一种星载S和X频段链路可重构的测控应答机的制作方法

文档序号:12477308阅读:560来源:国知局

本发明涉及一种星载S和X频段链路可重构的测控应答机,属于卫星测量控制技术领域。



背景技术:

近年来,我国通过嫦娥系列卫星持续对进行月球探测,其中嫦娥三号卫星携带的月球车已经成功着陆在面对地球的月球表面上开展探测工作。但是截止目前,世界上还没有国家针对月球的背地面开展探测工作。我国研制的嫦娥四号卫星将携带月球车首次实现人类对月球的背地面探测,月球车与地面的通信需要月球中继卫星进行数据转发。

月球中继卫星的测控应答机主要功能是将接收到地面的遥控指令转发给月球车,同时将月球车的遥测数据转发回地面。测控应答机一般使用S频段与地面进行测控通信,使用X频段与月球车进行测控通信,也可使用S频段与X频段同时与地面进行测控通信,在需要时还可将更改S频段,X频段上下行频点,实现上下行链路重构。

现有S和X深空应答机,该应答机只能通过开关切换在S或X频段下工作,无法同时接收S及X频段上行信号,且工作频率固定,无法实现上下行链路重构。且现有应答机每个频段都有前向收发通道、返向收发通道两个通道集成在一起来实现链路重构。

以上所提到的应答机,无法满足月球中继卫星对应答机提出的可以同时在S和X频段下工作,重量、体积和功耗最小,即用最简单的设计方案就能建立S和X频段的前向和返向链路,实现对地、对月的测控任务需求。



技术实现要素:

本发明解决的技术问题是:克服现有技术不足,提出一种星载S和X频段链路可重构的测控应答机,用一组接收和发射通道解决了S和X频段前向、返向链路的建立问题,使得应答机的方案设计更简单,满足月球中继卫星对应答机提出的重量、体积和功耗要求。

本发明的技术方案为:一种星载S和X频段链路可重构的测控应答机,包括接收通道部分、数字基带处理部分及发射通道部分;

接收通道部分,包括:S下变频电路、S接收本振电路、X下变频电路、X接收本振电路及中频AGC放大电路;

S下变频电路将接收的S上行信号(包括S遥控副载波信号、S测距信号)进行低噪声放大,并与S接收本振电路输出的信号进行下混频,再经过带通滤波,输出第一中频信号,作为S下变频电路的输出送至中频AGC放大电路;

S接收本振电路接收S相干频率计算模块发来的S接收本振频率控制信号,该S接收本振频率控制信号能够根据需要对S接收本振电路输出的信号频率进行改变,使S下变频电路输出的第一中频信号频率固定;(优选70M~140MHz)

X下变频电路将接收的X上行信号进行低噪声放大,并与X接收本振电路输出的信号进行下混频,再经过带通滤波,输出第二中频信号,作为X下变频电路的输出送至中频AGC放大电路;

X接收本振电路接收X相干频率计算模块发来的X接收本振频率控制信号,该X接收本振频率控制信号能够根据需要对X接收本振电路输出的信号频率进行改变,使X下变频电路输出的第二中频信号频率固定;(优选70M~140MHz)

中频AGC放大电路将S下变频电路输出的第一中频信号和X下变频电路输出的第二中频信号合路后经过自动增益控制AGC,使合路后的中频信号的功率控制在-10dBm~10dBm范围内,再经过9M以上带宽的带通滤波,输出模拟合路中频信号送至数字基带处理部分的ADC;

数字基带处理部分,包括模拟数字变换器ADC、第一数字模拟变换器DAC1、第二数字模拟变换器DAC2、FPGA;

FPGA包括:S中频信号处理部分、X中频信号处理部分;

S中频信号处理部分,包括:S正交下变频模块、S环路滤波模块、S载波捕获跟踪模块、S遥控副载波解调模块、S测距解调及转发模块、数字压控振荡器NCO1、S相干频率计算模块;

X中频信号处理部分,包括:X正交下变频模块、X环路滤波模块、X载波捕获跟踪模块、X遥控副载波解调模块、X测距解调及转发模块、数字压控振荡器NCO2、X相干频率计算模块;

模拟数字变换器ADC,接收中频AGC放大电路输出的模拟合路中频信号,通过AD采样转换为数字合路中频信号分别送至FPGA的S正交下变频模块和X正交下变频模块;

S正交下变频模块,将接收的数字合路中频信号与数字压控振荡器NCO1输出的数字本振信号进行正交下变频,形成S基带信号送至S环路滤波模块;

S环路滤波模块对S基带信号进行环路滤波处理,滤除带外杂散信号后得到滤波后的S基带信号作为S环路滤波模块的输出分别送至S载波捕获跟踪模块和S测距解调及转发模块;

S载波捕获跟踪模块对滤波后的S基带信号的载波频率偏移进行捕获和跟踪,将跟踪得到的载波频率偏移量送给S相干频率计算模块,且将载波频率偏移量转化为NCO1的频率控制字送至数字压控振荡器NCO1,同时S载波捕获跟踪模块从滤波后的S基带信号中解调出S遥控副载波信号送给S遥控副载波解调模块;

数字压控振荡器NCO1根据接收到的NCO1的频率控制字产生本地正交载波信号,作为S正交下变频模块的本振信号送至S正交下变频模块;

S相干频率计算模块,根据S载波跟踪得到的载波频率偏移量按照设定的转发比221/240进行计算,得到S发射本振的频率偏移量控制字,同时根据S上行信号频率计算得到S发射本振预设的频率控制字,两者相加得到S发射本振实际频率控制字送至S发射本振模块,同时根据S上行信号频率计算得到S接收本振的实际频率控制字送至S接收本振模块;

S遥控副载波解调模块对S遥控副载波信号进行解调,得到S遥控信号输出至外部;

S测距解调及转发模块对S环路滤波模块送来的S基带信号进行解调,得到测距信号,并将测距信号送入第一数字模拟变换器DAC1;

第一数字模拟变换器DAC1将接收到的S测距信号及外部输入的S遥测信号调制后产生的S中频调制信号送至发射通道部分的S中频滤波放大电路;

X正交下变频模块,将接收的数字合路中频信号与数字压控振荡器NCO2输出的数字本振信号进行正交下变频,形成X基带信号送至X环路滤波模块;

X环路滤波模块对X基带信号进行环路滤波处理,滤除带外杂散信号后得到滤波后的X基带信号作为X环路滤波模块的输出分别送至X载波捕获跟踪模块和X测距解调及转发模块;

X载波捕获跟踪模块对滤波后的X基带信号的载波频率偏移进行捕获和跟踪,将跟踪得到的载波频率偏移量送给X相干频率计算模块,且将载波频率偏移量转化为NCO2的频率控制字送至数字压控振荡器NCO2,同时X载波捕获跟踪模块从滤波后的X基带信号中解调出X遥控副载波信号送给X遥控副载波解调模块;

数字压控振荡器NCO2根据接收到的NCO2的频率控制字产生本地正交载波信号,作为X正交下变频模块的本振信号送至X正交下变频模块;

X相干频率计算模块,根据X载波跟踪得到的载波频率偏移量按照设定的转发比749/880进行计算,得到X发射本振的频率偏移量控制字,同时根据X上行信号频率计算得到X发射本振预设的频率控制字,两者相加得到X发射本振实际频率控制字送至X发射本振模块,同时根据X上行信号频率计算得到X接收本振的实际频率控制字送至X接收本振模块;

X遥控副载波解调模块对X遥控副载波信号进行解调,得到X遥控信号输出至外部;

X测距解调及转发模块对X环路滤波模块送来的X基带信号进行解调,得到测距信号,并将测距信号送入第二数字模拟变换器DAC2;

第二数字模拟变换器DAC2将接收到的X测距信号及外部输入的X遥测信号调制后产生的X中频调制信号送至发射通道部分的X中频滤波放大电路;

发射通道部分,包括S中频滤波放大电路、S上变频电路、S发射本振电路、X中频滤波放大电路、X上变频电路、X发射本振电路;

S中频滤波放大电路将接收到DAC1输出的S中频调制信号进行滤波,滤除S中频调制信号谐杂波,得到频谱纯净的S中频调制信号再经过放大送给S上变频电路;

S上变频电路将接收到频谱纯净的S中频调制信号,与S发射本振输出的信号进行上混频,产生S下行信号输出;

S发射本振接收S相干频率计算模块发来的S发射本振频率控制信号,该S发射本振频率控制信号能够根据相干转发要求对S发射本振电路输出的信号频率进行设置,使S上变频电路输出的S下行信号频率满足S频段相干转发比的要求;

X中频滤波放大电路将接收到DAC2输出的X中频调制信号进行滤波,滤除X中频调制信号谐杂波,得到频谱纯净的X中频调制信号再经过放大送给X上变频电路;

X上变频电路将接收到频谱纯净的X中频调制信号,与X发射本振输出的信号进行上混频,产生X下行信号输出;

X发射本振接收X相干频率计算模块发来的X发射本振频率控制信号,该X发射本振频率控制信号能够根据相干转发要求对X发射本振电路输出的信号频率进行设置,使X上变频电路输出的X下行信号频率满足X频段相干转发比的要求;

本发明相对于现有技术的有益效果是

(1)本发明的应答机在设计上将第一和第二两个中频信号合为一路中心信号进行中频AGC放大滤波,既保证了S频段和X频段上行信号可同时接收放大,又减少了一个中频AGC放大电路,简化了接收通道设计,节省了应答机的重量、体积及功耗;

(2)本发明的应答机不需要增加通道硬件,仅通过对S接收本振、S发射本振、X接收本振、X发射本振的频率进行计算及设置,便可实现S频段和X频段上下行信号工作频率改变,满足月球中继星对S频段和X频段上、下行链路重构的需求,节省了应答机的重量、体积及功耗;

(3)选用12bit位以上的ADC,可以保证模拟数字信号转换量化精度足够高,满足深空探测对应答机高灵敏度的要求;针对权利要求2~6的优选每条写一个优点

(4)DAC输出信号频率范围在80~120MHz,是保证在功耗不增加的前提下,尽可能提高输出信号频率,滤除发射通道输出信号的带外杂散效果更好。

(5)S接收本振、X接收本振的频率控制精度在1MHz以内,可以保证在接收任意S上行信号频率值和X上行信号频率值的情况下,接收通道部分的中频AGC放大电路中的滤波器均可适应,简化电路设计。

附图说明

图1为本发明的S和X频段链路可重构的测控应答机原理框图。

具体实施方式

本发明的基本思路为:一种星载S和X频段链路可重构的测控应答机,用一个接收通道将S频段、X频段两个上行信号下变频后在中频合并为一路信号进行AGC放大滤波,送给数字处理电路对遥控信号和测距信号进行捕获和解调;同时数字处理软件根据S频段、X频段的相干频率计算对接收通道和发射通道的本振频率进行控制,并将遥测信号和转发测距信号送给发射通道;同时通过软件计算进行本振频点设置,用一个收发通道实现在S频段、X频段上下行链路重构,减小了产品的重量、体积和功耗,满足月球中继卫星的测控需求,在统一载波体制下使用S、X频段完成卫星的跟踪与测量,具有上下行链路重构功能,根据指令改变上下行信号频率,满足月球车的前向及返向链路需求。

本发明的测控应答机用一个接收通道将S频段、X频段两个上行信号下变频后在中频合并为一路信号进行AGC放大滤波,送给数字处理电路对遥控信号和测距信号进行捕获和解调;同时数字处理软件根据S频段、X频段的相干频率计算对接收通道和发射通道的本振频率进行控制,并将遥测信号和转发测距信号送给发射通道;发射通道将中频基带信号分别上变频产生S频段、X频段两个下行信号。

该测控应答机用一个接收通道实现了S、X双模式同时进行接收解调,简化了接收通道设计;同时通过软件计算进行本振频点设置,给出了用一个收发通道实现在S频段、X频段上下行链路重构的新设计,极大的简化产品设计方案,减小了产品的重量、体积和功耗。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示,为本应答机的原理框图,工作原理如下:

例如S频段上行输入信号中心频率为2050MHz,功率为-50dBm~-130dBm,采用统一载波体制的残余载波线性相位调制模式,其中调制在主载波上的测距信号带宽为2MHz,调制在主载波上的遥控副载波信号频率为8KHz,遥控信号为2KHz。

S下变频电路将接收的频率为2050MHZ的S上行信号进行低噪声放大,并与S接收本振电路输出频率为1980MHz的信号进行下混频,再经过带通滤波,输出第一中频频率为70MHz的信号,作为S下变频电路的输出送至中频AGC放大电路;

S接收本振电路接收S相干频率计算模块发来的S接收本振频率控制信号,该S接收本振频率控制信号能够根据需要对S接收本振电路输出的信号频率进行改变,使S下变频电路输出的第一中频信号频率优选在70M~140M范围内,特别可以选择在70MHz~72MHz,这样可以降低ADC采样时钟频率,减少ADC功耗;

X频段上行输入信号中心频率为7150MHz,功率为-50dBm~-130dBm,采用统一载波体制的残余载波线性相位调制模式,其中调制在主载波上的测距信号带宽为4MHz,调制在主载波上的遥控副载波信号频率为8KHz,遥控信号为2KHz。

X下变频电路将接收的频率为7150MHz的X上行信号进行低噪声放大,并与X接收本振电路输出频率为7074MHz的信号进行下混频,再经过带通滤波,输出第二中频频率为76MHz的信号,作为X下变频电路的输出送至中频AGC放大电路;

X接收本振电路接收X相干频率计算模块发来的X接收本振频率控制信号,该X接收本振频率控制信号能够根据需要对X接收本振电路输出的信号频率进行改变,使X下变频电路输出的第二中频信号频率在70M~140M范围内,一般选择在75MHz~79MHz;

中频AGC放大电路将S下变频电路输出频率为70MHz的第一中频信号和X下变频电路输出频率为76MHz的第二中频信号合路后经过自动增益控制(AGC)检波电路,自动调节可控衰减电路,将输出的中频信号功率控制在在-10dBm~10dBm范围内,再经过9M带宽的带通滤波,输出模拟合路中频信号送至数字基带处理部分的ADC;模拟数字变换器ADC一般可适应功率在-30dBm~10dBm的中频信号,信号功率越大,ADC采集的数字信号质量越好;中频AGC放大电路中的带通滤波带宽一般在9M~20MHz范围内,既能够保证两路中频信号的主载波、遥控副载波、以及测距信号都能够完整地通过,又能够将尽可能多的噪声滤掉,提高信号与带内噪声功率比。

模拟数字变换器为12bit的ADC,采样时钟为60MHz,接收中频AGC放大电路输出的74.5±4.5MHz模拟合路中频信号,通过AD采样转换为数字合路中频信号分别送至FPGA的S正交下变频模块和X正交下变频模块;选用12bit的ADC能够满足信号功率小于-130dBm的应答机灵敏度需求,满足深空探测的需要;采样时钟可根据实际需求取整数如60MHz或含小数如60.5MHz,一般整数频点容易产生。

S正交下变频模块,将接收的数字合路中频74.5±4.5MHz信号与数字压控振荡器NCO1输出的数字本振信号进行正交下变频,形成S基带信号(包含100KHz、16或20KHz、8KHz信号)送至S环路滤波模块;

S环路滤波模块对S基带信号进行环路滤波处理,滤除带外杂散信号后得到滤波后的S基带信号(包含100KHz、16或20KHz、8KHz信号)作为S环路滤波模块的输出分别送至S载波捕获跟踪模块和S测距解调及转发模块;

S载波捕获跟踪模块对滤波后的S基带信号的载波频率偏移进行捕获和跟踪,将跟踪得到的载波频率偏移量送给S相干频率计算模块,且将载波频率偏移量转化为NCO1的频率控制字(见公式1)送至数字压控振荡器NCO1,同时S载波捕获跟踪模块从滤波后的S基带信号中解调出频率为8KHz的S遥控副载波信号送给S遥控副载波解调模块;

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上式中fnco1为NCO1频率控制字,fp1为S基带信号的载波偏移量,fclk1为NCO1工作时钟,M1为NCO1的位宽。

数字压控振荡器NCO1根据接收到的NCO1的频率控制字产生本地正交载波信号,作为S正交下变频模块的本振信号送至S正交下变频模块;

S相干频率计算模块,根据S载波跟踪得到的载波频率偏移量按照设定的转发比221/240进行计算(见公式2),得到S发射本振的频率偏移量控制字,同时根据S上行信号频率计算得到S发射本振预设的频率控制字(见公式3),两者相加得到S发射本振实际频率控制字(见公式4)送至S发射本振模块,同时根据S上行信号频率计算得到S接收本振的实际频率控制字(见公式5)送至S接收本振模块;

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上式中,Sd_p1为s发射本振的频率偏移量控制字,2N1为S发射本振位宽,fS_d为发射本振时钟。

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上式中,Sd为S发射本振预设频率控制字,SRF为S频段上行输入信号

Sdown=Sd_p1+Sd (4)

上式中,Sdown为S发射本振实际频率控制字。

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上式中,Sup为S接收本振实际频率控制字,2N2为S接收本振位宽,fS_u为S接收本振时钟。

S遥控副载波解调模块对S遥控副载波8KHZ信号进行解调,得到2KHz的S遥控信号输出至外部;

S测距解调及转发模块对S环路滤波模块送来的S基带信号进行解调,得到S测距信号(100KHz主侧音,16或20KHz次侧音),并将测距信号送入第一数字模拟变换器DAC1;

第一数字模拟变换器DAC1,采样时钟为320MHz,将接收到的S测距信号及外部输入的S遥测信号调制后产生90.244MHz的S中频调制信号送至发射通道部分的S中频滤波放大电路;一般情况下,尽量提高中频调制信号频率,以便减小发射通道的中频滤波放大电路设计难度,但是受DAC采样时钟的限制,一般不超过120MHz;

X正交下变频模块,将接收的数字合路中频74.5±4.5MHz信号与数字压控振荡器NCO2输出的数字本振信号进行正交下变频,形成X基带信号(包含500KHz、100KHz、16或20KHz、8KHz信号)送至X环路滤波模块;

X环路滤波模块对X基带信号进行环路滤波处理,滤除带外杂散信号后得到滤波后的X基带信号(包含500KHz、100KHz、16或20KHz、8KHz信号)作为X环路滤波模块的输出分别送至X载波捕获跟踪模块和X测距解调及转发模块;

X载波捕获跟踪模块对滤波后的X基带信号的载波频率偏移进行捕获和跟踪,将跟踪得到的载波频率偏移量送给X相干频率计算模块,且将载波频率偏移量转化为NCO2的频率控制字(见公式6)送至数字压控振荡器NCO2,同时X载波捕获跟踪模块从滤波后的X基带信号中解调出频率为8KHz的X遥控副载波信号送给X遥控副载波解调模块;

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上式中fnco2为NCO2频率控制字,fp2为X基带信号的载波偏移量,fclk2为NCO2工作时钟,M2为NCO2的位宽;

数字压控振荡器NCO2根据接收到的NCO2的频率控制字产生本地正交载波信号,作为X正交下变频模块的本振信号送至X正交下变频模块;

X相干频率计算模块,根据X载波跟踪得到的载波频率偏移量按照设定的转发比749/880进行计算(见公式7),得到X发射本振的频率偏移量控制字,同时根据X上行信号频率计算得到X发射本振预设的频率控制字(见公式8),两者相加得到X发射本振实际频率控制字(见公式9)送至X发射本振模块,同时根据X上行信号频率计算得到X接收本振的实际频率控制字(见公式10)送至X接收本振模块;

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上式中,Xd_p1为X发射本振的频率偏移量控制字,2K1为S发射本振位宽,fX_d为发射本振时钟。

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式中,Xd为X发射本振预设频率控制字,XRF为X频段上行输入信号;

Xdown=Xd_p1+Xd (9)

式中,Xdown为X发射本振实际频率控制字;

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上式中,Xup为X接收本振实际频率控制字,2K2为X接收本振位宽,fx_u为X接收本振时钟。

X遥控副载波解调模块对X遥控副载波8KHZ信号进行解调,得到2KHz的X遥控信号输出至外部;

X测距解调及转发模块对X环路滤波模块送来的X基带信号进行解调,得到测距信号(包括500KHz主侧音,100KHz,16或20KHz次侧音),并将测距信号送入第二数字模拟变换器DAC2;

第二数字模拟变换器DAC2,采样时钟为320MHz,将接收到的X测距信号及外部输入的X遥测信号调制后产生100.534MHz的X中频调制信号送至发射通道部分的X中频滤波放大电路;

S中频滤波放大电路将接收到DAC1输出的S中频调制信号进行滤波,滤除S中频调制信号谐杂波,得到频谱纯净的S中频调制信号再经过放大送给S上变频电路;

S上变频电路将接收到频谱纯净的频率为90.244MHz的S中频调制信号,与S发射本振输出的频率为2136MHz的信号进行上混频,产生S下行频率为2226.244MHz的信号输出;

S发射本振接收S相干频率计算模块发来的S发射本振频率控制信号,该S发射本振频率控制信号能够根据相干转发要求(USB体制上下行频率相干转发比为221/240),对S发射本振电路输出的信号频率按照公式4给出的频率控制字进行设置,使S上变频电路输出的S下行信号频率满足S频段相干转发比的要求(即S上行信号频率值比S下行信号频率值为221/240);

X中频滤波放大电路将接收到DAC2输出的X中频调制信号进行滤波,滤除X中频调制信号谐杂波,得到频谱纯净的X中频调制信号再经过放大送给X上变频电路;

X上变频电路将接收到频谱纯净的频率为100.534MHz的X中频调制信号,与X发射本振输出的频率为8300MHz信号进行上混频,产生X下行频率为8400.534MHz信号输出;

X发射本振接收X相干频率计算模块发来的X发射本振频率控制信号,该X发射本振频率控制信号能够根据相干转发要求(UXB体制上下行频率相干转发比为749/880),对X发射本振电路输出的信号频率按照公式9进行设置,使X上变频电路输出的X下行信号频率满足X频段相干转发比的要求(即X上行信号频率值比X下行信号频率值为749/880);

当S和X频段上下行链路重构时,即S频段上下行频率比要满足(240/221),X频段上下行频率比要满足(880/749)时,通过控制接收通道和发射通道的本振输出频率,保证接收中频信号频率和发射中频信号频率不变,以此来实现用同一个收发通道完成上下行链路重构。

例如S频段上行信号频率为2226.244MHz,控制接收通道本振频率由1980MHz改为2156MHz,经S下变频模块后产生70.244MHz中频信号送给A/D进行数字处理。数字处理D/A1输出90MHz中频信号送给发射通道,控制发射通道本振频率由2136MHz改为1960MHz,经混频后输出的S频段下行信号频率为2050MHz,满足上下行频率比为240/221的要求;

X频段上行信号频率为8400.534MHz,控制接收通道本振频率由7074MHz改为8324MHz,经X下变频模块后产生76.534MHz中频信号送给A/D进行数字处理。数字处理D/A2输出100MHz中频信号送给发射通道,控制发射通道本振频率由8300MHz改为7050MHz,经混频后输出的X频段下行信号频率为7150MHz,满足上下行频率比为880/749的要求;

该测控应答机是针对月球中继卫星研制的S频段和X频段高灵敏度应答机。一般的卫星测控应答机只需要固定一个频段与地面进行测控通信,而月球中继卫星是地球和月球着陆器、月球车的通信中转站,它的测控应答机既要建立返向链路与地球采用S频段测控通信,又要建立前向链路与着陆器、月球车采用X频段测控通信;在特殊情况下,需要S频段和X频段同时工作。针对这一特殊应用环境研制的测控应答机还要考虑尽量节省重量、体积、功耗。

该测控应答机经过系统联试,满足月球中继卫星对应答机性能指标的要求,通过星务计算机发送指令,可设置S频段和X频段上下行频点,实现上下行链路重构。该测控应答机重4kg,S频段功耗20W,X频段功耗22W,与现有S和X深空应答机相比,应答机重量轻2.2Kg左右,提高了近35%,S频段功耗少4W左右,提高了近16%,X频段功耗少3W左右,提高了近12%,实现了月球中继卫星对应答机要求的可以同时在S和X频段下工作,重量、体积和功耗最小,即用最简单的设计方案就能建立S和X频段的前向和返向链路,实现对地、对月的测控任务需求。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

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