船载USB系统跟踪数传信号可行性研究

周成刚，毛 亮，朱利伟，魏连魁

（中国卫星海上测控部 江苏 江阴 214431）

船载USB系统跟踪数传信号可行性研究

周成刚，毛 亮，朱利伟，魏连魁

（中国卫星海上测控部 江苏 江阴 214431）

讨论了一种船载USB系统跟踪数传信号可行性的方案，为实现船载USB系统对飞船目标跟踪功能的备份提供了一个新的思路，该方案通过切换船载USB系统中跟踪接收机软件状态的方式来实现，此方法已成功应用于跟踪过境数传信号目标的跟星训练中，试验结果表明该方案是有效的和可行的，该方案在充分利用现有测控设备功能，不增加辅助设备功能的基础上，可以显著提高测量船执行神舟飞船测控任务的可靠性。

船载测控系统；调频；跟踪接收机 数传；可靠性

S波段统一测控系统（下文简称USB）综合了多种测控通信功能，具备国际联网测控能力，应用范围广泛，是目前我国载人航天试验任务的主要测控设备之一，航天测量船作为我国航天测控网的重要组成部分，配备有多套船载USB系统。

载人飞船的测控通信系统是与地面进行通信，地面了解和控制飞船位置、速度、姿态及其运行工作状态的唯一通道，该分系统还可提供电视图像和天地间对话[1]，是载人飞船飞行试验成功和安全返回的关键系统之一。船载USB系统作为船载测控通信分系统的重要组成部分，承担飞船入轨监测、变轨控制、返回控制等关键弧段的控制任务。为了完成上述任务，船载USB系统必须能够快速稳定地跟踪目标。而载人飞船约九十分钟绕地球飞行一周，速度快，对系统的跟踪可靠性要求很高，因此，研究如何快速有效地稳定地跟踪飞船目标就具有十分重要的意义。

针对飞船上两台USB应答机天线是采取对称安装的现实，本文在研究船载USB系统跟踪设备特性基础上，首次提出了利用船载USB系统中FM跟踪接收机来实现对飞船数传信号的跟踪，并从理论和实践方面验证了船载USB系统跟踪数传信号的可行性，实现飞船跟踪功能的备份，这将大大提高了船载USB系统对飞船实施跟踪任务的可靠性，在测控通信试验任务中具有很强的实用性和经济性。

1 船载USB系统跟踪设备组成

船载USB系统跟踪设备主要由天线、天线座、馈源、馈线、跟踪接收机、驱动机柜、天线控制单元和监控计算机等组成。如图1所示。

图1 船载USB跟踪设备组成框图Fig.1 Makeup of tracking devices in the Shipborne TT&C System

天线馈源采用圆波导多模两信道自跟踪馈源，当天线的电轴对准目标肘，馈源只激励起TE11模（和信号），而当天线电轴偏离目标时，馈源同时激励起TEll模（和信号）和TE2l模（差信号），目标在空间偏离轴向时产生误差信号的原理如图2所示。

图2 船载USB系统跟踪角误差信号的形成Fig.2 Forming principle of the angle error signal in the Shipborne TT&C System

式中，ω为信标信号角频率。与此同时.由于目标偏离天线等信号轴向，在馈源的跟踪模耦合器中激励起高次模TE21，而模TE2l具有奇对称的方向图，故将它用做差模，差信道输出的误差电压为：

式中：μ——差方向图归一化斜率；U——信号强度。

由此可见，角误差信号的大小只与目标偏离天线的大小、目标距离远近有关，而与目标的信号形式无关。虽然船载USB系统没有跟踪数传信号的专用跟踪接收设备，但具有跟踪标准TT&C信号、扩频TT&C信号和FM信号的跟踪设备，本文立足于现有的跟踪接收机设备，在不增加其它任何辅助设备的情况，充分发掘设备的潜能，提出利用FM跟踪接收机来跟踪数传信号，从而实现数传信号目标的跟踪。

2 跟踪可行性研究

2.1 数传信号调制特性

在神舟飞船高速数传通信系统中，采用了偏置四相相移键控（DQPSK），原理如图3所示。

《普通高等学校建筑面积指标》(建标【2018】32号)规定，高校必须配置的有教师、实验实习实训用房及场所、图书馆、室内体育用房、行政用房、师生活动用房、会堂、学生宿舍、食堂、单身教师公寓、后勤及附属用房等十二项，高校选择配置的有研究生教学及生活用房、留学生及外籍教师生活用房、专职科研机构用房、继续教育用房、学术交流中心用房、附属校医院用房等六项。

图3 DQPSK调制器组成框图Fig.3 Makeup of DQPSK modulator

在DQPSK调制器中，串/并变换是将串行输入的高速数据比特流Rb变成双比特流Ik和Qk。设Ik为Rb中的奇数比特，则Qk为Rb中的偶数比特。Qk经过Tb（Rb的码元宽度）延迟后，与Ik的脉冲波形沿对齐。然后，Ik和Qk一起送到差分编码器，对其进行差分编码。CLK1和CLK2皆为时钟信号，其周期分别为 T1和 T2（T1=2Tb，T2=Tb）。 编码后的双比特流 In和 Qn送至调制器，在调制器的乘法器K1和K2中，分别与正交的本振信号相乘，然后同相相加，经带通滤波后，得到DQPSK中频信号 S（t）。

由此可见，数传DQPSK信号是采用正交调制技术，这是FM跟踪接收机设备对数传信号进行正交解调接收的理论基础。

2.2 数传信号的跟踪解调

2.2.1 数传信号的接收解调

当数传DQPSK信号进入FM跟踪接收机和通道后，和通道载波接收模块将接收的左右旋信号经中频信道AGC放大，并进行A/D转换器带通采样，随后将采样的左右旋数字域信号送FM解调模块。FM解调模块对数字域信号与本地数字载波信号进行NCO正交混频[3]，得到左旋和路正交信号IL、QL与右旋和路正交信号IR、QR，数传信号接收解调算法流程如图4所示。

将数传信号的时域表达式如公式（1）所示，代入数传信号接收解调模块后，得到左旋和路正交信号IL、QL与右旋和路正交信号 IR、QR的时域表达式如公式（4）～（7）所示。

图4 数传信号接收解调算法流程图Fig.4 Flow chart of receiving and demodulating data transmission signal

左、右旋正交信号在接收解调模块的分集合成器中进行最大比分集合成后得到合成正交信号 IC（t）、QC（t），其时域表达式如公式（8）和公式（9）所示。

这两组I、Q正交信号分为3路，一路送分集合成器加权，输出和通道合成正交信号Ic、Qc；一路送差模环，提取差模误差；另一路送AGC检测电路，得到AGC控制量，经D/A转换后输出到中频信道。正交合路信号Ic、Qc送入共模环，由AFC环提取共模误差。

共模环、差模环组成对称分集锁相环。共模误差同时送到左右旋两路NCO中，以相同方向被推到一个公共频率上，以保证接收机的中频信号准确地落到滤波器带宽的中心。差模误差分两路以相反的极性分别加到两路的数控振荡器上，使得两路本地载波以相反方向被推到一个相同的公共频率上。这样，通过将差模信号和共模误差信号相加后，共同控制数控振荡器的输出频率，使得输入到分集合成器上的两路信号始终保持同频同相，并落在设计的滤波器通带中心频率上。

送入共模环的正交合路信号经载波锁定指示检波器提取信号，并给出载波锁定指示电压。跟踪接收机的载波锁定指示检波器输出电压与接收信号的Eb/N0值紧密相关，接收信号Eb/N0技术类似于4次方costas环，不同的是用实部取代虚部，其数学表示式如公式（10）所示。

式中，e（t）为恢复出来的载波锁定指示电压信号。锁定指示检波器的输出电压与接收信号的Eb/N0值之间有线性关系[4]，可在跟踪接收机监视界面上显示Eb/N0。

数传信号的载波进行本地恢复后，送给差通道，为角误差信号解调提供和差信号归一化的参考信息。

2.2.2 数传信号的角误差解调

数传信号的角误差解调如图5所示。

图5 数传信号角误差解调信号流程图Fig.5 Flow chart of demodulating the angle error of data transmission signal

左右旋差信号分别与和通道提供的本振信号进行正交混频，得到左旋IL、QL正交差信号和右旋IR、QR正交差信号，左右旋正交差信号按照和通道提供的加权系数进行分集合成，得到合成正交信号Ic、Qc，Ic、Qc即载有方位和俯仰误差信息[5]。差通道合成正交信号Ic、Qc，分别代表方位误差和俯仰误差，经数字窄带滤波器滤波后，得到方位、俯仰误差数字分量，由零值、斜率修正单元处理后，由高精度D/A输出送伺服分系统完成天线的角跟踪。

综上所述，飞船数传信号经FM跟踪接收机接收后，FM跟踪接收机和通道功能模块通过分集合成锁相环路实现对载波的接收解调[6]，恢复出数传信号的载波信号，并为差通道角误差信号解调功能模块提供归一化的参考信息，如分集加权系统、AGC控制量、本振参考信号等。FM跟踪接收机差通道部分通过角误差解调算法实现对方位、俯仰误差信息的解调，并送给伺服分系统完成对目标的稳定跟踪，这是FM跟踪接收机跟踪解调数传信号的理论基础，这也说明了本文的冗余方案在理论上是可行的。

3 船载USB系统跟踪试验研究

针对数传信号调制特点和FM跟踪接收机接收性能，为了确保FM跟踪接收机能够正常跟踪数传信号，根据理论分析结果，下面分别从数传信号接收解调功能、静态跟踪性能和动态跟踪性能3个方面进行功能性试验研究。

首先，为了验证FM跟踪接收机对飞船数传信号的接收解调功能，利用船载多功能数字基带设备中数传信号模拟源来模拟产生飞船的数传DQSPK信号，并送给FM跟踪接收机的和、差通道输入接口，如图6所示。结果表明：FM跟踪接收机能够正常锁定多功能数字基带产生的数传DQPSK模拟信号，并正常送出角误差解调信息。这也表明FM跟踪接收机具有接收解调数传DQPSK信号的功能，这也为进行FM跟踪接收机跟踪数传信号目标的静态和动态跟踪功能试验奠定了基础。

图6 跟踪功能性试验流程图Fig.6 Flow chart of the funciton to track data transmission signal

其次，为了检验FM跟踪接收机跟踪飞船数传信号的静态跟踪性能，也为了真实、全面验证FM跟踪接收机跟踪飞船数传信号的可行性。在2011年3月进行的“交会对接任务天地正样对接试验”任务时，我船USB测控设备利用FM跟踪接收机对放置在标校塔上的正样星载数传发射机产生的数传信号进行了试验性跟踪。结果表明：FM跟踪接收机能够正常稳定地锁住数传信号，并能够正常解调出方位、俯仰角误差电压，对数传DQPSK信号目标能够实施稳定跟踪，FM跟踪接收机跟踪数传信号的静态跟踪性能良好。

最后，为了检验FM跟踪接收机跟踪数传信号的动态跟踪功能，也为了有效训练船载USB设备的伺服主控操作人员，船载USB系统多次组织利用FM跟踪接收机来跟踪同步星、过境目标等数传信号目标。结果表明：FM跟踪接收机能够为天线控制单元ACU设备提供准确的角误差解调信息，能够对过境目标中的数传信号实施稳定跟踪，这也说明FM跟踪接收机跟踪数传信号的动态跟踪性能良好。

综上所述，利用FM跟踪接收机跟踪数传信号目标不仅在理论上是可行的，而且其静态跟踪性能和动态跟踪性能也是良好的，这也表明FM跟踪接收机跟踪数传信号在实践上是可行的、有效的。

4 结束语

经过理论分析和试验研究表明：FM跟踪接收机可以实现对飞船数传信号的稳定跟踪解调，跟踪性能稳定可靠。该技术在不增加任何辅助设备的基础上，成功实现了神舟飞船测控跟踪功能的冗余备份，降低了对飞船目标跟踪失效的风险，为船载测控系统圆满执行载人航天工程后续交会对接任务提供了有益的理论和实践指导，对今后进行飞船其它功能的备份设计起到了积极作用。

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Study on feasibility of tracking the QPSK data transmission signals by shipborne TT&C system

ZHOU Cheng-gang， MAO Liang， ZHU Li-wei， WEI Lian-kui
（China Satelite Maritime Tracking and Controlling Department，Jiangyin214431，China）

This thesis is aimed at overcoming the drawbacks of Shenzhou manned spaceship tracking and controling for no backup，using of tracking the QPSK data transmission signals with the Shipborne TT&C System to implement the backup program for the first time.From three aspects of the theoretical analysis，such as the QPSK data transmission signals modulation characteristics，Shipborne TT&C System tracked the composition and carrier demodulated

.Tracking through the FM receiver receiving the QPSK data transmission signals，the static and dynamic tracking tests verify tracking of the program feasibility and effectiveness.The technology features with no additional auxiliary equipment on the basis of shipborne TT&C system，significantly reduces the risk of failure of the spaceship tracking.

shipborne TT&C system；FM；tracking receiver；data transmission；reliability

TN911

A

1674－6236（2012）06-0034-04

2012-02-07稿件编号：201202024

周成刚（1985—），男，江苏沭阳人，硕士，工程师。研究方向：航天远洋测控技术。