報(bào)文主備單機(jī)，兩路射頻信號(hào)經(jīng)過各自的低噪聲放大器放大后，輸入到AD9361芯片，在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)下變頻、濾波、放大并數(shù)字采樣后完成捕獲、跟蹤及數(shù)據(jù)解調(diào)，并將譯碼后的數(shù)據(jù)發(fā)往星務(wù)分系統(tǒng)。

2 星載北斗短報(bào)文通信機(jī)硬件方案

天線接收后經(jīng)低噪放及功分器后，分別進(jìn)入主備AD9361模塊，在每個(gè)AD9361模塊內(nèi)均進(jìn)行雙通道熱備份處理，原理框圖如圖2所示。

圖2 北斗短報(bào)文通信機(jī)硬件總體技術(shù)方案圖

2.1 北斗短報(bào)文天線組成及功能

北斗短報(bào)文天線包含接收天線和發(fā)射天線，發(fā)射天線的主要功能是將短報(bào)文通信機(jī)輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成圓極化空間波輻射出去，接收天線的主要功能是接收來自北斗衛(wèi)星信號(hào)。

2.2 北斗短報(bào)文固放微波網(wǎng)絡(luò)組成及功能

固放微波網(wǎng)絡(luò)單機(jī)模塊組成如下：

2.2.1 固態(tài)功放模塊A/B。主要功能是將射頻小信號(hào)放大為高功率信號(hào)。

2.2.2 腔體濾波器功能。主要功能是抑制射頻信號(hào)帶外輻射。

2.2.3 功分器。主要功能是將輸入射頻信號(hào)功分至兩路發(fā)射天線。

2.2.4 大功率開關(guān)。主要功能是通過切換開關(guān)選擇輸出信號(hào)來源。

2.3 北斗短報(bào)文通信機(jī)AD9361模塊

2.3.1 AD9361模塊硬件組成。AD9361模塊主要由AD9361，A54SX72A、XC7A100T組成。選用AD9361進(jìn)行下變頻、放大、AGC、數(shù)字化。XC7A100T實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理，完成兩熱備通道信號(hào)的捕獲跟蹤，解調(diào)出數(shù)據(jù)碼流，同時(shí)完成發(fā)射信號(hào)的組幀、擴(kuò)頻等。AD9361模塊硬件原理框圖如圖3所示：

圖3 AD9361模塊硬件原理框圖

2.3.2 高集成度低功耗AD9361射頻收發(fā)器簡(jiǎn)介。AD9361外形尺寸10mm×10mm，高集成度、高性能，具備可編程能力的射頻收發(fā)器，功耗在1W左右。該器件包含射頻和數(shù)字部分，射頻部分完成濾波及下變頻至零頻，基帶部分完成零頻信號(hào)的數(shù)字采樣。支持頻率從70 MHz至6.0 GHz可編程，帶寬200 kHz至56 MHz。具備全雙工兩收兩發(fā)通道，每個(gè)通道均具備下變頻、上變頻、AD采樣、DA變換、濾波、放大等功能。并且每個(gè)接收通道都具有獨(dú)立的AGC功能。每個(gè)通道包含兩個(gè)12bits的AD，將直接變頻后的I、Q信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化采樣，結(jié)果生成12bits信號(hào)輸出。

2.3.3 低功耗XC7A100T及AD9361的抗空間單粒子設(shè)計(jì)。用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的芯片XC7A100T[4]屬于SRAM型FPGA，該芯片對(duì)單粒子敏感，為了提高該FPGA在惡劣空間環(huán)境下的可靠性，避免單粒子打翻芯片內(nèi)的邏輯或觸發(fā)器等資源而使FPGA工作異常，從而導(dǎo)致功能或性能中斷，采用對(duì)單粒子免疫的反熔絲型FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)XC7A100T進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載、周期刷新，同時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)AD9361配置和監(jiān)控，保證SRAM型FPGA和AD9361的穩(wěn)定可靠工作。反熔絲型FPGA選用A54SX72A芯片，該芯片等效邏輯門數(shù)可達(dá)7萬門，對(duì)單粒子免疫。

2.4 北斗短報(bào)文通信機(jī)接口設(shè)計(jì)

2.4.1 北斗短報(bào)文通信機(jī)供電接口。星務(wù)分系統(tǒng)為短報(bào)文通信機(jī)提供二次次電源[5]，原理框圖如圖4所示。

圖4 供電原理框圖

2.4.2 北斗短報(bào)文通信機(jī)CAN總線接口。短報(bào)文通信機(jī)與星務(wù)分系統(tǒng)之間接口為CAN總線，采用A、B總線方式，用于遙測(cè)遙控收發(fā)。CAN總線接口通信速率500kbps，通信接口采用SJA1000和82C250，具有雙冗余的總線接口，如下圖5所示。

圖5 CAN總線接口電路圖

2.4.3 北斗短報(bào)文通信機(jī)RS422接口。北斗短報(bào)文通信機(jī)和星務(wù)分系統(tǒng)的業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)交互由RS422異步通信串行接口完成，差分式雙工傳輸，每對(duì)差分信號(hào)選用雙絞線實(shí)現(xiàn)信息傳輸。信號(hào)波特率115200bps，接口電路圖如圖6所示。

圖6 RS422接口原理圖

3 北斗短報(bào)文通信機(jī)無輔助捕獲跟蹤軟件方案設(shè)計(jì)

3.1 北斗短報(bào)文通信機(jī)無輔助捕獲模塊設(shè)計(jì)

3.1.1 北斗短報(bào)文通信機(jī)捕獲設(shè)計(jì)指標(biāo)分析如下所述。

3.1.1.1 由于需要1s內(nèi)實(shí)現(xiàn)至少10顆北斗衛(wèi)星信號(hào)的快速捕獲，則每一路信號(hào)捕獲的時(shí)間必須小于100ms。

3.1.1.2 多普勒搜索范圍：指標(biāo)要求≥±40kHz，但考慮到頻率穩(wěn)定度的影響，多普勒范圍應(yīng)至少增加±1.2kHz，設(shè)計(jì)指標(biāo)±45kHz。

3.1.1.3 靈敏度要求-130dBm，設(shè)計(jì)靈敏度-132dBm。

3.1.2 北斗短報(bào)文通信機(jī)無輔助捕獲算法設(shè)計(jì)[6]。考慮的PN碼碼長(zhǎng)加長(zhǎng)，捕獲方案設(shè)計(jì)上采用并行碼相位的方法結(jié)合載波并行搜索，算法原理是利用FFT的方法快速計(jì)算循環(huán)相關(guān)，其中相關(guān)的計(jì)算主要基于循環(huán)卷積定理，其原理可以用下式表示：

3.2 北斗短報(bào)文通信機(jī)跟蹤模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 北斗短報(bào)文通信機(jī)跟蹤部分組成。跟蹤部分主要包括本地載波/偽碼生成模塊、DLL模塊、PLL模塊、FLL模塊、信噪比計(jì)算與鎖定檢測(cè)模塊。

3.2.2 北斗短報(bào)文通信機(jī)跟蹤部分工作流程。跟蹤部分以捕獲單元提供的碼周期零相位脈沖信號(hào)為啟動(dòng)信號(hào)，二階鎖頻環(huán)輔助三階鎖相環(huán)完成對(duì)捕獲頻率剩余頻差的補(bǔ)償，之后進(jìn)入三階鎖相環(huán)獨(dú)立工作狀態(tài)，三階碼環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)碼相位的持續(xù)跟蹤。

3.2.3 北斗短報(bào)文通信機(jī)跟蹤部分設(shè)計(jì)輸出。捕獲頻率初始頻差不超過300Hz，輸入信號(hào)載噪比為38dB/Hz，I/Q路數(shù)據(jù)符號(hào)率為1000sps。

3.2.4 北斗短報(bào)文通信機(jī)跟蹤部分設(shè)計(jì)思路。

3.2.4.1 載波環(huán)跟蹤設(shè)計(jì)。考慮到捕獲初始頻差為300Hz，初始跟蹤階段計(jì)劃采用以下流程：①使用寬帶鎖頻環(huán)，設(shè)置工作時(shí)間0.1s；②待寬帶鎖頻環(huán)初步同步后，將鎖頻環(huán)環(huán)路帶寬變窄，設(shè)置工作時(shí)間0.2s以進(jìn)一步減小跟蹤頻差；③待窄帶鎖頻環(huán)初步同步后啟動(dòng)二階寬帶鎖相環(huán)，設(shè)置工作時(shí)間0.1s；④FPLL穩(wěn)定后，關(guān)閉鎖頻環(huán)，并將二階鎖相環(huán)切換為寬帶三階鎖相環(huán)，設(shè)置工作時(shí)間0.1s；⑤待三階鎖相環(huán)初步穩(wěn)定后將三階鎖相環(huán)環(huán)路帶寬進(jìn)一步減??；⑥一旦判定環(huán)路失鎖，馬上回到步驟a，并按步驟依次向后執(zhí)行，1s內(nèi)如果環(huán)路仍未鎖定，則通知捕獲模塊環(huán)路失鎖。

3.2.4.2 碼環(huán)跟蹤設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的快速初始捕獲，采用與頻率補(bǔ)償類似的變帶寬策略。

①首先采用寬帶二階碼環(huán)以快速實(shí)現(xiàn)碼相位初捕以減小積分損耗，設(shè)置工作時(shí)間為0.2s；②之后過渡到三階寬帶碼環(huán)，設(shè)置工作時(shí)間為0.3s；③一定時(shí)間后切換為三階窄帶碼環(huán)；④一旦碼環(huán)失鎖，通知捕獲模塊環(huán)路失鎖。

3.2.4.3 載噪比測(cè)定與信號(hào)鎖定檢測(cè)。分別統(tǒng)計(jì)經(jīng)過低通濾波的I/Q支路信號(hào)功率，環(huán)路鎖定后，認(rèn)為信號(hào)能量全部分布于I支路，Q支路只體現(xiàn)噪聲特性，那么I支路功率減去Q支路功率即為信號(hào)功率。可以采用輸出信號(hào)載噪比來判定環(huán)路鎖定情況。

3.2.4.4 跟蹤部分輸入輸出信號(hào)。①跟蹤啟動(dòng)脈沖（1位，持續(xù)1個(gè)時(shí)鐘周期）。②捕獲初始頻率（32位）。③衛(wèi)星PRN號(hào)（5位）。④帶寬配置信號(hào)（5位）。

3.2.4.5 跟蹤部分的輸出信號(hào)。①DLL與PLL鎖定檢測(cè)指示（DLL和PLL各1位）。②解調(diào)信號(hào)信噪比（8位，符號(hào)位1位，整數(shù)5位，小數(shù)2位）。③載波相位與碼相位（32位）。④解調(diào)符號(hào)（I/Q路各1位）。

3.2.4.6 跟蹤部分整體架構(gòu)。載波與偽碼生成模塊收集DLL與PLL計(jì)算得到的頻差與相差信號(hào)，用于本地載波與偽碼的生成，并完成I/Q正交支路各E、P、L支路的相干累加。

DLL模塊用于計(jì)算本地碼與輸入信號(hào)碼相位差的相位差并進(jìn)行三階環(huán)路濾波。FLL模塊用于快速補(bǔ)償捕獲初始頻差，引導(dǎo)三階鎖相環(huán)完成對(duì)輸入信號(hào)的跟蹤。PLL模塊用于穩(wěn)定跟蹤輸入信號(hào)的載波信息，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解調(diào)[7]，跟蹤環(huán)路如圖7所示。

圖7 跟蹤環(huán)路整體架構(gòu)

假設(shè)輸入信號(hào)為：

經(jīng)過正交解調(diào)后（忽略掉高頻部分）信號(hào)為：

當(dāng)環(huán)路積分時(shí)間不超過1ms時(shí)，可以保證積分過程不發(fā)生數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)，從而保證足夠的積分增益，剝離偽碼后積分結(jié)果可以表示為：

以上六路信號(hào)分別為DLL、PLL、FLL提供鑒相信號(hào)，E、P、L三路信號(hào)的相位差各為半個(gè)碼片。

4 輕小型無輔助北斗短報(bào)文通信機(jī)工程實(shí)施結(jié)果

通過方案軟硬件設(shè)計(jì)及工程實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的小型化、低功耗，產(chǎn)品實(shí)物圖如圖8所示，產(chǎn)品體積重量功耗如表1所示。

圖8 產(chǎn)品實(shí)物圖

表1 產(chǎn)品體積重量功耗表

5 結(jié)束語

綜上所述，本文論述了輕小型化無輔助星載北斗短報(bào)文通信機(jī)的設(shè)計(jì)方案，方案設(shè)計(jì)合理可行，并進(jìn)行了工程實(shí)施，能滿足航天器低功耗、小型化、輕量化需求，可廣泛應(yīng)用于航天產(chǎn)品。