1 引言
衛(wèi)星模擬器主要完成模擬發(fā)送星上真實有效載荷數據；對數據進行格式化編排、加擾、RS編碼等基帶處理；分別經HRPT、MPT、DPT三條鏈路進行卷積編碼、QPSK調制、射頻信號下變頻為中頻信號輸出；采集基帶處理后的數據；通過網絡完成各家載荷數據的分發(fā)等功能。該設備由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分主要由衛(wèi)星數傳分系統(tǒng)基帶數據模擬器（含數據加載筆記本）、HRPT、MPT、DPT射頻模擬源、下變頻器以及配套電纜、數據處理服務器、HUB組成。軟件部分由數據加載軟件、服務器數據分包轉發(fā)軟件、終端數據接收軟件組成。衛(wèi)星模擬器是衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)、運行控制系統(tǒng)、計算機與網絡系統(tǒng)及數據預處理系統(tǒng)聯調和測試的重要依據，也將在衛(wèi)星后續(xù)星的研制過程中起到重要的作用。
2 工作原理與技術分析
2.1 衛(wèi)星模擬器設備功能及工作流程
衛(wèi)星模擬器的設備連接框圖如圖1所示。首先，由HRPT/MPT、DPT數據加載計算機通過數據加載軟件將具有三條數傳鏈路特征幀格式的數據分別輸出到基帶數據模擬器對應的功能模塊中，這些數據是在衛(wèi)星試驗過程中獲得的真實載荷數據（主要包含各載荷探測儀器經數傳信息處理器處理后的數傳幀格式數據），數據文件的加載具有循環(huán)讀取的功能以保證數據流的連續(xù)性?；鶐祿M器按照三條鏈路射頻信號源的輸入要求，分別讀取HRPT、MPT、DPT鏈路基帶數據，并按照各自固定的傳輸速率輸出至射頻信號源。HRPT、MPT、DPT三種射頻信號源，完成星上相應格式數傳發(fā)射機的功能，對來自基帶數據模擬器相應模塊的數據進行卷積編碼處理，實現由基帶至所要求波段的調制（其中，HRPT射頻信號源實現由基帶至L波段的調制；MPT、DPT射頻信號源實現由基帶至X波段的調制），對外輸出射頻信號到下變頻器。下變頻器實現三路射頻信號到中頻（720±5MHz）的下變頻轉換，并通過TCP/IP協(xié)議網絡口發(fā)送至對應的地面接收處理設備，為地面站設備調試提供重要依據。
圖1 衛(wèi)星模擬器設備連接框圖
2.2 衛(wèi)星模擬器應用軟件
衛(wèi)星模擬器應用軟件包括三部分：基帶數據加載軟件、服務器數據分包轉發(fā)軟件和終端數據接收軟件。
基帶數據加載軟件主要完成對基帶數據模擬器HRPT、MPT、DPT數據處理模塊進行數據加載，并且數據文件可以循環(huán)發(fā)送以保證數據輸出的連續(xù)性。這些數據均為衛(wèi)星在測試過程中載荷儀器的探測數據。該軟件由文件加載區(qū)域和信息顯示區(qū)域兩部分組成。文件加載區(qū)域實現對所要發(fā)送的文件進行選擇和發(fā)送的控制；信息顯示區(qū)域實現對所發(fā)數據流的監(jiān)控。軟件界面如圖2所示。
服務器數據分包轉發(fā)軟件主要完成將存儲在服務器硬盤中的衛(wèi)星試驗數據（載荷探測儀器探測數據）分包，并通過網絡接口發(fā)送到后端用戶終端，并保證HRPT、MPT、DPT三條鏈路回放數據過程中碼速率與衛(wèi)星實際下傳碼速率相當。該軟件由功能選擇區(qū)域和網絡連接監(jiān)控區(qū)域組成，界面如圖3所示。
終端數據接收軟件主要通過網絡與服務器連接，從服務器回放的數據中接收設定的載荷數據，以備后期處理。該軟件由信息選擇區(qū)域和網絡連接監(jiān)控區(qū)域組成，界面如圖4所示。
圖2 基帶數據加載軟件界面
圖3 服務器數據分包轉發(fā)軟件界面
圖4 終端數據接收軟件界面
2.3 技術分析
在衛(wèi)星模擬器中，基帶數據模擬器、射頻信號源、下變頻器是核心組成模塊。
基帶數據模擬器包含六個模塊，分別為HRPT、MPT和DPT基帶數據模塊，每個模塊包含主、備份各一塊。通過USB接口將數據加載計算機中的衛(wèi)星試驗載荷儀器探測數據加載到三個數據處理模塊中，再經過硬件轉換分別按照固定的傳輸速率連續(xù)發(fā)送到相應的射頻模擬源，可提供高達480 Mbit/s的通信速度。三個模塊輸出碼速率與星上信息處理器輸出到HRPT、MPT、DPT發(fā)射機的速率相當?；鶐祿M器為射頻源提供多種輸出接口。
基帶數據模擬器的研制由硬件設計和固件程序設計兩部分組成，其工作原理如圖5所示。在硬件設計中，輸入數據通過USB2.0芯片到達控制核心FPGA，該FPGA可以控制兩片SRAM的讀寫切換。數據緩存電路采用雙SRAM（單個SRAM容量512K Byte）組成乒乓結構，這種緩存結構使得采用相對較便宜的高速大容量SRAM來實現大量數據在系統(tǒng)中的高速傳輸成為可能。固件的作用就是輔助硬件，即控制硬件來完成預期的設備功能。所謂固件程序就是在設備USB控制器內部程序存儲器中或外部擴展的程序存儲器之中的程序?；鶐祿M器通過固件程序來輔助硬件完成USB通信任務。
圖5 基帶數據模擬器工作原理圖
射頻模擬源由晶體振蕩器、高次倍頻器、串并變換差分編碼及卷積編碼電路、QPSK調制器、窄帶濾波器、功率放大器和電源變換器組成。分別接收基帶數據模擬器HRPT、MPT、DPT模塊發(fā)送的數據文件，分別模擬與星上三類數據發(fā)射機一致的輸入接口、卷積編碼方式、調制體制和輸出頻譜特征,射頻輸出至下變頻器。設計結構如圖6所示。
下變頻器通過晶振產生一個10M信號，經倍頻產生的射頻信號作為本振輸入，通過混頻器下變頻后濾波放大即得到所需的（720±5MHz）中頻解調信號。
圖6 射頻模擬源設計結構
3 故障分析與解決策略
衛(wèi)星模擬器為衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)、運行控制系統(tǒng)、計算機與網絡系統(tǒng)及數據預處理系統(tǒng)的聯調和測試提供重要的數據依據，在衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)聯調期間，曾出現不能下發(fā)正常的三路衛(wèi)星模擬信號的故障。
逐一排查故障原因。首先檢查硬件設備，以HRPT信號為例。將HRPT射頻信號源的輸出端X2G連到頻譜儀的信號輸入端口，觀測HRPT射頻信號源的輸出頻譜，如圖7所示，可以看出，其頻譜包絡粗糙且出現有規(guī)律的毛刺，與正常狀態(tài)下的頻譜（如圖8所示）出入很大。由于衛(wèi)星模擬器所使用的數據是在衛(wèi)星試驗過程中載荷儀器的探測數據，應具備很強的隨機性，不應出現有規(guī)律的毛刺狀頻譜。在對設備硬件進行專業(yè)測試后，發(fā)現基帶數據模擬器、HRPT射頻信號源設備本身各項指標正常，故懷疑可能是數據本身的問題。
第二步，檢查衛(wèi)星模擬器載荷儀器探測數據。在衛(wèi)星模擬器的服務器電腦上，用UltraEdit32軟件打開HRPT數據hrpt1024.TxTs,發(fā)現數據中有大段的數字0，非常有規(guī)律，不具備隨機性，經判斷這是衛(wèi)星載荷測試數據解擾后得到的數據，采用這種數據使得調制器工作不穩(wěn)定。
第三步，對數據加擾，驗證設備正常。構造一幀（1024位）加擾后的數據，將其循環(huán)發(fā)送給基帶數據模擬器，再發(fā)送給HRPT射頻信號源，觀測其輸出頻譜，以驗證設備是否確實正常。將解擾后的數據（如1.trans.0文件）與擾碼表中對應位的數據進行異或操作，即可得到加擾后的數據。加擾過程舉例說明如表1所示。將加擾后的文件通過基帶數據加載軟件循環(huán)發(fā)送給基帶數據模擬器，再通過頻譜儀觀測HRPT射頻信號源輸出頻譜，如圖8所示，頻譜包絡平滑，沒有毛刺，可以驗證衛(wèi)星模擬器設備正常。后又將HRPT射頻信號源的輸出連接到下變頻器的輸入端，再與地面站實際接收設備連接，實際證明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，工作正常，衛(wèi)星模擬器故障得以排除。MPT、DPT鏈路的故障同理得到排除。
圖7 衛(wèi)星模擬器故障頻譜
圖8 衛(wèi)星模擬器正常狀態(tài)頻譜
4 結論
本文在對衛(wèi)星模擬器的工作原理、關鍵技術做充分分析的基礎上，對其在北京氣象衛(wèi)星地面站地面接收系統(tǒng)聯調期間的故障排查過程做了總結，為衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)、運行控制系統(tǒng)、計算機與網絡系統(tǒng)及數據預處理系統(tǒng)的聯調和測試提供重要依據。
表1 加擾過程舉例說明
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