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(shù)據(jù)；對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)；通過網絡完成各家載荷數(shù)據(jù)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(shù)傳分系統(tǒng)基帶數(shù)據(jù)模擬器（含數(shù)據(jù)加載筆記本）、HRPT、MPT、DPT射頻模擬源、下變頻器以及配套電纜、數(shù)據(jù)處理服務器、HUB組成。軟件部分由數(shù)據(jù)加載軟件、服務器數(shù)據(jù)分包轉發(fā)軟件、終端數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)預處理系統(tǒng)聯(lián)調和測試的重要依據(jù)，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(shù)據(jù)加載計算機通過數(shù)據(jù)加載軟件將具有三條數(shù)傳鏈路特征幀格式的數(shù)據(jù)分別輸出到基帶數(shù)據(jù)模擬器對應的功能模塊中，這些數(shù)據(jù)是在衛(wèi)星試驗過程中獲得的真實載荷數(shù)據(jù)（主要包含各載荷探測儀器經數(shù)傳信息處理器處理后的數(shù)傳幀格式數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)文件的加載具有循環(huán)讀取的功能以保證數(shù)據(jù)流的連續(xù)性?；鶐?shù)據(jù)模擬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(shù)據(jù)，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(shù)傳發(fā)射機的功能，對來自基帶數(shù)據(jù)模擬器相應模塊的數(shù)據(jù)進行卷積編碼處理，實現(xiàn)由基帶至所要求波段的調制（其中，HRPT射頻信號源實現(xiàn)由基帶至L波段的調制；MPT、DPT射頻信號源實現(xiàn)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(xiàn)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(jù)。
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(shù)據(jù)加載軟件、服務器數(shù)據(jù)分包轉發(fā)軟件和終端數(shù)據(jù)接收軟件。
基帶數(shù)據(jù)加載軟件主要完成對基帶數(shù)據(jù)模擬器HRPT、MPT、DPT數(shù)據(jù)處理模塊進行數(shù)據(jù)加載，并且數(shù)據(jù)文件可以循環(huán)發(fā)送以保證數(shù)據(jù)輸出的連續(xù)性。這些數(shù)據(jù)均為衛(wèi)星在測試過程中載荷儀器的探測數(shù)據(jù)。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(xiàn)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(xiàn)對所發(fā)數(shù)據(jù)流的監(jiān)控。軟件界面如圖2所示。
服務器數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)（載荷探測儀器探測數(shù)據(jù)）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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)接收軟件主要通過網絡與服務器連接，從服務器回放的數(shù)據(jù)中接收設定的載荷數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)加載軟件界面
圖3 服務器數(shù)據(jù)分包轉發(fā)軟件界面
圖4 終端數(shù)據(jù)接收軟件界面
2.3 技術分析
在衛(wèi)星模擬器中，基帶數(shù)據(jù)模擬器、射頻信號源、下變頻器是核心組成模塊。
基帶數(shù)據(jù)模擬器包含六個模塊，分別為HRPT、MPT和DPT基帶數(shù)據(jù)模塊，每個模塊包含主、備份各一塊。通過USB接口將數(shù)據(jù)加載計算機中的衛(wèi)星試驗載荷儀器探測數(shù)據(jù)加載到三個數(shù)據(jù)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?shù)據(jù)模擬器為射頻源提供多種輸出接口。
基帶數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)大量數(shù)據(jù)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?shù)據(jù)模擬器通過固件程序來輔助硬件完成USB通信任務。
圖5 基帶數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)模擬器HRPT、MPT、DPT模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)文件，分別模擬與星上三類數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)預處理系統(tǒng)的聯(lián)調和測試提供重要的數(shù)據(jù)依據(jù)，在衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)聯(lián)調期間，曾出現(xiàn)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(xiàn)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(shù)據(jù)是在衛(wèi)星試驗過程中載荷儀器的探測數(shù)據(jù)，應具備很強的隨機性，不應出現(xiàn)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(xiàn)基帶數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)本身的問題。
第二步，檢查衛(wèi)星模擬器載荷儀器探測數(shù)據(jù)。在衛(wèi)星模擬器的服務器電腦上，用UltraEdit32軟件打開HRPT數(shù)據(jù)hrpt1024.TxTs,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中有大段的數(shù)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(shù)據(jù)解擾后得到的數(shù)據(jù)，采用這種數(shù)據(jù)使得調制器工作不穩(wěn)定。
第三步，對數(shù)據(jù)加擾，驗證設備正常。構造一幀（1024位）加擾后的數(shù)據(jù)，將其循環(huán)發(fā)送給基帶數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)（如1.trans.0文件）與擾碼表中對應位的數(shù)據(jù)進行異或操作，即可得到加擾后的數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)加載軟件循環(huán)發(fā)送給基帶數(shù)據(jù)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(lián)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(shù)據(jù)預處理系統(tǒng)的聯(lián)調和測試提供重要依據(jù)。
表1 加擾過程舉例說明
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