卫星信道模拟器的设计

陈晓峰,孟景涛

(1.西安电子科技大学,陕西西安710071;2.中国电子科技集团第五十四研究所,河北石家庄050081;)

0 引言

卫星信道模拟器通过对中频信号进行处理,完成空间信道传输时延、空间信道衰减、射频多普勒频率以及信号与信噪比的模拟。其功能的实现与其输入的具体信号体制无关,可以适用于各种中频信号的处理。并且利用其与应答机设备的组合,可以在没有卫星的条件,模拟卫星的运行轨道和运行方式,从而来验证地面测控系统的综合基带设备在低轨卫星、中高轨卫星、探月和深空探测条件下的测距、测速数据正确与否,进而确保上述方面的地面测控系统指标的验证。

1 系统设计

卫星信道模拟器承担的主要任务是:卫星信道模拟器可装载理论卫星弹道数据或给定的曲线,从而对目标距离、时延、多普勒、电平信号和空间白噪声进行模拟,以验证测控设备的测距、测速数据正确与否。依据卫星信道模拟器承担的主要任务,从其功能上划分为3部分:①轨道根数方式。输入接收站的站址坐标、轨道根数及时间初值,根据轨道根数模拟出目标的距离、速度、加速度和信号的幅度变化;②设定曲线方式。输入目标最近距离、最远距离、速度、加速度值、距离初值及时间初值,根据三角波理论或正弦波理论曲线,模拟出目标各个时刻的距离及幅度;③单独控制方式。对信号的各个动态进行单独控制,上下行信号的功率衰减、多普勒频率、距离、噪声和功率衰减;

要完成卫星信道模拟器所承担的任务,卫星信道模拟器包括硬件和软件两部分。其中,硬件部分由一台CPCI(紧凑型PCI)工业控制计算机、自研制板卡构成;软件部分由系统监控软件、FPGA(现场可编程门阵列)数据处理软件和DSP(数字信号处理)数据处理软件组成。

卫星信道模拟器的硬件部分由中频采样部分、采样数据存储和回放部分、时钟控制部分、中频输出控制部分组成,软件部分由板内监控通信控制部分和计算机监控部分组成如图1所示。

图1 卫星动态信道模拟器设计模型

1.1 硬件设计

中频采样部分:采用高速A/D(模数转换)采样芯片,将中频模拟信号转换为数字信号;

采样数据存储和回放部分:依据模拟卫星轨道与地面接收站的距离远近,分为两部分:①中低轨模式:使用FPGA内提供的双端口RAM(随机存取存贮器)或FIFO(先进先出存取存贮器)实现数字信号的存储和回放;②高轨、探月及深空模式:使用FPGA内的双端口RAM或FIFO作为数据缓存,通过DMA(直接内存存取)模式使用PCI数据总线,直接访问计算机内存实现数字信号的存储和回放。依据RAM的大小来决定初始距离的范围;

时钟控制部分:控制采样数据存储和回放部分的读写时钟,通过改变读写时钟的速率,来实现对卫星速度的模拟;

中频输出控制部分:采用高速上变频器芯片,将加入时延的数字信号恢复发送出去,同时利用芯片的幅度控制实现空间电离层信号衰减的模拟。利用DDS的BPSK(二相移相键控)模式输出的中频信号来模拟白噪声。

硬件控制过程如下:①上电初始化完成后,开始数据采样;②依据监控下达的命令,从规定时刻起开始存储数据;③依据监控下达的命令,从规定时刻起开始回放数据,加入多普勒频率和幅度控制;④依据监控下达命令,结束存储和回放数据流程。

1.2 软件设计

板内监控通信控制部分:接收计算机下发的命令,依据下发命令的参数,生成模拟的卫星轨道和运行方式,模拟卫星轨道的运行;

计算机监控部分:将在界面接收的命令参数,通过PCI总线下发到自研板卡的监控通信控制部分,并显示模拟数据的图形。

软件控制过程如下:①系统初始化,完成计算机内自研板的上电自检和程序加载,同时建立与计算机的通信;②依据系统传来的外时码,将计算机和自研板的时码进行同步;③通过卫星信道模拟器的显示控制界面,选择所要模拟的轨道模式,中低轨模式或高轨、探月深空模式;④确定轨道模式后,选择所要模拟的功能模拟方式,轨道根数方式、设定曲线方式和单独控制方式;⑤接收界面设定参数;⑥依据界面设定参数,生成模拟出的卫星轨道和运行方式;⑦模拟运行拟合出的卫星轨道和运行方式;⑧轨道模拟运行结束。卫星信道模拟器的软件控制流程如图2所示。

图2 卫星信道模拟器软件控制流程

2 关键技术

2.1 卫星轨道模拟

卫星运动的轨道是通过地心平面上的椭圆,且椭圆的一个焦点与地心相重合。卫星的轨道可有六个基本参数(又称轨道根数)来完全描述和确定:

①长半轴α:轨道椭圆长轴之半,它确定了卫星轨道的周期;②倾角i:轨道平面与地球赤道平面之间的夹角,常以地心至北极方向和轨道平面正法向之间的夹角来度量,i=900;③轨道偏心率e:轨道椭圆两焦点之间的距离与长轴的比值,其大小在0～1之间,e=0为圆轨道;④升交点赤经Ω:春分点与升交点对地心的张角,在赤道面内度量;⑤近地点幅度 ω:升交点与近地点对地心的张角,在轨道面内度量;⑥过近地点时刻tP:卫星经过近地点的时刻。

上述6个基本参数中,α和e决定卫星轨道的大小和形状,i和Ω决定卫星轨道平面在空间的位置,ω决定椭圆在轨道面上的方位,tP决定卫星在轨道上的时间关系。

在已给定6个轨道参数的情况下,可以拟合出卫星运行的轨道,从而确定任意时刻t的卫星位置及其运动速度。

2.2 空间电离层模拟

2.2.1 空间电离层延迟模拟

电离层传播延迟对地面测量设备对卫星位置的确定(包括卫星到测站距离和卫星的速度)是有影响的,如果对卫星运行精确模拟,就必须对其进行补偿。而空间延时带来的初始距离的模拟依靠于数据的采样时钟的频率,Rq=c/fs,式中Rq为距离量化精度;c为光速(299792458m/s);fs为中频采样部分的采样时钟频率。

确定带通采样频率fs的一般结论为:

式中,fC为信号的中心频率;B为信号带宽;n=为带通信号的最高频率。

根据系统的要求选择适当的采样时钟频率,有助于提高目标与接收站之间初始距离模拟的精度。

2.2.2 空间电离层信号衰减模拟

无线电波在空间传播随着距离的延长,信号强度会越来越弱,信号频率和传输距离是决定信号强度衰减的2个因素。

输入接收机的功率可以表示为:

上式右边被分成了三项,分别与发射机、接收机及自由空间距离有关。GR是接收天线的全向功率增益;EIRP是发射天线的有效全向辐射功率;Lr=(4πR/λ)2是电波的自由空间损耗,它与传播距离R的平方成正比,与波长λ的平方成反比。

以dB表示的自由空间损耗值[FSL]为:

式中,R为传输距离(km);f为传输频率GHz。

通过输出信号的幅度变化,来模拟根据目标与接收站之间距离远近所达到不同的衰减在信号上的表现。

2.3 多普勒频率偏移的模拟

当发射机与接收机相对运动而彼此接近时,接收机所收到的信号频率fR将高于发射信号频率fT;而当彼此远离时,接收信号频率fR将低于发射信号频率fT。这种由于相对运动而使接收频率不同于发射频率的现象,称为“多普勒效应”。

多普勒频率fd为接收频率与发射频率之差,即

式中,v为卫星的径向速度;c为光速;fT为发射信号频率;径向速度v的极性约定为:当目标(发射机)与接收机彼此靠近时,v的极性为负,而彼此远离时,v的极性为正。

设地面发射站发射信号频率为f1=Mf0,f0是频标源输出频率,M为倍频数。考虑到多普勒频率,星载应答机接收频率为:

式中,vT是发射站与飞行器间的径向速度。由于vT/c≤1,故应答机接收频率f2与f1相差很小,若直接将f2再转发到地面,则会引起应答机接收信号和发射信号相互间的干扰,为此,一般将f2乘上一个转发系数N/M,即

将f3作为应答机的转发频率。地面接收站的信号频率为:

接收站接收信号的多普勒频率为:

因为vT◦vr＜＜c2,故上式可简化为:

当发射站和接收站设在一起时,上式又可进一步简化:

2.4 高速数据采集传输

由于卫星信道模拟器的模拟的初始距离范围很宽,当初始距离很大时,经A/D采样后得出的中频数字信号存储会占据很大的存储空间,由于大容量的存储芯片难以获得而且价格昂贵。从而选择使用直接内存存取(DMA)的方式。采用DMA方式可以把A/D转换数据直接写入系统内存,不需要CPU的参与。特别适合应用于大量数据的高速采集存储传输。DMA有两种类型:系统DMA和总线主控DMA。总线主控DMA通常用在PCI设备中。DMA方式工作有以下几个步骤:①硬件初始化;②分配内存;③确定中断事件类型;④开始DMA模式数据传输。

3 性能测试结果分析

性能测试结果如表1和表2所示。其中距离的精度测量结果,为静态测试结果。

表1 信号频率、幅度、功率测试表

表2 距离、速度测试表

对测试结果分析后可以得出结论,卫星信道模拟器的性能测试结果,能够满足地面测控系统指标的验证的要求,可以作为地面测控系统的测试设备,尤其对综合基带设备的测速和测距的测量精度能够提供可靠保障。

4 系统应用模型

在探月工程中,探月飞行器与测量站之间的距离远,飞行时间长,传输时延大。探月飞行器的飞行距离为350 000～400 000 km之间,传输时延为τ=2R/c(τ为星地时延,R为飞行器与地面的径向距离,c为光速)。

考虑上述因素,在距离较大情况下,为体现出时延对系统测速和测距的影响,要求距离初值的存储量较大,从而采用PCI总线高速接口总线主控DMA方式直接对内存进行读写。

设中频信号为fIF=70MHz、带宽为B=4MHz,考虑PCI总线高速接口的限制,选取中频采样时钟的频率为ClkSAMP=11.2 MHz、A/D采样位数为12位,PCI总线高速接口数据吞吐速率为256Mbps。

在探月工程中,以卫星信道模拟器和中频标校终端设备以及应答机信道设备联合工作,如图3所示。将地面测控系统的综合基带设备测量数据的记录结果和卫星模拟器设备模拟数据的记录结果进行比较,从而验证地面测控系统的综合基带测距、测速数据的正确与否,测量精度是否符合系统指标。

图3 中频信号信道模拟器逻辑组成示意图

5 结束语

卫星信道模拟器的设计原理以及信号的模拟要求,详细阐述了卫星信道模拟器进行模拟实际卫星信道的硬件和软件设计方法和关键技术,以及如何提高设备的设计精度。通过测试数据说明了卫星信道模拟器能够满足对地面测控设备的系统指标验证。最后结合工程应用模型,表明卫星信道模拟器能够对地面测控设备的系统指标验证起到良好的支持作用和可靠保障。

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