基于实采卫星信号的测控专业教学研究与实践

丁丹　王红敏

［摘 要］针对现有卫星测控站内部工作过程与核心处理环节封闭、测控专业教学缺乏实采卫星信号支持的问题，文章探索了基于实采卫星信号的教学平台的建设路径：在卫星测控站内部增设信号记录系统和信号分析设备，对卫星测控站关键节点信号进行高速采集、实时分析、事后分析，并能远程传输，实现多用户共享，将封闭的实装设备改造为开放的教学实验平台，满足测控专业学生深入学习测控工作原理、开展高水平专业实验的需求。教学实践表明，该平台的应用贯穿于测控专业教学全过程，覆盖专业基础、专业方向、专业实践等各类教学任务，有效推动了测控专业教学质量的整体提升。

［关键词］卫星测控；实战化教学；高速采集；岗位任职

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）06-0007-04

航天工程大学（以下简称我校）充分依托卫星测控站开展航天测控专业实战化教学[1]，使学生能亲手操控卫星测控站设备完成实际在轨卫星测控任务，所学专业知识在实际任务中得以综合运用和检验，为学生进入岗位任职奠定了良好基础。然而，目前该课程仍然存在以下问题：一是卫星测控站内部工作过程与核心处理环节封闭。作为一套曾用于实际航天任务的实装设备，在实践课教学过程中，卫星测控站向外输出的仅为卫星测控数据这个最终结果，重要的中间过程和关键节点信号不能采集输出和显示，不能向学生提供卫星测控站内的工作过程，以及卫星测控信号处理等核心原理内容的展示、分析、处理等。因此，其无法满足航天测控专业学生深入学习卫星测控原理的需求。二是教学缺乏实采卫星信号支持。除了实践教学，在测控专业基础课程、专业方向课程教学以及研究生培养过程中，经常需要收集卫星测控信号，供学生进行数字信号处理、数字通信等专业实验[2-5]。目前卫星测控信号数学模型普遍由计算机生成，这种模拟产生的卫星测控信号效果不太理想，不能如实地反映无线电磁传播过程中客观存在的噪声、畸变、干扰等问题，也无法支持相关专业开展高水平实验。

本研究基于实采卫星信号的测控专业教学，为卫星测控站加装信号记录系统、信号分析设备，以期能够对关键节点信号进行高速采集、实时分析和事后分析，并能远程传输，实现多用户共享，将封闭的实装设备改造为开放的教学设施，以更好地满足测控专业教学需求。

一、基于实采卫星信号的教学平台建设

卫星测控站接收的卫星信号包括卫星载荷数据传输信号（数传信号）[6]和卫星平台遥测信号（遥测信号）[7]，在接收并处理卫星测控信号流程中，主要可以分解为射频和基带两段。射频部分对天线捕获的卫星下行信号进行低噪声放大、下变频、自动增益控制、滤波等处理，最终，得到70 MHz遥测中频信号和720 MHz（或1.2 GHz/1.5 GHz）数传中频信号。基带部分则主要完成对中频信号的模数转换、信号同步、幅度调制、数据解调等数字化基带处理，最终输出得到卫星遥测和数传数据。

通过上述分析可知，利用卫星测控站进行卫星信号接收过程中，最关键的节点是遥测中频信号和数传中频信号，故应该优先将这两个节点信号采集输出用于教学。因此，在原有卫星测控站基础上增加信号分析设备用于对70 MHz遥测中频信号、720 MHz/1.2 GHz/1.5 GHz数传中频信号进行实时分析；增加信号记录系统用于对70 MHz遥测中频信号、720 MHz/1.2 GHz/1.5 GHz数传中频信号进行实时采集存储，事后进行回放、处理、分析。除此之外，通过网络通信的方式将采集和分析的结果远程共享至教室或实验室，供学生调取并分析实采数据，观察实时分析结果。教学平台建设内容如图1所示。

二、核心设备设计与实现

（一）信号记录系统

1.系统组成

信号记录系统能够完成1路720 MHz/1.2 GHz/1.5 GHz数传中频信号和1路70 MHz遥测中频信号的记录、存储及回放等任务，可用于处理分析事后数据。同时，还具有信号记录过程中的实时频谱分析功能，便于在使用过程中及时判断系统工作状态和信号质量，有效扩展了教学范围。

信号记录系统实物如图2所示，采用3U VPX[7]（高速串行总线标准）系统架构，以及标准化、模块化设计，由基于VPX标准的4U机箱、背板、工控机主板及多块自研硬件板卡组成，配合高速数字采集回放固件以及上位机监控管理软件，完成高速信号采集、高速信号处理、高速AD/DA轉换、设备及信息管理等功能。该系统采用一体化设计，设备集成液晶显示器，支持外接显示器及键盘鼠标。当需要扩展额外硬盘空间时，具备外接磁盘阵列等存储介质的功能。

（1）结构子系统

结构子系统包括一体化机箱、电源、内部电缆、风扇、外部接口等部分，主要作用是为硬件电路板卡提供必要的结构空间，从而提高设备供电和散热的效率。

（2）硬件电路子系统

硬件电路子系统包括工控机主板、中频收发信道板、高速信号采集回放板、高速AD/DA子板、高速存储板等部分。主要作用是完成测控数传中频信号的采集与回放。

（3）固件子系统

固件子系统是指运行于硬件板卡上的FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）等数字芯片上的程序，主要作用是将采集到的信号进行格式整理和缓存，以及对回放信号进行格式解析和输出。

（4）上位机软件子系统

上位机软件是指运行于VPX工控机平台的监控及管理软件，是用户对记录系统进行监控及管理的应用层软件，也是人机交互的窗口。

2.工作原理

信号记录系统工作流程如图4所示。遥测或数传中频信号经接收信道进行滤波、放大，输出恒定幅度的信号至高速A/D采集，进行采样及数字量化后，送至后端的FPGA，经格式整理、DDR3（Double-Data-Rate 3，双倍速率 3）缓存、基于DMA的数据存储模块，送至工控机主板，由主板完成高速数据的存储；主板读取存储阵列中的记录数据，由DMA数据回放模块送至FPGA中，经格式解析后送至高速D/A芯片，在完成功率控制及滤波后输出中频信号。

3.主要能力

信号记录设备的能力指标设计，要保证设备能够适应实际卫星测控信号，满足实战化教学要求，主要能力如下：

（1）数传中频记录能力

（二）信号分析设备

1.设备构成

信号分析设备为标准仪表货架产品，可完成测控信号实时频谱、调制方式、星座图、眼图等的分析与显示等，厂家为德国罗德施瓦茨公司，其在FSVA3013信号频谱分析仪基础上，加装了高稳时钟晶振FSV3-B4、模拟调制信号分析FSV3-K7、矢量信号分析FSV3-K70、30 dB前置放大器FSV3-B24等4个选件，使其满足卫星测控信号实时分析的要求。信号分析设备实物如图5所示。

2.主要能力

信号分析设备的能力指标选择，要保证能够适应实际卫星测控信号，主要能力有数传中频记录能力，具体为：

?工作频率：10 MHz～13.6 GHz；

?信号实时分析带宽：28 MHz；

?频率分辨率：0.01 Hz；

?支持的信号调制方式：AM、PM、FM、FSK、PSK、QAM等。

三、基于实采卫星信号的教学应用

基于实采卫星信号的教学应用贯穿于测控专业教学全过程，覆盖专业基础、专业方向、专业实践等各类教学内容，具体教学应用方法如下。

（一）专业基础课程教学应用

1.应用于信号与系统课程

（1）教学知识点

序列的傅里叶分析[8]知识点。

（2）教学方法

基于实采卫星测控信号的教学平台为信号与系统课程参评国家一流本科课程提供了实验条件。学生操控测控站设备接收卫星信号，通过信号记录设备采集实际卫星遥测信号，进行现场实时分析，教师将记录所得数据文件分发给学生，使其完成课后的离散序列傅里叶变换分析实验。

2.应用于数字信号处理课程

（1）教学知识点

?快速傅里叶变换[9]知识点；

?有限长单位冲激响应滤波器知识点。

（2）教学方法

在快速傅里叶变换知识点教学过程中，可利用信号记录系统记录真实卫星遥测信号，形成数据文件远程共享给多名学生。学生利用Matlab对真实卫星信号FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换）进行谱分析实验，分析信号构成、信号带宽等特性；通过信号记录系统回放数据并显示信号频谱，同时与自己所做的FFT谱分析进行对比，评估所做的FFT谱分析的准确性与合理性，从而深入理解FFT点数、数据长度、频率分辨率之间的关系。

在有限长单位冲激响应滤波器知识点教学过程中，学生对记录的中频信号进行FIR（Finite Impulse Response，有限冲激响应）滤波实验，通过FIR滤波完成噪声滤除、副载波提取等处理，从而掌握FIR滤波器的设计方法及其性能。

（二）专业方向课程教学应用

1.应用于数字信号处理系统设计课程

（1）教学知识点

?数字信号处理系统硬件[10]知识点；

?数字信号发生器实验；

?数字信号处理综合实验。

（2）教学方法

在数字信号处理系统硬件知识点教学过程中，对照高速记录系统实例进行讲解，包括高速A/D、D/A，数据高速存储、通信接口、人机接口等外围电路，以及核心芯片FPGA、DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）的工作原理和技术难点，并结合实际信号采集、回放现场等设备操作，通过改变信号频点、带宽、设备采样率等教学内容设置，加深学生对数字信号处理系统硬件知识的理解，激发学生投身科研工作的兴趣。

在数字信号发生器实验教学过程中，可利用信号分析设备对学生设计产生的信号进行频谱分析，验证信号的准确性，帮助学生深入分析和理解谐波、信噪比等特性，有助于学生改进信号质量。

在数字信号处理综合实验教学过程中，学生可利用信号分析设备对自己设计产生的调制信号的参数和质量进行分析，加深对调制信号的理解，并进一步优化设计，从而产生更高质量的信号。此外，通过对比自己和信号分析设备的解调结果，学生可改进解调性能，更深入地理解解调方法。

2.应用于数字通信课程

（1）教学知识点

?数字调制方法[11]知识点；

?自适应均衡知识点。

（2）教学方法

在数字调制方法知识点教学过程中，可利用信号分析设备现场分析调幅、调频、调相等典型调制信号的频谱、星座图、眼图等特性，加深学生对各类典型调制信号特点和性能的理解。通过改变调制阶数、符号速率、相位等参数，观察分析其对信号特性带来的影响。学生自行设计调制信号，利用信号分析设备分析调制信号的质量，评估自己对该知识点的掌握情况。

在自适应均衡知识点教学过程中，学生可在信号分析设备中选择不同的均衡方法和算法模型，对比分析不同均衡方法的性能，深入理解典型均衡方法的工作原理和實际效果。

3.应用于遥测遥控原理课程

（1）教学知识点

遥测遥控中调制解调知识点。

（2）教学方法

?实时分析：在授课过程中，利用信号分析设备对遥测遥控信号进行实时分析，观察信号频谱、星座图，促进学生对遥测遥控常用的调制解调信号特性加深认识和理解，包括二进制及多进制相移键控数字调制技术、偏移四相相移键控、连续相位调制等。利用信号分析设备实时测量遥测遥控信号的带宽、码速率、误差向量幅度特征参数，深入分析理解其性能特点，以及遥测遥控系统对调制解调技术的特殊要求。

?仿真实验：利用信号记录系统对遥测遥控信号进行记录，形成数据文件发放给学生。学生利用Matlab进行遥测遥控谱分析、参数提取、信号解调等实验。

（三）专业实践课程教学应用

1.训练能力点

在毕业实习教学过程中，根据实际航天任务工作流程，参照典型航天任务岗位编组，组织引导学生亲手操控卫星测控站设备，完成实际在轨卫星测控任务，培养学生综合运用所学专业知识完成实际任务的能力。

2.训练方法

任务过程中，让学生通过信号分析设备实时监控测控信号质量，掌控测控任务状态，根据实时信号分析情况合理选择测控站工作模式、设备参数等，提高测控任务完成质量。

任务结束后，让学生利用信号记录系统回放任务过程中记录的信号，进行任务复盘。通过发现问题、定位故障、总结经验，加深对测控任务的理解。

四、取得的效益与后续改进

（一）取得的成果

一是形成了一套实战化教学训练条件。将封闭的实装设备改造为开放的教学实验设施，向学生提供测控信号处理核心原理内容的展示、分析、处理等支持，满足测控专业学生深入学习测控原理、开展高水平专业实验的需求。

二是提升了已有卫星测控站执行航天任务的能力。在卫星测控站原有功能的基础上，扩展了对中频信号的高速记录功能和实时分析功能，为提高航天测控任务的成功率、开展任务复盘分析提供了重要条件。

三是形成了一套科研条件，为相关科研实验提供实采卫星信号提高了可信度。

（二）推广应用前景

在人才培养方面，作为实装训练系统，卫星测控站能帮助培训对象理解掌握航天测控系统的基础原理知识和使用技能。通过对该系统的学习和参与航天测控任务全流程演练，学生能够掌握航天测控系统的组成原理和工作流程，还能培养第一任职岗位的任务执行能力。

在科学研究方面，当重要核心信号采集输出后，则可开展测控信号和数据处理等相关的前沿技术研究。

在参与任务方面，可为所承担的航天测控任务提供测控信号记录、问题分析、故障定位等支持。

（三）后续改进

因考虑到建设成本，目前仅对遥测中频、数传中频2个节点信号进行采集和分析，后续将进一步增加信号采集节点，包括射频部分放大、变频、滤波等节点输出信号，以及基带数字部分均衡、放大、同步等节点处理结果，从而更加全面详细地展示卫星测控系统工作的全过程和信号处理细节，为测控专业等多门课程教学提供更为广泛的支持。

五、结语

本研究通过对现有卫星测控站增设信号记录系统和信号分析设备，构建基于实采卫星信号的教学平台，能够展示测控设备深层次原理、关键节点信号特性，将封闭的实装设备改造为开放的教学设施。教学实践效果表明，该平台功能、性能设计符合教学需求，教学应用贯穿于测控专业全过程，覆盖专业基础、专业方向、专业实践等各类教学任务，有效推动了教学质量的提升。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 丁丹，林存宝，谢晴.卫星测控综合训练环境的构建与运用[J].中国现代教育装备，2020（19）：21-23.

[2] 廖希，余翔，廖莎莎，等.卫星通信实验平台设计与教学体系构建[J].实验技术与管理，2019，36（10）：179-182.

[3] 廖希，余翔，廖莎莎，等.微波与卫星通信实验教学平台建设及教学方法探索[J].实验室研究与探索，2020，39（4）：133-137.

[4] 王尔申，赵珩，曲萍萍，等.基于“虚实结合”的卫星导航课程教学方法研究[J].实验室科学，2019，22（6）：74-77.

[5] 吕国成，李毅，金野.基于Hollis宽带实时卫星信道模拟平台设计[J].实验技术与管理，2016，33（10）：86-89.

[6] 常飞.卫星地面站数传资源配置优化模型与算法研究[D].长沙：国防科学技术大学，2010.

[7] 刘蕴才.遥测遥控系统（上）[M].北京：国防工业出版，2000.

[8] 赵宏方，章思严，夏成竹，等.基于VPX总线架构的一体化综合测量系统实现[J].宇航总體技术，2021，5（4）：14-21.

[9] 杨会成，王小雪.“离散对应周期”在傅里叶变换理论教学中的应用[J].中国电力教育，2010（27）：80-82.

[10] 王秋生，富立，王玲玲.面向工程实践理念的“数字信号处理”课程建设[J].电气电子教学学报，2020，42（4）：128-133.

[11] 赵永静.基于VC的数字调制解调教学实验系统的设计[D].大连：大连海事大学，2016.

［责任编辑：刘凤华］