同頻遙測信號雙方向轉發系統設計與應用*

李成娟，張 研，顧炎極，張曉莉，蔣麗鳳

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

0 引 言

自2014年我國提出“鼓勵民間資本研制、發射和運營商業遙感衛星，提供市場化、專業化服務”以及2015年軍民融合發展上升到國家戰略層面后，我國商業航天迎來了快速發展的契機。五年來，國內多家民營火箭公司如北京藍箭、零壹空間等，成為商業航天的先行者并且均執行了首次發射任務。雖然任務中出現了不同程度上的失利，但總結經驗教訓，如何確保在發射各個環節中實時準確掌握航天器狀態變得尤為重要。特別是在航天器待發段期間，通過地面遙測設備以及監控站接收遙測信號，全面了解和掌握航天器的各項工作指標，確保其工作狀態正常。

目前，受塔架復雜環境影響，地面遙測設備接收的一般都是散射信號，多徑干擾嚴重，信號極不穩定，無法穩定獲取遙測數據，且監控站與航天器相距較遠，接收的遙測信號質量較差[1]。此外，由于不同航天器發射地點不同，為保證遙測信號的穩定接收，地面遙測設備只能在有限區域部署，使得同時兼顧多任務的遙測信號穩定接收更加困難。

在此背景下，為滿足航天器待發段期間遙測信號的測試轉發要求，設計了同頻遙測信號雙方向轉發系統，可解決遙測信號不穩定的問題，確保地面遙測設備和監控站雙向的信號接收、解調正常。

1 系統設計

1.1 設計思路

針對塔架復雜環境引起的多徑干擾影響，導致遙測信號接收不穩定、解調判讀困難的難題，設計適應“塔架特殊電磁環境”、“具備兼顧多任務的轉發能力”、“具有主備雙鏈路、雙方向獨立轉發”；“深度自動增益控制（Automatic Gain Control，AGC）設計、大動態范圍”；“網絡化監控、可視化操作、無人值守、遠程精確調控”等特點的一體化解決方案。

1.2 系統架構

同頻遙測信號雙方向轉發系統由六部分組成：定向轉發天線、同頻轉發主機、預處理設備、光傳輸部分、監控部分以及輔助設備，具體如圖1所示。系統支持多任務的遙測信號分時轉發。不同任務，前端采用不同的定向轉發天線以及預處理通道、光纖傳輸通道傳輸信號；后端則是共用同頻轉發主機，其采用主備鏈路熱備份設計。

圖1 系統總體結構框圖

1.3 轉發模式

系統轉發模式采用有線與無線相結合、微波光纖中繼轉發的方式。其中，有線無線相結合轉發是前端、后端與外部系統的接口均采用無線方式，系統內則采用有線傳輸方式；微波光纖中繼轉發是預處理器與同頻轉發主機之間，通過光端機將微波信號轉換成光信號，采用光纖實現遠距離、可靠轉發。而預處理設備與定向轉發天線之間，以及同頻轉發主機與發射天線之間均采用射頻線纜連接，完成微波信號的傳輸。

1.4 系統組成及功能

系統由硬件設備以及監控軟件組成，其中硬件設備組成如圖2所示，包括定向轉發天線、預處理設備、光傳輸通道、同頻轉發主機、發射天線。定向轉發天線接收航天器遙測同頻無線信號；多通道預處理設備對多路同頻信號進行分路窄帶濾波、功率均衡調控；光傳輸模塊完成射頻信號與光信號的轉換及遠距離傳輸；同頻轉發主機包含切換開關、小信號放大模塊、濾波模塊、功率放大模塊，負責完成對同頻信號的自動增益控制、濾波及功率放大；發射天線負責完成向地面遙測設備及監控站雙方向的遙測信號定向輻射，包括水平極化發射天線以及垂直極化發射天線。

圖2 同頻遙測信號雙方向轉發系統

1.5 關鍵技術

（1）多通道預處理技術：對多路同頻遙測信號進行分頻、分路調理，實現了多路同頻遙測信號的并行處理，同時能夠實現有效信號的隔離，避免多信號的混疊以及強信號對弱信號的壓制，有效解決了塔架特殊電磁環境下的多路電磁信號間的相互干擾問題，保證多路遙測信號同時準確的轉發[2]。能滿足地面遙測設備或監控站對遙測信號的遠距離信號接收。

（2）“雙獨立鏈路分路功率調控、兩組定向天線發射”設計，可同時兼顧地面遙測設備、監控站兩個方向的轉發[3]。由于地面遙測設備、監控站兩個接收端與發射天線的距離不同、接收方位指向不同，故采用兩路獨立的功率放大通道，可分路調控每一通道的輸出信號功率大小，同時采用兩組“高增益、窄波束、低副瓣、極化隔離”的發射天線，確保兩個方向上均能接收到穩定的遙測轉發信號且有效抑制干擾[4]。

（3）同頻轉發主機采用深度自動增益控制技術（AGC），提高信號動態范圍且微步進可調控，具有微弱信號接收處理能力，通過調控可準確滿足遙測系統的接口電平要求，可改善因信號不穩定帶來的接收機性能下降的影響[5]。

1.6 工作流程

系統工作流程如圖3所示，根據任務需求，首先選通前端相應的轉發通道。以通道一為例進行說明。由定向天線一負責接收多路同頻遙測無線信號，并傳輸至多通道預處理1進行信號分路濾波、調控、功率均衡，抑制同頻干擾，提高有用信號信噪比，然后輸出至光傳輸通道1。光傳輸通道1接收多通道預處理設備1傳輸的射頻信號，并將其轉化成光信號，通過光纖進行長距離光信號傳輸，并最終將光信號恢復成原射頻信號，傳輸給同頻轉發主機。

其次，對同頻轉發主機進行主備鏈路選通。如圖3所示，同頻轉發主機采用主備雙鏈路冗余設計。在任務執行中設置為主路鏈路信號轉發。即發射任務一的遙測信號首先經過主路小信號放大模塊1進行信號放大，然后經過主路濾波模塊、主路功分模塊后，輸出兩路信號。其中一路信號進入主路地面遙測設備方向的信號功率放大模塊1；另外一路信號則進入主路監控站方向的信號功率放大模塊進行信號功率放大2。

最后，通過極化隔離的兩個不同發射天線將遙測信號同時向地面遙測設備、監控站雙方向轉發。

2 應用實例

2.1 系統測試

利用信號源作為系統測試的信號輸入，通過頻譜儀監視信號經過該系統鏈路轉發后的信號輸出情況，系統測試鏈路如圖4所示。根據指標要求固定信號源輸入（高、中、低電平輸入），通過頻譜儀監控輸出，并調整前、后端設備衰減至輸出穩定在指標要求的動態范圍內，并標定動態范圍最大值及最小值時的設備衰減設置值，具體測試數據如表1～表6所示。

圖4 系統測試鏈路框圖

2.2 測試結果

1）一通道至遙測設備下行鏈路測試見表1，一通道各支路間的隔離情況見表2。

表1 下行鏈路測試（一通道至遙測設備）

表2 一通道各支路間的隔離情況

2）二通道至遙測設備下行鏈路測試見表3，二通道各支路間的隔離情況見表4。

表3 下行鏈路測試（二通道至遙測設備）

表4 二通道各支路間的隔離情況/dB

3）一通道至監控站下行鏈路測試見表5。

表5 下行鏈路測試（一通道至監控站）

4）二通道至監控站下行鏈路測試見表6。

表6 下行鏈路測試（二通道至監控站）

2.3 測試小結

經過實際測試：（1）預處理器各支路同時轉發時的相鄰頻點信號隔離度良好，均滿足≥60 dB的隔離要求；（2）經同頻遙測系統轉發輻射的信號正常、質量良好；到達接收端的信號電平均滿足地面遙測設備以及監控站的解調要求。

3 結 語

商業航天發射任務期間，特別是在航天器代發段階段，地面遙測設備以及監控站均存在無法穩定接收遙測信號的問題。因此，設計研發了同頻信號雙方向轉發系統。該系統已完成實際測試，經檢驗：性能良好，雙方向接收端接收的信號電平符合解調要求。