基于软件无线电技术的通用卫星模拟器设计

金华松，鲁新龙，邱冬冬

（中国卫星海上测控部 江苏 江阴 214431）

基于软件无线电技术的通用卫星模拟器设计

金华松，鲁新龙，邱冬冬

（中国卫星海上测控部 江苏 江阴 214431）

航天测控站配备的传统的卫星模拟器功能单一，通用性差，已经不能满足目前卫星发展的多种测控体制、多种卫星平台的实际需求。为满足这一需求，研究了一种基于软件无线电技术的通用卫星模拟器，在70 MHz中频上进行数字化处理，实现了多体制、多星共用的功能。该卫星模拟器具有体积小、精度高、稳定性好、操作维护简单的特点。

通用；卫星模拟器；软件无线电；DSP；FPGA

卫星模拟器作为验证航天测控站检查地面设备技术状态正确性、匹配性和培训操作人员的重要设备，在航天测控领域有着重要的作用。传统的卫星模拟器一般采用与卫星正样类似的器件实现，是专用的模拟器，不同型号卫星任务的所配备不同型号的模拟器而这些模拟器在该型号的卫星任务完成后，其使命也就基本完成。随着我国航天事业的快速发展，降低卫星发射成本成为趋势，传统的一星一模拟器的设计思路已渐渐不能适应这样的趋势，因此研制适应不同型号的卫星任务需求，实现卫星模拟器通用化成为迫切需要解决的问题。现代数字信号处理技术和现代微电子技术的发展，使得卫星模拟器实现通用化成为可能[1-3]。

本文介绍了一种基于软件无线电体系结构的可重构通用卫星模拟器，该模拟器在70 MHz中频上直接进行数字化处理，并通过加载不同的配置文件对DSP和FPGA进行配置，从而加载相应的信号处理算法，实现对不同型号卫星的技术状态模拟。

1 系统需求

根据航天测控体制的现状和未来发展趋势，对通用卫星模拟器的工作模式有如下要求：统一载波测控体制。根据转发模式不同，可分为非相干FM/PM体制和相干PM/PM体制；根据卫星遥控指令格式，要求卫星模拟器能够解调FSK、PSK/FM、PM格式的指令；根据卫星遥测格式，要求卫星模拟器能够进行PSK、QPSK/PM调制[4-6]。

此外，要求通用卫星模拟器具备70 MHz标准接口，可以与射频（S频段、C频段）上、下变频器、应答机连接构成射频通用卫星模拟器；具备视频接口，便于同遥测/遥控终端直接连接。

2 组成与工作原理

可重构通用卫星模拟器主要完成70 MHz上行信号的解调转发、遥控副载波的解调和同步检测、遥控指令码上报、70 MHz下行信号的调制输出等工作，其体系结构包括硬件平台和支持软件两部分，如图1所示。

硬件平台采用DSP＋FPGA的软件无线电体系结构，由两块基于工业控制计算机总线的上、下行信号处理电路板和工业控制计算机构成；软件平台主要由直接与设备硬件通信的底层驱动程序、模拟器功能进行封装后的功能模块库、与用户交互的模拟器应用程序构成。

3 系统平台设计

3.1 通用卫星模拟器硬件平台设计

硬件平台采用DSP＋FPGA的软件无线电体系结构，DSP主要完成复杂的数学运算、频谱分析和环路参数控制，而FPGA主要完成各类滤波、数字域的变频算法。由上行信号处理板和下行信号处理板两块电路板构成。

图1 通用卫星模拟器系统结构图Fig. 1 System structure diagram of universal satellite simulator

图2 上行信号处理板原理框图Fig. 2 Functional diagram of uplink signal processing board

1）上行信号处理板

上行信号处理板主要对来自地面设备的上行遥控、测距信号的载波信号进行解调处理，主要包括中频解调模块、遥控副载波解调模块和测距处理模块。解调采用通用的正交解调模型，原理框图如图2所示。

对于FM/PM体制，上行载波信号在经过高速A/D采样后，两路正交信号经过滤波抽取后，进入鉴频器鉴频和窄带数字滤波后，提取出载波多普勒变化，控制NCO（数控振荡器）改变本振频率，完成载波闭环。载波环路锁定后，两路正交信号经过鉴频及宽带滤波，解调出多路副载波信号，其中一路经过带通滤波后，解调出测距音信号送往下行调制模块进行测距转发，另一路则解调出遥控副载波送往遥控副载波解调模块解调出遥控指令码。

对于PM/PM体制，解调基本原理与FM/PM体制类似，只是鉴频器模块换成鉴相器模块，相干解调的相干载波由数字COSTAS（科斯塔斯）环辅以快速FFT（快速傅立叶变换）频谱分析获得。具体设计中，应考虑增加防错锁措施以保证提取的载波频率的真实有效。

视频遥控副载波经过低速A/D采样后，直接送往遥控副载波解调模块解调出遥控指令码。

2）下行信号处理板

下行信号处理板主要产生包含了遥测信息、测距信息的下行PM调制信号，主要包括中频调制模块、测距转发模块和遥测处理模块。原理框图如图3所示。

由计算机仿真的编码遥测数据在经过编码遥测数据变换后形成符合IRIG帧格式的遥测数据，经过码型变换后进行PSK/QPSK调制，形成编码遥测数字副载波，送往调制选择开关；同样的，来自计算机仿真的卫星姿态脉冲信息，经过脉冲发送控制器产生启动信号控制脉宽发生器产生相应宽度的脉冲，经过FSK调制器产生模拟遥测数字副载波，送往调制选择开关；来自上行信号处理板解调出的测距音经过测距音转发模块后同样送往调制选择开关。由调制选择开关控制相应的副载波是否进行加调。70 MHz数字载波信号由DDS产生，通过改变载波的相位使之随输入调制信号幅度按照预置的调制指数线性比例变化，从而实现PM调制，之后经过高速D/A后，得到70 MHz中频输出。

3.2 通用卫星模拟器软件平台设计

图3 下行信号处理板原理框图Fig. 3 Functional diagram of downlink signal processing board

通用卫星模拟器软件主要完成硬件设备的初始化、参数设置、状态监视、本地仿真、远程仿真、遥控指令上报、服务等功能。设计采用模块化的设计思想，以模块组合的方式将通用卫星模拟器的相关设备组合在一起，既保证了各个功能相互独立，又使它们之间的相互联系可靠而快速。

图4 卫星模拟器软件总体框架Fig. 4 Overall framework of satellite simulator software

软件设计采用单进程设计方法，在软件内部以功能重构接口、命令传递接口、信息元管理接口为基础，形成在单进程环境下多种不同功能、性能的服务相安共存的软件开发模式。软件的相关功能均由独立的动态链接库文件（DLL）实现，软件的总体框架如图4所示。采用这种开发模式有如下优点：

1）体系灵活，功能可变。在一个应用中，多种不同功能的功能集合均由独立的DLL来实现，并通过统一的重构接口与主程序动态连接，使得软件的规模可大可小，功能可变。

2）功能扩展和升级简单。由于采用了动态链接方式在集成应用运行时重构实际运行环境，因此可以方便地将新的功能模块或模块集合挂接到集成应用中。这对于系统日后扩展、功能和性能的修改十分有利。

3）启动重构，实现了主控程序与服务模块分离。在每一次软件运行的开始对FPGA和DSP、卫星模拟器应用软件的整体功能和性能进行重新构造，实现了在主控程序不变的情况下，系统功能和性能的变化。例如，当通用卫星模拟器中的某一个功能不需要启动或部分启动时，可通过配置（仅仅是配置，不需要对程序进行修改或删除）将其全部或部分地禁止，而不会影响到系统其他部分的正常工作和性能。

4 结束语

文中介绍的基于软件无线电体系结构的可重构通用卫星模拟器，较好的解决了卫星模拟器的小型化、通用化问题，目前已应用到国内测控站中。该模拟器具备70 MHz标准中频接口，可方便地与某一频段（S频段、C频段）的上、下变频器、应答机连接，构成射频通用卫星模拟器；该模拟器在70 MHz上直接进行数字化处理，克服了传统卫星模拟器由于采用模拟器件带来的固有的时漂、温漂等缺点，具有精度高、稳定性好等优点；此外，该模拟器由于采用了基于DSP＋FPGA的软件无线电体系结构，可以通过修改配置文件和应用软件实现功能升级，实现扩频测控体制卫星模拟器。

随着数字处理技术的发展和现代微电子技术水平的提高，可重构通用卫星模拟器也将集成更多的功能，更好的对卫星技术状态进行模拟。

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WANG Shao-shan.Design ang implementation of a generic satellite TT&C simulator[J]. Journal of Spacecraft TT&C Technology,2006,25(1):20-25.

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WEI Xin-rong,WANG Wan-bin.A sort of satellite TTC multisystem simulator [J].Spacecraft Engineering,2007,16(4):103-107.

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[6] 吴振宇,熊晓将,宋秋静.基于面向对象的卫星模拟器设计方法[J].飞行器测控学报,2008,27(2):13-16.

WU Zhen-yu,XIONG Xiao-jiang,SONG Qiu-jing.Objectoriented design of satellite simulators[J].Journal of Spacecraft TT&C Technology,2008,27(2):13-16.

Design of a universal satellite simulator based on software radio

JIN Hua-song, LU Xin-long, QIU Dong-dong
（China Satellite Maritime Tracking and Controlling Department, Jiangyin 214431,China）

As the conventional satellite simulator has simple function and bad universalness，it can not adapt the needs of multi-TT&C system and multi-satellite platform.In order to solve the problem，a new satellite simulator based on software radio theory is designed that adopted the 70MHz IF digitized approach to suit the needs.This satellite simulator has the advantages of small size，high precision，well stability and easy use.

universal; satellite simulator; software radio; DSP; FPGA

TN707

A

1674-6236(2014)03-0117-03

2013–06–12 稿件编号：201306073

金华松(1980—)，男，浙江上虞人，工程师。研究方向：航天测控。