航天测控站大动态控制的实现

1、航天测控站大动态控制的实现        摘要：介绍航天测控通信系统中首区测控站微波接收大动态控制的实现方法，采用“二状态”断续自动控制方案和高性能大动态控制模块，达到96 dB的大动态控制，实现了抗强信号互调、高灵敏度接收及和、差通道相位、增益的高一致性。一、前言    随着接收技术的发展，对弱信号接收前端的要求也越来越高，特别是航天测控领域对前端的要求更高，首先要有低的噪声系数，其次是大的信号动态范围，第三是和、差相位的一致性等。这都给小信号高频接收信道的设计带来了一系列的技术难点，特别是首

2、区测控站这些问题更加突出，是其中的一个技术关键。本文就载人航天工程首区站的特殊问题进行了研究、设计，最终实现了96 dB的大动态控制。 二、 大动态控制的主要技术问题1. 航天器信号动态的变化本测控站微波接收前端输入的信号动态变化达115 dB，上述动态范围出现在2个飞行段中：(1）航天器起飞段：为强信号工作段，信号电平动态变化范围达96 dB，同时还存在5个载波频率，最强电平为-47 dBW，若信道工作于非线性，将产生严重的组合干扰，甚至堵塞；在起飞段的远距离时，信号电平又减弱96 dB，而且在信号变化过程中，和、差信道的相位的一致性不能超过8°(2）航天器运行段：航天器运行的最远

3、距离达3 000 km，其相应的最弱电平是-164 dBW，此时要求高频接收前端场放输入口的噪声温度小于等于60 K。可见要保证高频接收信道在起飞段和运行段两种状态同时满足系统要求，难度很大。它的主要技术难点归纳为3点：-47 dBW输入时，高频信道引起的互调要小;要满足-164 dBW的高灵敏度要求;在-47-164 dBW的信号大动态变化范围内，和、差通道的相移、增益一致性要满足角跟踪的要求。2方案的选择系统采用双通道单脉冲角跟踪体制，因此高频接收信道分为和、差通道，由7条场放和12条下变频器组成。若场放增益取50 dB，在起飞段输入信号电平为-47 dBW时，若要求场放线性工作，则其输出

4、已达2 W，就目前国内外水平显然是不可能实现的，在场放前直接加衰减器，除系统噪声温度不能满足要求外，交调也难以保证。接收信道动态控制的典型方案是采用AGC，但在本文所论的特殊情况下，场放入口电平太高，如果将AGC控制到场放，它带来的问题是：在AGC控制下，和、差微波放大器的相位、增益不一致性很难保证，且实现96 dB大范围的增益自动控制难度很大。因此在方案在选择上，根据航天器运行的特点，在刚起飞时，采用在高频接收信道的和、差场放输入口由波导开关接入一电调衰减器（36 dB）组成的控制模块，将强信号衰减，而随着航天器的远离，在所设计的远距离上，将电调衰减器的衰减量控制到最小，以满足起飞段中的远距

5、离要求。两种状态中都同时具有60 dB的中频AGC，这样它和36 dB的电调衰减共同完成了96 dB的大动态控制。由于电控衰减只有两种状态，使得这两种状态的相位、增益一致性易于满足要求。在要求高灵敏度接收的运行段，则用波导开关将衰减器切出。 3大动态的实现根据信号电平变化的特点，将系统工作过程分为3段：第一段起始段：此时高频接收端的输入信号电平达-47 dBW，重点考虑抗互调干扰的问题;第二段起始飞行段：它的最远距离是1 200km，要求在这个距离收到的信号能满足接收灵敏度的要求;第三段运行段： 它的最远距离是3 000mm，要求接收信号的电平要满足-164 dBW灵敏度的要求，此时系统噪声温

6、度应小于等于60 K。为满足上述要求，高频接收信道也相应按3种状态设计：(1）起始时刻：实现大动态的方法是在和、差路的场放输入口加一大动态控制模块，将起始衰减置于36 dB，这样可以使场放输入口的最强电平降为-83 dBW，从而低于场放线性度要求的最大输入电平-80 dBW，以确保在强电平下场放的互调干扰满足系统要求;(2) 起始飞行段：起飞时，随着距离的增加，信号电平逐渐减弱，当场放控制模块输入电平低于-80 dBW时（根据接收机AGC电平指示），由主监控台自动控制模块回零。这时只存在12 dB的插损，它虽然引起G/T值损失，但仍然能确保在第一圈1200km距离上的接收灵敏度要求。“模块”回

7、零的时间常数设计为12 s，这样的变化速度使得中频载波环的AGC能实时响应，从而保证主载波环和角跟踪的幅度归一化。而在“归零”后，和、差相移一致性可满足6°要求， 增益一致性可满足±1 dB的要求，从而保证了角跟踪精度。而在“模块”由-36 dB到“归零”的转换期间，可放宽和、差“模块”间的相移、增益一致性要求，只要求它不影响角跟踪的稳定工作。这样的大动态控制方案就使得和、差相移、增益一致性得到了保证。起始段和第一圈飞行段各级电平变化如表1所示。(3) 第二圈运行段：为确保3 000 km作用距离，使G/T值满足20.5 dB/K的要求，用波导开关切换出“模块”以除去“模块

8、”插损对G/T值的影响，此时场放输入口的最弱电平是-164dBW，场放输入口的噪声温度小于等于60 K。波导开关的切换时间选在第一圈和第二圈之间进行，使之不影响系统的正常工作。三、通道设计1. 通道增益的分配根据高频接收分系统额定灵敏度和大动态信号的要求，再考虑整个通道的线性和三阶交调指标，主通道增益分配如图1所示(主通道LNA的增益取53 dB，引道通道LNA的增益取50dB)，净增益G（-0.12+53-1.7-12-7+20-4-8）40.18。2. 动态范围的核算“模块” 在各种工作方式下，各级电平分配如表2。四、大动态控制“模块” 1. 大动态控制“模块”的性能由前面的分析可知，本方

9、案是在和路(含左、右旋极化通道)、差路的场放输入端加大动态控制模块，其模块的性能指标除满足大动态的要求外，还必须满足角跟踪系统的要求，即要求高频接收通道的和、差相移一致性±6°，因此对“模块”和（左、右旋）、差的相位一致性要求很高，即在恶劣的环境温度（-45°+60°）条件下，其“模块”间的相移、增益一致性满足：±6°；增益一致性：±1 dB；转换时间：11.5 s；起始插损：2 dB；控制切换控制信号TTL“0”或“1”。2. “模块”的控制方式“模块”的控制采用自动控制的方式，有3种方法来实现：第一种方法是，以航天器起飞

10、时为零时刻，由监控台根据“时间接收电理论计算曲线”，求得场放入口电平(TT&C)为-105 dBW左右的时刻，用“时间”程序控制的方法，在此时刻用一开关信号控制“模块”回零；第二种方法，根据测距机实测的距离值为136 km左右时，用开关信号控制“模块”回零；第三，由并联的引导中接收机AGC电平来判断场放入口(TT&C)电平为-105 dBW左右的时刻（引导天线增益比主天线低20 dB，它相应的场放入口电平为-125 dBW，处于线性段又无“模块”衰减量变化的影响），用开关信号控制“模块”回零；3种信号同时采集并行工作，实现复合控制，以确保“模块”转换回零万无一失。若主控台出现故障，可由主控台提供信息，由高频接收机本控人工操作使模块回零。由主控台来的控制信号，通过高频接收机的MCP（监控处理器）对其进行转换后并口输出TTL高、低电平，由TTL高、低电平去控制继电器，从而实现“模块”控制电压由21 V到0 V的变化，通过选择充电电路的电容和电阻值来实现电压的变化，变化时间不小于1000 ms。五、结束语从前面的分析、设计及模块达到的性能指标可以看出，微波接收大动态通道的设计是合理的，满足了系统9