1 引言

        衛(wèi)星模擬器主要完成模擬發(fā)送星上真實(shí)有效載荷數(shù)據(jù)；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化編排、加擾、RS編碼等基帶處理；分別經(jīng)HRPT、MPT、DPT三條鏈路進(jìn)行卷積編碼、QPSK調(diào)制、射頻信號(hào)下變頻為中頻信號(hào)輸出；采集基帶處理后的數(shù)據(jù)；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)完成各家載荷數(shù)據(jù)的分發(fā)等功能。該設(shè)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(wù)器、HUB組成。軟件部分由數(shù)據(jù)加載軟件、服務(wù)器數(shù)據(jù)分包轉(zhuǎn)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(yùn)行控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和測(cè)試的重要依據(jù)，也將在衛(wèi)星后續(xù)星的研制過(guò)程中起到重要的作用。

2 工作原理與技術(shù)分析

2.1 衛(wèi)星模擬器設(shè)備功能及工作流程

        衛(wèi)星模擬器的設(shè)備連接框圖如圖1所示。首先，由HRPT/MPT、DPT數(shù)據(jù)加載計(jì)算機(jī)通過(guò)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(duì)應(yīng)的功能模塊中，這些數(shù)據(jù)是在衛(wèi)星試驗(yàn)過(guò)程中獲得的真實(shí)載荷數(shù)據(jù)（主要包含各載荷探測(cè)儀器經(jīng)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。基帶數(shù)據(jù)模擬器按照三條鏈路射頻信號(hào)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(hào)源。HRPT、MPT、DPT三種射頻信號(hào)源，完成星上相應(yīng)格式數(shù)傳發(fā)射機(jī)的功能，對(duì)來(lái)自基帶數(shù)據(jù)模擬器相應(yīng)模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積編碼處理，實(shí)現(xiàn)由基帶至所要求波段的調(diào)制（其中，HRPT射頻信號(hào)源實(shí)現(xiàn)由基帶至L波段的調(diào)制；MPT、DPT射頻信號(hào)源實(shí)現(xiàn)由基帶至X波段的調(diào)制），對(duì)外輸出射頻信號(hào)到下變頻器。下變頻器實(shí)現(xiàn)三路射頻信號(hào)到中頻（720±5MHz）的下變頻轉(zhuǎn)換，并通過(guò)TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)口發(fā)送至對(duì)應(yīng)的地面接收處理設(shè)備，為地面站設(shè)備調(diào)試提供重要依據(jù)。

圖1 衛(wèi)星模擬器設(shè)備連接框圖

2.2 衛(wèi)星模擬器應(yīng)用軟件

        衛(wèi)星模擬器應(yīng)用軟件包括三部分：基帶數(shù)據(jù)加載軟件、服務(wù)器數(shù)據(jù)分包轉(zhuǎn)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(duì)基帶數(shù)據(jù)模擬器HRPT、MPT、DPT數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)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(cè)試過(guò)程中載荷儀器的探測(cè)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?qū)崿F(xiàn)對(duì)所要發(fā)送的文件進(jìn)行選擇和發(fā)送的控制；信息顯示區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)所發(fā)數(shù)據(jù)流的監(jiān)控。軟件界面如圖2所示。

        服務(wù)器數(shù)據(jù)分包轉(zhuǎn)發(fā)軟件主要完成將存儲(chǔ)在服務(wù)器硬盤(pán)中的衛(wèi)星試驗(yàn)數(shù)據(jù)（載荷探測(cè)儀器探測(cè)數(shù)據(jù)）分包，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送到后端用戶(hù)終端，并保證HRPT、MPT、DPT三條鏈路回放數(shù)據(jù)過(guò)程中碼速率與衛(wèi)星實(shí)際下傳碼速率相當(dāng)。該軟件由功能選擇區(qū)域和網(wǎng)絡(luò)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(guò)網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器連接，從服務(wù)器回放的數(shù)據(jù)中接收設(shè)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(wǎng)絡(luò)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(wù)器數(shù)據(jù)分包轉(zhuǎn)發(fā)軟件界面

 
圖4 終端數(shù)據(jù)接收軟件界面

2.3 技術(shù)分析

        在衛(wèi)星模擬器中，基帶數(shù)據(jù)模擬器、射頻信號(hào)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(gè)模塊，分別為HRPT、MPT和DPT基帶數(shù)據(jù)模塊，每個(gè)模塊包含主、備份各一塊。通過(guò)USB接口將數(shù)據(jù)加載計(jì)算機(jī)中的衛(wèi)星試驗(yàn)載荷儀器探測(cè)數(shù)據(jù)加載到三個(gè)數(shù)據(jù)處理模塊中，再經(jīng)過(guò)硬件轉(zhuǎn)換分別按照固定的傳輸速率連續(xù)發(fā)送到相應(yīng)的射頻模擬源，可提供高達(dá)480 Mbit/s的通信速度。三個(gè)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(jī)的速率相當(dāng)?；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(shè)計(jì)和固件程序設(shè)計(jì)兩部分組成，其工作原理如圖5所示。在硬件設(shè)計(jì)中，輸入數(shù)據(jù)通過(guò)USB2.0芯片到達(dá)控制核心FPGA，該FPGA可以控制兩片SRAM的讀寫(xiě)切換。數(shù)據(jù)緩存電路采用雙SRAM（單個(gè)SRAM容量512K Byte）組成乒乓結(jié)構(gòu)，這種緩存結(jié)構(gòu)使得采用相對(duì)較便宜的高速大容量SRAM來(lái)實(shí)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(lái)完成預(yù)期的設(shè)備功能。所謂固件程序就是在設(shè)備USB控制器內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中或外部擴(kuò)展的程序存儲(chǔ)器之中的程序?；鶐?shù)據(jù)模擬器通過(guò)固件程序來(lái)輔助硬件完成USB通信任務(wù)。

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(diào)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(lèi)數(shù)據(jù)發(fā)射機(jī)一致的輸入接口、卷積編碼方式、調(diào)制體制和輸出頻譜特征,射頻輸出至下變頻器。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

        下變頻器通過(guò)晶振產(chǎn)生一個(gè)10M信號(hào)，經(jīng)倍頻產(chǎn)生的射頻信號(hào)作為本振輸入，通過(guò)混頻器下變頻后濾波放大即得到所需的（720±5MHz）中頻解調(diào)信號(hào)。

圖6 射頻模擬源設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

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(yùn)行控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)和測(cè)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(diào)期間，曾出現(xiàn)不能下發(fā)正常的三路衛(wèi)星模擬信號(hào)的故障。

        逐一排查故障原因。首先檢查硬件設(shè)備，以HRPT信號(hào)為例。將HRPT射頻信號(hào)源的輸出端X2G連到頻譜儀的信號(hào)輸入端口，觀測(cè)HRPT射頻信號(hào)源的輸出頻譜，如圖7所示，可以看出，其頻譜包絡(luò)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(yàn)過(guò)程中載荷儀器的探測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)具備很強(qiáng)的隨機(jī)性，不應(yīng)出現(xiàn)有規(guī)律的毛刺狀頻譜。在對(duì)設(shè)備硬件進(jìn)行專(zhuān)業(yè)測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)基帶數(shù)據(jù)模擬器、HRPT射頻信號(hào)源設(shè)備本身各項(xiàng)指標(biāo)正常，故懷疑可能是數(shù)據(jù)本身的問(wèn)題。

        第二步，檢查衛(wèi)星模擬器載荷儀器探測(cè)數(shù)據(jù)。在衛(wèi)星模擬器的服務(wù)器電腦上，用UltraEdit32軟件打開(kāi)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(jī)性，經(jīng)判斷這是衛(wèi)星載荷測(cè)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(diào)制器工作不穩(wěn)定。

        第三步，對(duì)數(shù)據(jù)加擾，驗(yàn)證設(shè)備正常。構(gòu)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(hào)源，觀測(cè)其輸出頻譜，以驗(yàn)證設(shè)備是否確實(shí)正常。將解擾后的數(shù)據(jù)（如1.trans.0文件）與擾碼表中對(duì)應(yīng)位的數(shù)據(jù)進(jìn)行異或操作，即可得到加擾后的數(shù)據(jù)。加擾過(guò)程舉例說(shuō)明如表1所示。將加擾后的文件通過(guò)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(guò)頻譜儀觀測(cè)HRPT射頻信號(hào)源輸出頻譜，如圖8所示，頻譜包絡(luò)平滑，沒(méi)有毛刺，可以驗(yàn)證衛(wèi)星模擬器設(shè)備正常。后又將HRPT射頻信號(hào)源的輸出連接到下變頻器的輸入端，再與地面站實(shí)際接收設(shè)備連接，實(shí)際證明系統(tǒng)運(yùn)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(jié)論

        本文在對(duì)衛(wèi)星模擬器的工作原理、關(guān)鍵技術(shù)做充分分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其在北京氣象衛(wèi)星地面站地面接收系統(tǒng)聯(lián)調(diào)期間的故障排查過(guò)程做了總結(jié)，為衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)、運(yùn)行控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)和測(cè)試提供重要依據(jù)。

表1 加擾過(guò)程舉例說(shuō)明