金骏 孙晨 王文伟 江勇

【摘要】 测控应答机是航天器测控通信分系统的核心组成部分，配合地面测控网完成对航天器的测距测速，以及传输遥控、遥测等信息的任务。各类航天器测控通信分系统所采用的测控应答机，其工作频率、工作带宽、码速率、调制体制、编码体制和测距体制各不相同。采用软件无线电技术，利用软件可重配置、可重编程以及多频带多模式的特点，可实现测控应答机的通用化和小型化。本文介绍了软件无线电技术在测控应答机中的应用方法及研究进展，介绍了软件无线电应答机的抗辐照设计，最后介绍了自主无线电技术在未来深空探测应答机中的应用前景。

【关键词】 测控应答机 软件无线电 测控通信 自主无线电Application of Software Radio Technology in Aerospace TT&C; Transponder

Jin Jun， Sun Chen， Wang Wenwei， Jiang Yong

Abstract： TT&C; transponder is core part of spacecraft C&T; subsystem and it can finish the tasks of measuring range & velocity of a spacecraft， transmitting telecommand & telemetry information， etc. in cooperation with ground TT&C; network. TT&C; transponders in different spacecraft C&T; subsystems have various operating frequency， operating bandwidth， bit rate， modulation system， coding system and ranging system. Universalization and miniaturization of TT&C; transponders can be realized by taking advantage of software reconfiguration， reprogramming and multi-band multi-mode characteristics of software defined radio （SDR） technology. This article introduced application methods and research progress of SDR technology in TT&C; transponders. Radiation resistant design of SDR TT&C; transponders is also described. Finally the article introduced the application prospect of autonomous radio technology in future deep space TT&C; transponders.

Key Words： TT&C; transponder， software defined radio， C&T;， autonomous radio

一、引言

测控应答机是航天器（卫星、飞船、探测器）测控通信（C&T;）分系统的核心组成部分，是航天器与地面站之间进行通信联络的主要通道之一，配合地面测控网完成对航天器的测控（TT&C;）任务。测控应答机的主要功能如下：

1、对来自地面站的测距和测速信号进行转发，完成地面对航天器的跟踪及轨道测量；

2、接收来自地面站的遥控信息；

3、将航天器上的各类遥测数据发送至地面站。

各类航天器测控通信分系统所采用的测控应答机，其工作频率、工作带宽、码速率、调制体制、编码体制和测距体制各不相同。就工作频率而言，主要有S波段、C波段、X波段、 Ka波段四种；就调制体制而言，分PM/PM体制、FM/PM体制、扩频体制等；就编码体制而言，有PCM、PPM、ADPCM、PACM等；就测距体制而言，分纯侧音测距、伪码测距和音码混合测距等。由于各类测控通信系统之间体制标准各异，因此相对应的测控应答机设备也无法通用。针对不同的测控通信系统，需要分别研制不同的应答机，或者在同一台应答机上集成不同的功能，这样无疑在成本和时间进度上加重了研制负担，也增加了设备的复杂性。

软件无线电技术是本世纪初发展起来的通信领域的重大技术突破。采用软件无线电技术，利用软件可重配置、可重编程以及多频带多模式的特点，使多个软件模块在同一个硬件平台上实现不同的标准，同一台测控应答机就可以兼容两种甚至多种测控通信体制，实现测控应答机的通用化，从而降低开发成本，缩短研制周期，也更容易保障产品的质量。另外，软件无线电技术还能简化测控应答机的硬件电路，实现小型化。

二、测控应答机的基本工作原理

一种传统测控应答机的原理框图如图21所示。该应答机由锁相接收机和相干发射机两部分组成。锁相接收机包括低噪声放大器（LNA）、混频器（Mixer）、自动增益控制（AGC）、倍频电路、载波跟踪环和相干解调电路等部分。接收机接收的上行射频信号，经过下变频和自动增益控制后输出中频信号。中频信号分为两路，其中一路进入载波跟踪环，另一路进入相干解调电路。

载波跟踪环包括鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）、压控晶振（VCXO）和分频器，用于对上行载波进行锁定、跟踪。载波跟踪环输出的信号分别用作接收本振、发射本振和相干解调器（Demodulator）的基准信号。相干解调器输出信号经滤波后分别为测距信号和遥控BPSK信号。其中测距信号还要送往发射机进行转发。

相干发射机包括倍频电路、调相器（PM）、功率放大器（PA）等。测距信号和遥测DPSK信号相加后直接调相在发射本振上，经功放放大后下行输出。

三、软件无线电应答机的实现方法

3.1软件无线电应答机的射频接收前端

测控应答机的射频接收前端电路包括低噪声放大器、混频器、自动增益控制等部分。软件无线电应答机对射频前端的要求是通用性好。由于软件无线电应答机往往是多信道多模式同时工作，因此射频带宽要足够宽，能覆盖不同的频点或体制。

图2为一种能兼容统一载波纯侧音测距和伪码测距两种测控体制的软件无线电应答机接收前端，可同时接收处理纯侧音测距的PM信号和伪码测距的BPSK信号。该接收机采用了一个I/Q解调器来处理中频信号。当上行信号为PM信号时，由I/Q解调器中的一路（Q路）进行载波提取，后续载波跟踪环的环路滤波器在数字域中实现；而当上行信号为BPSK信号时，I/Q解调器输出I路信号和Q路信号，送入科斯塔斯环中进行载波恢复，其乘法器和环路滤波器均在数字域中实现。对于两种测控体制，该射频接收前端做到了完全通用。数字部分则可通过装载不同的软件来实现不同的功能，充分体现了软件无线电的灵活性。

3.2数字下变频（DDC）技术

数字下变频（DDC）技术也经常用于多模式测控应答机中。数字下变频模块由数字混频器、数控振荡器（NCO）和低通滤波器构成。占有较宽频带的两个或多个射频信号作为一个整体下变频到接近基带的位置，A/D转换后，NCO与数字混频器实现正交下变频，在基带I、Q采用数字低通滤波器来实现不同测控信号的选择。与模拟下变频相比，数字下变频不存在混频器杂散、本振相噪等技术难题，且具有通过软件进行控制修改等优点。

文献[1]介绍了一种既能满足统一S波段（USB）测控要求，又能满足跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）要求的双模应答机。该应答机同时接收宽带扩频信号和窄带调相信号，对两种信号统一以1/fs进行采样。数字下变频之后，采用窄带滤波器提取载波的方式对两种模式进行识别，并对两种信号采用不同的处理算法。

3.3数字调制发射机

传统的PM/PM体制测控应答机，下行调相通常采用射频直接调相法。在软件无线电应答机中，可采用DDS实现中频数字调相。在DDS的相位累加器与相位-幅度ROM之间加上一个相位加法器即可实现PM调相（图3）。通过改变相位字，可使DDS的输出信号产生所需要的相移。DDS调相有更高的温度稳定性和抗干扰能力，但难点在于调制度的控制时序生成[2]。

文献[3]介绍了一种全数字调制的发射机，利用NCO和CORDIC算法（坐标旋转数字计算方法）实现多种码速率、带宽和调制方式的调制信号，占用硬件资源小，可在一块FPGA上实现NRZ/BPSK/PM、SP-L/PM、QPSK三种调制方式的VHDL代码。CORDIC算法可以只利用移位、相加等简单的逻辑操作便可以产生正弦信号，结构灵活简单，还能得到较高的调制精度（图4）。

3.4数字载波跟踪环

测控应答机中的载波锁定、跟踪环路可采用低中频数字采样方案，整个过程在数字域中完成（图5）。中频信号带通采样，经过正交下变频和低通滤波后，在信号处理模块中选出所需要的载波信号频率特征，控制NCO的输出频率，从而完成FFT载波捕获和载波跟踪。采用FFT频率引导方式只需一次引导就可捕获较大频偏并跟踪一定的频率变化率，相比自然牵引方式捕获速度更快，可在较宽的多普勒频偏范围内实现应答机的迅速锁定。信号处理模块还要控制DDS的输出频率，输出相干载波用于后续的转发和调制解调。对于采用了数字载波跟踪环的测控应答机来说，由于多普勒频偏不会引起转发相位误差，因此可以大幅减小测距漂移误差，实现高精度测速测距[4]。

3.5软件无线电应答机的抗辐照设计

软件无线电应答机通常采用现场可编程门阵列（FPGA）作为硬件实现平台。FPGA具有可编程、高集成度、高速和高可靠性等优点。但由于测控应答机工作于太空环境，宇宙射线和高能粒子会对应答机的正常运行产生一定的威胁。基于FPGA等逻辑器件的软件无线电应答机对于单粒子效应尤为敏感[5]，因此针对FPGA的抗辐照设计应十分重视。

具有航天成功应用经历的FPGA主要有两类，一类为一次性编程的反熔丝型FPGA，另一类为可重编程的SRAM型FPGA。相比较而言，SRAM型的FPGA虽然在逻辑门资源、动态重构等方面优势明显，但其对单粒子效应尤其是单粒子翻转（SEU）的敏感使其在宇航领域的应用受限，而反熔丝型的FPGA则对单粒子效应免疫。

为充分利用两种类型FPGA各自的优势，通常采取用反熔丝型FPGA和反熔丝型PROM对SRAM型FPGA进行监控的方法。基带处理过程由SRAM型FPGA负责，但在设备运行过程中，反熔丝型FPGA定时读取SRAM型FPGA中的数据并与反熔丝型PROM中的数据进行比对，若发现存在异常则进行重配置。采用这种方法，就可以兼顾逻辑门资源的充分利用和抗辐照可靠性的实现。

3.6用于深空探测的自主无线电技术

2004年，美国喷气推进实验室（JPL）提出的深空自主无线电（Deep Space Autonomous Radio， DSAR）技术可以认为是未来深空探测应答机中软件无线电技术的一个发展方向。该技术能利用人工智能、现代信号处理等前沿科技，在未知无线电环境下，仅通过观测信号，就能自动识别无线电信号在码速率、协议和调制类型等方面的区别，从而对软件进行重新配置，实现各种无线电数据的接收和处理。自主无线电技术无需从地面获取信号特性，便可自动软件重配从而与不同的探测器进行通信。

另一方面，自主无线电克服了深空测控通信的盲目性，使深空探测器处理突发事件的能力加强，从而适应各种未知的空间环境。比如，深空探测器在某外星球下降和着陆的过程中，将产生非常剧烈而不确定的多普勒变化和通信链路信噪比恶化。

采用了自主无线电技术的测控应答机，能够对来自遥远地球的无线电信号进行参数估计，快速重配链路参数，从而以近乎最佳的方法处理剧烈的多普勒变化和信噪比变化，确保信号收发的有效性和可靠性[6]。

四、结论

测控应答机作为宇航应用设备，工作环境十分恶劣，因此对质量可靠性的要求极为严格。采用软件无线电技术，可以把不同测控通信体制的应答机统一到一个标准化的通用硬件平台，更容易实现质量控制。另外，基于软件无线电的测控应答机在性能参数上受环境温度、工作时长、供电质量等因素影响较小，性能一致性较好，易于实现测控应答机的批量生产。软件无线电技术必将成为未来测控应答机领域的研究热点，在航天测控通信领域引发新的革命，深刻地改变人类探索宇宙的方式。

参 考 文 献

[1]莫乾坤，何晨.星载数字化TDRSS/USB双模应答机设计与试验.无线通信技术，2008，3，55-58

[2] A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis. Analog Device Inc.， 1999

[3]姜建文，张朝杰，金小军，金仲和.基于CORDIC算法的微小卫星发射机设计与实现.传感技术学报，2010，23（1），57-61

[4]L. Simone， D. Gelfusa， S. Cocchi. A Novel Digital Platform for Deep Space Transponders. IEEE Aerospace Conference Proceedings， 2004， 1432-1445

[5] Microsemi. FPGA Reliability and the Sunspot Cycle. Microsemi Corporation， September 2011

[6]李海涛，冯贵年，朱智勇.深空测控应答机技术.清华大学出版社，2014