卫星测控站频谱监测系统设计方案及实现.docx

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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,提出了假设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、基于临界限的特别信号检测、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,最终通过试验说明系统满足频谱监测的需求;实际应用结果说明,该系统运行稳定牢靠,各算法是有用有效的.【期刊名称】计算机测量与把握【年(卷),期】2023(022)011【总页数

2、】4 页(P3466-3469)【关键词】频谱监测;特别信号检测;频谱录像【作 者】昂正全;赵京广;李一超【作者单位】北京航天飞行把握中心,北京 100094;北京航天飞行把握中心,北京100094;北京航天飞行把握中心,北京 100094【正文语种】中 文【中图分类】TP311 0 引言卫星测控站是航天测控网的重要组成局部，主要完成对卫星的跟踪、遥测和遥控。各类卫星的放射、长期治理都需依靠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，打算着是否能够正常收到遥测信号以及正确的发送遥控信号。

3、在卫星放射阶段，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，卫星姿势也未稳定，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，可以推断天线跟踪状态，依据跟踪状态准时地更改地面站相应的配置，以到达对卫星的连续跟踪；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，最大程度地消退干扰带来的影响。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、不能进展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，实现了自动化的中频频谱监测。

4、1 频谱监测系统组成在卫星放射阶段，通常需要使用 2 台频谱同时监测卫星的左旋和右旋信号， 依据信号的大小确定天线的跟踪旋向。为节约本钱，该系统没有使用多台频谱监测每路信号，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，该测试中频信号依据需求临时接入。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、频谱和频谱监测工作站等构成3： 1场放设备：放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

5、：将场放输出的射频信号变换到中频信号，同时对信号进展确定程度的放大。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。 4频谱：是频谱监测系统的关键设备，对频谱的根本要求是频率掩盖中频范围，因此本系统选择了一款性价比格外高的中频数字频谱仪 RIGOL DSA800，频率范围 9kHz 至 1.5GHz，最小区分率带宽和视频带宽为 100 Hz。2 台频谱可以同时监测 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。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， Wi

6、ndows XP 操作系统，安装 Agilent IO 驱动库，通过网络或者 GPIBUSB 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翻开频谱监测软件，选择中频信号后，开头进展频谱监测。依据多年人工监测频谱的阅历和实际应用需求，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，频谱采样率要到达每秒 5 帧。2频谱仪把握：完成对两台频谱仪参数的远程把握。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，转变频谱仪的输入，实现多路信号的监测。 4特别信号检测：完成频谱中特别信号的自动检测，

7、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，单个录像时长到达 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，为卫星放射供给技术支持。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翻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翻开录像文件，然后从文件中读取频谱轨迹数据，二者都将对频谱轨迹进展遥控命令检测和特别信号检测，

8、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，进展相应的处 理。软件将在同一界面中显示 2 个频谱，并实现播放、暂停、停顿、切换中频开关矩阵、频谱参数设置、光标把握、图像截屏等功能。图 2 频谱监测系统软件流程图软件体系构造如图 3 所示，依据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， 该体系构造优点是整个软件体系构造清楚，接口相对明确，便于维护和修改。图 3 频谱监测系统软件体系构造系统主模块是系统的入口模块，负责产生系统的主界面

9、，调用频谱显示模块、开关矩阵把握和显示把握模块，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 TFastLineSeries 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，通过供给接口函数或者大事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频谱轨迹 SetSpDatadoubleSpData，int n，intSender

10、Id，输入为的频谱轨迹，处理流程是先拷贝频谱轨迹到内部频谱轨迹数据变量，然后更光标显示数据，调用特别信号检测和遥控命令检测模块，之后触发频谱更消息，从而进展频谱的重绘制，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、特别信号检测、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，下面具体介绍。3 频谱监测处理算法3.1 频谱轨迹数据实时读取1990 年 Agilent 等公司制定了用于可控仪器标准指令 SCPI57。SCPI 是用ASCII 定义的树状分层构造的命令集，用于测量仪器的指令

11、语言，分为 IEEE488.2 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， 把握仪器的根本功能；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，RIGOLDSA800 的 SCPI 指令有：目前，Agilent 公司已用 SICL 库来作为开发仪器把握程序的函数库。SICL 库不仅支持 VXI 总线仪器，也支持 HPIB，GPIO，RS232，LAN 等总线仪器。通过使用编程语言 C 或 VB 等可以便利地开发仪器把握程序。常用的 IO 函数是本文对频谱仪设计了标准格式的配置文件，在配置文件中具

12、体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翻开配置文件，连接指定的频谱仪，实现频谱仪的即插即用功能。当软件在进展频谱监测时，后台频谱仪读取线程不连续的向频谱仪发送配置文件指定的把握指令和查询指令，然后读取频谱仪的响应数据，将数据发送给主模块更频谱显示，显示处理完成后又进展下一次的频谱轨迹数据读取。3.2 特别信号检测特别信号主要是干扰8引起的。在卫星长管或者早期轨道任务中，会消灭干扰信号，有的是自身信号突然的降低或者增大，或者消灭相邻的干扰信号，或者低噪的功率变大等。特别信号检测方法是通过临界限的方法来实现，分为两类临界限，分别是上临界限， 下临界限，上临界限是某处频谱

13、的最大边界；下临界限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限，形成信号的包络，系统自动 比较信号是否超过包络，假设觉察信号超出包络，则认为是消灭特别干扰信号，主动 提示或报警。临界限包络由一组直线组成，描述直线的 4 个参数是 k，b，lx，Lx。对应上下临界限包络，共有两组直线方程，如下：图 4 特别信号检测临界限当在频谱图上绘制包络时，依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，依据这两个点即可计算出直线参数 k 和 b 值，lx minf1，f2，Lx maxf1，f2。频谱数据更时，触发特别信号检测，流程如下：（1

14、） 对全部的频谱数据进展依次检测；（2） 假设当前频谱数 D 据为频率 x，幅度 y（3） 依据上临界限方程组，计算（4） 依据下临界限方程组，计算（5） 假设 Dxy Ux不满足，则信号特别。3.3 频谱录像与回放无论是频谱仪还是软件频谱监测系统，目前的频谱数据记录方式大体只有 3 种： 图像保存、频谱轨迹以及第三方软件视频录像。图像保存的方法是将频谱保存成一张图像，该方法简洁有用；频谱轨迹的方法是将频谱的轨迹数据和参数保存成原始的数据文件，供后续调用，该方法解决了图像方法不能进展数据分析的缺点，但是这两个方法都只能单幅频谱的保存，无法进展连续的大量的频谱记录；承受第三方软件视频录像的方法，

15、对频谱显示界面进展录像，可以进展连续频谱记录，但缺点是需要占用的空间较大，另外视频录像也无法进展数据的分析。综合上述三种方法的优缺点，设计了一种的频谱录像的方法，可进展连续的频谱数据记录，支持后续的数据分析，而且需要的空间也是在合理范围内。该方法扩展了频谱轨迹的方法，按帧存储频谱轨迹数据；每秒存储假设干个频谱帧，称为每秒帧数，也即采样频率。存储频谱的轨迹数目称为通道数，默认是 1 通道，可以是 2 通道。每个数据点用 2、4、8 个字节表示，每个点需要的位数称为量化位数。频谱轨迹数据值为功率值。频谱录像数据保存为一个文件，文件后缀为.SWAV，符合 RIFF 标准。全部的 SWAV 都有一个文

16、件头，描述了频谱流的编码参数。数据块的记录方式是 littleendian 字节挨次。文件格式如下：标志频谱参数格式参数轨迹数据块录像的过程是依据采样率，每秒自动存储 sample 个频谱轨迹数据帧， 在录像完毕后，添加相应的文件头部合并成最终的录像文件；录像停顿的方式有人工停顿、按时间自动停顿和按文件大小自动停顿。当操作员翻开频谱录像文件时， 软件首先对文件进展合法和格式上的验证，验证通过后，依据指定的参数和播放速度，对频谱轨迹数据进展连续的读取并更频谱显示，从而实现频谱的录像回放功能。3.4 遥控命令捕获在卫星放射过程中，常常要求捕获遥控命令的频谱，然而有的遥控命令持续时间只有 13s，人

17、工捕获存在难度，以往的做法是视频录像，然后再截图。该模块通过检测频谱的变化实现遥控命令自动捕获。捕获算法要能够在尽量短时间内完成捕获。捕获时，将上行中频信号接入频谱监测系统中，从而可以监测来自基带的遥控信号。考虑到一般在发送遥控信号前，上行信号处于纯噪声或者单载波状态，因此设计了 如下的近似判别算法。TC SPAN 定义遥控信号带宽，一般是 0.8 MHz，在该带宽内，当前频谱实际数据点数为 N，底噪的噪声密度为单位频率内的噪声功率值，其最大值定义为 NMD，实际应用中，不需要准确的 NMD 值，只要给出一个近似的 NMD 值，通过该 NMD 值能够区分出是噪声点还是信号点。近似判别算法是：

18、1初始 n0，针对 N 个 TC SPAN 范围内的频谱数据点，依次进展如下比较；2） 假设当前点幅度值大于 NMD，则 n；3） 统计完后，假设 nN23，则判别存在遥控命令，否则不是遥控命令；4） 假设是遥控命令，则进展相应频谱保存和处理。图 5 遥控命令捕获虽然该算法不是准确的遥控命令判别，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 范围内频谱点数进展比较运算，算法需要的时间格外短，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根底是重复不断的刷频谱轨迹数据的显示，刷时间定义为从开头

19、当前频谱轨迹的更显示到下一个频谱轨迹的更显示这一时间间隔。刷时间描述了频谱监测系统的频谱刷速度，刷时间越短，刷速度越快，频谱监测系统实时性越高。刷时间主要包括两局部，分别是读取频谱仪轨迹的响应时间和计算机处理频谱更显示的时间。读取频谱仪轨迹的响应时间跟实际频谱仪的性能有关； 计算机处理频谱更显示的时间受到计算机性能制约。本文设计了如下的刷时间测试试验。计算机平台是 Windows XP，CPU3.3Gx2，3G RAM，分别使用 3 个类型的频谱仪进展试验，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；特别信号

20、检测；频谱录像；遥控命令捕获。试验时分别翻开各频谱处理功能，测试各次的平均刷时间。平均刷时间是连续的 100 帧频谱轨迹的刷时间的平均值。频谱仪的参数均设为 RBW：10 kHz；VBW：1 kHz；SPAN：2 MHz。表 1 平均刷时间测试ms表 1 测试结果说明：1频谱监测系统的刷时间最小是 97 ms，最坏是 197 ms，每秒采样 510 个频谱轨迹帧，到达设计要求。不同类型的频谱仪的性能制约刷时间。 2频谱处理功能的使用，对刷时间的影响格外小，可以或略，证明特别信号检测功能能够检测到瞬间的特别信号，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

21、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 5fs，频谱点数 601， 量化位数 16，进展 10 天连续的录像，每 12 个小时自动生成一个文件。生成的录像文件大小约 250 MBytes，总共占用硬盘空间 5 000MBytes。该试验结果说明，频谱录像模块稳定牢靠，需要的硬盘空间在可承受范围内，满足长时间录像的需求。5 结论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；同时它实现了特别信号检测、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

22、在卫星长管和卫星放射中的实际需求。该系统经过了三颗卫星放射支持任务和近一年的卫星长管的考验，证明系统是稳定牢靠的，提出的算法是有用有效的，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.计算机测量与把握， 2023，10：23442346.2汪宏武，鄂志东.计算机关心频谱监测系统在卫星通信系统中的应用 J.技术应用，2023，4：5051.3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，2023，3：7780.4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，2023，11：30 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，2023，1：16.6方 杰，黄 洪，郑荐中，等.基于 SCPI 的闪变测量仪测试系统争论 J.质量技术监视争论， 2023，2：4950.7杜秀伟，王前程.SCPI 语言解析器的设计与实现 J.电子质量，2023，8：2325.8戴雪扬，徐 辉.卫星干扰监测技术的争论 J，计算机测量与把握，2023，12：13051332.