李成娟，張 研，顧炎極，張曉莉，蔣麗鳳

（1.中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，北京 100037；2.中國(guó)人民解放軍63601部隊(duì)，甘肅 酒泉 732750；3.北京中科航天人才服務(wù)有限公司，北京 100032）

0 引 言

自2014年我國(guó)提出“鼓勵(lì)民間資本研制、發(fā)射和運(yùn)營(yíng)商業(yè)遙感衛(wèi)星，提供市場(chǎng)化、專業(yè)化服務(wù)”以及2015年軍民融合發(fā)展上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面后，我國(guó)商業(yè)航天迎來了快速發(fā)展的契機(jī)。五年來，國(guó)內(nèi)多家民營(yíng)火箭公司如北京藍(lán)箭、零壹空間等，成為商業(yè)航天的先行者并且均執(zhí)行了首次發(fā)射任務(wù)。雖然任務(wù)中出現(xiàn)了不同程度上的失利，但總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，如何確保在發(fā)射各個(gè)環(huán)節(jié)中實(shí)時(shí)準(zhǔn)確掌握航天器狀態(tài)變得尤為重要。特別是在航天器待發(fā)段期間，通過地面遙測(cè)設(shè)備以及監(jiān)控站接收遙測(cè)信號(hào)，全面了解和掌握航天器的各項(xiàng)工作指標(biāo)，確保其工作狀態(tài)正常。

目前，受塔架復(fù)雜環(huán)境影響，地面遙測(cè)設(shè)備接收的一般都是散射信號(hào)，多徑干擾嚴(yán)重，信號(hào)極不穩(wěn)定，無法穩(wěn)定獲取遙測(cè)數(shù)據(jù)，且監(jiān)控站與航天器相距較遠(yuǎn)，接收的遙測(cè)信號(hào)質(zhì)量較差[1]。此外，由于不同航天器發(fā)射地點(diǎn)不同，為保證遙測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定接收，地面遙測(cè)設(shè)備只能在有限區(qū)域部署，使得同時(shí)兼顧多任務(wù)的遙測(cè)信號(hào)穩(wěn)定接收更加困難。

在此背景下，為滿足航天器待發(fā)段期間遙測(cè)信號(hào)的測(cè)試轉(zhuǎn)發(fā)要求，設(shè)計(jì)了同頻遙測(cè)信號(hào)雙方向轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)，可解決遙測(cè)信號(hào)不穩(wěn)定的問題，確保地面遙測(cè)設(shè)備和監(jiān)控站雙向的信號(hào)接收、解調(diào)正常。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)塔架復(fù)雜環(huán)境引起的多徑干擾影響，導(dǎo)致遙測(cè)信號(hào)接收不穩(wěn)定、解調(diào)判讀困難的難題，設(shè)計(jì)適應(yīng)“塔架特殊電磁環(huán)境”、“具備兼顧多任務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)能力”、“具有主備雙鏈路、雙方向獨(dú)立轉(zhuǎn)發(fā)”；“深度自動(dòng)增益控制（Automatic Gain Control，AGC）設(shè)計(jì)、大動(dòng)態(tài)范圍”；“網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控、可視化操作、無人值守、遠(yuǎn)程精確調(diào)控”等特點(diǎn)的一體化解決方案。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

同頻遙測(cè)信號(hào)雙方向轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)由六部分組成：定向轉(zhuǎn)發(fā)天線、同頻轉(zhuǎn)發(fā)主機(jī)、預(yù)處理設(shè)備、光傳輸部分、監(jiān)控部分以及輔助設(shè)備，具體如圖1所示。系統(tǒng)支持多任務(wù)的遙測(cè)信號(hào)分時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)。不同任務(wù)，前端采用不同的定向轉(zhuǎn)發(fā)天線以及預(yù)處理通道、光纖傳輸通道傳輸信號(hào)；后端則是共用同頻轉(zhuǎn)發(fā)主機(jī)，其采用主備鏈路熱備份設(shè)計(jì)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1.3 轉(zhuǎn)發(fā)模式

系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)模式采用有線與無線相結(jié)合、微波光纖中繼轉(zhuǎn)發(fā)的方式。其中，有線無線相結(jié)合轉(zhuǎn)發(fā)是前端、后端與外部系統(tǒng)的接口均采用無線方式，系統(tǒng)內(nèi)則采用有線傳輸方式；微波光纖中繼轉(zhuǎn)發(fā)是預(yù)處理器與同頻轉(zhuǎn)發(fā)主機(jī)之間，通過光端機(jī)將微波信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，采用光纖實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、可靠轉(zhuǎn)發(fā)。而預(yù)處理設(shè)備與定向轉(zhuǎn)發(fā)天線之間，以及同頻轉(zhuǎn)發(fā)主機(jī)與發(fā)射天線之間均采用射頻線纜連接，完成微波信號(hào)的傳輸。

1.4 系統(tǒng)組成及功能

系統(tǒng)由硬件設(shè)備以及監(jiān)控軟件組成，其中硬件設(shè)備組成如圖2所示，包括定向轉(zhuǎn)發(fā)天線、預(yù)處理設(shè)備、光傳輸通道、同頻轉(zhuǎn)發(fā)主機(jī)、發(fā)射天線。定向轉(zhuǎn)發(fā)天線接收航天器遙測(cè)同頻無線信號(hào)；多通道預(yù)處理設(shè)備對(duì)多路同頻信號(hào)進(jìn)行分路窄帶濾波、功率均衡調(diào)控；光傳輸模塊完成射頻信號(hào)與光信號(hào)的轉(zhuǎn)換及遠(yuǎn)距離傳輸；同頻轉(zhuǎn)發(fā)主機(jī)包含切換開關(guān)、小信號(hào)放大模塊、濾波模塊、功率放大模塊，負(fù)責(zé)完成對(duì)同頻信號(hào)的自動(dòng)增益控制、濾波及功率放大；發(fā)射天線負(fù)責(zé)完成向地面遙測(cè)設(shè)備及監(jiān)控站雙方向的遙測(cè)信號(hào)定向輻射，包括水平極化發(fā)射天線以及垂直極化發(fā)射天線。

圖2 同頻遙測(cè)信號(hào)雙方向轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)

1.5 關(guān)鍵技術(shù)

（1）多通道預(yù)處理技術(shù)：對(duì)多路同頻遙測(cè)信號(hào)進(jìn)行分頻、分路調(diào)理，實(shí)現(xiàn)了多路同頻遙測(cè)信號(hào)的并行處理，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)有效信號(hào)的隔離，避免多信號(hào)的混疊以及強(qiáng)信號(hào)對(duì)弱信號(hào)的壓制，有效解決了塔架特殊電磁環(huán)境下的多路電磁信號(hào)間的相互干擾問題，保證多路遙測(cè)信號(hào)同時(shí)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)發(fā)[2]。能滿足地面遙測(cè)設(shè)備或監(jiān)控站對(duì)遙測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離信號(hào)接收。

（2）“雙獨(dú)立鏈路分路功率調(diào)控、兩組定向天線發(fā)射”設(shè)計(jì)，可同時(shí)兼顧地面遙測(cè)設(shè)備、監(jiān)控站兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)發(fā)[3]。由于地面遙測(cè)設(shè)備、監(jiān)控站兩個(gè)接收端與發(fā)射天線的距離不同、接收方位指向不同，故采用兩路獨(dú)立的功率放大通道，可分路調(diào)控每一通道的輸出信號(hào)功率大小，同時(shí)采用兩組“高增益、窄波束、低副瓣、極化隔離”的發(fā)射天線，確保兩個(gè)方向上均能接收到穩(wěn)定的遙測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)且有效抑制干擾[4]。

（3）同頻轉(zhuǎn)發(fā)主機(jī)采用深度自動(dòng)增益控制技術(shù)（AGC），提高信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍且微步進(jìn)可調(diào)控，具有微弱信號(hào)接收處理能力，通過調(diào)控可準(zhǔn)確滿足遙測(cè)系統(tǒng)的接口電平要求，可改善因信號(hào)不穩(wěn)定帶來的接收機(jī)性能下降的影響[5]。

1.6 工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖3所示，根據(jù)任務(wù)需求，首先選通前端相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)通道。以通道一為例進(jìn)行說明。由定向天線一負(fù)責(zé)接收多路同頻遙測(cè)無線信號(hào)，并傳輸至多通道預(yù)處理1進(jìn)行信號(hào)分路濾波、調(diào)控、功率均衡，抑制同頻干擾，提高有用信號(hào)信噪比，然后輸出至光傳輸通道1。光傳輸通道1接收多通道預(yù)處理設(shè)備1傳輸?shù)纳漕l信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化成光信號(hào)，通過光纖進(jìn)行長(zhǎng)距離光信號(hào)傳輸，并最終將光信號(hào)恢復(fù)成原射頻信號(hào)，傳輸給同頻轉(zhuǎn)發(fā)主機(jī)。

其次，對(duì)同頻轉(zhuǎn)發(fā)主機(jī)進(jìn)行主備鏈路選通。如圖3所示，同頻轉(zhuǎn)發(fā)主機(jī)采用主備雙鏈路冗余設(shè)計(jì)。在任務(wù)執(zhí)行中設(shè)置為主路鏈路信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)。即發(fā)射任務(wù)一的遙測(cè)信號(hào)首先經(jīng)過主路小信號(hào)放大模塊1進(jìn)行信號(hào)放大，然后經(jīng)過主路濾波模塊、主路功分模塊后，輸出兩路信號(hào)。其中一路信號(hào)進(jìn)入主路地面遙測(cè)設(shè)備方向的信號(hào)功率放大模塊1；另外一路信號(hào)則進(jìn)入主路監(jiān)控站方向的信號(hào)功率放大模塊進(jìn)行信號(hào)功率放大2。

最后，通過極化隔離的兩個(gè)不同發(fā)射天線將遙測(cè)信號(hào)同時(shí)向地面遙測(cè)設(shè)備、監(jiān)控站雙方向轉(zhuǎn)發(fā)。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 系統(tǒng)測(cè)試

利用信號(hào)源作為系統(tǒng)測(cè)試的信號(hào)輸入，通過頻譜儀監(jiān)視信號(hào)經(jīng)過該系統(tǒng)鏈路轉(zhuǎn)發(fā)后的信號(hào)輸出情況，系統(tǒng)測(cè)試鏈路如圖4所示。根據(jù)指標(biāo)要求固定信號(hào)源輸入（高、中、低電平輸入），通過頻譜儀監(jiān)控輸出，并調(diào)整前、后端設(shè)備衰減至輸出穩(wěn)定在指標(biāo)要求的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，并標(biāo)定動(dòng)態(tài)范圍最大值及最小值時(shí)的設(shè)備衰減設(shè)置值，具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表1～表6所示。

圖4 系統(tǒng)測(cè)試鏈路框圖

2.2 測(cè)試結(jié)果

1）一通道至遙測(cè)設(shè)備下行鏈路測(cè)試見表1，一通道各支路間的隔離情況見表2。

表1 下行鏈路測(cè)試（一通道至遙測(cè)設(shè)備）

表2 一通道各支路間的隔離情況

2）二通道至遙測(cè)設(shè)備下行鏈路測(cè)試見表3，二通道各支路間的隔離情況見表4。

表3 下行鏈路測(cè)試（二通道至遙測(cè)設(shè)備）

表4 二通道各支路間的隔離情況/dB

3）一通道至監(jiān)控站下行鏈路測(cè)試見表5。

表5 下行鏈路測(cè)試（一通道至監(jiān)控站）

4）二通道至監(jiān)控站下行鏈路測(cè)試見表6。

表6 下行鏈路測(cè)試（二通道至監(jiān)控站）

2.3 測(cè)試小結(jié)

經(jīng)過實(shí)際測(cè)試：（1）預(yù)處理器各支路同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)的相鄰頻點(diǎn)信號(hào)隔離度良好，均滿足≥60 dB的隔離要求；（2）經(jīng)同頻遙測(cè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)輻射的信號(hào)正常、質(zhì)量良好；到達(dá)接收端的信號(hào)電平均滿足地面遙測(cè)設(shè)備以及監(jiān)控站的解調(diào)要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

商業(yè)航天發(fā)射任務(wù)期間，特別是在航天器代發(fā)段階段，地面遙測(cè)設(shè)備以及監(jiān)控站均存在無法穩(wěn)定接收遙測(cè)信號(hào)的問題。因此，設(shè)計(jì)研發(fā)了同頻信號(hào)雙方向轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)已完成實(shí)際測(cè)試，經(jīng)檢驗(yàn)：性能良好，雙方向接收端接收的信號(hào)電平符合解調(diào)要求。