一种微波应答机模拟器的实现方法研究

宋晓光,蔡 彪,蒋清富

(1.北京控制工程研究所,北京100190；2.北京遥感设备研究所,北京100854)

一种微波应答机模拟器的实现方法研究

宋晓光1,蔡 彪1,蒋清富2

(1.北京控制工程研究所,北京100190；2.北京遥感设备研究所,北京100854)

微波应答机是目标飞行器端配置的重要交会对接合作目标，为确保其在轨功能和性能稳定，地面测试中需配置专用的模拟器对其进行测试，介绍了一种应答机模拟器的实现方法，分析了模拟器的功能、性能要求；基于模块化的设计思想，给出了模拟器硬件、软件实现方案.最后对按照该方案设计的模拟器工作过程及测试情况进行了介绍.

微波应答机；模拟器；模块化设计

微波应答机是目标飞行器配置的重要交会对接合作目标.在交会对接的远距离导引过程中,应答机接收、锁定飞船端微波雷达的信号,并对该信号进行相干转发,配合微波雷达完成两飞行器相对距离和角度的测量.微波应答机在轨功能和性能的稳定对完成交会对接远程导引段的相对测量至关重要.

此次国内载人航天器首次使用的微波雷达和应答机为全新自主设计,其地面测试方法和设备无同类产品可借鉴.应答机模拟器是针对微波应答机地面测试需求设计的地面模拟器,用于测试微波应答机的性能.从测试的实用性和有效性考虑,应答机模拟器首先要能模拟微波雷达的主发射器和主接收端,向应答机发射经过调制的微波信号并接收、处理应答机转发的微波信号,解算出相对距离和速度信息,并对应答机性能做出评价；其次要保证一定的可靠性和对测试环境的适应性,要求简单易用,便于维护和转运.

基于上述需求分析,本文介绍了一种应答机模拟器的实现方案,该方案采用模块化的设计思想,在保证模拟器可靠性的同时降低了其软硬件实现的难度.模块化设计思想还兼顾了测试时设备展开和撤收的方便性,便于用户使用和后期维护.

1 模拟器总体设计方案

按照模块化设计思想,应答机模拟器由模拟器天线、模拟器主机、控制计算机三部分组成.模拟器天线用于匹配应答机天线,完成电磁信号的发射与接收；控制计算机用于人机交互,完成模拟器参数的设置与测试结果的输出；应答机模拟器主机是模拟器的核心部分,它可以模拟雷达向应答机输出电磁信号,并处理应答机转发的电磁信号,解算出相应的速度和距离.测试时模拟器与微波应答机的连接关系如图1所示.

图1 应答机模拟器测试连接示意图Fig.1 Connection between simulator and equipment for testmode

模拟器天线是一个可通过标准连接件固连在应答机天线上的机械腔体模块,通过同轴电缆从模拟器主机接收发往应答机的电磁信号,并将应答机转发的电磁信号通过同轴电缆送入模拟器主机.

模拟器主机通过串行接口与控制计算机连接,通过同轴电缆与模拟器天线连接,实现以下几项功能:

1)模拟不同距离和速度的微波雷达,向微波应答机发送不同功率的微波信号；

2)捕获和锁定微波应答机转发的伪码调相信号；并对接收信号进行测量,输出测量信号的距离和速度信息.

3)接收测试计算机发送的参数设置数据；

4)根据设置参数中的距离值,运用伪码延时技术模拟距离变化功能；

5)运用数字合成器原理,根据设置参数中的速度信息,生成多普勒频率,模拟雷达和应答机间的相对速度功能.

控制计算机是带有串行通信接口的工控机,用于提供人机交互界面,实现模拟参数的设置和测试结果的输出.

2 模拟器硬件设计方案

2.1 硬件基本架构方案

模拟器的硬件设计主要指模拟器主机的硬件设计,按照模块化设计思想,模拟器主机包含四个模块:模拟器频综、模拟器发射机、模拟器接收机、信号处理器.模块间的相互关系如图2所示.

图2 模拟器主机硬件组成示意图Fig.2 Hardware of simulator host

如图2所示,为便于使用,模拟器使用测试现场提供的27V直流电源,通过自身DC/DC变换模块提供内部使用的各种规格电压源；通信测试接口包括标准串行接口、仿真接口、调试接口等.

模拟器频综模块为模拟器主机的频率源,用于提供模拟器晶振源参考信号；接收发射第一本振源信号；接收第二本振源信号；发射第二本振源信号.

模拟器发射机的功能是对应答机模拟器发射信号进行上变频、放大、滤波、伪码调制和衰减控制.应答机模拟器发射通道包括1个发射通道和衰减器.

应答机模拟器接收机的功能是完成对接收信号的低噪声放大、下变频和AGC放大；它主要由固定衰减器、数控衰减器、接收滤波器和接收通道等组成.

应答机模拟器信号处理器主要完成对信号的搜索和捕获,伪码延迟锁定环路,载波锁相环路,参数测量,系统控制,系统自检,其主要功能如下:

1)完成对目标的FFT快速搜索、捕获；

2)实现对目标的稳定跟踪；

3)用伪码延迟锁定环路锁定伪码测距；用载波锁相环路锁定载波测速；

4)完成对系统的控制；

5)完成对信息处理器的自检；

6)完成对测距、测速的仿真.

应答机模拟器信号处理器由中频输入信号调理电路、A/D转换电路、D/A转换及放大滤波电路、FPGA信号处理电路、DSP数据处理电路、功能配置电路、时钟整形驱动电路、复位管理电路、对外接口电路及其电源转换电路等组成,如图3所示.

图3 应答机模拟器信号处理器的组成框图Fig.3 Block diagram of signal processing module of simulator

2.2 关键硬件模块实现方案

2.2.1 伪码距离模拟电路

伪码距离模拟电路在65.536MHz工作时钟的控制下,利用码NCO的原理产生延时伪码输出,通过实时更新码NCO的相位来进行伪码距离的模拟.伪码距离模拟电路的实现框图如图4所示.

伪码距离模拟电路一方面利用本地产生的标称码速率(7.719MHz)对应的频率字进行累加；另一方面,接收DSP根据模型参数解算出的模拟初始码相位和码多普勒转换系数来实时更新输出调制伪码的码相位,以进行伪码距离的模拟.

2.2.2 载波多普勒频移模拟电路

载波多普勒频移模拟电路需接收DSP根据模型参数解算得到的载波多普勒频率转换系数,采用数控振荡器(NCO)原理,通过实时更新NCO的频率字,以实现载波多普勒频移模拟.

对于雷达而言,射频载波输出频率为800F1.但对于应答机模拟器而言,不仅要实现输出的载频为800F1,还要实现双程多普勒频率的模拟,因而应答机模拟器射频输出的频率为800F1+fdca-dual,应答机模拟器信号处理器中频输出频率为F1+fdca-dual.因而,多普勒频移模拟电路的框图如图5所示.

图4 伪码距离模拟电路Fig.4 Analog circuit for pseudo-range

图5 多普勒频移模拟电路Fig.5 Analo circuit for doppler shift

其中,1600Vr/c是DSP根据模型参数解算得到的多普勒转换系数,每40ms更新一次.Ktr是中频发射信号对应的频率字.

3 模拟器软件设计方案

模拟器的软件设计包含控制计算机软件设计和模拟器主机的软件设计.

控制计算机软件用于实现设置参数的读取、测试结果的输出和串口通信,在实现时可以选用LabVIEW等图形化编程软件实现,该软件基于模块化设计,便于操作和升级维护.

模拟器主机端的软件相对较复杂,包含FPGA软件和DSP软件,其中,FPGA软件用于实现伪码距离的模拟、载波多普勒频移模拟、预测接收信号伪码相位和多普勒频率、稳定跟踪伪码相位等功能；DSP软件用于实现模型参数到FPGA模拟所需参数的转换、距离误差修正、配合FPGA完成设备校准等.下面进行详细介绍.

3.1 FPGA程序设计

FPGA信号处理电路主要用来实现以下功能:

1)产生带有信道传输特征的伪码调制信号,实现伪码距离模拟；

2)产生带有信道传输特征的叠加多普勒信息的中频发射数字信号,输出至D/A单元,实现载波多普勒频移模拟；

3)伪码和载波的快速捕获；

4)伪码相位的稳定跟踪、载波多普勒频移的稳定跟踪；

5)实现对发射通道的衰减控制和接收通道的衰减控制；

6)实现控制计算机与DSP之间的数据转换；7)接收控制计算机的校准命令字,对距离模拟进行校准.

根据上述功能设计,FPGA的主程序框图如图6所示.

图6 FPGA主程序框图Fig.6 FPGA software diagram

FPGA信号处理电路按功能可划分成以下几个模块:距离模拟模块、载波多普勒频率模拟、捕获模块、跟踪模块、参数设置接口模块、参数返回接口模块、数据接口模块、时钟管理模块、衰减控制接口模块.

距离模拟模块:伪码距离模拟电路一方面利用本地产生的标称码速率对应的频率字进行累加；另一方面,接收DSP根据模型参数解算出的模拟初始码相位和码多普勒转换系数来实时更新输出调制伪码的码相位,以实现伪码距离的模拟.

载波多普勒频率模拟:载波多普勒频率模拟电路需接受DSP根据模型参数解算得到的载波多普勒频率转换系数,采用数控振荡器(NCO)原理,通过实时更新NCO的频率字.

捕获模块:对数字中频信号进行载波剥离,采用FFT方法实现相关并对相关运算的结果进行检测判决,实现对接收信号伪码相位和多普勒频率的预测.

跟踪模块:实现对伪码相位、载波多普勒频率的稳定跟踪.伪码延迟锁定环路在FFT快捕电路给出的码相位预测值的基础上,对伪码相位进行精确跟踪.载波锁相环路利用FFT快捕电路预测的多普勒频移值,对相关通道的下变频载波NCO进行频率预置(标称频率值 +多普勒频率的预测值),从而使载波锁相环路快速进入锁定和跟踪状态.

参数设置接口模块:接收控制计算机给应答机模拟器设置的模型参数.

参数返回接口模块:接收控制计算机发送的定时采样命令字,将实时的模拟数据传至控制计算机.

数据接口模块:与DSP数据处理电路的EMIF接口进行通讯.当DSP数据处理电路接收到FPGA给出的中断控制信号后,由DSP作为主控方,完成对FPGA内部数据的读写控制.

衰减控制接口模块:接收外部控制数据,对接收机及发射机进行衰减控制.

时钟管理模块:完成对FPGA信号处理单元内部时钟的统一管理,其中包括利用DCM实现分频、倍频等处理等等.

3.2 DSP程序设计

模拟器信号处理器数据处理电路可由 32位DSP芯片实现,DSP软件完成的主要功能包括以下几方面:

1)DSP将模型参数转换为模拟需要的参数并传回至FPGA,以进行距离模拟和速度模拟；

2)实现距离误差的修正；

3)当DSP检测到FPGA的采样命令时,主动读取FPGA当前的模拟量,并将其转换为当前的模型参数,传回至FPGA.读取FPGA根据基准1K采样得到的伪码整数码片、小数码片及载波相位差,并将其转换为距离测量值和速度测量值,传回至FPGA；

4)当接收到FPGA的校准命令后,将距离测量结果扣除距离初值.

数据处理电路(DSP电路)的软件主程序流程图如图7所示.

图7 主程序流程图Fig.7 Flow chart ofmain function for DSP

初始化程序中,主要完成外部管脚初始化、PLL时钟配置、中断屏蔽字、外部中断等.

模拟参数转换处理程序读取模型参数,将模型参数转换为模拟参数,将该参数写入FPGA,用于调制模拟的微波雷达信号；

数据采集处理程序首先读取当前的模拟参数并转换为模型参数,然后读取FPGA根据基准采样频率得到的伪码整数码片、小数码片及载波相位差,根据读取的数据计算出距离测量值和速度测量值,最后将结果写入FPGA.

4 模拟器工作过程及测试情况介绍

根据本文介绍的模块化设计思想,在应答机的地面测试中,设计并生产了一种应答机模拟器,该模拟器包括一台模拟器主机、一台模拟器天线及一台控制计算机,在实际测试中获得了成功的应用.下面对其工作过程及测试情况进行说明.

4.1 模拟器工作过程说明

模拟器加电后二次电源启动并按上电次序给出各路供电电源,模拟器信号处理器进入加电工作状态.FPGA先进行上电加载,加载成功后将加载成功标志传至DSP；与此同时,DSP数据处理电路也在复位管理电路的控制下进行上电加载操作,加载成功后控制FPGA进行软件复位.当模拟器信号处理器上电加载成功后,接收控制计算机发送的自检命令,将模拟器信号处理器自检及状态信息通过参数设置接口返回给控制计算机.

自检结束后,模拟器信号处理器接收控制计算机通过参数返回接口给出的校准命令,由 DSP控制模拟器距离模拟电路,进行零距离模拟,经应答机相干转发后,由模拟器信号处理器捕获、跟踪单元的实时码相位输出结果及发射码相位计算对应零距离模拟的码相位差值,并转换成距离量同时进行记录.在正常闭环模拟时,当模拟器接收到应答机相干转发信号后,在进行距离测量时,由DSP对距离测量值按零距离模拟时对应的距离量进行修正,得到实际距离测量结果,经参数返回接口至控制计算机.

正常模拟时,首先由模拟器产生交会对接微波雷达带有信道传输特征的伪码调制信号及含有载波多普勒频率的中频模拟信号,经射频调制后,发射至应答机；同时接收应答机的相干转发信号,经下变频后,输出模拟中频信号,经A/D转换后变为数字中频采样信号,FFT快捕电路对此采样信号进行载波加多普勒的频率预测和伪码的相位预测.采用频域搜索的方法,在FFT快捕电路的输出超过给定门限时,就给出载波多普勒预测值和码相位预测值.

在载波频率和码相位预测工作结束后,即进入载波跟踪和伪码跟踪状态.以FFT快捕电路给出的载波多普勒预测值为基准,接收通道信号处理电路的载波NCO对数字中频信号进行载波剥离(下变频)；以FFT快捕电路给出的码相位预测值为基准,接收通道信号处理电路的再生伪码发生器(码NCO)分别产生超前、即时和滞后伪码序列,对载波剥离后的数字中频信号进行解扩.即时伪码通路的积分清除器输出的I、Q两路结果用于载波跟踪,完成载波频率跟踪锁定的任务；超前、即时和滞后通路的积分清除器的I、Q输出结果用于码跟踪,完成伪码跟踪锁定的任务.载波跟踪环路利用环路滤波器输出的误差信号不断调整载波NCO,保持载波跟踪锁定状态；伪码跟踪环路利用环路滤波器输出的误差信号不断调整码NCO,保持伪码跟踪锁定状态.载波跟踪环路和伪码跟踪环路在环路锁定后给出各自的锁定标志.

当接收到控制计算机的参数后,伪码距离模拟电路、载波多普勒频移模拟电路开始工作；只有捕获跟踪标志给出后,才可返回有效测量值.伪码距离模拟电路一方面利用本地产生的标称码速率对应的频率字进行累加；另一方面,接收DSP根据模型参数解算出的模拟初始码相位和码多普勒转换系数来实时更新输出调制伪码的码相位,以进行伪码距离的模拟.载波多普勒频率模拟电路需接收DSP根据模型参数解算得到的载波多普勒频率转换系数,采用数控振荡器(NCO)原理,通过实时更新NCO的频率字,以实现载波多普勒频移模拟.

在上述过程中,应答机模拟器信号处理器还要接收控制计算机发送的采样命令字,定时将当前的模拟量输出至控制计算机.

4.2 模拟器测试情况介绍

在实际的应答机地面测试中,根据测试需求,主要利用该模拟器进行了应答机的静态性能、动态性能及接收灵敏度的测试.静态性能测试是利用模拟器模拟飞船的正负向最大速度、最近、最远距离,考察应答机的静态性能；动态性能测试是利用提前设定的典型交会对接过程数据,模拟动态的接近与撤离过程,考察应答机在此过程中对信号跟踪的稳定性.灵敏度测试是模拟应答机设计响应的最小阈值信号,考察应答机接收小信号的灵敏度.

实际测试结果表明,采用了模块化设计思想设计的应答机模拟器无论是在桌面联试还是整器测试过程中,均能方便、快速地实现与器上信号的连接,稳定地进行测试；且模块化设计思想保证了模拟器的可扩展性,在测试过程中根据需要为模拟器增加了自动判读模块,使其可以自动对测试结果进行判读并给出结论,降低了测试强度.

该模拟器对在地面测试过程中评价微波应答机性能起到了重要作用.

5 结 论

针对微波应答机地面测试需求,本文提出了一种基于模块化设计思想的模拟器设计方案,并对模拟器的软硬件设计进行了介绍.最后对依据模块化设计思想设计的模拟器的工作过程和测试使用情况进行了介绍,实际测试表明,该模拟器结构简单,使用方便,性能稳定,对在地面测试过程中评价微波应答机性能起到了重要作用.

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A Design M ethod Study of Simulator for M icrowave Responding Equipment Test

SONG Xiaoguang1,CAIBiao1,JIANG Qingfu2
(1.Beijing Institute of Control Engineering,Beijing 100190,China；2.Beijing Institute of Remote Sensing Equipent,Beijing 100854,China)

The microwave responder is one of the important cooperative targets for spacecraft rendezvous and docking.To insure that the equipment has a good performance in-orbit,a special simulator is needed in the spacecraft test before it is sent to orbit.A design of the simulator is introduced in this paper,and the corresponding function and performance requirments are analyzed.Based on the modularized design, a hardware and software design method is provided in this paper.Finally,the operating process and the test performance of the designed simulator are introduced.

microwave responder；simulator；modularized design

V249

A

1674-1579(2012)01-0046-06

10.3969/j.issn.1674-1579.2012.01.008

宋晓光(1982-),男,工程师,研究方向为航天器控制系统总体设计与测试技术；蔡 彪(1980-),男,高级工程师,研究方向为航天器导航制导与控制；蒋清富(1978-),男,高级工程师,研究方向为无线电技术应用。

2011-04-09