专利名称：一种皮卫星地面检测设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及射频通信和数字信号处理领域，尤其涉及一种皮卫星地面检测设备。
背景技术：
皮卫星是指重量在I-IOKg之间的卫星，它广泛采用MNT(Micro-NanoTechnology， 微纳技术)和MEMS(Micro Electronic Mechanical System，微型机电系统)等高新技术， 功能密度高，技术性能强，发射方式更灵活，研制周期短，研制成本低，设计简化，体积小，费 用低，降低了失败的风险。皮卫星由测控分系统、姿态确定及控制分系统、星务管理分系统 以及电源分系统等分系统组成。皮卫星地面检测设备是皮卫星通信中关键的组成部分，用来接收皮卫星的下行遥 测数据进行解析，向皮卫星发送上行指令以及注入数据，在皮卫星研制过程以及后续的在 轨测试中都有极为重要的应用。在皮卫星的研制过程中，需要进行大量的测试，包括力学、 热学以及电学测试。测试中要获取皮卫星星上实时或者延时数据以对卫星状态进行监测分 析，同时也要向皮卫星发送指令，检查皮卫星对指令的响应程度以及皮卫星上各个分系统 能否根据指令做出正确执行。除此之外，还要向皮卫星注入关键数据，比如皮卫星姿态控制 系统所必须的磁场表信息、轨道信息等。所有这些，都必须通过地面检测设备完成。由于皮 卫星体积小、功耗低，所进行的各项测试都在外协单位完成，这就必须要求地面检测设备具 有很高的便携性，现有的标准的地面检测设备安装在卫星测控基地，专门用于空间卫星通 讯，不便于移动，难以满足这一要求。
发明内容
本发明提供了一种小型化低功耗的皮卫星地面检测设备，用于皮卫星检测。一种皮卫星地面检测设备，包括射频前端、数字信号处理平台、指令发送及数据 接收板和PC控制台，其中，所述射频前端的输出端与所述数字信号处理平台的输入端连 接，所述数字信号处理平台的输出端与所述指令发送及数据接收板的输入端连接，所述指 令发送及数据接收板的输出端与PC控制台的输入端连接。进一步，所述射频前端由发射机和接收机构成，其中，所述发射机，用于接收所述 数字信号处理平台产生的上行中频信号，先后与本地振荡信号进行两次混频后产生上行射 频信号并输出，输出的上行射频信号传输给皮卫星；所述接收机，用于接收皮卫星下行射频 信号，与本地振荡信号进行混频后产生下行中频信号，输出到所述数字信号处理平台。所述发射机包括第一参考信号源发生器、第一和第二频率合成器、第一和第二 SAKSurface Acoustic Wave，声表面波)滤波器、第一和第二放大器、以及第一和第二乘法 器，其中，所述第一参考信号源发生器产生第一参考信号，分别输入到第一和第二频率合成 器，生成第一和第二本地振荡信号；所述数字信号处理平台输入的上行中频信号首先与第 一本地振荡信号通过第一乘法器相乘，依次通过第一 SAW滤波器和第一放大器，然后与第 二本地振荡信号通过第二乘法器相乘，再依次通过第二 SAW滤波器和第二放大器，产生上行射频信号并输出，输出的上行射频信号传输给皮卫星；上行射频信号传输给皮卫星可以 通过无线或者有线方式，无线方式指的就是通过天线进行发射，有线方式一般是通过同轴 线电缆直接连接到皮卫星，通过电缆进行上行射频信号的传输；所述接收机包括第二参考信号源发生器、第三频率合成器、第三和第四SAW滤波 器、第三和第四放大器、第三和第四乘法器以及AGC(AutomatiC GainControl,自动增益控 制)模块，其中，所述第二参考信号源发生器产生第二参考信号，输入到第三频率合成器， 生成第三本地振荡信号；将接收到的皮卫星下行射频信号依次经过第三放大器放大和第三 SAW滤波器滤除杂散，然后与第三本地振荡信号通过第三乘法器相乘，再依次通过第四放大 器放大和第四SAW滤波器滤除杂散，最后与AGC模块通过第四乘法器相乘并进行功率调整， 输出下行中频信号到数字信号处理平台。其中，所述的皮卫星下行射频信号可以通过无线 或者有线方式接收，无线方式指的就是通过天线进行接收，有线方式一般是通过同轴线电 缆直接与皮卫星连接，通过电缆进行下行射频信号的传输；所述的接收到的皮卫星下行射 频信号位于S波段，其功率应当大于或者等于-lOOcffim。其中，所述第一和第二参考信号源发生器通常采用晶振，优选采用高精度的晶振， 可以产生高稳定度的参考信号。优选所述第一和第二参考信号源发生器采用同样的晶振。进一步，所述数字信号处理平台包括ADC(Analog to Digital Conversion，模数转换器)、载波恢复环、滤波器组、 DPSK(Differential Phase Shift Keying，差分移相键控)解调器、比相模块、测距信号 发生器、BPSK (Binary Phase Shift Keying，二进制移相键控)副载波调制模块、加法器、 PM(Phase Modulation)载波调制模块(即相位载波调制模块)、PLL (Wiase Lock Loop，锁 相环)以及 DAC (Digital to Analog Conversion，数模转换器)。所述射频前端接收机输出的下行中频信号依次通过ADC和载波恢复环进行处理， 恢复出载波数字信号，再经过滤波器组分离为下行副载波信号和下行测距信号两部分，所 述下行副载波信号经过DPSK解调器进行DPSK解调，获得皮卫星的下行遥测数据并输出到 所述指令发送及数据接收板；所述下行测距信号与由测距信号发生器发出的本地测距信号 一起进入比相模块进行相位比较，得到的比相结果输出到所述指令发送及数据接收板；所述指令发送及数据接收板发送的上行指令，通过BPSK副载波调制模块进行 BPSK调制，输出的BPSK调制信号再与由测距信号发生器产生的本地测距信号通过加法器 相加，再输入到PM载波调制模块中进行PM调制(即相位调制)，PM载波调制模块输出的信 号再通过DAC进行数模转换形成上行中频信号，输出到所述射频前端发射机；所述PLL为整个数字信号处理平台提供全局时钟信号。所述滤波器组由CIC (Cascade Integrator Comb，级联积分梳状)抽取滤波器、带 通滤波器以及CIC插值滤波器依次组成，所述CIC抽取滤波器的抽取倍数与所述CIC插值 滤波器的插值倍数相等。载波恢复环输入到滤波器组的信号先经过Cic抽取滤波器作降采 样处理，然后通过带通滤波器进行滤波，最后用CIC插值滤波器作增采样处理以恢复信号 原有的采样率，最后得到下行副载波信号以及下行测距信号。采用上述滤波器组，可以有效 降低带通滤波器的阶数，节省硬件资源。所述比相模块中，采用积分法实现相位比较。所述DPSK解调器分为BPSK解调器和码同步环两部分，所述BPSK解调器分为副载波恢复和位同步两部分，位同步部分采用一个置数端可变的减法计数器作为同步时钟源， 当计数值到达置数值一半的时候(即每个符号的中间，采样最佳时刻)输出一个采样信号， 当计数值到达0时输出一个同步信号。进一步，所述指令发送及数据接收板接收所述PC控制台发送出的数据，通过指令 识别后，输出相关指令到数字信号处理平台；同时接收数字信号处理平台的下行数据，对其 进行电平转换，并发送到PC控制台。所述下行数据包括皮卫星下行遥测数据和比相结果。所述指令发送及数据接收板包括UART (Universal Asynchronous 1^。6&61~1^11181^ 61~，通用异步收发器)接口、电平转换芯片和]\ ^(]\^(^0 Control Unit, 微控制单元)，其中，数字信号处理平台的下行数据通过电平转换芯片进行电平转换后，通 过UART接口发送到PC控制台；PC控制台发送出的数据通过UART接口输入到电平转换芯 片进行电平转换，再通过MCU进行指令识别后，输出相关指令到数字信号处理平台。进一步，所述PC控制台接收所述指令发送及数据接收板发送的数据，进行皮卫星 的下行遥测数据解帧，以及进行测距信息解算计算出皮卫星的实际高度；同时发送指令到 指令发送及数据接收板，控制地面检测设备完成上行遥控指令发送、下行遥测数据接收和 测距动作。 所述PC控制台由控制计算机及控制模块组成，所述PC控制台通过UART接口与指 令发送与数据接收板连接。与传统的模拟地面检测设备不同，本发明增加了数字信号处理平台，对皮卫星下 行数据进行了全数字化处理，包括对上行指令调制、下行数据解调、测距信号产生与比相等 进行数字化实现，提高了信号的信噪比和系统的灵敏度；本发明对指令发送及数据接收板 进行了功能的重新定义，将原先大部分数据接收及处理功能转移到数字信号处理平台上， 模块功能定义更加明确，便于后续移植，而且能应对各种专门的测试需求而快速加入新功 能，例如指令的不间断重复发送功能、非连续副载波输出功能等，同时增强了可靠性，减小 了由于测试设备软件故障带来的试验错误；本发明还对指令发送及数据接收板进行了结构 的简化，以减小体积，降低系统功耗和节省硬件资源；此外，本发明还加入了侧音测距单元， 可以完成对皮卫星轨道高度的测量。本发明的PC控制台可以对皮卫星进行多种参数的程 序控制和监测，包括带参数的上行指令发送、卫星分系统电源管理、卫星工作模式设置、皮 卫星下行遥测数据的管理以及测距信息解算。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果1)相对于一般卫星的地面检测设备，本发明具备小型化低功耗以及便携性的特 点，而且成本很低，完全满足皮卫星检测的需求。2)除了具备一般卫星地面检测设备的基本功能之外，本发明还具备侧音测距模 块，可以对皮卫星进行测距。3)本发明集成了用于多种程序的控制模块。这些控制模块可以实现卫星工作模式 控制、卫星管理系统状态切换、上传直接指令间接指令以及注入数据、上行指令、测距信息 解算、并且可以对卫星实时遥测和延时遥测数据进行可控下传。
图1是本发明的皮卫星地面检测设备的示意图。
图2是本发明中射频前端发射机的示意图。图3是本发明中射频前端接收机的示意图。图4是本发明中数字信号处理平台的示意图。图5是本发明中数字信号处理平台的滤波器组的示意图。图6是BPSK信号的典型波形图。图7是本发明中皮卫星上DPSK调制器的示意图。图8是本发明中DPSK解调器的示意图。图9是本发明中相位比较模块的框图。图10是本发明中指令发送及数据接收板的示意图。图11是本发明中指令发送及数据接收板上的MCU状态转换图。
具体实施例方式下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。如图1所示，一种皮卫星地面检测设备，包括射频前端、数字信号处理平台、指令 发送及数据接收板和PC控制台，其中，射频前端的输出端与数字信号处理平台的输入端连 接，数字信号处理平台的输出端与指令发送及数据接收板的输入端连接，指令发送及数据 接收板的输出端与PC控制台的输入端连接。射频前端用于接收皮卫星下行射频信号并将其混频到下行中频信号，并输出到数 字信号处理平台；以及将由数字信号处理平台输入的上行中频信号混频到上行射频信号并 输出到皮卫星；数字信号处理平台用于调制由指令发送及数据接收板发送的上行指令数据并输 入到射频前端，和将射频前端输出的下行中频信号进行解调并输出到指令发送及数据接收 板，以及产生本地测距信号和比相，并将比相结果输出到指令发送及数据接收板；指令发送及数据接收板用于接收PC控制台发送出的数据，通过指令识别后，输出 相关指令到数字信号处理平台；同时接收数字信号处理平台的下行数据，对其进行电平转 换，并发送到PC控制台；所述下行数据包括皮卫星下行遥测数据和比相结果；PC控制台用于接收指令发送及数据接收板发送的数据，进行皮卫星的下行遥测数 据解帧，以及进行测距信息解算计算出皮卫星的实际高度；同时发送指令到指令发送及数 据接收板，控制地面检测设备完成上行遥控指令发送、下行遥测数据接收、测距等一系列动 作。其中，射频前端由发射机和接收机构成，发射机用于接收数字信号处理平台产生 的上行中频信号(IF信号)，先后与本地振荡信号进行两次混频后产生上行射频信号(RF信 号)并输出，输出的上行射频信号传输给皮卫星；接收机用于接收皮卫星下行射频信号(RF 信号)，与本地振荡信号进行混频后产生下行中频信号(IF信号)，输出到所述数字信号处 理平台。如图2所示，射频前端发射机包括第一参考信号源发生器、第一和第二频率合成 器、第一和第二 SAW (Surface Acoustic Wave，声表面波)滤波器、第一和第二放大器、以及 第一和第二乘法器，其中，第一参考信号源发生器为高精度的晶振(其振荡频率为fo)，产生 高稳定度的第一参考信号，分别输入到第一和第二频率合成器，生成第一和第二本地振荡信号(本振信号1和幻。射频前端发射机的运行机理如下数字信号处理平台输入的上行 IF信号首先与第一本地振荡信号(本振信号1)通过第一乘法器相乘，依次通过第一 SAW滤 波器和第一放大器，然后与第二本地振荡信号(本振信号幻通过第二乘法器相乘，再依次 通过第二 SAW滤波器和第二放大器，产生上行RF信号并输出，输出的上行RF信号传输给皮 卫星；上行射频信号传输给皮卫星可以通过无线或者有线方式，无线方式指的就是通过天 线进行发射，有线方式一般是通过同轴线电缆直接连接到皮卫星，通过电缆进行上行射频 信号的传输；输出到皮卫星的上行RF信号频率为221 &，功率为lOOmW。如图3所示，射频前端接收机包括第二参考信号源发生器、第三频率合成器、第 三和第四SAW滤波器、第三和第四放大器、第三和第四乘法器以及AGC(Aut0matiC Gain Control,自动增益控制)模块，其中，第二参考信号源发生器与第一参考信号源发生器相 同，采用相同的高精度的晶振(其振荡频率为fo)，产生高稳定度的第二参考信号，输入到第 三频率合成器，生成第三本地振荡信号(本振信号幻。射频前端接收机的运行机理如下 将接收到的皮卫星下行射频信号(RF信号)依次经过第三放大器放大和第三SAW滤波器滤 除杂散，然后与第三本地振荡信号(本振信号幻通过第三乘法器相乘，再依次通过第四放 大器放大和第四SAW滤波器滤除杂散，最后与AGC模块通过第四乘法器相乘并进行功率调 整，输出下行IF信号到数字信号处理平台。其中，皮卫星下行射频信号可以通过无线或者 有线方式接收，无线方式指的就是通过天线进行接收，有线方式一般是通过同轴线电缆直 接与皮卫星连接，通过电缆进行下行射频信号的传输；射频前端接收机接收到的皮卫星下 行射频信号频率为MO fy接收灵敏度为-lOOcffim。其中，数字信号处理平台，如图4所示，包括ADC(Analog to DigitalConversion， 模数转换器)、载波恢复环、滤波器组、DPSK (Differential Phase ShiftKeying，差分移相 键控)解调器、比相模块、测距信号发生器、BPSK(Binary PhaseShift Keying，二进制移相 键控)副载波调制模块、加法器、PM(Phase Modulation)载波调制模块(即相位载波调制 模块)、PLL(Phase Lock Loop，锁相环)以及 DAC(Digital to Analog Conversion，数模转 换器)。数字信号处理平台的数字信号处理芯片选用Xilinx Virtex4系列的FPGA，控制芯 片选用 Texas Instruments 公司的 TMS320VC5510 DSP。数字信号处理平台的信号传输及处理过程如下由射频前端接收机输出的下行IF信号，依次通过ADC和载波恢复环进行处理，恢 复出载波数字信号，再经过滤波器组分离为下行副载波信号和下行测距信号两部分，其中， 下行副载波信号经过DPSK解调器进行DPSK解调，获得皮卫星的下行遥测数据并输出到所 述指令发送及数据接收板；下行测距信号与由测距信号发生器发出的本地测距信号一起进 入比相模块进行相位比较，得到的比相结果输出到所述指令发送及数据接收板；由指令发送及数据接收板发送的上行指令，通过BPSK副载波调制模块进行BPSK 调制，输出的BPSK调制信号再与由测距信号发生器产生的本地测距信号通过加法器相加， 再输入到PM载波调制模块中进行PM调制(即相位调制)，PM载波调制模块输出的信号再 通过DAC进行数模转换形成上行IF信号，输出到射频前端发射机；PLL为整个数字信号处理平台提供全局时钟信号，其频率为38. 4MHz。数字信号处理平台中，滤波器组如图5所示，由CIC (Cascade Integrator Comb，级 联积分梳状)抽取滤波器、带通滤波器以及CIC插值滤波器依次组成，所述CIC抽取滤波器的抽取倍数与所述CIC插值滤波器的插值倍数相等。载波恢复环输入到滤波器组的信号先 经过CIC抽取滤波器作降采样处理，然后通过带通滤波器进行滤波，最后用CIC插值滤波器 作增采样处理以恢复信号原有的采样率，最后得到65KHz的下行副载波信号以及下行测距 信号。采用上述滤波器组，可以有效降低带通滤波器的阶数，节省硬件资源。数字信号处理平台中接收到的皮卫星下行射频信号为DPSK调制信号，而不是常 用的BPSK调制信号。常用的BPSK调制信号是采用BPSK调制得到的。BPSK调制方式是受键控的载波相 位按基带脉冲而改变的一种数字调制方式，调制后得到的BPSK信号表示形式如式(1)所示5(0 = ang(t - nTs)] cos ωε (1)
η式(1)中s(t)是BPSK信号，％是码字序列，g(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲， ω。是调制前正弦波信号的频率，t为时间，η指第η个时刻；其中，码字序列％的统计特性 如式O)所示
权利要求
1.一种皮卫星地面检测设备，其特征在于，包括射频前端、数字信号处理平台、指令 发送及数据接收板和PC控制台，其中，所述射频前端的输出端与所述数字信号处理平台的 输入端连接，所述数字信号处理平台的输出端与所述指令发送及数据接收板的输入端连 接，所述指令发送及数据接收板的输出端与PC控制台的输入端连接；所述射频前端用于接收皮卫星下行射频信号并将其混频到下行中频信号，并输出到数 字信号处理平台；以及将由数字信号处理平台输入的上行中频信号混频到上行射频信号并 输出到皮卫星；所述数字信号处理平台用于调制由指令发送及数据接收板发送的上行指令数据并输 入到射频前端，和将射频前端输出的下行中频信号进行解调并输出到指令发送及数据接收 板，以及产生本地测距信号和比相，并将比相结果输出到指令发送及数据接收板；所述指令发送及数据接收板用于接收PC控制台发送出的数据，通过指令识别后，输出 相关指令到数字信号处理平台；同时接收数字信号处理平台的下行数据，对其进行电平转 换，并发送到PC控制台；所述下行数据包括皮卫星下行遥测数据和比相结果；所述PC控制台用于接收指令发送及数据接收板发送的数据，进行皮卫星的下行遥测 数据解帧，以及进行测距信息解算计算出皮卫星的实际高度；同时发送指令到指令发送及 数据接收板，控制地面检测设备完成上行遥控指令发送、下行遥测数据接收和测距动作。
2.如权利要求1所述的皮卫星地面检测设备，其特征在于，所述射频前端由发射机和 接收机构成，其中，所述发射机，用于接收所述数字信号处理平台产生的上行中频信号，先 后与本地振荡信号进行两次混频后产生上行射频信号并输出，输出的上行射频信号传输给 皮卫星；所述接收机，用于接收皮卫星下行射频信号，与本地振荡信号进行混频后产生下行 中频信号，输出到所述数字信号处理平台。
3.如权利要求2所述的皮卫星地面检测设备，其特征在于，所述发射机包括第一参考 信号源发生器、第一和第二频率合成器、第一和第二声表面波滤波器、第一和第二放大器、 以及第一和第二乘法器，其中，所述第一参考信号源发生器产生第一参考信号，分别输入到 第一和第二频率合成器，生成第一和第二本地振荡信号；所述数字信号处理平台输入的上 行中频信号首先与第一本地振荡信号通过第一乘法器相乘，依次通过第一声表面波滤波器 和第一放大器，然后与第二本地振荡信号通过第二乘法器相乘，再依次通过第二声表面波 滤波器和第二放大器，产生上行射频信号并输出，输出的上行射频信号传输给皮卫星。
4.如权利要求2所述的皮卫星地面检测设备，其特征在于，所述接收机包括第二参考 信号源发生器、第三频率合成器、第三和第四声表面波滤波器、第三和第四放大器、第三和 第四乘法器以及自动增益控制模块，其中，所述第二参考信号源发生器产生第二参考信号， 输入到第三频率合成器，生成第三本地振荡信号；将接收到的皮卫星下行射频信号依次经 过第三放大器放大和第三声表面波滤波器滤除杂散，然后与第三本地振荡信号通过第三乘 法器相乘，再依次通过第四放大器放大和第四声表面波滤波器滤除杂散，最后与自动增益 控制模块通过第四乘法器相乘并进行功率调整，输出下行中频信号到数字信号处理平台。
5.如权利要求2或3所述的皮卫星地面检测设备，其特征在于，所述第一和第二参考信 号源发生器采用同样的晶振。
6.如权利要求1所述的皮卫星地面检测设备，其特征在于，所述数字信号处理平台包 括模数转换器、载波恢复环、滤波器组、差分移相键控解调器、比相模块、测距信号发生器、二进制移相键控副载波调制模块、加法器、相位载波调制模块、数模转换器以及锁相环；所述射频前端接收机输出的下行中频信号依次通过模数转换器和载波恢复环进行处 理，恢复出载波数字信号，再经过滤波器组分离为下行副载波信号和下行测距信号两部分， 所述下行副载波信号经过差分移相键控解调器进行差分移相键控解调，获得皮卫星的下行 遥测数据并输出到所述指令发送及数据接收板；所述下行测距信号与由测距信号发生器发 出的本地测距信号一起进入比相模块进行相位比较，得到的比相结果输出到所述指令发送 及数据接收板；所述指令发送及数据接收板发送的上行指令，通过二进制移相键控副载波调制模块进 行二进制移相键控调制，输出的二进制移相键控调制信号再与由测距信号发生器产生的本 地测距信号通过加法器相加，再输入到相位载波调制模块中进行相位调制，相位载波调制 模块输出的信号再通过数模转换器进行数模转换形成上行中频信号，输出到所述射频前端 发射机；所述锁相环为整个数字信号处理平台提供全局时钟信号。
7.如权利要求1所述的皮卫星地面检测设备，其特征在于，所述滤波器组由级联积分 梳状抽取滤波器、带通滤波器以及级联积分梳状插值滤波器依次组成，所述级联积分梳状 抽取滤波器的抽取倍数与所述级联积分梳状插值滤波器的插值倍数相等。
8.如权利要求1所述的皮卫星地面检测设备，其特征在于，所述差分移相键控解调器 分为二进制移相键控解调器和码同步环两部分，所述二进制移相键控解调器分为副载波恢 复和位同步两部分，位同步部分采用一个置数端可变的减法计数器作为同步时钟源，当计 数值到达置数值一半的时候输出一个采样信号，当计数值到达0时输出一个同步信号。
9.如权利要求1所述的皮卫星地面检测设备，其特征在于，所述比相模块中，采用积分 法实现相位比较。
10.如权利要求1所述的皮卫星地面检测设备，其特征在于，所述指令发送及数据接收 板包括通用异步收发器接口、电平转换芯片和微控制单元。
全文摘要
本发明公开了一种皮卫星地面检测设备，包括射频前端、数字信号处理平台、指令发送及数据接收板和PC控制台，其中，射频前端的输出端与数字信号处理平台的输入端连接，数字信号处理平台的输出端与指令发送及数据接收板的输入端连接，指令发送及数据接收板的输出端与PC控制台的输入端连接。本发明具备小型化低功耗以及便携性的特点，而且成本很低，完全满足皮卫星检测的需求，本发明还具备侧音测距模块，可以对皮卫星进行测距。本发明可以实现卫星工作模式控制、卫星管理系统状态切换、上传直接指令间接指令以及注入数据、上行指令、测距信息解算、并且可以对卫星实时遥测和延时遥测数据进行可控下传。
文档编号H04B17/00GK102064873SQ20101061247
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者张立军, 胡琪, 郑阳明, 金仲和 申请人:浙江大学