卫星测控站频谱监测系统设计方案及实现

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1、卫星测控站频谱监测系统设计方案及实现昂正全;赵京广;李一超【摘 要】为解决卫星测控站人工监测下行中频信号效率低、无自动化的频谱处理 等问题,设计并实现了一种基于开关矩阵和频谱仪的多路频谱监测系统;首先介绍了 该系统的硬件组成,然后介绍了系统软件设计方案,针对系统功能,提出了若干个频谱 监测相关的处理算法,包括基于 SCPI 的频谱实时监测、基于临界线的异常信号检测 基于频谱轨迹的频谱录像与回放以及一种快速的遥控命令捕获等算法,最后通过试 验说明系统满足频谱监测的需求;实际应用结果表明,该系统运行稳定可靠,各算法是 实用有效的.期刊名称】计算机测量与控制年(卷),期】2014(022)011【总

2、页数】4页(P3466-3469)关键词】 频谱监测;异常信号检测;频谱录像 【作 者】 昂正全;赵京广;李一超【作者单位】 北京航天飞行控制中心,北京 100094;北京航天飞行控制中心,北京100094;北京航天飞行控制中心,北京 100094正文语种】 中 文中图分类】 TP3110 引言 卫星测控站是航天测控网的重要组成部分，主要完成对卫星的跟踪、遥测和遥控。 各类卫星的发射、长期管理都需依赖于测控站的软硬件系统1。卫星测控天线 向地面主动发送信标信号，测控站自动跟踪信标信号，从而实现跟踪卫星。测控站 跟踪卫星过程中，测控站天线跟踪状态是否良好，决定着是否能够正常收到遥测信 号以及正确

3、的发送遥控信号。在卫星发射阶段，测控站天线系统需要保持对卫星的 连续跟踪，此时卫星还处于转移轨道上，卫星姿态也未稳定，跟踪的信号也不稳定 通过对下行链路中频信号的频谱监测2，可以判断天线跟踪状态，根据跟踪状 态及时地更改地面站相应的配置，以达到对卫星的连续跟踪；同时也能检测出卫星 信号中存在的干扰，提前启动相应的应急措施，最大程度地消除干扰带来的影响。 传统人工监测频谱的方法是在需要的时候，由操作员完成频谱仪的摆放、电缆的连 接、频谱仪参数的配置以及频谱的监测等工作。人工方法缺乏实时性、效率低、不 能进行频谱数据记录和分析、缺少频谱监测处理的自动化手段，故本文设计了一种 卫星测控站频谱监测系统

4、，实现了自动化的中频频谱监测。1 频谱监测系统组成在卫星发射阶段，通常需要使用 2 台频谱分析仪同时监测卫星的左旋和右旋信号， 根据信号的大小确定天线的跟踪旋向。为节约成本，该系统没有使用多台频谱分析 仪监测每路信号，而使用一个中频开关矩阵实现多路频谱信号的监测。监测的中频 信号包括各天线的下变频器输出的中频信号以及一个测试中频信号，该测试中频信 号根据需求临时接入。我站测试中频信号主要是用来接入基带上行中频信号，实现 对遥控信号频谱的捕获。系统组成如图 1 所示。图1 频谱监测系统组成 频谱监测系统主要由射频设备、中频设备、中频开关矩阵、频谱分析仪和频谱监测 工作站等构成3：1）场放设备：放

5、大天线接收的微弱信号，具有很低的噪声系数。2）下变频设备：将场放输出的射频信号变换到中频信号，同时对信号进行一定程 度的放大。下变频器的输出信号分路出另一路中频信号，通过电缆连接到中频开关 矩阵。3）中频开关矩阵：完成多路输入信号的选择，它的2个输出端口分别连接到频谱 分析仪。4）频谱分析仪：是频谱监测系统的关键设备，对频谱分析仪的基本要求是频率覆 盖中频范围，因此本系统选择了一款性价比非常高的中频数字频谱仪RIGOL - DSA800,频率范围9kHz至1.5GHz，最小分辨率带宽和视频带宽为100 Hz。2 台频谱分析仪可以同时监测2路中频信号，通过切换开关矩阵，具有多路信号监 测的功能。

6、5 ）频谱监测工作站：工作站上运行频谱监测软件。工作站是一台PC机， Windows XP操作系统，安装Agilent IO驱动库，通过网络或者GPIB - USB转 接器与频谱仪连接。频谱监测系统搭建好后，用户只需在工作站上打开频谱监测软 件，选择中频信号后，开始进行频谱监测。根据多年人工监测频谱的经验和实际应用需求，频谱监测系统具有如下功能：1）频谱显示：完成两台频谱仪频谱轨迹的采集，并集中显示在同一个屏幕上，具 有单屏显示和双屏显示切换功能，频谱采样率要达到每秒5帧。2）频谱仪控制：完成对两台频谱仪参数的远程控制。3）中频信号切换：完成下行链路中频信号和测试中频信号的选择，改变频谱仪的

7、输入，实现多路信号的监测。4）异常信号检测：完成频谱中异常信号的自动检测，并给出提示和报警。5）频谱录像和回放：完成对频谱的实时录像存储，并可以回放录像文件，单个录 像时长达到1小时以上。6）遥控命令自动捕获：完成最小持续时间1秒的遥控信号频谱的自动捕获，为卫 星发射提供技术支持。7) 数据记录：完成频谱中光标处频率和幅度的纪录并保存成文件，供后续分析。2 频谱监测系统软件设计 频谱监测系统软件流程图如图2所示，频谱显示的数据源有两个，分别是实时频 谱和录像频谱。实时频谱监测的流程是打开相应的频谱仪配置文件，连接频谱仪成 功后，实时读取频谱轨迹数据，录像频谱回放流程则打开录像文件，然后从文件中

8、 读取频谱轨迹数据，二者都将对频谱轨迹进行遥控命令检测和异常信号检测，然后 显示频谱，频谱显示完成后，触发实时读取或者从录像文件中读取下一个轨迹数据； 频谱显示时，同时将频谱轨迹数据传递给录像、光标数据记录模块，进行相应的处 理。软件将在同一界面中显示2个频谱，并实现播放、暂停、停止、切换中频开 关矩阵、频谱参数设置、光标控制、图像截屏等功能。图2 频谱监测系统软件流程图 软件体系结构如图3所示，按照分层模块化思想设计4，对硬件设备封装成相 应的独立模块，频谱显示模块为核心模块，其他各子功能封装成相对独立的模块， 该体系结构优点是整个软件体系结构清晰，接口相对明确，便于维护和修改。图3 频谱监

9、测系统软件体系结构 系统主模块是系统的入口模块，负责产生系统的主界面，调用频谱显示模块、开关 矩阵控制和显示控制模块，并响应用户的鼠标键盘响应，实现系统与用户的人机交 互；频谱显示模块是系统中最主要的一个模块，通过调用其它子模块，实现了系统 中的主要功能，对应实际的两个频谱仪，系统中有两个频谱显示模块。频谱显示模 块是一个控件类TSPViewer，继承TPanel，包含图表TChart、文本TLabel，线 条TFastLine - Series等显示元素，还包含频谱轨迹数据、光标位置数据等其他数 据变量等，通过提供接口函数或者事件响应等完成与主模块和用户的交互。其中最 主要的接口是更新频谱轨

10、迹 SetSp - Data ( double * SpData , int n , intSenderld ），输入为新的频谱轨迹，处理流程是先拷贝频谱轨迹到内部频谱轨迹数据变量，然后更新光标显示数据，调用异常信号检测和遥控命令检测模块，之后触发频谱更新消息，从而进行频谱的重新绘制，绘制完成后，将频谱轨迹传递给录 像、光标数据记录模块等，并发送读取频谱下一个轨迹消息。软件中关键的功能模块是频谱轨迹数据实时读取、异常信号检测、频谱录像与回放 以及遥控命令捕获，为实现这些功能，本文设计了相关的处理算法，下面详细介绍。3 频谱监测处理算法3.1 频谱轨迹数据实时读取1990年Agilent等公司制

11、定了用于可控仪器标准指令SCPI5-7。SCPI是用ASCII 定义的树状分层结构的命令集，用于测量仪器的指令语言，分为 IEEE 488.2 公用指令和 SCPI 仪器特定的指令。公用指令语法格式为：“”关键字， 控制仪器的基本功能；特定指令有命令和查询两种，使用“：”作为关键字的分隔 符。命令格式通常为关键字空格参数，查询格式通常为关键词“？”。例如，RIGOL - DSA800的SCPI指令有：目前，Agilent公司已用SICL库来作为开发仪器控制程序的函数库。SICL库不仅 支持VXI总线仪器，也支持HP_IB, GPIO, RS - 232 , LAN等总线仪器。通过 使用编程语言

12、C或VB等可以方便地开发仪器控制程序。常用的I / O函数是本文对频谱仪设计了标准格式的配置文件，在配置文件中详细定义了每种功能对应的命令，可自定义配置文件，用户使用频谱监测软件打开配置文件，连接指定的频谱仪，实现频谱仪的即插即用功能。当软件在进行频谱监测时，后台频谱仪读取线程不间断的向频谱仪发送配置文件指定的控制指令和查询指令，然后读取频谱仪的响应数据，将数据发送给主模块更新频谱显示，显示处理完成后又进行下一次的频 谱轨迹数据读取。3.2 异常信号检测 异常信号主要是干扰8引起的。在卫星长管或者早期轨道任务中，会出现干扰 信号，有的是自身信号突然的降低或者增大，或者出现相邻的干扰信号，或者低

13、噪 的功率变大等。异常信号检测方法是通过临界线的方法来实现，分为两类临界线，分别是上临界线， 下临界线，上临界线是某处频谱的最大边界；下临界线是某处频谱的最小边界。在 检测之前，由人工在频谱图上任意的绘制上下临界线，形成信号的包络，系统自动 比较信号是否超过包络，若发现信号超出包络，则认为是出现异常干扰信号，主动 提示或报警。临界线包络由一组直线组成，描述直线的 4 个参数是 k，b，lx，Lx。 对应上下临界线包络，共有两组直线方程，如下：图4 异常信号检测临界线当在频谱图上绘制包络时，根据直线的两个端点位置计算出对应的频率、功率值，分别表示成(f1,p1),(f2,p2),根据这两个点即可

14、计算出直线参数k和b 值，lx 二 min (f1,f2),Lx 二 max (f1,f2)。频谱数据更新时，触发异常信号检测，流程如下：(1)对所有的频谱数据进行依次检测；(2 )假设当前频谱数D据为频率x,幅度y(3) 根据上临界线方程组，计算(4) 根据下临界线方程组，计算(5) 如果D(x)y =2/3,则判别存在遥控命令，否则不是遥控命令； 4）若是遥控命令，则进行相应频谱保存和处理。图5 遥控命令捕获 虽然该算法不是精确的遥控命令判别，但是在实际应用中，频谱信号的状态只有纯 噪声、单载波、遥控命令或者他们的中间不完全状态，因此该算法是有效的。同时 该算法只对TC SPAN范围内频谱

15、点数进行比较运算，算法需要的时间非常短，在 实际应用中得到了很好的验证。4 试验结果与分析 频谱监测的基础是重复不断的刷新频谱轨迹数据的显示，刷新时间定义为从开始当 前频谱轨迹的更新显示到下一个频谱轨迹的更新显示这一时间间隔。刷新时间描述 了频谱监测系统的频谱刷新速度，刷新时间越短，刷新速度越快，频谱监测系统实 时性越高。刷新时间主要包括两部分，分别是读取频谱仪轨迹的响应时间和计算机 处理频谱更新显示的时间。读取频谱仪轨迹的响应时间跟实际频谱仪的性能有关； 计算机处理频谱更新显示的时间受到计算机性能制约。本文设计了如下的刷新时间测试试验。计算机平台是Windows XP , CPU3.3Gx2

16、 , 3G RAM，分别使用3个类型的频谱仪进行试验，包括RIGOL -DSA800、Agilent8562EC和HP8566B。监测系统中各频谱处理功能定义如下： 纯频谱实时监测；异常信号检测；频谱录像；遥控命令捕获。试验时分别 打开各频谱处理功能，测试各次的平均刷新时间。平均刷新时间是连续的100帧 频谱轨迹的刷新时间的平均值。频谱仪的参数均设为RBW : 10 kHz ; VBW : 1 kHz；SPAN：2 MHz。表1平均刷新时间测试（ms ）表1测试结果说明：1）频谱监测系统的刷新时间最小是97 ms，最坏是197 ms，每秒采样510个 频谱轨迹帧，达到设计要求。不同类型的频谱仪

17、的性能制约刷新时间。2）频谱处理功能的使用，对刷新时间的影响非常小，可以或略，证明异常 信号检测功能能够检测到瞬间的异常信号，同时说明遥控命令捕获功能也能够捕获 到1秒时长的遥控命令。3 ）频谱监测系统能够支持多种类型的频谱仪，只要该频谱仪具有SCPI标准指令 集。本文还设计了频谱录像试验，平台与上面一样，设置采样率5f/s,频谱点数601, 量化位数16 ，进行10天连续的录像，每12个小时自动生成一个新文件。生成的 录像文件大小约250 MBytes，总共占用硬盘空间5 OOOMBytes。该试验结果说 明，频谱录像模块稳定可靠，需要的硬盘空间在可接受范围内，满足长时间录像的 需求。5结论

18、 卫星测控站频谱监测系统实现了对射频链路中频信号的自动监测，解决了人工监测 模式效率低、实时性差、无频谱信号自动化处理等问题；同时它实现了异常信号检 测、频谱录像与回放以及遥控命令自动捕获等功能，满足了测控站在卫星长管和卫 星发射中的实际需求。该系统经过了三颗卫星发射支持任务和近一年的卫星长管的 考验，证明系统是稳定可靠的，提出的新算法是实用有效的，具有很大的扩展性和 推广价值。【相关文献】1昂正全，任宇辉，刘嘉栋一种可编程链路测试系统的设计与实现J 计算机测量与控制， 2011，（10）：23442346.2 汪宏武，鄂志东计算机辅助频谱监测系统在卫星通信系统中的应用J 技术应用，2006

19、, （4）：5051.3 李勇，张艳娥，孙谦一种卫星频谱监测系统设计方案及实现J 空间电子技术，2008 , （3）：7780.4 张 增，刘玉军.电磁环境频谱监测软件的设计与实现 J .信息技术， 2011 ， （11）：30 31.5 顾大权，王晓，汪洋基于VISA和SCPI的多点数据测量系统J 仪表技术，2011 , （1）：16.6方杰，黄洪，郑荐中，等基于SCPI的闪变测量仪测试系统研究J 质量技术监督研究， 2011，（2）：4950.7 杜秀伟，王前程.SCPI语言解析器的设计与实现J 电子质量，2008,（ 8 ）:23 - 25.8 戴雪扬，徐辉卫星干扰监测技术的研究J,计算机测量与控制，2005 ,（ 12 ）: 1305 -1332.