測控信號的動態模擬

蘭宏志

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

測控信號的動態模擬

蘭宏志

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

測控信號的動態模擬包括對距離、速度、加速度、傳輸損耗等狀態參數的模擬。以大容量存儲器為延時線,基于存儲轉發模式對測控信號進行高精度的動態模擬,可以解決遠距離、高精度與有限的存儲容量、讀寫速率之間的矛盾。載波解調后存儲和不解調直接存儲兩種處理方法可以解決高速調制和中低速調制兩種應用場合測控信號的動態模擬。

測控系統;標校設備;動態模擬;存儲轉發模式

在測控系統的研制和應用中,離不開一套具有動態模擬[1]功能的標校設備來驗證系統在動態環境下的性能指標和狀態,特別是接收系統的捕獲門限[2]、誤碼率、距離、速度、加速度等參數在動態和靜態情況下的差異,需要在任務前充分認識。本文針對不同的應用場景,對測控信號動態模擬在工程中的實現方法進行闡述,并分析了影響動態模擬精度的主要因素。

1 工作原理

測控信號的動態模擬包括回波信號的相位或者時延(即距離)、多普勒頻移或者頻移變化(即速度或者加速度)和幅度(即各種路徑損失)、角度偏移等。

運動物體的距離變化和速度的關系嚴格遵守運動方程,一般連續波測控信號的測距是用測相或者測時來實現的,目標運動時距離發生變化,接收回波的相位也會發生變化,相關地產生回波多普勒頻移ωd,對應的收/發信號間的相位差 φ=ωdt發生變化,等效為時延變化,亦即距離發生變化。

運動學中,點目標的矢徑運動方程[3]為

工程中,進行距離速度的模擬,將目標運動軌跡用一個冪級數來表示,一般用前三項近似就能夠反映目標運動的動態特征,第一項為起始分量,第二項為速度分量,第三項為加速度分量。

將式(2)、(3)、(4)代入式(1)得:

式中,τ0為回波起始時延,φ0為對應的相位(有模糊),f0為載波頻率,fm為測距信號頻率,f0d和fmd分別為載波和測距信號的多普勒頻率,﹒f0d和﹒fmd分別為載波和測距信號多普勒頻移的變化率。

2 動態模擬的實現

2.1 距離模擬

根據動態模擬的原理,模擬距離就是模擬測距信號的相位延時,模擬距離隨速度變化就是模擬測距信號的相位延時的同時其上面對應的多普勒頻率及其變化,實現上述過程有原發和轉發兩種基本的方法。

2.1.1 原發模式

原發模式就是用相干產生相位[4]和多普勒頻率受控的目標信號,其原理如圖1所示,根據軌道參數計算出速度和加速度參數對應的多普勒頻率及其變化率,用統一的基準頻標產生模擬器需要的動態頻標,再用動態頻標產生相干的中頻載波和相干的測距信號(側音或者測距碼)以及相干的本振,混頻后的射頻信號也與動態頻標嚴格相關,初始距離模擬可以通過對相干測距信號進行延時計數來實現。

圖1 相干產生動態模擬源Fig.1 Coherent generation of dynamic simulation source

2.1.2 轉發模式

轉發模式是動態模擬器接收目標信號進行延時和多普勒頻率處理,分為解調和不解調兩種處理方法。直接把收中頻信號進行A/D,不做解調,量化后的數字信號直接存儲在大容量的存儲器中進行透明轉發,其原理框圖如圖2所示。

圖2 收中頻信號不解調動態模擬框圖Fig.2 Dynamic simulation diagram of receiving intermediate frequency signal without demodulation

根據軌道數據中的初始距離參數對應的時延進行距離延時,模擬初始距離;根據軌道參數中的速度參數對應的多普勒頻率對存儲器中的數據進行頻率拉伸和壓縮,使其在距離延時的同時帶上速度對應的多普勒頻率,從而模擬目標運動時距離隨速度發生變化。這種透明模式的存儲轉發動態模擬方式,中頻信號處理比較簡單,但中頻和信道混頻本振需要同時加載對應的多普勒頻率,且要求存儲器的存儲容量大,讀寫時鐘高,一般適用于數據速率不很高的低中頻模擬的數字處理及上下行調制模式相同的測控系統。

轉發模式的另一種方法是對接收目標信號先進行載波解調,解調后的基帶信號進行延時和多普勒頻率處理,中頻載波只做多普勒頻率加載不做延時處理,完成相應處理后的基帶信號和中頻載波重新調制,形成動態模擬信號,其原理框圖如圖3所示。根據軌道數據中的初始距離參數對應的時延進行距離延時,模擬初始距離;根據軌道參數中的速度參數對應的多普勒頻率分別控制載波頻率和大容量存儲器中的測距信號,使其帶上對應的多普勒頻率,從而模擬目標運動時距離隨速度發生變化。這種模擬方法要求存儲器的存儲容量相對較小,信道混頻本振不需要實時加載多普勒頻率,但中頻信號處理比較復雜,需要解調和重新調制轉發,載波和測距信號上分別加多普勒頻率,一般適用于數據速率很高的高中頻模擬的數字處理及上下行調制模式不相同的測控系統。

圖3 收中頻信號解調存儲動態模擬框圖Fig.3 Dynamic simulation diagram of receiving intermediate frequency signal with demodulation

2.1.3 距離模擬精度

距離模擬的精度主要取決于時延控制的精度,系統時鐘穩定度、信道時延波動等也是影響距離模擬精度的因素。距離模擬的范圍由存儲器的深度決定,設計存儲器的存儲容量時還要考慮最大多普勒頻率條件下,在一定時間內存儲器不會被寫滿溢出或者讀空,合理設計存儲器的存儲空間大小和讀寫時鐘高低,可以實現大范圍高精度的動態模擬,當前距離模擬精度可以優于1 m。目前市面上的存儲器有雙口RAM、內存條顆粒、DDR2、DDR3內存條和固態硬盤等,讀寫速度可以達到100～400 Mbyte/s,可根據距離模擬的遠近和精度要求選擇。

2.2 速度及加速度模擬

測速的原理是測量收、發信號的載波多普勒頻移,速度及加速度模擬的方法就是使轉發信號的載波頻率按照速度及加速度對應的多普勒頻率及其變化率改變,載波多普勒頻率變化的同時測距副載波或碼鐘上也要反映多普勒頻率及其變化率。

假設模擬器接收射頻頻率為 ft,模擬器發射射頻頻率為fr,中頻載波頻率為fI,本振頻率為fL,測距音(或者擴頻碼速率)為fm,光速為c,目標徑向速度為v,加速度為a,轉發比為ρ,則單向多普勒頻率

雙向多普勒頻率及其變換率

一般通過改變DDS頻率控制字來實現多普勒頻率及其變化,若DDS的參考鐘為fclk,DDS的相位字長32 bit,則中頻載波頻率控制字

多普勒模擬頻率控制字

速度模擬是建立在頻率相關基礎上的,收發頻率和混頻本振都必須與同一個頻標10 MHz嚴格相關,DDS的相位字長足夠,速度模擬精度可以達到很高。

2.3 空間損耗模擬

無線電信號在傳輸過程中總會造成損耗,自由空間損耗是其主要的損耗形式,此外,還有大氣吸收、多徑、折射等損耗,本文主要討論自由空間損耗即距離遠近導致的信號電平變化。

距離遠近導致的信號電平變化可根據雷達方程式(12)來進行計算:

其中,Sr為目標與雷達距離為R處的功率密度,Pt和Gt分別為發射功率和發射天線增益。可知信號的電平在已知發射功率和天線增益(包括收天線增益)的情況下和距離的平方成反比關系[5]。

自由空間的損耗其中,Pt和Pr分別為發射和接收天線功率,At和Ar分別為發射和接收天線有效面積,f為信號頻率,R為傳輸距離,c為光速。

由以上推導可知,在信號頻率、收發功率和天線增益確定的情況下,信號在自由空間的損耗只與距離有關。在進行幅度模擬時,根據軌道參數計算出不同距離對應的信號衰減量,通過控制數控衰減器的衰減量來控制已做距離速度及加速度模擬的動態目標信號輸出幅度,模擬距離遠近變化引起的電平變化。幅度模擬的精度取決于數控衰減器的精度,高精度的幅度模擬要求衰減器幅度控制精度和幅相一致性都要高。

3 結束語

本文介紹了測控信號動態模擬在工程中的實現方法,對原發模式和存儲轉發模式的動態模擬方式的適應場景以及兩種模式對距離速度、加速度以及自由空間損耗等參數的模擬實現方法進行了詳細闡述,分析了影響模擬精度的主要因素,但測控系統對動態模擬器的精度和逼真度要求越來越高,系統除了要求具有大的距離模擬范圍和高的模擬精度外,還要求對多徑、色散、雨衰等參數進行模擬,設計一套多功能、高精度、通用型的動態模擬器,需要在以后的工作中深入研究。

[1]劉嘉興.飛行器測控通信過程[M].北京:國防工業出版社,2010.

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FAN Chang-xin,ZHANG Fu-yi,XU Bin-xiang,et al.Communication Principle[M].Beijing:National Defense Industry Press,2001.(in Chinese)

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[5]雷鳴,李珂.采用閉環雙口RAM實現深空動態模擬源設計[J].電訊技術,2011,51(3):33-36.

LEI Ming,LI Ke.Design of dynamic simulator source for deep space communication by using close loop dual-port RAM[J].Telecommunication Engineering,2011,51(3):33-36.(in Chinese)

LAN Hong-zhi was born in Santai,Sichuan Province,in 1966.He is now an engineer.His research concerns TT&C and satellite dynamic simulation.

Email:lanhongzhi666@163.com

Dynamic Simulation of TT&C Signal

LAN Hong-zhi
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Dynamic simulation parameters of TT&C signal include distance,velocity,acceleration and propagation loss,etc.The proposed method based on high capacity storage as delay line and storage-transmission mode can solve the confliction among high precision,limited storage capacity and read-write rate.Storage after demodulation and direct storage without demodulation can realize the dynamic simulation of TT&C signal in high-speed data rate modulation and medium-low-speed data rate modulation application scenarios.

TT&C system;calibration equipment;dynamic simulation;storage-transmission mode

TN911;V556

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.014

1001-893X(2012)06-0902-04

2012-04-25;

2012-06-08

蘭宏志(1966—),男,四川三臺人,工程師,主要從事測控通信、衛星動態模擬研究。