高速数传基带接收低轨卫星数据闪锁异常分析

陈爱平，孙海忠，罗 强

高速数传基带接收低轨卫星数据闪锁异常分析

陈爱平1，孙海忠2，罗 强3

（1 北京跟踪与通信技术研究所 北京 10094 2 中国卫星发射测控系统部 北京 100011 3 中国西南电子技术研究所 成都 610036）

针对某卫星工程应用中出现的卫星过顶时高速数传基带闪锁问题，基于低轨卫星的高动态二阶多普勒特性，分析得出了数传基带载波跟踪环路带宽过窄是造成帧同步闪锁的原因，通过增加环路带宽的方法实现三阶跟踪环路稳定接收高动态低轨卫星数据的能力，通过模拟测试得出了结论，在不高于600Mbps速率QPSK、OQPSK调制方式下载波跟踪环路均可稳定跟踪。

高速数传基带；载波跟踪环；帧同步闪锁

引 言

卫星高速数传广泛应用于气象、海洋、资源、环境、通信、遥感和侦察等众多领域，为各类星载有效载荷所产生的数据提供传输通路，实现高速信息的获取。根据卫星应用目的不同，卫星采用不同的轨道高度，如遥感卫星大多为轨道高度小于1000km太阳同步低轨卫星，中继卫星和气象卫星大多采用地球同步轨道卫星。在上世纪八九十年代，国外以Landsat卫星和Spot卫星为代表的遥感卫星数据传输码率已经达到百兆比特每秒水平；我国在上世纪九十年代末期进入传输型卫星时代，从最初的“风云一号”“风云二号”的几兆、十几兆比特每秒，发展到资源一号、资源二号的一、二百兆比特每秒，2013年至2018年期间我国又先后成功发射了高分系列遥感卫星，其中高分二号具备双通道450Mb/s数传速率，数据总速率达到900Mb/s。

高码率数据的应用需求也推动着高速调制解调器研发水平的极大提高。目前高速解调器已经发展到现在的Gbps水平。早期国内的高速解调器市场主要被欧美公司占领，典型的有法国INSNEC公司、Alcatel公司、美国的RT Logical公司，其中IN-SNEC公司的产品市场份额最大。

随着对高码速率数据解调技术的深入研究，我国航天领域自研的高码率数传基带已开始用于实际工程应用中，能够在保证传输数据质量的前提下，大幅度提高星地数据传输系统的传输能力。

在高码率卫星数据传输系统中，QPSK调制技术对于相位抖动很敏感。载波恢复电路就需要很小的环路带宽。另一方面，由于射频震荡源的频率不稳定和多普勒效应导致的频率偏移大到几百kHz。载波恢复电路必须在这些条件下都能锁定，正确地解调出基带信号，以便位时钟恢复环路可以准确地恢复位定时信号从而完成数据判决。

星地高速数传系统中卫星与地面站的相对运动会引起多普勒效应，使得地面站接收到的信号频率发生变化。多普勒频移的大小与卫星轨道高度、轨道类型、地面站位置等因素有关。当地面站看到卫星从地平面升起时，有最大的正多普勒频移；当卫星通过地面站正上方时，多普勒频移为零；当卫星从地平面消失时，有最大的负多普勒频移。而当卫星过地面站正上方时，地面系统跟踪目标时产生的多普勒动态的一阶加速度和二阶加速度最大，因此中低轨道卫星、特别是低轨卫星由于轨道较低，对数传基带提出了更高的动态适应性要求。

1 异常现象描述

2017年12月，西亚某卫星地面站首次执行遥感卫星高速数传接收任务，高速数传基带接收前两圈次任务正常。但在后续任务执行中，出现帧同步频繁失锁（以下简称“闪锁”），同时伴有载波偶尔失锁情况。

表1 数传基带接收高码率遥感数据异常现象记录

图1 帧同步闪锁异常时星座图旋转现象

高速数传基带的主要异常现象如表1所示。

归纳主要的异常现象如下：

①高速数传基带设备在卫星的不同过境轨道圈次中表现出不同的状态。如上表所示，第1、2、12过境圈次中，高速数传基带数据接收、锁定完全正常；第10、11圈次仅左旋通道正常，其余圈次帧同步均有闪锁现象；

②所有闪锁现象均出现在卫星过顶前后；

③在闪锁期间，从高速数传基带设备上报的星座图显示中观察到星座图有旋转（见图1），但观察信号频谱无异常。

④以上异常现象，现场3台高速数传基带表象均一致。

2 数据接收问题分析

2.1 数传基带接收解调处理流程

高速数传基带从信号接收到帧同步之间主要包括载波环路模块、位同步模块、均衡器模块、帧同步模块。信号接收解调处理流程如下图2所示。

2.2 故障树分析

以任务中出现的帧同步闪锁为顶事件，根据接收解调处理流程对可能导致故障的硬件和软件进行逐层分析，经过化简，得到故障树如图3所示。

图2 数传基带接收解调处理流程

图3 故障分析树

通过分析，可以排除事件X1和事件X3可能产生帧同步失锁的原因。但事件X2和事件X4无法排除。对于事件X2，均衡器异常会导致后续帧同步失锁，当均衡器持续不收敛时，还会激活载波环路假锁判定机制，对载波环路进行复位，引发载波失锁。而对于事件X4载波环路异常会导致载波失锁，造成基带信号失真从而使帧同步闪锁。实际任务中的故障现象集中发生在卫星过顶前后，此时卫星瞬时加加速度导致的载波多普勒二次变化率最大，对载波环路的捕获、跟踪能力要求也最高。

针对事件X2均衡器异常和事件X4载波环路异常都有可能导致帧同步发生闪锁的问题，在现场进一步做分离试验，排除了均衡器本身故障。因此，故障定位为事件X4载波环路异常。

2.3 故障定位确认

根据卫星轨道高度500km和数传频率，可以计算出地面系统接收到的多普勒值。计算结果表明，卫星过顶前后加加速度最大，多普勒二次变化率近70Hz/s2。高速数传基带载波跟踪环路采用三阶环设计，其特性为对卫星加加速度应力敏感，此时需要数传基带使用环路带宽足够宽的三阶锁相环或者使用更高阶锁相环[1]。

图4 载波环路设计

通过进一步排查载波环路设计参数，发现环路滤波器带宽设计较窄，导致环路跟踪性能较差。对于低轨卫星的多普勒动态尤其是多普勒二次变化率动态适应能力不足，从而在多普勒动态发生变化的条件下容易发生载波失锁，进而导致帧同步闪锁现象。

因此故障定位确认为载波环路跟踪异常。

2.4 载波环设计与分析

高速数传基带的载波环路设计如图4所示。

采样信号与本地相干载波相乘，得到基带数据。鉴相器提取相位误差，经三阶环平滑后，产生误差控制信号，控制本地NCO产生本地相干载波。环路中可控参数为三阶环环路滤波器的带宽。

环路传递函数

为环路总增益，得到环路带宽

根据三阶锁相环特性，三阶环对于频率阶跃（速度）、频率斜升（加速度）应力为不敏感环路，稳态误差为0。但对于多普勒二次变化率（加加速度）应力敏感，环路锁定条件为稳态误差小于π/4[2,3]。

对于存在多普勒二次变化率（加加速度），环路稳态误差计算如下

式中，

因此，理想状态下，（无噪）设计环路能容忍的最大多普勒二次变化率理论值为200Hz/s2。

2.5 原有环路多普勒动态适应测试

为进一步分析验证原有环路带宽对于多普勒动态的适应能力，分别做了针对不同信噪比条件下不同的多普勒一次变化率（加速度）和多普勒二次变化率（加加速度）适应能力试验。试验结果表明，信噪比越高，三阶环带宽越宽，对于信号的多普勒动态适应能力越强。原有环路对多普勒一次变化率满足要求；对多普勒二次变化率的容忍极限为100Hz/s2，随着信噪比降低原有环路对多普勒二次变化率的适应力下降到80Hz/s2以下，当进一步加入幅度扫描，幅度变化范围30dB，幅度变化率每秒钟1dB，原有环路对多普勒二次变化率适应能力进一步下降，此时仅能容忍40Hz/s2的多普勒二次变化率。

根据原有环路带宽对多普勒动态适应能力的测试结果，与故障现场的多普勒动态结果进行了比对分析：通过现场S频段测控基带从故障圈次提取的测速数据，经过差分平滑处理后得到多普勒一次变化率和多普勒二次变化率如图5所示。从测控S频段归一化至X频段后，多普勒一次变化率约5.5kHz/s，多普勒二次变化率瞬时超过70Hz/s2。

（a）多普勒一次变化率 （b）多普勒二次变化率

通过机理分析和针对性的测试可以发现，原载波环路设计时未考虑多普勒二次变化率的影响。而实际任务中尤其是卫星过顶前后加加速度带来的多普勒二次变化率超过原环路带宽的适应范围，故发生前文所述故障现象。

3 更改措施及试验结果

3.1 更改措施

修改载波环路中三阶锁相环的环路带宽参数，在满足捕获灵敏度的前提下增加环路带宽，经实际测试，新的环路设计参数使环路带宽比原有环路带宽6.35kHz提高近四倍，直接测得的环路带宽为22kHz，能适应200Hz/s2以内的二阶多普勒动态。

3.2 模拟验证

用模拟源产生包含多普勒二次变化率的信号，扫描范围±1MHz，多普勒一次变化率为20kHz/s，多普勒二次变化率为200Hz/s2。测试结果如表2所示。

表2 多普勒动态（含二次变化率）适应能力测试（Eb/N0=1）（采用1/2卷积+RS(223,255),4倍交织编码）

图6 更改环路带宽前后的收星对比验证

3.3 现场收星验证

利用地面站高速数传基带设备两个解调通道对载波环路带宽更改前后做了实际收星的对比验证，即接收解调1为原环路带宽，接收解调2为更改后的环路带宽。对比验证结果如图6所示。从图中可以看出，使用原环路带宽的接收解调通道1帧同步有闪锁现象，而增加环路带宽的接收解调通道2帧同步工作正常。

多个圈次的实际收星对比验证结果表明，更改措施有效。

4 结束语

本文分析了工程应用中高速数传基带在接收低轨高动态下卫星遥感数据时出现的闪锁的机理，并通过模拟测试进一步复现了问题出现的原因。通过增加环路带宽的方法实现了三阶环路稳定跟踪高动态多普勒低轨卫星。通过试验表明：此方法在速率不高于600Mb/s时稳定有效。多普勒动态适应能力验证结果表明：采用三阶环路滤波器只要增大环路带宽仍可对二阶多普勒变化信号进行稳定可靠捕获。

[1] 杜瑜. 三阶数字锁相环环路参数的设计方法[J/OL]. 电讯技术, 2007(5).DOI:10.3969/j.issn.1001-893X.2007.05.040.

[2] PAULO S R. Digital signal processing system analysis and design[M]. Cambridge University Press, 2002.

[3] MA Jun, LI Mike, MARLETT Mark. A new measurement and analysis method for a third order PLL transfer function[J/OL].International Test Conf,2005 IEEE. 2005. https://www.researchgate.net/publication/265880372.

Flash-lock analysis of HDR reception data from LEO remote satellite

CHEN Aiping1, SUN Haizhong2, LUO Qiang3

（1. Beijing Institute of Telemetry and Telecommunications Technology, Beijing 100094, China; 2. China Satellite Launch and Tracking Control General, Beijing 100011, China; 3. South-west China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China）

Aiming at the flash-lock phenomenon of the HDR when the satellite passes the zenith of the ground station, and based on the characteristics of the level-2 Doppler frequency of the LEO satellite with high dynamic, the conclusion is drawn which the bandwidth of the carrier tracking PLL is too narrow to track the level-2 Doppler rate of the high dynamic target. After adding the bandwidth of the carrier PLL, it is achieved the HDR receiving the high bit rate data with high dynamic from LEO satellite. The test result indicates that the HDR works normally and stably with QPSK and OQPSK scheme below the 600Mbps data rate.

HDR BBE; Carrier tracking PLL; Frame synchronizer flash-lock

TN91

A

CN11-1780(2019)03-0068-05

陈爱平 1970年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为航天测控专业领域。

孙海忠 1982年生，硕士，工程师，主要研究方向航天测控专业领域。

罗 强 1986年生，硕士，工程师，主要研究方向航天数传领域。

2019-03-14

2019-05-05

TEL:010-68382327 010-68382557

Email:ycyk704@163.com