CN103888206A - 一种小卫星扩频体制测控分***通用仿真*** - Google Patents

一种小卫星扩频体制测控分***通用仿真*** Download PDF

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Abstract

一种小卫星扩频体制测控分***通用仿真***，包括测控信号处理仿真模块、测控接口仿真模块、GPS仿真模块和仿真控制台。本发明在“半物理”工作模式下可完成测控信号的射频、中频、基带处理；与其它下位机间的物理接口仿真，包括CAN总线接口、遥测遥控接口、直接指令接口、时钟输出接口、星箭分离信号输出接口；完成GPS秒脉冲信号输出或转发，时间和轨道数据广播。在“全数字”工作模式下可接收LAN总线中的遥测遥控数据进行接口仿真、GPS仿真。本发明选用可配置的功能板卡，采用PXI总线技术，集成度高，配置灵活，成本低，便于进行***的功能扩展，能够满足小卫星测控分***多种新技术验证的需求，可为新型小卫星平台开发提供测控分***电性能测试环境。

Description

一种小卫星扩频体制测控分***通用仿真***
技术领域
本发明是一种小卫星扩频体制测控分***通用仿真***，特别是基于PXI总线技术的扩频体制测控分***通用仿真***。
背景技术
小卫星仿真***是用来初步提供新型控制算法、自主管理技术、智能数据处理技术等新技术的开发平台，并为新型小卫星平台开发提供电性能测试环境。
小卫星扩频测控分***通用仿真***是小卫星仿真***的重要组成部分，完成测控信号处理、测控接口、GPS等测控分***主要设备数据模拟及处理的功能，模拟卫星遥测、遥控功能，验证测控信息流在***内的流动和星地间数据传输的正确性。
目前根据不同的使用需求，测控分***仿真模型的建立主要分为三种：一是针对单机功能、性能的预测，此类仿***要体现为软件建模，即“全数字”模式，优点是研发周期短，成本低，具有一定的论证效力，缺点是只能粗略仿真，无法全面验证硬件接口的匹配性；二是针对局部***间功能、接口匹配性的验证，此类仿***要选用“半物理”模式，即仅用软件模拟部分功能，优点是成本相对较低，能较好的覆盖软、硬件功能验证，缺点是仿真***涉及多个单机，集成性较差；三是针对整星环境下，测控分***与相关分***间的功能、接口匹配性验证，此类仿真选用投产卫星电性件的方式，即选用工业级材料组装一颗功能完备的卫星，按照详细的测试流程验证各分***功能、性能及接口间的匹配性，优点是采用卫星实体验证，更具说服力，缺点是研制周期很长，造价很高，一旦成型，很难更改功能性设计，通用性差。
北京航空航天大学CN201010543491.6号专利公开了一种用于卫星测控的仿真USB中频应答机的设计方法，该发明由模/数、数/模转换器及FPGA板卡组成，具有调制、解调、测距音提取及转发的功能，设计复杂度低，能较好的模拟USB中频应答机的功能。西安交通大学杨永安等人在《中国工程科学》第6卷第12期中公开发表了《基于半实物的S频段卫星测控仿真***平台设计》，该仿真***由S应答机、专用接口、计算机、仿真软件、监控台以及电源和连接电缆等组成，具有USB体制S频段射频、视频信号处理，执行遥控指令，动态生成遥测数据，故障仿真等功能。
但上述方法主要存在以下问题：
（1）主要局限于针对USB体制的应答机功能仿真，而目前小卫星正广泛选用扩频体制的应答机。
（2）没有充分设计与不同类型前端及后端设备接口的匹配性，导致应用范围受限。
（3）功能模式单一，为“全物理”或“半物理”或“全数字”模式，没有集成多种功能模式，以同时满足不同用户的不同需求。
（4）功能设计拘泥于射频、中频信号处理，以及遥测信息生成，遥控指令响应，对于直接指令的物理转发、时钟输出、GPS时间和轨道数据广播等功能没有进行扩展。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种通用性强，灵活性高，具有可扩展性的小卫星测控分***仿真***，填补国内小卫星扩频体制通用测控仿真***设计的空白，同时降低应用成本。
本发明的技术解决问题是：
一种小卫星扩频体制测控分***通用仿真***，包括：测控信号处理仿真模块、测控接口仿真模块、GPS仿真模块和仿真控制台；
测控信号处理仿真模块又包括遥控信号解调子模块、遥测信号调制子模块、上变频子模块和下变频子模块；
下变频子模块将外部输入的射频遥控信号进行下变频生成中频遥控信号，之后送入遥控信号解调子模块，遥控信号解调子模块将来自下变频子模块的中频遥控信号依次进行扩频解调、BPSK解调和帧同步，最终将生成的遥控PCM码流转发至测控接口仿真模块；
遥测信号调制子模块将来自测控接口仿真模块的原始遥测帧数据依次进行扩频调制和中频调制，生成中频遥测信号，再将该中频遥测信号转发给上变频子模块进行上变频，生成射频遥测信号并发射出去；
仿真控制台通过PXI总线将控制指令发送给测控信号处理仿真模块，测控信号处理仿真模块中的遥控信号解调子模块、遥测信号调制子模块、上变频子模块和下变频子模块的工作状态信息通过PXI总线发送给仿真控制台；
测控接口仿真模块包括电平转换模块、数字I/O模块、时钟产生模块和CAN总线通讯模块；
CAN总线通讯模块接收星上CAN总线的轮询信息，经过PXI总线发送给仿真控制台进行处理，仿真控制台产生应答信息并通过PXI总线发送给CAN总线通讯模块，CAN总线通讯模块再将应答信息发送到星上CAN总线上；
仿真控制台通过PXI总线发送使能信号给时钟产生模块和数字I/O模块，时钟产生模块接收到使能信号后生成40KHz的信号并通过电平转换模块转换为OC门信号发送到外部；数字I/O模块接收到使能信号后生成星箭分离脉冲信号并送入电平转换模块进行电平转换，之后发送到外部；
仿真控制台控制所述小卫星扩频体制测控分***通用仿真***的工作模式，所述工作模式包括全数字模式和半物理模式，在半物理模式下，数字I/O模块接收所述遥控信号解调子模块输出的遥控PCM码流，该遥控PCM码流中包括间接指令和直接指令，数字I/O模块将间接指令和直接指令均转发给电平转换模块进行电平转换，间接指令转换为RS422电平信号之后发送到外部；直接指令转换为OC门信号之后转发到外部；
外部输入的RS422电平遥测信号通过电平转换模块进行电平转换之后，再通过数字I/O模块发送给遥测信号调制子模块；
在全数字模式下，数字I/O模块不与测控信号处理仿真模块进行通讯，数字I/O模块接收到的PCM码流来自仿真控制台转发的外部LAN总线上的遥控PCM码流；外部输入的RS422电平遥测信号通过电平转换模块进行电平转换之后，再通过数字I/O模块发送给仿真控制台；
GPS仿真模块包括第二电平转换模块、第二时钟产生模块和第二CAN总线通讯模块；
第二CAN总线通讯模块接收星上CAN总线的轮询信息，经过PXI总线发送给仿真控制台进行处理，仿真控制台产生应答信息并通过PXI总线发送给第二CAN总线通讯模块，第二CAN总线通讯模块再将应答信息发送到星上CAN总线上；
仿真控制台通过PXI总线发送使能信号给第二时钟产生模块，第二时钟产生模块接收到使能信号后生成1pps信号并发送给第二电平转换模块，第二电平转换模块将所述第二时钟产生模块生成的1pps信号或者外部输入的1pps信号进行电平转换，生成RS422电平信号发送到外部。
本发明与现有技术相比的优点在于：
（1）信号处理方式选用扩频模式，该模式以其“节约频点资源，抗干扰性能强、保密性能好”等优点正被广泛应用于小卫星测控领域，因此该设备的应用前景十分广阔。
（2）该设备的工作模式分为“半物理”和“全数字”，可根据实际情况自行配置，满足用户的不同需求。
（3）该设备选用PXI总线技术，使得所有功能模块均以PXI插卡的形式集成在一个PXI机箱内，同时，中频信号处理选用软件无线电信号处理板卡实现，因此根据测试需求进行***功能扩展时，仅需增加或更换相应功能的插卡，或更改中频信号处理模块中的软件算法，因此***重构简单、灵活。
（4）该设备集应答机、遥控单元、GPS的功能特性于一身，避免了整星状态下各分***功能验证时的繁冗配置。
附图说明
图1为本发明仿真***结构框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种小卫星扩频体制测控分***通用仿真***，包括：测控信号处理仿真模块、测控接口仿真模块、GPS仿真模块和仿真控制台；
测控信号处理仿真模块又包括遥控信号解调子模块、遥测信号调制子模块、上变频子模块和下变频子模块；
下变频子模块选用NI PXI-5600，将外部输入的射频遥控信号进行下变频生成中频遥控信号，之后送入遥控信号解调子模块。射频及中频信号接口均采用通用的SMA接口。
遥控信号解调子模块及遥测信号调制子模块选用NI PXIe-5641R，中频信号接口采用通用的SMA接口。遥控信号解调子模块将来自下变频子模块的中频遥控信号依次进行扩频解调、BPSK解调和帧同步，并根据方式字对同步后的遥控PCM信号进行分类，对于直接指令，进行译码后（码表比对）将生成的遥控PCM码流转发至测控接口仿真模块，对间接指令及数据块进行CRC校验后将生成的遥控PCM码流转发至测控接口仿真模块；
遥测信号调制子模块将来自测控接口仿真模块的原始遥测帧数据依次进行扩频调制和中频调制，生成中频遥测信号，再将该中频遥测信号转发给上变频子模块进行上变频，生成射频遥测信号并发射出去；
所述扩频类型为直接序列扩频，选取平衡GOLD码，伪码速率、PCM码型、PCM码速率可配置。
仿真控制台通过PXI总线将控制指令发送给测控信号处理仿真模块，测控信号处理仿真模块中的遥控信号解调子模块、遥测信号调制子模块、上变频子模块和下变频子模块的工作状态信息通过PXI总线发送给仿真控制台；
测控接口仿真模块包括电平转换模块、数字I/O模块、时钟产生模块和CAN总线通讯模块；
CAN总线通讯模块选用NI PXI-8513，接收星上CAN总线的遥测轮询信息或测控分***间接指令，经过PXI总线发送给仿真控制台进行处理，仿真控制台产生应答信息并通过PXI总线发送给CAN总线通讯模块，CAN总线通讯模块再将应答信息发送到星上CAN总线上；
时钟产生模块采用NI PXIe-6612，仿真控制台通过PXI总线发送使能信号给时钟产生模块和数字I/O模块，时钟产生模块接收到使能信号后生成40KHz的信号并通过电平转换模块转换为OC门信号发送到外部；数字I/O模块接收到使能信号后生成星箭分离脉冲信号并送入电平转换模块进行电平转换，之后发送到外部；
仿真控制台控制所述小卫星扩频体制测控分***通用仿真***的工作模式，所述工作模式包括全数字模式和半物理模式，在半物理模式下，数字I/O模块接收所述遥控信号解调子模块输出的遥控PCM码流，该遥控PCM码流中包括间接指令和直接指令，数字I/O模块将间接指令和直接指令均转发给电平转换模块进行电平转换，间接指令转换为RS422电平信号之后发送到外部；直接指令转换为OC门信号之后转发到外部；
外部输入的RS422电平遥测信号通过电平转换模块进行电平转换之后，再通过数字I/O模块发送给遥测信号调制子模块；
在全数字模式下，数字I/O模块不与测控信号处理仿真模块进行通讯，数字I/O模块接收到的PCM码流来自仿真控制台转发的外部LAN总线上的遥控PCM码流；外部输入的RS422电平遥测信号通过电平转换模块进行电平转换之后，再通过数字I/O模块发送给仿真控制台；
所述电平转换模块包括三种电路，分别为RS422单端转差分电路、RS422差分转单端电路、OC门电路。RS422单端转差分电路采用AM26C31，串联100Ω电阻输出的方式实现，用于发送遥控间接指令；RS422差分转单端电路采用AM26C32接标准10K、1K分压电阻的方式实现，用于接收遥测信号;OC门电路采用TD62503实现，用于输出直接指令、星箭分离信号、40KHz时钟信号。
GPS仿真模块包括第二电平转换模块、第二时钟产生模块和第二CAN总线通讯模块；
第二CAN总线通讯模块采用NI PXI-8513，接收星上CAN总线的遥测轮询信息或GPS间接指令，经过PXI总线发送给仿真控制台进行处理，仿真控制台产生应答信息并通过PXI总线发送给第二CAN总线通讯模块，第二CAN总线通讯模块再将应答信息发送到星上CAN总线上；
第二时钟产生模块采用NI PXIe-6612，仿真控制台通过PXI总线发送使能信号给第二时钟产生模块，第二时钟产生模块接收到使能信号后生成1pps信号并发送给第二电平转换模块，第二电平转换模块将所述第二时钟产生模块生成的1pps信号或者外部输入的1pps信号进行电平转换，生成RS422电平信号发送到外部；
第二电平转换模块包括一路RS422单端转差分电路。RS422单端转差分电路采用AM26C31，串联100Ω电阻输出的方式实现，用于发送1pps信号；
仿真控制台采用NI PXIe-8108，集成仿真管控软件，用于完成上述仿真控制台功能；
板卡均集成在一个具有多槽的PXI机箱NI PXIe-1065内，便于携带；
电平转换模块和CAN总线通讯模块的对外接口均通过接口转换装置转换成通用接插件，以满足不同的使用需求。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种小卫星扩频体制测控分***通用仿真***，其特征在于包括：测控信号处理仿真模块、测控接口仿真模块、GPS仿真模块和仿真控制台；
测控信号处理仿真模块又包括遥控信号解调子模块、遥测信号调制子模块、上变频子模块和下变频子模块；
下变频子模块将外部输入的射频遥控信号进行下变频生成中频遥控信号，之后送入遥控信号解调子模块，遥控信号解调子模块将来自下变频子模块的中频遥控信号依次进行扩频解调、BPSK解调和帧同步，最终将生成的遥控PCM码流转发至测控接口仿真模块；
遥测信号调制子模块将来自测控接口仿真模块的原始遥测帧数据依次进行扩频调制和中频调制，生成中频遥测信号，再将该中频遥测信号转发给上变频子模块进行上变频，生成射频遥测信号并发射出去；
仿真控制台通过PXI总线将控制指令发送给测控信号处理仿真模块，测控信号处理仿真模块中的遥控信号解调子模块、遥测信号调制子模块、上变频子模块和下变频子模块的工作状态信息通过PXI总线发送给仿真控制台；
测控接口仿真模块包括电平转换模块、数字I/O模块、时钟产生模块和CAN总线通讯模块；
CAN总线通讯模块接收星上CAN总线的轮询信息，经过PXI总线发送给仿真控制台进行处理，仿真控制台产生应答信息并通过PXI总线发送给CAN总线通讯模块，CAN总线通讯模块再将应答信息发送到星上CAN总线上；
仿真控制台通过PXI总线发送使能信号给时钟产生模块和数字I/O模块，时钟产生模块接收到使能信号后生成40KHz的信号并通过电平转换模块转换为OC门信号发送到外部；数字I/O模块接收到使能信号后生成星箭分离脉冲信号并送入电平转换模块进行电平转换，之后发送到外部；
仿真控制台控制所述小卫星扩频体制测控分***通用仿真***的工作模式，所述工作模式包括全数字模式和半物理模式，在半物理模式下，数字I/O模块接收所述遥控信号解调子模块输出的遥控PCM码流，该遥控PCM码流中包括间接指令和直接指令，数字I/O模块将间接指令和直接指令均转发给电平转换模块进行电平转换，间接指令转换为RS422电平信号之后发送到外部；直接指令转换为OC门信号之后转发到外部；
外部输入的RS422电平遥测信号通过电平转换模块进行电平转换之后，再通过数字I/O模块发送给遥测信号调制子模块；
在全数字模式下，数字I/O模块不与测控信号处理仿真模块进行通讯，数字I/O模块接收到的PCM码流来自仿真控制台转发的外部LAN总线上的遥控PCM码流；外部输入的RS422电平遥测信号通过电平转换模块进行电平转换之后，再通过数字I/O模块发送给仿真控制台；
GPS仿真模块包括第二电平转换模块、第二时钟产生模块和第二CAN总线通讯模块；
第二CAN总线通讯模块接收星上CAN总线的轮询信息，经过PXI总线发送给仿真控制台进行处理，仿真控制台产生应答信息并通过PXI总线发送给第二CAN总线通讯模块，第二CAN总线通讯模块再将应答信息发送到星上CAN总线上；
仿真控制台通过PXI总线发送使能信号给第二时钟产生模块，第二时钟产生模块接收到使能信号后生成1pps信号并发送给第二电平转换模块，第二电平转换模块将所述第二时钟产生模块生成的1pps信号或者外部输入的1pps信号进行电平转换，生成RS422电平信号发送到外部。
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