应用RoF技术的小卫星智能综合测试系统

郝延福 戴涧峰 刘锋 刘红杰 张少坡 高茹 王文先

(航天东方红卫星有限公司,北京 100094)

随着我国航天事业的不断发展,航天器的发射数量逐年增加,日益增长的航天器测试任务和有限的测试资源之间的矛盾愈加突出。地面综合测试系统是集测量、电子、通信、计算机和工程管理等多学科于一体、科学性和工程性相结合的综合技术[1],直接影响到航天器研制的质量和数量。目前,我国小卫星批产综合测试系统大多采用脉动式流水线作业模式,地面设备根据卫星的测试需求进行部署配置,测试设备分布在被测卫星周围。卫星的射频信号一般有S/X频段扩频、统一S频段测控(USB)、星间测控、中继测控、甚高频/特高频(VHF/UHF)测控、GPS信号、数传、中继数传等类型,射频信号测试需求在整星测试阶段经常发生变化,星上射频设备多样化、复杂化导致地面射频信号处理设备数量倍增、利用效率低、需要频繁搬运[2],难以适应大批量、需求多样化的小卫星测试需求。

光纤载射频技术(RoF)将射频信号调制到光载波上,以光纤作为传输媒介[3],充分利用了光纤的大容量、低损耗、抗电磁干扰等优点[4],增加了射频信号的传输距离,很好地解决了由于信号衰减而导致基带、高码速率解调器、变频器和全球导航卫星系统(GNSS)仿真器等地面射频设备束缚在测试工位附近的问题,在很大程度上提高了测试系统的灵活性和机动性,便于设备资源统一调度和维修保养。为此,本文对RoF技术在综合测试系统中的应用进行研究,结合工程实践提出了应用RoF技术的小卫星智能综合测试系统设计。

1 智能综合测试系统组成

智能综合测试系统一般包括供配电专用测试设备(SCOE)、测控SCOE、总控测试设备(OCOE)、控制SCOE和有效载荷SCOE。各分系统SCOE模块化、标准化设计对小卫星批量测试至关重要。供配电SCOE的标准化通用接口设计和控制SCOE的小卫星姿态控制通用地检设备,已经实现卫星低频接口规范标准化[5];OCOE负责测试网络上遥测遥控数据转发、解析、存储;测控SCOE由GNSS仿真器、基带、上下变频器等组成;有效载荷SCOE与卫星的用途紧密相关;数传SCOE属于有效载荷SCOE的重要部分,主要接收卫星有效载荷数据,具有传输速率高、数据容量大的特点。应用RoF技术的小卫星智能综合测试系统总体架构见图1。

注:m和n分别为S和X频段扩频体制基带的通道数量;IN和OUT分别为光信号的输入和输出。图1 小卫星智能综合测试系统总体架构Fig.1 Overall architecture of small satellite intelligent test system

小卫星智能综合测试系统主要包括一体化智能测试软件、射频信号处理中心、光缆、射频信号远端接入点,以及OCOE软件和各分系统SCOE。其中:一体化智能测试软件(服务端)主要是对外提供判读、卫星配置项管理、测试资源管理、智能执行、数据处理服务,一体化智能测试软件(客户端)主要用于测试人员和测试系统进行人机交互,监视测试过程[6],每个一体化智能测试软件(客户端)对应着一颗卫星;射频信号处理中心包括射频信号处理设备、RoF调制解调模块和光纤交换模块,RoF调制解调模块的功能是实现射频信号和光信号的转换,从而使射频信号能够远距离传输,光纤交换模块通过切换光信号通路实现射频链路的交换,进而实现地面射频设备的分时共用;射频信号远端接入点一般分布在测试大厅、振动台和热试验罐周围。

2 智能综合测试系统详细设计

2.1 RoF链路

2.1.1 RoF链路组成

RoF链路由射频信号处理中心、射频信号远端接入点和光纤3个部分组成。其中:射频信号处理中心一般由射频信号处理设备和RoF调制解调模块组成,射频信号处理设备实现遥控遥测信号的调制解调,RoF调制解调模块实现射频信号与光信号的转换;射频信号远端接入点也对应分布着RoF调制解调模块;光纤连通射频信号处理中心和远端接入点,通过传输光信号实现射频信号远传[7]。图2为RoF链路的信号流。

图2 RoF链路信号流Fig.2 Signal flow of RoF link

2.1.2 RoF链路实现原理

RoF链路一般采用直接调制和外调制2种技术体制。直接调制是指把需要调制的信号直接作用在光源上,通过改变激光器驱动电流大小使激光的功率随调制信号变化。外调制是引入了调制器,光源发出稳定的光功率信号后,将光束接入电光调制器,调制器的另一端输入需要调制的电信号,通过电信号改变调制器的特定参数实现对光信号的调制。外调制技术具有调制速率高、非线性失真小、调制带宽大、频率啁啾小等优点。相比直接调制,外调制技术可以提供更高的调制带宽,具有更好的调制特性[8],考虑到卫星射频信号的带宽需求,选用外调制技术。

马赫曾德调制器(MZM)是外调制中使用最多、技术成熟的电光调制器。它利用LiNbO3的电光效应通过调节施加在电极上的电压改变自身折射率,从而实现电光信号的转换[9]。双臂MZM调制器将输入的光信号分成2路并行信号,通过施加驱动电压同时改变双臂的折射率。MZM上下臂折射率的改变会导致2路光信号存在一定相位差并在输出端产生干涉信号,当2路驱动电压完全相同、不存在相位差时,输出端干涉加强,输出的光功率最强。当2路驱动电压之间存在180°的相移时,输出端干涉抵消,输出光功率最小。

激光器输出光载波的光场表达式为Ein(t)=E0ej2πfct(E0和fc分别为光载波的幅度和频率,t为时间),经过MZM调制器后的光场表达式为

Eout(t)=Ein(t)(ejπV1(t)/Vπ+ejπV2(t)/Vπ)/2=E0(ej[πV1(t)/Vπ+2πfct]+ej[πV2(t)/Vπ+2πfct])/2=

E0[cos(πV1(t)/Vπ+2πfct)+cos(πV2(t)/Vπ+2πfct)+j(sin(πV1(t)/Vπ+2πfct)+sin(πV2(t)/Vπ+

2πfct))]/2=E0[cos(π(V1(t)+V2(t))/(2Vπ)+2πfct)cos(π(V1(t)-V2(t))/2Vπ)+

jsin(π(V1(t)+V2(t))/(2Vπ)+2πfct)cos(π(V1(t)-V2(t))/(2Vπ))]

(1)

式中:Vπ为调制器的半波电压;VDC为调制器的偏置电压;V1(t)与V2(t)分别为偏置电压VDC对称的电信号。

输出的光信号经过光纤传输到达光电探测器,如果不考虑光纤信号损耗,则输出电流为

E02[1+cos(π(V1(t)-V2(t))/Vπ)]/2

(2)

假设射频信号为VRF(t)=V0cos(2πft),其中,V0和f分别为射频信号的幅度和频率;交流电压和偏置电压的归一化系数分别为α=V0/Vπ和β=VDC/Vπ;当调制器的上下两臂对称时,则有V1(t)-V2(t)=βVπ+αVπcos(2πft),代入到式(2)中,可得

Iout(t)=E02[1+cos(π(β+αcos(2πft)))]/2

(3)

通过式(3)可知:光电检测二极管输出的电流强度是关于射频信号频率f的函数,通过选择移相器可使输出信号与输入信号相位保持一致。

2.1.3 RoF链路评价指标

RoF链路用于传输射频信号,从信号传输角度来看,其具备射频链路的基本参数指标。但是,RoF链路中的激光器、光纤、电光调制器和光电探测器会引入额外的噪声和非线性因素,例如光域的链路插损和热噪声,因此RoF链路的损耗和噪声性能与传统射频链路相比有所不同,在使用RoF链路过程中需要重点关注以下指标。

(1)射频增益:输出射频信号功率与输入射频信号功率的比值,表达式为GRF=PRFout/PRFin。

(2)噪声系数:输入射频信号的信噪比与输出射频信号的信噪比的比值,表达式为F=SRFin/SRFout,表示经过RoF链路传输后信噪比的恶化程度。

(3)动态范围:表示链路中传输信号的功率范围。RoF链路噪声限制了可以传输信号的最小功率水平,链路的非线性限制了传输信号的上限。

2.2 光纤交换模块

2.2.1 光纤交换模块介绍

通过切换光纤路序可以实现射频信号的交换,进而实现射频设备的灵活适配。如图1所示,在RoF链路的射频信号处理中心设计了光纤交换模块,它包括控制模块、光栅尺、伺服控制系统、伺服电机、传动丝杠副、导轨、矩阵板、机械手、纤芯对接器、步进电机,主要是实现矩阵板两侧任意光纤的跳接功能。将光缆中的光纤端头连接到套筒上,使用法兰盘将套筒固定在矩阵板上;机械手通过光栅尺、传动丝杠副、导轨和伺服控制机构实现横向和纵向移动;光纤交换控制模块收到一体化智能测试软件的指令后驱动机械手锁定矩阵板两侧的目标交换孔,然后将光纤跳线分别插入两侧套筒内形成光信号交换的通路。所有操作完成后控制模块向测试网中广播矩阵板的跳接状态。这里光纤跳接包括2种状态:①形成光信号交换通路即光纤跳接完毕;②套筒中没有插入跳线未形成光信号交换通路,该套筒为空挡。

2.2.2 光纤交换原则

为了使RoF链路正常工作,进行光纤交换时应遵循以下原则。

(1)射频信号上行链路和下行链路分离,上行、下行之间不能交换。如图1所示,1至8表示上行光纤链路,9至16表示下行光纤链路;矩阵板中的输入端只能和输出端相连,光纤跳线只能左右两侧跳线,禁止上下同侧跳线。

(2)在1颗卫星测试过程中,测控信道建立后,光纤交换矩阵中对应上下行链路跳线关系状态锁定,在一体化智能测试软件中将相应跳线指令设置为禁发状态,防止测控信号中断。

(3)在测试过程中,地面数传、中继设备一般可以供多颗卫星分时共享,可以通过一体化智能测试软件控制光纤交换模块实现光信号链路交换,同时向相应SCOE下发操作指令,从而实现设备分时复用。

2.3 各分系统SCOE自动化控制

2.3.1 自动化控制拓扑关系

小卫星智能综合测试系统数据通信以一体化智能测试软件为中心,一体化智能测试软件与各SCOE控制软件之间的指令信息以传输控制协议(TCP)方式进行传输,SCOE的状态参数以用户数据报协议(UDP)组播方式发送至测试网络。一体化智能测试软件与各SCOE控制软件进行TCP连接时,各SCOE控制软件作为服务器端,一体化智能测试软件作为客户端。一体化智能测试软件与各分系统SCOE自动化控制包括两大功能:①一体化智能测试软件向分系统SCOE发送控制命令,SCOE

执行命令并进行反馈;②SCOE向智能综合测试系统发送表征自身工作状态的重要参数。SCOE自动化控制拓扑关系见图3。

图3 SCOE自动化控制拓扑关系Fig.3 Topological relationship for automatic control of SCOE

2.3.2 SCOE指令定义

SCOE指令一般采用符号指令,指令集合如表1所示,具体内容可根据卫星实际情况进行调整。

表1 SCOE指令集合Table 1 SCOE TC list

2.3.3 SCOE参数定义

SCOE参数上报一般按照1次/秒的频率进行,有特殊需求的可根据实际情况进行上报。分系统SCOE在上报自身SCOE参数时,必须确保上报的参数涵盖地面设备的全部重要状态,一般包括软件启动状态、开机累计时间、指令收发计数、设备工作状态等信息。

2.3.4 SCOE控制原则

各分系统SCOE接收一体化智能测试软件的控制指令实现测试智能化,应遵循以下原则。

(1)SCOE设备开机后,岗位人员手动运行SCOE控制软件,此后所有的SCOE操作都可以通过SCOE指令完成,直到最后卫星电测结束。

(2)收到一条SCOE指令后,地面设备完成一系列的操作。应对涉及SCOE设备的操作进行梳理,争取以最少的SCOE指令实现所有岗位功能。

(3)在技术允许的情况下,SCOE设备关机操作最好也通过一条SCOE指令实现。

3 智能综合测试系统应用与特点

应用RoF技术的小卫星智能综合测试系统通过光纤跳线实现射频信号灵活切换,通过局域网互连实现一体化智能测试软件与分系统SCOE的远程控制。图4是以2颗卫星测试为例说明智能综合测试系统的测试运行过程,多颗卫星测试过程以此类推,这里不再赘述。该测试模式与传统测试模式相比具有以下特点。

图4 应用RoF技术的智能综合测试系统测试过程Fig.4 Test process of intelligent test system using RoF technology

(1)通过光纤交换实现射频信号切换,信号的交换在光域中进行,完全避免了因射频信号功率过大而造成星上或地面设备损坏。

(2)对于频点相同的扩频测控模式的卫星来说,可以共用上下变频板卡,在调制解调基带上使用多个通道实现多颗卫星的测控,提高了测控设备的利用率。

(3)测控SCOE、GNSS仿真器和数传解调设备可通过交换光纤路序实现设备灵活动态调配。

(4)光纤传输距离远,RoF链路完全可以满足卫星在园区内进行各种大型试验的测试需求,不必频繁搬运射频地面设备。

(5)RoF链路改变了由于信号衰减导致地面射频设备必须束缚在被测卫星周围的测试模式,能实现地面射频设备集中管理、统一调配。

4 结束语

小卫星批量测试的研究本质是探索如何将复杂测试流程进行批量化生产测试的过程,测试过程中的专业化分工越具体,生产效率越高,测试资源越集中,降本增效的效果越明显。本文应用RoF技术的小卫星智能综合测试系统探索,将地面射频信号处理设备进行统一集中管理,对地面设备提供预测性维护,可为小卫星地面测试系统的设计提供借鉴。