基于二代中继系统的通用化SMA测控终端的设计*

王国东，冯 伟，郝占炯，高 磊，张 洁

（上海航天电子技术研究所，上海 201109）

0 引 言

2008年4月至2016年11月，我国陆续成功发射了天链一号01星、02星、03星以及04星，其中01星、02星和03星三星组网，使我国成了成为世界上第二个拥有准全球覆盖能力地球静止轨道（Geosynchronous Orbit，GEO）中继卫星系统的国家[1]。04星的成功发射，大大提升了中继卫星系统的可靠性和稳定性。为了适应新形势下对中继卫星更长的使用寿命、更高的传输速率、更多的服务目标以及更广的覆盖范围的需求，2019年3月31日，我国成功发射了天链二号01星，它是我国第二代地球同步轨道数据中继卫星的首颗星。

二代中继卫星采用了相控阵天线的设计，具备了执行多址任务的功能。本文提出了一种通用化S波段多址（S-Band Multiple Address，SMA）测控终端的设计，可用于中低轨道的用户星与二代中继卫星的测控。

1 概 述

通用化SMA测控终端基于二代中继系统（China Tracking and Date Relay Satellite System，CTDRSS）的测控体制，由中频处理模块、射频收发模块、功放模块、双工器、以及二次电源模块组成共同组成，如图1所示。通用化SMA测控终端主要功能有：（1）前向链路中，中继星向用户星发送经伪码调制的遥控信号，天线接收前向信号，经双工器，传输至射频收发模块下变频后，由中频处理模块解调、解扩、解卷积，输出遥控PCM数据送至卫星的管理控制单元；（2）返向链路中，中频处理模块接收来自管理控制单元的遥测PCM信号，进行卷积编码、扩频调制，再经射频收发模块BPSK调制、上变频后，由功放模块进行放大、双工器滤波后通过天线向中继星发送。

图1 通用化SMA测控终端的组成框图

本文着重介绍了基于二代中继系统的测控体制及指标要求，分析了无线链路的计算方法，阐述了通用化SMA测控终端的设计方案以及关键技术。实际使用终端时，用户星的轨道高度不同，会导致终端对中继接收G/T值及对中继发射有效全向辐射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP）值发生变化，需配置终端中各模块的指标以满足各种应用场景。

2 终端的主要设计要求

通用化SMA测控终端，集接收、发射功能于一体，运用无线通信技术，实现用户星与二代中继星间的遥控、遥测通信链路的建立、保持的测控功能。表1为主要设计指标。

表1 终端的主要技术指标

3 无线链路分析

用户星所应用的轨道不一致，因此在方案设计阶段就应计算出接收及发射通道的链路余量，从而保证终端的设计满足实际使用的需求。

3.1 中继接收通道的G/T值计算

卫星接收系统品质因数G/T（dB/K）按式（1）计算[3]：

其中，Gr为终端的天线接收增益（dB），Lr为接收馈线损耗（dB），是接收天线输出到射频收发模块接收入口之间的两根射频电缆的插损和，Te为射频收发模块接收入口的等效噪声温度（dBK），按式（2）计算：

其中，TaR、TLR、TNR分别为天线接收噪声、馈线损耗、接收机噪声系数在射频收发模块接收入口的等效噪声温度值（K），Ta为天线接收入口噪声温度值（K），Tc为馈线环境温度值（K），Nf为射频收发模块的接收机噪声系数（dB）。

由式（1）、式（2）可知，当接收通道的G/T值余量不足时，可以通过改善如下技术指标：增大天线接收增益，降低射频电缆插损以及降低射频收发模块的接收噪声系数。

3.2 中继发射通道

卫星发射等效全向辐射功率EIRP（dBW）按公式（3）计算[2]：

其中，Pt为功放的输出功率（dBW），Ltn为发射天线的网络损耗（dB），具体为功放模块输出到天线的射频电缆的插损，以及双工器发射的插损的累加值，Gt为天线发射增益（dB）。

由式（3）可知，当发射通道的EIRP值余量不足时，可以通过改善如下技术指标：增大功放模块发射功率，降低射频电缆和双工器的插损以及增加天线的发射增益。

4 终端的方案设计

4.1 中频处理模块的设计

中频处理模块的主要功能包括AD转换、DA转换、监控刷新、快速捕获以及通道信号处理等功能，具体设计如图2所示。SRAM型现场可编程门阵 列（Field－ Programmable Gate Array，FPGA）实现前向信号的解调解扩、解卷积，返向信号的卷积编码、扩频调制的功能。反熔丝FPGA从外置PROM读取配置信息，写入到SRAM型FPGA内部配置存储器，实现对SRAM型FPGA的实时刷新，从而纠正SRAM型FPGA内部发生的单粒子翻转，是SRAM型FPGA抗单粒子翻转的有效措施[4]。

图2 中频处理模块原理框图

SRAM型FPGA的主要算法功能包括：（1）接收经过A/D采样的中频数字信号，完成对前向遥控通道的信号捕获；在实现捕获的基础上，计算信号的信噪比，并实时监测前向信号的跟踪锁定状态；（2）对前向遥控信号进行载波跟踪与锁定、伪码跟踪与锁定、载波剥离、码剥离、数据位跟踪和锁定。载波环、码环、位同步环同时工作，提取数据位同步脉冲，完成数据解调，输出解调数据、遥控伪随机（Pseudo-Noise，PN）码锁定指示；（3）接收遥测信号，卷积编码后进行伪码调制并输出。算法模块包含了快捕模块、通道信号处理模块、主控模块、卷积编译码模块及时钟时序产生模块等，模块划分如图3所示。

图3 SRAM型FPGA算法模块划分

本模块采用快捕方式实现伪码和载波的捕获。与其它捕获方法相比，该方法有更短的平均捕获时间，适合在对捕获时间要求比较严格的环境下使用[5]。对遥控通道，需要在所有频点上进行信号搜索及检测，判断是否有信号存在。若没有信号存在，则频率步进，重新进行检测；若检测出有信号存在，就把捕获的码相位预测值、多普勒频率预测值和捕获状态置入对应的通道处理电路。遥控信号的快捕过程需要考虑到遥控信号数据率较高并且与伪码速率不相关。快捕电路在实现捕获的基础上，还将实时监测通道处理电路的频率跟踪锁定状态。若发现某一跟踪通道未实现频率锁定，则读取相应跟踪通道的频率预测值重新进行频率搜索。

通道信号处理模块完成一路遥控信号通道处理，其主要功能包括：对遥控信号进行载波剥离、码剥离、载波跟踪与锁定、伪码跟踪与锁定、数据位跟踪和锁定，载波环、码环、位同步环同时工作；提取数据位同步脉冲，完成数据解调，并将解调数据连同位同步脉冲、遥控PN码锁定指示一起传给管理控制单元。

主控模块接收星上输入的遥测信息，扩频后输出给发射机。同时，主控电路以基准时钟为参考，产生系统时钟提供给快捕模块和通道信号处理模块。

卷积编译码模块对扩频前后的信息流分别进行编码译码。卷积码是20实际50年代提出的一种非分组码[6]，本文设计中采用的（2，1，7）卷积编码方式广泛应用于无线通信，具有较好的编码增益，能够使终端前向通道误码率满足低于10-6指标。（2，1，7）的标准卷积编码具体参数为：

连接向量：G1=1111001；

G2=1011011；

符号翻转：G2输出路径。

图4 基本卷积编码的编码过程

4.2 射频收发模块的设计

射频收发模块采用了射频系统级封装（System In a Package，SIP）集成化设计技术，提高了模块化、集成化设计的效果，达到减重设计的目的。射频收发模块采用一次变频方案，射频接收支路采用超外差变频设计，由低噪声放大器、滤波器、S波段下变频器、中频滤波器和中频自动增益控制（Automatic Gain Control，AGC）放大器等标准的集成电路模块组成。射频发射支路由发射调整模块、滤波器和功放模块等标准的集成电路模块组成。本振参考信号f0由中频处理模块产生，锁相频率合成器对本振参考信号进行倍频，产生接收支路和发射支路的本振频率。射频收发模块的频率流程图如图5所示。

图5 射频收发模块频率流程

4.3 功放模块的设计

功放模块负责对发射信号进行放大，并抑制带外杂波。其主要是由功放链路、控制与检测电路、电源转换电路组成，详见图6。功放模块的输入为，功率-5～+2 dBm的微波信号，通过微波放大链路放大，最后经隔离器输出。除驱动级和末级功放管外，其余放大电路均工作在线性区，保证信号有良好的线性度，驱动级和末级功放管工作在AB类，保证信号在有较好线性度情况下，功放管具有较高的转换效率。为适应输入功率的变化，加入有电调衰减器和驱动放大组成的自动增益控制电路，使输入功率在7 dB的变换范围内输出功率稳定的微波信号。输出端接隔离器提高功放抗失配能力，有效保护功放器件。耦合检波电路将耦合所得信号线性检波为直流电平，经运放驱动放大后为整机提供实时输出功率检测。

图6 功放模块原理框图

4.4 双工器的设计

双工器作用是帮助完成天线的收发共用功能，并对功放模块输出的信号进行滤波，其原理框图如图7所示。天线端收发信号混合在一路信号中，需由双工器中的接收通道，从中滤除发射信号，取出接收信号。双工器中的发射通道抑制发射机产生的无用带外信号，满足整星电磁兼容设计要求。

图7 双工器原理框图

4.5 二次电源模块的设计

二次电源模块，为中频处理模块、射频收发模块、功放模块供电，由保险丝、EMI滤波器、继电器开关和DC/DC转换模块组成，如8所示，电源模块主要完成电源滤波、电压转换和终端开关指令执行等功能。

为防止二次电源短路导致损毁整星电源，供电端添加电源保护电路，如图9所示。电源输入端采用双熔断器，两个具有相同额定电流的熔断器F1和F2并联使用，其中在F1支路上串接限流电阻R，从而使F2支路具有较大抗电冲击能力，当负载发生瞬间过流时，F2首先熔断，而F1可继续维持通路。根据建造规范要求，容性负载每只熔断器选取为额定工作电流的5～7倍；感性及阻性负载每只熔断器选取为额定工作电流的3～5倍。

图8 二次电源模块的组成图

图9 电源保护电路原理图

5 测试方法和测试结果

通用化SMA测控终端的测试设备连接框图如图10所示，包括了PC机、终端专用测试台、综合扩频测试仪、环形器和衰减器等。PC机通过USB接口连接专用测试台，显示终端的遥测信息，并控制专用测试台指令的发送。专用测试测试台采集终端的接收遥控信息，向终端发送遥控指令并给终端供电。综合扩频测试仪产生上行信号并接收终端的下行信号，具有多普勒模拟、抗干扰测试和误码率测试等功能。

图10 通用化SMA测控终端测试框图

图11为抗多址干扰的测试图，“遥控”通道为终端的前向通道的有效信号，“上行”通道为前向通道的干扰信号，当干扰信号功率比有效信号大16 dB时，通用化SMA测控终端的前向通道锁定正常，并且512×8×351=1 437 696 bit无误码，满足指标误码率小于10-6的要求。图12为返向信道误码率测试图，并且208 896 bit无误码，满足指标误码率小于10-5的要求。

6 结 语

本文设计的通用化SMA测控终端符合对二代中继系统的测控体制，针对用户星的应用场景，可配置功放模块、双工器的指标满足具体需求，具有集成化、通用化、开发效率高的优点。扩频调制结合卷积码的信道编码，可靠性好、抗扰性强，测控链路余量也得到了满足。通用化SMA测控终端的实测指标均满足设计要求，可服务于当前对二代中继卫星的测控任务。

图11 前向抗干扰测试结果

图12 返向误码率测试结果