航天地面测控站全数字资源池构架的制作方法

[0001]
本发明涉及无线电测控技术领域，尤其涉及一种航天地面测控站全数字资源池构架。


背景技术：

[0002]
航天器地面测控站的主要任务是完成航天器的距离、速度和角度等外测数据的测量、以及遥控数据发送和遥测数据接收，并按约定的接口要求与中心完成相关业务数据交互。站内单套测控设备一般由天伺馈、发射、接收、基带、监控、时频、测试标校、数据交互等分系统组成，按照此架构，测控站往往按照“烟囱式”的建设模式组织实施，如图1所示，即各套设备分别研制相应的分系统，备份天线、发射、接收等前端信道设备和基带等终端处理设备，并配置监控、时频、测试标校、数据交互等公用设备，以独立完成各自分配的测控任务。
[0003]
近年来，随着我国航天事业的不断发展，遥感、测绘、气象、通信、导航等卫星的在轨数量越来越多，测控要求越来越高，同一测控站内往往部署了多套测控设备，以满足日益增长的多星、多任务测控需求。基于“烟囱式”的建筑模式完成多套设备研制，虽然也能保证测控任务执行的可靠性，但这种以数量换能力的做法，特别在同站部署多套测控设备的情况下，是极其浪费和不可取的，将导致公用设备的大量重复建设，前端信道和终端处理设备的冗余热备份，以及设备操控人员配置数量的显著增加等。
[0004]
目前，在一些工程上进行了针对性的改进，例如瑞典基律纳测控站，使用了基于70mhz中频模拟信号的重组方案，如图2所示，通过配置公用的大规模中频交换矩阵，多个同类型天线在中频70mhz处与多个基带进行重组，实现了天线部分与基带部分的重组和调配，建立了一个资源池的原型架构。然而，这种设计方案使得中频开关矩阵成为整站的单点设备，而且为实现所有信道设备与基带设备之间的信号全交换，矩阵规模非常巨大、内部交换网络设计复杂，从而直接影响到整个测控站的任务可靠性。此外，随着新设备的不断加入时，中频开关矩阵的接口数量将成为重要的制约因素，甚至不得以导致整个系统停机配合，这是测控任务所无法接受的。同时，基于模拟信号的重组架构，其射频信号远距离传输中的损耗和失真、中频信号重组中的隔离和干扰问题，也成为该架构无法回避的技术短板。


技术实现要素：

[0005]
本发明目的在于解决上述技术问题，提供一种航天地面测控站全数字资源池架构。
[0006]
为实现本发明的上述目的，本发明提供一种航天器地面测控站全数字资源池架构，包括前端设备、终端设备和公用设备，所述前端设备和终端设备通过数字交换网进行资源重组，并在公用设备配合下，重组为具备特定测控能力的测控系统。
[0007]
根据本发明的一个方面，所述前端设备包括天伺馈设备、功放设备、场放设备、数字化前端设备、跟踪基带设备，所述前端设备连接关系固定，以固定集合形式参与资源重组、并由站内各套设备分别配置。
[0008]
根据本发明的一个方面，所述终端设备为测控基带，该类设备与所述前端设备的连接关系可变，以动态调配方式参与资源重组，并由站内各套设备按需配置。
[0009]
根据本发明的一个方面，所述公用设备包括万兆网交换机、监控、时频、测试标校、数据交互计算机设备，该类设备为全站提供统一的监控、时频、测试标校、信号传输、数据服务功能，可由站内一套设备统一配置。
[0010]
根据本发明的一个方面，所述前端设备实现上下行信号的数字化，通过所述数字化前端设备优选940mchips的采样速率进行射频直采，并进行数字变频和数字信号传输。
[0011]
根据本发明的一个方面，所述万兆网交换机采用开辟缓存抗乱序抖动、传输时延实时校正和双网冗余发送数据，进行基于ip数据包的数字信号传输交换。
[0012]
根据本发明的一个方面，所述跟踪基带将单脉冲跟踪功能从所述测控基带中剥离出来，放置于天线塔基下，与所述天伺馈设备绑定、按照一一对应的方式参与任务。
[0013]
根据本发明的一个方面，所述数字化前端设备包括测控数字化前端和跟踪数字化前端，所述测控数字化前端通过万兆网交换机与测控基带连接，所述跟踪数字化前端与跟踪基带之间采用直连方式。
[0014]
根据本发明的一个方面，所述数字化前端设备与所述测控基带、所述跟踪基带之间均具备双网卡收发能力，并在双万兆网交换机配合下，实现全链路设备完整的1:1热备份。
[0015]
根据本发明的一个方面，所述测控数字化前端包括接收信道、发射信道、信号处理载板、dac子卡、adc子卡、万兆网光纤子卡、频综模块、电源模块；
[0016]
对于射频输入信号的处理流程为：前端场放接收的s段视频信号经接收信道调理后，送高速adc芯片，以960mhz的采样率完成模数转换，然后将数字信号流数据送信号处理载板，采用多相滤波器架构以多通道并行处理方式完成滤波、数字下变频、数据抽取、转化为样本速率大于信号带宽的iq数据，最后将处理后的数字信号流数据送万兆网光纤子卡转换为ip协议包数据，并经光电模块电光转换后送往万兆网交换机；其中，960mhz的采样率是基于无模糊采样要求，并综合考虑接收信道滤波和模数转换的硬件可实现性、以及硬件处理时钟匹配性等要求基础上，综合优选确定。
[0017]
根据本发明的一个方面，对于射频输出信号的处理流程为：万兆网交换机送往数字化前端的测控基带信号，经光电模块转换后送万兆网光纤子卡，首先将ip协议数据转换为数字信号流数据，然后送信号处理载板完成插值滤波、数字上变频，处理后的数据送高速adc芯片进行数模转换生成s频段射频信号，最后经发射信道调理后送往前端功放。
[0018]
根据本发明的一个方面，所述数字化前端设备与测控基带、跟踪基带之间的信号传输采用ip协议完成，由各自配置的万兆网光纤子卡的数据发送模块和数据接收模块负责；
[0019]
所述数据发送模块的工作流程为：首先将数字信号流数据通过成帧处理转换为传输协议中的应用层包数据，接着完成网络协议处理和以太网接口转换，最后通过万兆网交换机输出数据或直接输出数据；
[0020]
所述数据接收模块的工作流程为：接收到ip协议包数据后，进行网络协议的解析，分离出有用数据，对处理后的数据进行crc校验，判决数据包的有效性，然后通过数据缓存模块对收到的网络数据进行插入处理，最后送到数据选择提取模块，选择有效数据包输出
相应的数字信号流数据。
[0021]
根据本发明的一个方面，采用多种措施避免实时传输出现丢包、乱序、抖动等影响测控性能的问题，包括在数字化前端进行抽取滤波降低信号的符号速率，以减轻网络传输压力，在数据接收模块开辟缓存区，以解决传输乱序、抖动问题，在数据传输中设计双网冗余发送以及择优输出机制，以解决传输丢包问题，在数据信号中增加1bit伪码、并基于伪距测量实时校正收发链路的传输时延，以解决网络时延开关机变化和传输抖动问题。
[0022]
本发明的航天地面测控站全数字资源池架构，基于所设计的前端设备固化组合、终端设备灵活重组、公用设备统一配置的资源池架构，以及相应的射频直采、网络可靠传输、时延实时修正、全链路热备份等数字化实现技术，保证了统一站址不同测控设备稳定可靠完成任务、灵活高效实现重组，改变了传统大型测控站以数量保任务的建设模式，为未来走集约高效、按需配置的建设路线奠定基础。
[0023]
本发明的航天地面测控站全数字资源池架构，通过前端数字化、传输ip化、跟踪独立化的硬件架构设计，以及相应的开辟缓存抗乱序抖动、传输时延实时校正和双网冗余发送数据等设计，解决传统模拟交换矩阵规模受限、单点工作等问题的同时，有效克服了网络传输自身抖动、丢包、乱序对测控性能的影响，实现了新设备的灵活接入、前端与后端设备之间的信号全交换、以及数字信号传输的可靠性和实时性。
附图说明
[0024]
图1示意性表示现有技术中航天地面测控站组成示图；
[0025]
图2示意性表示基于中频开关矩阵的资源池原型构架示图；
[0026]
图3示意性表示根据本发明的航天地面测控站全数字资源池架构示图；
[0027]
图4示意性表示数字化前端设备连接示图；
[0028]
图5示意性表示测控数字化前端原理设计框图；
[0029]
图6示意性表示数据发送处理流程图；
[0030]
图7示意性表示数据接收处理流程图；
[0031]
图8示意性表示信号传输时延自校准流程图；
[0032]
图9示意性表示根据本发明一种实施方式测控站单套测控设备组成图；
[0033]
图10示意性表示根据本发明一种实施方式的数字化前端设备组成框图；
[0034]
图11示意性表示根据本发明万兆网光纤子卡原理框图；
[0035]
图12示意性表示跟踪北斗卫星的测角误差；
[0036]
图13示意性表示跟踪北斗卫星的测距误差；
[0037]
图14示意性表示跟踪北斗卫星的测速误差。
具体实施方式
[0038]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
[0039]
如图3所示，为了改变传统测控站“烟囱式”的建设模式，本发明提供了一种航天地面测控站全数字资源池架构，其主要包括要包括前端设备、终端设备、公用设备等三部分。前端设备和终端设备通过数字交换网进行资源重组，并在公用设备配合下，重组为具备特
定测控能力的测控系统。各部分的设备组成及总体要求如下：
[0040]
前端设备主要包括天伺馈设备、功放设备、场放设备、数字化前端设备、以及跟踪基带等设备，该类设备连接关系固定，以固定集合形式参与资源重组，并由站内各套设备分别配置。
[0041]
终端设备主要指测控基带，该类设备与前端设备的连接关系可变，以动态调配方式参与资源重组，并由站内各套设备按需配置，即根据任务需求与测站能力，配置相应数量的基带设备。
[0042]
公用设备主要包括万兆网交换机、监控、时频、测试标校、数据交互计算机等设备，该类设备为全站提供统一的监控、时频、测试、标校、信号传输、数据交互服务功能，可由站内一套设备统一配置。
[0043]
本发明的航天地面测控站全数字资源池架构，与现有烟囱式架构相比实现了从模拟到数字的转变，具备了灵活重组、快速接入的能力，具体区别包括：
[0044]
一是前端数字化，即前端设备中增配数字化前端设备，替代收发分系统中的上下变频器，并采用射频直采方式，将模拟变频和模拟信号传输调整为数字变频和数字信号传输。
[0045]
二是传输ip化，即通过增配万兆网交换机，替代大规模中频交换矩阵，并采用开辟缓存抗乱序抖动、传输时延实时校正和双网冗余发送数据等设计，将点对点的模拟信号传输交换调整为基于ip数据包的数字信号传输交换，并保证网络传输的可靠性和实时性。
[0046]
三是跟踪独立化，即通过增配跟踪基带，将单脉冲跟踪功能从测控基带中剥离出来，与天伺馈设备按照一对一绑定的方式参与任务，避免资源重组后增加额外的标校工作。
[0047]
如图4所示，数字化前端设备主要要成下行接收信号的模数转换、以及上行发射信号的数模转换，并保证信号在上下行链路与基带之间的高效可靠性传输。根据具体任务的不同，可分为测控数字化前端、跟踪数字化前端，二者与上下行设备、以及基带设备之间的连接如图4所示。其中测控数字化前端通过万兆网交换机与测控基带连接，确保所有信道设备与基带设备之间的信号全交换，以及新的前端设备和终端设备的快速接入要求，跟踪数字化前端与跟踪基带之间采用直连方法，满足信号跟踪的实时性要求，数字化前端与基带之间均具备双网卡收发能力，并在双万兆网交换机配合下，实现全链路设备完整的1:1热备份要求。
[0048]
如图5所示，本发明的测控数字化前端包括接收信号、发射信道、信号处理载板、dac子卡、adc子卡、万兆网光纤子卡、频综模块、电源模块等组成。其中射频输入信号处理流程为前端场放接收的s频段射频信号经接收信道调理后，送高速adc芯片，以960mhz的采样率完成模数转换，然后将数字信号流数据送信号处理载板，采用多相滤波器架构以多通道并行处理方式完成滤波、数字下变频、数据抽取，转换为样本速率大于信号带宽的iq数据，最后将处理后的数字信号流数据送万兆网光纤子卡转换为ip协议包数据，并经光电模块电光转换后送往送万兆网交换机。对于adc芯片采样率f
s
，需满足带通采样定理要求，如下式所示：
[0049]
其中：f
c
为信号中心频率，b为信号带宽，m取值范围为；此外，综合考虑接收信道滤波和模数转换的硬件可实现性、以及硬件处理时钟
匹配性等要求基础上，综合优选确定f
s
为960mhz。
[0050]
射频输出信号处理流程为：万兆网交换机送往数字化前端设备的基带信号，经光电模块转换后送万兆网光纤子卡，首先将ip协议包数据转换为数字信号流数据，然后送信号处理载板完成插值滤波、数字上变频，处理后的数据送高速dac芯片进行数模转换生成s频段射频信号，最后经发射信道调理后送往前端功放。此外，射频信号在送入接收信道和发射信道前，还具备耦合输出能力，以便于监测射频信号的输入输出质量。
[0051]
在本发明中，跟踪数字化前端与测控数字化前端采用相同的设计架构、以及相同的信号处理流程，在此不做赘述。但由于跟踪数字化前端无需上行发射功能，因此未配置发射信道和dac子卡。
[0052]
本发明的航天地面测控站资源池架构，数字化前端与基带之间的信号传输采用ip协议完成，具体工作由万兆网光纤子卡的数据发送模块和数据接收模块负责。其中，部署于基带中的数据发送模块和数字化前端的数据接收模块配合使用，完成上行信号的传输，部署于数字化前端的数据发送模块和基带的数据接收模块配合使用，完成下行信号的传输。
[0053]
在本发明中，数字发送模块工作流程为：先将数字信号流数据通过成帧处理转换为传输协议中的应用层包数据，接着完成网络协议处理和以太网接口转换，最后通过两个万兆网交换机输出数据、或直接输出，如图6所示。其中，信号传输协议采用ieee 802.3标准协议簇，对应用层、网络层、传输层根据需求自定义明确，其它协议层参见标准规范。
[0054]
数据接收模块工作流程为：接收到ip协议包数据后，进行网络协议的解析，分离出有用数据，对处理后的数据进行crc校验，判决数据包的有效性，然后通过数据缓存模块对收到的网络数据进行插入处理，解决数据在网络传输时出现的乱序、抖动问题，最后送到数据选择提取模块，基于双网冗余发送的数据，选择有效数据包输出相应的数字信号流数据，解决数据在网络传输时出现的丢包问题，如图7所示。此外，数据缓存设置为9包，在保证网络包乱序纠正的能力下，兼顾跟踪、遥控对实时性处理的要求以及数据处理资源的需求。
[0055]
此外，在本发明中，为了解决数据缓冲、网络传输、信号处理时钟之间变化或抖动造成的系统零值变化，针对性引入了信号传输时延自校准设计，具体如图8所示，其工作原理为：首先由测控基带的传输自修正时延模块产生1bit伪码，并依次通过上行通路和下行通过环回至该模块，然后将恢复的伪码信号与原信号进行匹配处理完成网络时延测量，最后将网络时延测量值送测控基带相应的处理模块完成网络时延校准。
[0056]
在本发明，独立跟踪基带设计实现方式为：硬件上采用fpga+dsp架构，软件上采用软件无线电技术，分时加载不同测控体制的跟踪软件。同时，为了避免复杂的跟踪校相工作，跟踪基带与测控基带保持独立设计，与对应的天线绑定使用，为避免万兆网传输中时延问题对跟踪带来的影响，跟踪基带直接与跟踪数字化前端连接，放置于天线塔基下。
[0057]
此外，当左、右旋同时接收时，两个旋向的择优由测控基带根据确定的择优判断标准进行选择，系统监控根据测控基带的旋向，切换跟踪接收到的相应旋向，同时跟踪基带自动切换该选项对应的设备组合号和移相值。
[0058]
以下以西安卫星测控中心某站同批次研制的多套测控设备为例，对本发明的航天地面测控站资源池架构进行阐述，同时给出具体任务的实测数据作为进一步的应用证明。
[0059]
如图9所示，单套设备有单套测控设备由天伺馈、发射、高频接收、数字化前端、多功能数字基带、监控、时频、测试标校、数据交互等9个分系统组成，分为前端设备、终端设
备、公用设备等三部分，并分别部署于天线中心体、天线塔基机房和后端主机房中，具体连接关系如图9所示。
[0060]
本实施方式中数字化前端设备的设计实现如下：数字化前端分为测控数字化前端和跟踪数字化前端两类，二者采用统一化设计，区别仅在于是否配置上行发射相关的模块，如表1所示。因此，仅阐述测控数字化前端设计实现，其设计框图如图10所示，具体方案如下所述。
[0061][0062]
表1数字化前端分系统设备配置
[0063]
接收信道主要完成下行和路/差路信号和遥控小环信号的滤波、放大、衰减处理，主要由滤波器、放大器、数控衰减器、耦合器等组成。其中，滤波器需适应30mhz和100mhz带宽的滤波要求，数控衰减器具备40db的可调范围，耦合器用于测试下行射频信号质量。接收信道一般配置4个单通道模块，其中，对于测控数字化前端，三个用于下行和路信号，满足双频点、多体制、极化合成需求，另外一个用于遥控小环信号；对于跟踪数字化前端，两个用于下行和路/差路信号，另外两个为扩展预留。
[0064]
发射信道主要完成上行发射信号和模拟源发射信号的滤波、放大、增益调节处理，主要由耦合器、放大器、滤波器、数控衰减器等组成。其中，数控衰减器具备40db的可调范围，滤波器适应100mhz带宽的滤波要求，耦合器用于测试经数字化前端产生的上行模拟信号质量。此外，发射信道一般配置2个单通道模块，其中一个用于上行发射信号，满足左右旋分时任务需求。
[0065]
adc子卡主要完成4路射频接收信号的模数转换，设计为采用标准单宽fmc形式、具有4路射频信号同步采样的a/d转换标准子卡，其中采样位数需满足70db的信号动态要求，采样频率需满足带通采样定理，实际应用中选择960mhz的采样频率。
[0066]
dac子卡主要完成2路测控基带产生数字信号的数模转换，设计为采用标准单宽fmc形式、具有2路射频信号同步采样的d/a转换标准子卡，采用超奈奎斯特架构，利用数模转换中的频谱搬移特性，在第二和第三奈奎斯特区域直接获取所需的射频调制信号。
[0067]
信号处理载板主要完成高速采样后的下行数字信号的滤波、变频、降速等工作，主要由主控fpga、信号处理fpga、供电电路以及外围接口电路等组成。其中，主控fpga通过网口与上级监控通信，完成状态上报和参数接收并下发，能够对参数进行合法性判断，能够接
收程序更新命令对信号处理fpga进行程序更新。信号处理fpga通过fmc连接器分别与adc子卡和dac子卡连接，其信号处理流程为：对于下行数字信号，首先将数模采样后的数字信号流数据下变频至零中频，然后采用多相滤波器架构完成滤波、降速处理，得到样本速率大于信号带宽的iq数据，最后送万兆网光纤子卡进行网络协议包数据处理；对于上行数字信号，接受万兆网光纤子卡送来的数字信号流数据后，主要完成插值滤波和必要的数字上变频，得到适应模数转换所需采样速率的数字信号流数据，然后送da子卡进行模数转换。
[0068]
频综主要实现内外10mhz参考信号的自动切换，并产生1920mhz时钟信号，供adc、dac以及信号处理载板使用。电源选用电磁屏蔽性能优化设计产品，电源采用双电源备份设计。二者均为成熟产品，具体实现细节不再赘述。
[0069]
信号传输设计实现：信号传输指数字化前端与测控基带之间的数字信号交互，是系统重组和设备接入的基础，主要通过万兆网光纤子卡经万兆网交换机或以直联的形式完成。其中，万兆网光纤子卡收发一体设计，结构上分别集成于数字化前端或测控/跟踪基带的信号处理基板上；万兆网交换机选用主流货架产品，本专利使用华为s12704。
[0070]
在硬件实现上，万兆网光纤子卡主要由fpga与2个光收发一体模块组成，如图11所示，其主要功能包括三个方面：一是完成数字化前端或测控/跟踪基带的载板与万兆光纤子卡之间的高速串行数据传输，二者之间通过gtx互联；二是完成万兆光纤子卡到万兆网交换机之间的高速数据传输，二者之间通过微型光收发一体模块互联，三是由fpga完成高速串行数据与网络协议数据包的格式转换、以及网络数据包的收发。
[0071]
在信号处理上，由万兆网光纤子卡的fpga完成，具体包括数据发送模块和数据接收模块两部分。其中，基带的数据发送模块和射频数字化前端的数据接收模块配合使用，完成上行基带数字信号的传输；射频数字化前端的数据发送模块和基带的数据接收模块配合使用，完成下行基带数字信号的传输。数据传输时，同时生成两路数据，然后通过两个万兆网交换机的相应网口进行冗余传输，实现双网1:1热备份。
[0072]
数据发送模块的信号流程如下：a/d后的数字信号流数据按网络协议要求首先完成成帧处理，然后依次执行udp协议处理、ip协议处理、mac协议处理和电光转换处理，生成用于万兆网传输的ip协议包数据，通过万兆网交换机或直接输出的方式完成数据发送。信号传输协议设计中采用ieee 802.3标准协议簇，根据需求自定义对网络层、传输层、应用层进行明确，其它协议层参见标准规范。
[0073]
数据接收模块的信号流程实际为数据发送模块相关流程的逆处理，但需要强调的是为避免万兆网传输导致的抖动、丢包、乱序等问题，在网络协议解析分离出有用数据、并进行crc校验后，一是通过双网冗余发送的数据，然后选择有效数据包输出相应的数字信号流数据，在一路网络传输数据出现丢包时选择另一路数据，二是设计缓存区，实际工程中一般设置为9包，以进一步降低网络传输抖动、乱序等问题，同时还兼顾跟踪、遥控对实时性处理的要求以及数据处理资源的需求。
[0074]
此外，为避免网络时延变化对测量精度的影响需进行时延实时校正，具体方法为：在上行通路中，由测控基带的传输自修正时延模块产生1bit伪码校正信号，与上行信号通过数据合路合成一路数据后，按照数据发送和接收流程，依次通过上行通路和下行通过环回至该模块，并恢复1bit伪码信号与下行信号，恢复的1bit伪码信号与伪码产生器产生的伪码进行匹配处理，计算伪码相关相位完成网络时延测量，最后将网络时延测量值送测控
基带相应的处理模块完成网络时延校准。
[0075]
基于所设计的航天地面测控站资源池架构实现的地面测控设备，于2020年5月对北斗meo卫星进行了跟踪测控，测角、测距、测速结果如图12～14所示，根据统计测角随机误差为0.008
°
，测距随机误差为0.91m，测速随机误差为0.16cm/s，均满足系统指标要求。
[0076]
本发明的航天地面测控站资源池架构，基于所设计的前端设备固化组合、终端设备灵活重组、公用设备统一配置的资源池架构，以及相应的射频直采、网络可靠传输、时延实时修正、全链路热备份等数字化实现技术，保证了统一站址不同测控设备稳定可靠完成任务、灵活高效实现重组，改变了传统大型测控站以数量保任务的建设模式，为未来走集约高效、按需配置的建设路线奠定基础。
[0077]
本发明的航天地面测控站资源池架构，通过前端数字化、传输ip化、跟踪独立化的硬件架构设计，以及相应的开辟缓存抗乱序抖动、传输时延实时校正和双网冗余发送数据等设计，解决传统模拟交换矩阵规模受限、单点工作等问题的同时，有效克服了网络传输自身抖动、丢包、乱序对测控性能的影响，实现了新设备的灵活接入、前端与后端设备之间的信号全交换、以及数字信号传输的可靠性和实时性。
[0078]
以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。