嵌入式卫星测控平台的制作方法

本发明航天技术领域，具体涉及一种嵌入式卫星测控平台。

背景技术：

航天器发射密度逐年增加，仅2015年，全球共完成86次发射任务。共发射航天器259个，其中我国发射19次，搭载航天器44个，发射次数及发射的航天器的数量都创历史最高。随着发射任务量的不断增加，航天测控任务越来越繁重，对地面测控设备的需求量也越来越大，要求越来越高。

航天技术的发展，测控经历了分散型，统一载波测控型，扩频统一测控型三种体制类型，目前主要使用的是统一载波测控型和扩频统一测控型两种。统一载波测控主要集成了航天飞行器的跟踪测控、遥控、遥测等功能。主要通过一个载波同时完成测控、测速、测角、遥控、遥测、话音等多种功能，而统一测控具体指的是载波信道的统一。在发射端首先将各基带信号分别调制到各自副载波上，之后将该副载波信号加在一起调制到载波上，然后通过统一的信道将信号发射出去。在接收端首先完成对载波信号的解调，然后将解调出的各路副载波信号送至对应的基带设备进行信号的处理，完成解调之后得到相应的调制信号。测距主要通过一组正弦波测距音对载波进行调相，地面发出上行测音，由应答机提取出上行测距音之后调整对应的转发比，将测距音调制在下行载波上转发，地面站捕获测距音信号后经锁相环，复制出返回测距音信号，通过对比地面接收的下行测距音与上行测距音的相位差，计算出信号从地面站到卫星的往返时间，进而推算出两者之间的距离。

现有测控设备、测控平台体积大、重量大、使用不方便。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述现有卫星测控平台体积大的问题，提供一种有利于小型化的嵌入式卫星测控平台。

其中一个实施例的嵌入式卫星测控平台，包括：

ARM处理器，用于对所述嵌入式卫星测控平台的运行进行控制；

与所述ARM处理器通讯连接的现场可编程门阵列，用于对接收的遥测信号和/或测距信号进行解调，以及对上行信号进行调制处理；

与所述ARM处理器通讯连接的模拟发射电路模块，用于发送与所述现场可编程门阵列生成的数字输出信号相对应的模拟输出信号；

与所述ARM处理器通讯连接的模拟采集电路模块，用于接收发送到所述嵌入式卫星测控平台的模拟输入信号，并传送给所述现场可编程门阵列。

在其中一个嵌入式卫星测控平台的实施例中，还包括与所述ARM处理器电连接的时钟管理模块、时码电路模块、串口电路及存储器；其中,

所述时钟管理模块用于接收外部输入的时钟信号，并传输给所述ARM处理器；所述时码电路模块用于接收外部输入的时间码，并传输给所述ARM处理器；所述串口电路，用于与外部计算机终端建立连接；所述存储器用于存储数据。

在其中一个嵌入式卫星测控平台的实施例中，所述时码电路模块接收的数字B码和模拟B码由同一输入接口输入，并对接收的数字B码进行调制，得到相应的B码。

在其中一个嵌入式卫星测控平台的实施例中，还包括与所述ARM处理器通讯连接的TCP/IP网络接口电路，连通所述嵌入式卫星测控平台与互联网。

在其中一个嵌入式卫星测控平台的实施例中，还包括壳体，所述ARM处理器、所述模拟发射电路模块、所述模拟采集电路模块及所述可编程逻辑门阵列均设置在所述壳体内部。

在其中一个嵌入式卫星测控平台的实施例中，所述模拟发射电路模块和所述模拟采集电路模块分别设置在一个独立的封装盒内，所述ARM处理器及所述可编程逻辑门阵列设置在一个独立的封装盒内；且所述模拟发射电路模块和所述模拟采集电路模块分别通过一块PCB板实现，所述ARM处理器及所述可编程逻辑门阵列设置在一块PCB板上。

在其中一个嵌入式卫星测控平台的实施例中，所述封装盒为金属材质。

在其中一个嵌入式卫星测控平台的实施例中，还包括与所述ARM处理器连接的工作指示灯。

在其中一个嵌入式卫星测控平台的实施例中，所述现场可编程门阵列采用如下步骤对接收的遥测信号和/或测距信号进行解调：

对接收的所述遥测信号和/或测距信号对应的载波信号进行变频处理，得到中频调制信号；

对所述中频调制信号经模数转换进行带通采样，输出数字中频信号；

通过快速傅立叶变换对所述数字中频信号进行载波捕获，并跟踪载波；

对捕获的所述数字中频信号进行解调，得到所述遥测信号和/或所述测距信号对应的解调信号。

在其中一个嵌入式卫星测控平台的实施例中，利用现场可编程门阵列对所述中频调制信号进行带通采样时，采用积分清零的方式实现对所处理信号的低通滤波及降采样。

在其中一个嵌入式卫星测控平台的实施例中，所述通过快速傅立叶变换对所述数字中频信号进行载波捕获，包括：

当所述载波捕获的捕获系统误差超过预设误差值时，按照预设分辨率调整速率提高快速傅立叶变换中的分辨率，和/或按照预设载波捕获时长调整速率减少载波捕获时长。

在其中一个嵌入式卫星测控平台的实施例中，还包括：

与所述ARM处理器通讯连接的视频采集模块，用于接收传输到所述嵌入式卫星测控平台的视频数据；

与所述ARM处理器通讯连接的视频发射模块，用于发射视频数据给卫星。

本发明的有益效果

采用上述技术方案，本发明至少可取得下述技术效果：

采用ARM处理器与FPGA相结合，保证测控平台性能的同时，使各部分功能更加紧凑，缩小测控平台的整体体积，增强测控平台的可移动性及可操作性。且进一步的，测控平台的各部分功能以功能模块的方式分别独立封装后再统一设置到一个机箱中。各模块之间采用线缆连接，便于后续的维修，且独立封装结构起到更好的保护模块内部器件的作用。进一步的，通过提高快速傅立叶变换中的分辨率或者减少捕获时间来降低捕获系统误差，提高信号捕获频率和搜索精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本实施例所述的嵌入式卫星测控平台的构成示意图图；

图2是本实施例所述的嵌入式卫星测控平台包含壳体的结构示意图；

图3是本实施例所述的FPGA算法原理图；

图4是本实施例所述的测音测距系统框图；

图5是本实施例所述的对嵌入式卫星测控平台进行测试的结构框图。

具体实施方式

提供以下参照附图的描述来帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本公开的各种实施例。以下描述包括帮助理解的各种具体细节，但是这些细节将被视为仅是示例性的。因此，本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围和精神的情况下，可对本文所述的各种实施例进行各种改变和修改。另外，为了清晰和简洁，公知功能和构造的描述可被省略。

以下描述和权利要求书中所使用的术语和词汇不限于文献含义，而是仅由发明人用来使本公开能够被清晰和一致地理解。因此，对于本领域技术人员而言应该明显的是，提供以下对本公开的各种实施例的描述仅是为了示例性目的，而非限制由所附权利要求及其等同物限定的本公开的目的。

应该理解，除非上下文明确另外指示，否则单数形式也包括复数指代。因此，例如，对“组件表面”的引用包括对一个或更多个这样的表面的引用。

图1是本实施例的嵌入式卫星测控平台的构成示意图。

参考图1，本实施例的嵌入式卫星测控平台，包括ARM处理器100、现场可编程门阵列(FPGA，Field－Programmable Gate Array)200、模拟发射电路模块300及模拟采集电路模块400。其中，ARM处理器100为测控平台的控制部件，对各功能模块的运行进行管理和控制，也即对所述嵌入式卫星测控平台的运行进行控制。因此，本实施例的嵌入式卫星测控平台中其他各功能模块均与所述ARM处理器100连接。包括通讯连接和电连接。

具体的，本实施例中，硬件部分由ARM处理器100管理控制运行外，利用FPGA实现软件的具体功能，对接收的数据进行处理分析，以及对要发送到卫星的数据进行载波调制等处理。

其中，对接收的数据进行处理分析包括对接收的遥测信号和/或测距信号进行解调。对发送数据的处理包括对上行信号进行调制处理。所述上行信号及地面要发送到卫星的通讯信号。本实施例中，对要发送到卫星的测控信号采用统一载波的方式进行调制，并将调制后的测控信号传输到与所述ARM处理器通讯连接的模拟发射电路模块，并最终经由本实施例的嵌入式卫星测控平台的频率收发接口向外发出。因此，相配套的模拟发射电路模块300则用于发送与所述现场可编程门阵列200生成的数字输出信号相对应的模拟输出信号。

相对应的，为了辅助利用FPGA实现对接收到的数据进行分析处理，本实施例的嵌入式卫星测控平台中还设置了与所述ARM处理器100通讯连接的模拟采集电路模块400，用于接收、采集发送到所述嵌入式卫星测控平台的模拟输入信号，并传送给所述现场可编程门阵列200，以便利用FPGA中的预设程序对接收到的数据进行处理。

在电路连接设置过程中，可设置模拟发射电路模块和所述模拟采集电路模块除与ARM处理器100连接外，也与实现软件计算的FPGA功能模块通讯连接，以实现快速的接收数据、发送数据的传输。

本实施例的嵌入式卫星测控平台，在硬件平台上整合ARM的控制功能和FPGA的运算能力，实现测控设备的小型化、集成化，装置整体体积小、重量轻，携带方便。且采用主流的ARM处理器及FPGA平台整体成本较低。

在其中一个实施例中，除了上述实施例中的ARM处理器、模拟发射电路模块、模拟采集电路模块及现场可编程门电路外，还包括与所述ARM处理器电连接的时钟管理模块、时码电路模块、串口电路及存储器。其中，时钟管理模块用于接收外部输入的时钟信号，并传输给ARM处理器；时码电路模块用于接收外部输入的时间码，并传输给ARM处理器；串口电路，用于与外部计算机终端建立连接；存储器用于存储数据。

作为一种可实施方式，整个卫星测控平台，或者平台的控制部分可在LinNux系统下运行。

在本发明实施例的嵌入式卫星测控平台的设计过程中，可按照如下步骤进行：首先，进行卫星测控平台的总体设计，包括整体结构布局以及涵盖的功能等。其次，设计卫星测控平台的的硬件设计，包括ARM处理器型号的选择，FPGA功能型号的选择，各部件之间的连接以及外围电路的设计等。

具体的，在ARM处理器的设计中，可选择ARM公司的一款具有较高性能的嵌入式微处理器，运行在400MHz，且处理器运行在Linnux操作系统，且需要具备TCP/IP协议栈，能够满足系统对操作、控制的需求，同时需要支持功能扩展及二次开发。更进一步的，ARM处理器及外围电路由本地总线、存储器电路、RS232串口电路、TCP/IP网络接口电路、蜂鸣器电路以及风扇控制电路等组成。本领域技术人员可以理解，对于ARM处理器外围电路的设计需要根据嵌入式卫星测控平台中包含的功能模块或者所具有的功能设置。如当在嵌入式卫星测控平台上设置功能显示相对应的工作指示灯时，设置与工作指示灯对应的指示灯电路作为外围电路的一部分，工作指示灯通过设置的相应的外围电路与ARM处理器电连接。

而辅助设置的外围电路中，如蜂鸣器电路用于连接及驱动蜂鸣器，对嵌入式卫星测控平台进行运行控制的ARM处理器在系统运行产生故障，或者运行某种特定功能时，可通过蜂鸣器电路驱动蜂鸣器发出声响，以进行警示。当然，也可以采用其他形式的警示装置，并设置相匹配的ARM处理器连接的电路装置。

在一具体实施例中，存储器电路连接的存储器主要有DDR2存储和NandFlash存储两种。从而ARM处理器提供任务管理服务，针对测控任务中的异常进行报警的同时也能够自动存储接收的数据。而串口电路使用RS232串口，而且RS232串口可以使用MAX3232电平转换芯片，用于ARM调试接口的收发信号电平与与计算机串口电平相匹配。

而外围电路中TCP/IP网络接口电路中两片百兆以太网PHY芯片DM916A实现双网口，能够缓解大量遥测数据传输带来的压力。

本实施例中，信号采集模块接收频率70MHz，带宽为10MHz的模拟信号，经过带通滤波、功率调整和模数转换后，输出数字信号给实现软件功能的FPGA。而信号发射模块发射频率为70MHz，带宽为10Hz的模拟信号，经过模数转换、带通滤波和功率调整后，输出模拟信号。

时钟管理模块在其内部集成VCO和锁相环，支持两路外部参考时钟输入，12路差分时钟输出，并提供串口作为内部分频器和各种参数配置接口。时码电路模块中B码的时针周期为1秒，包含100个码元，码元速率为100个/秒，时针速率为1pps，B(DC)码(数字码)经过调制得到了B(AC)码(模拟码)，即，对接收到的数字B码进行调制，得到相应的B码。这样能使带宽大大压缩，B(AC)码的频带为100Hz-3KHz。且值得说明的是，本实施例中，B(DC)码和B(AC)码从同一输入接口输入。如此设计减少了整个嵌入式卫星测控平台面板的输入/输出接口，能够使设备更加集成化，满足时钟电路的数字化需求。

在硬件方面，对于FPGA的选择，为了实现更好的运算功能，最好是选用具有较高的运算速度，功耗较低的芯片。

更进一步的，为了实现卫星测控平台的小型化与一体化集成，在一个实施例中，所有的硬件设备模块化安装于一个壳体中，如设置在一个通用机箱内。本实施例的嵌入式卫星测控平台如图2所示。本实施例中，模拟发射电路模块300和模拟采集电路模块400分别通过一个PCB板实现。而ARM处理器100及实现软件数据处理功能的FPGA集成在一个PCB板上实现，构成数字基带处理模块010。且每个PCB板进行独立封装，分别设置在一个封装盒中。作为一种可实施方式，所述封装盒可采用金属材质的封装盒。从而在防止外部空气中的灰尘等颗粒进入箱体的同时，也能起到降低电磁干扰的作用。

参见图2，本实施例中，机箱中除设置有前面提到的模拟采集电路模块400、模拟发射电路模块300及数字基带处理模块010外，还设置有为机箱内各功能单元、模块供电的电源模块500。所述电源模块500的功能是将标准外部输入的标准供电电压转换为机箱内部各功能模块所需要的额定电压，并为各功能模块供电。当然，为了给电源模块提供电压输入，机箱外壳上设置有电源接口700，用于连接外部电源。且为了保证安全，机箱上还设置有与电源模块连接的电源开关600，用于连通或者断开整个嵌入式卫星测控平台的电能供应。

较佳的，作为一种可实施方式，为了移动使用的需求，所述电源模块中还设置有储能电池，用于电能的存储，便于没有外部电源供应时保证卫星测控系统的工作。

参见图2，靠近机箱壳体位置(机箱壳体相应位置会设置有通孔)设置有4个频率收发接口900，分别为第一频率收发接口901、第二频率收发接口902、第三频率收发接口903和第四频率收发接口904；同时在靠近壳体处还设置有一个时码输入接口1000、一个时钟输入接口1100、一个时钟输出接口1200、一个矩阵矩阵接插件1300以及两个网口分别对应1400和1500。

具体的，频率收发接口用于测控平台与外部(卫星)之间信号的输入及输出，即载波信号。而网口的设计，能够使测控平台涉及的数据通过网络传输，从而实现测控模式由人工操作设备改为通过TCP/IP网络远程操作设备，大大提高设备控制的便捷性，符合当前网络信息技术发展的大趋势。

在另一实施例的嵌入式卫星测控平台中，除了包含前述的ARM处理器、模拟采集电路模块、模拟发射电路模块及FPGA电路以外，硬件方面还设置有与ARM处理器通讯连接的视频采集模块及视频发射模块。其中，视频采集模块用于接收传输到所述嵌入式卫星测控平台的视频数据，而视频发射数据则是通过测控平台发射视频数据到卫星。由于视频数据在处理方式以及数据量方面与控制信号的区别，本实施例中将视频的收发模块与前述的模拟收发电路模块(模拟采集电路模块和模拟发射电路模块)区分开来。从而便于对视频信号或者视频数据进行处理的同时也更能保证测控信号的发送的及时性及准确性。保证测控平台的效率及性能。

下面对测控平台的软件性能及实现方式进行详细介绍。

本实施例利用FPGA实现软件模块的开发，包括统一测控载波型中下载信号的捕获和跟踪，遥测信号的解调、测距信号的解调。主要在ISE开发环境下对FPGA中的算法进行设计，算法中主要实现亮点设备功能：数字发射机和数字接收机。数字发射机本身是用来完成上行信号的数字化调制；数字接收机本身是用来完成下行信号(接收的信号)的解调，解调包括遥测信号的解调和测距信号的处理两个模块。软件算法步骤如下：

(1)通过快速傅立叶变换对载波信号进行捕获。包括利用传统变换算法主要是经前端射频模块下对接收的遥测信号或者测距信号对应的载波信号进行变频处理，得到中频调制信号。得到的中频调制信号在经模数转换再进行带通采样，输出数字中频信号。本方案中使用积分清零代替低通滤波和降采样，通过提高快速傅立叶变换中的分辨率或者减少捕获时间来降低捕获系统误差，从而提高捕获频率和搜索精度。具体，可提前设定预设分辨率调整速率及预设载波捕获时长调整速率。从而当所述载波捕获的捕获系统误差超过预设误差值时，按照预设分辨率调整速率提高快速傅立叶变换中的分辨率，和/或按照预设载波捕获时长调整速率减少载波捕获时长。从而更有效的提高载波信号的捕获频率和搜索精度。

而后续的，对捕获的所述数字中频信号进行解调，得到所述遥测信号和/或所述测距信号对应的解调信号。分别按照以下步骤进行：

(2)完成调相信号的解调。载波初始捕获完成之后，系统进入载波跟踪环节，嵌入式测控设备(平台)采用锁相环进行载波的跟踪，要求设置锁相环信噪比较低，才能很好的完成调相信号的解调。

(3)测音测距算法实现。用一组正弦波，并将它作为基带信号调制到载波上发射出去，经卫星应答机转发至地面站接收之后解调，接收之后的测音信号相对于发射信号在相位上会有一个延迟，该延迟与发射端和接收端之间的距离存在一定的线性关系，即可根据该关系计算出相应数据。

参见图3，一具体实例中利用FPGA实现的数字发射机和数字接收机功能如下：

对于数字发射机，其内部的遥测信号生成模块能够生成所需的遥测信号，测距信号生成模块能够生成测距信号。无论是遥测信号还是测距信号，经FM/PM调制后生成载波信号，载波信号经D/A转换后发送到模拟发射电路模块，向外发送。参见图3，相对数字发射机，数字接收机的结构(处理流程)较为复杂。其经A/D接口接收的信号进行带通滤波器滤波后得到中频信号，经模数转换后再在数字下变频，经带通滤波器滤波，并进行降采样，得到处理后的数字中频信号，对处理后的数字中频信号进行载波捕获及跟踪载波之后，进行FM/PM解调，解调出接收到的具体遥测信号或者测距信号，采用分离滤波器对解调后的信号进行提取，分别得到遥测信号或者测距信号。如果分离出遥测信号，则使用遥测信号处理模块进行运算处理，得到遥测结果；如果分离出测距信号，则使用测距信号处理模块进行处理，得到距离数据。

图4是一实施例的卫星测控平台的测距单元(包含测距信号生成模块和测距信号处理模块)测距功能的实现过程。

首先，测距单元生成测距音，测距音经FM调制后传输到上变频器，上变频器变频处理后的载波信号经上行链路传输到卫星的接收机中。其次，卫星中的遥测单元多控制进行测距音转发，并最终经发射机向外发射。再次，卫星进行测距音转发的信号经下行链路向地面传送，由测控平台接收。接收后的信号先经下变频器处理，再被载波捕获和PM跟踪解调。其中，载波捕获的信号在测距单元中经多普勒辅助与PM跟踪解调后的主音、传输音分离的数据合并进行二次解调，最终在测距单元实现相位跟踪，最后，测距单元对处理后的数据进行平滑处理，得到测距结果。

另外，在嵌入式卫星测控平台的设计过程中还包括对平台的测试部分。设备(平台)测试过程中使用频谱仪、示波器、PC机、信号源及任一实例的嵌入式卫星测控平台共同完成。

测试过程中，PC端、嵌入式卫星测控平台、信号源、示波器以及频谱仪之间的连接关系如图5所示。

参见图5，图中信号源可模拟卫星产生的中频载波信号，频谱仪用于观察设备输出的中频信号，示波器观测设备视频收发信号。本设计主要在同一载波测控型下对嵌入式测控设备的输入/输出频率范围，输入/输出功率动态范围进行了重点测试。主要步骤有以下：

(1)中频信号的输入/输出；通过PC加载测试程序，输入/输出中频频率可以步进1KHz进行设置在65MHz～75MHz范围内。中频输出信号接至频谱仪以观测信号的频谱图，频谱图可以观测至输出信号的频率。用信号源产生65MHz～75MHz频率范围的信号至嵌入式测控设备的中频输入接口，观测设备的接收状态。经测试设备在65MHz～75MHz的频率范围内输入输出均能正常工作。

(2)输入/输出功率动态范围；通过PC加载测试程序，配置相应的功率输出，输出信号经频谱仪以观测信号的输出功率大小。经测试，发射功率基本等于设计值，经测试接收机灵敏度优于-90dBm，设计动态范围为-90dBm～0dBm。

(3)通道间隔离测试；用信号源产生大功率输出至嵌入式测控设备的中频输入接口，检测测控设备的其它输入通道的接收状态来检查输入隔离情况。使嵌入式测控设备输出一路大功率信号，将另一输出连接至频谱仪观测输出信号功率。经测试在输入输出通道中传输大信号时对其他通道的影响极小，满足测试任务中的隔离要求。

应该注意的是，如上所述的本公开的各种实施例通常在一定程度上涉及输入数据的处理和输出数据的生成。此输入数据处理和输出数据生成可在硬件或者与硬件结合的软件中实现。例如，可在移动装置或者相似或相关的电路中采用特定电子组件以用于实现与如上所述本公开的各种实施例关联的功能。另选地，依据所存储的指令来操作的一个或更多个处理器可实现与如上所述本公开的各种实施例关联的功能。如果是这样，则这些指令可被存储在一个或更多个非暂时性处理器可读介质上，这是在本公开的范围内。处理器可读介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光学数据存储装置。另外，用于实现本公开的功能计算机程序、指令和指令段可由本公开所属领域的程序员容易地解释。

尽管已参照本公开的各种实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可对其进行形式和细节上的各种改变。