[发明专利]一种立方体卫星测控应答机的相干信号转发方法

说明书

本发明公开了一种立方体卫星测控应答机及其相干信号转发方法，对接收信号射频直接采样、FPGA数字化处理、数模转换，输出的发射信号与接收信号相干。应答机包括VHF频段天线、第一VHF带通滤波器、射频放大器、第二VHF带通滤波器、高速ADC、FPGA、高速DAC、UHF带通滤波器和温补晶振TCXO，解决了传统中大型卫星应答机功耗大，性能不稳定问题，并为微小卫星提供了一种卫星与地面站的相对距离和速度测量方法。本发明的转发信号的频谱近端噪声低，频谱纯度高，且测速的精度只与地面站的参考频率稳定度和转发噪声有关，测速精度高，另外在射频采样后均采用了全数字化方式处理，比模拟电路温度稳定性高。

技术领域

本发明涉及卫星测控通信领域，具体涉及一种立方体卫星测控应答机及其相干信号转发方法。

背景技术

立方体卫星是一种尺寸为10cm×10cm×10cm立方体模块或其组合体的微纳小卫星，具有体积小、成本低、标准化的特点。卫星测控应答机是负责卫星与地面通信的设备，除了完成卫星和地面数据通信的功能外，测控应答机一个重要功能是相干转发地面站发射的测距信号。所谓相干转发，指的是卫星发射的下行信号载波与卫星接收到的地面站上行信号载波相干，即发射频率与接收频率的比值严格等于某个固定的转发比。由于卫星于地面站之间具有相对运动，地面上行信号到达卫星应答机以及应答机转发的下行信号回传到地面站时，会产生多普勒频率偏移。地面站通过测量转发信号的时延，可实现卫星与地面站之间的距离测量；通过测量转发信号的频率偏移，可实现卫星与地面站之间的相对速度测量。

由于卫星应答机本身的参考晶振频率和地面基准频率存在频率偏移，应答机工作相干模式时，需要对上行测距信号采用锁相环路提取相干频率为参考信号，参考信号再经过倍频后得到下行发射的相干载波信号。现有方法在发射倍频过程中，下行载波信号的相位噪声受上行信号的信噪比影响较大，最终影响测距测速精度。传统中大卫星的应答机通常由模拟电路实现，功耗体积均较大，其中的压控振荡器(VCO)等模拟电路的温度稳定性差，不适合在立方体卫星上应用。一些在微小卫星中应用的小型化数字化测控应答机做了功能简化，只具有遥控遥测数据传输功能，而不具备测距测速功能。目前，通过相干转发实现测距测速功能的小型化数字应答机尚未在立方星上应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种立方体卫星测控应答机及其相干信号转发方法，通过对接收信号射频直接采样、FPGA数字化处理、数模转换后，使得发射的UHF 频率信号载波与接收的VHF频率信号的载波相干，解决了传统中大型卫星应答机功耗大，性能不稳定问题，并为微小卫星提供了一种卫星与地面站的相对距离和速度测量方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种立方体卫星测控应答机，包括VHF 频段天线、第一VHF带通滤波器、射频放大器、第二VHF带通滤波器、高速ADC、 FPGA、高速DAC、UHF带通滤波器和温补晶振TCXO；VHF频段天线依次与第一 VHF带通滤波器、射频放大器、第二VHF带通滤波器串联，高速ADC分别与第二VHF带通滤波器和FPGA连接，FPGA分别与高速DAC和温补晶振TCXO连接，高速DAC通过UHF带通滤波器连接到UHF频段天线；第一VHF带通滤波器、射频放大器、第二VHF带通滤波器用于对由VHF频段天线接收到的地面站出的信号进行放大并抑制带外噪声和干扰，以保证高速ADC采样的准确性；高速ADC 用于对地面站发射的上行信号射频直接采样，获取信号的频率；FPGA用于搭建 Costas锁相环路和DDS结构的发射机，以对上行信号进行解调和对下行信号的调制处理；高速DAC用于将FPGA输出的数字信号转化成模拟信号；UHF带通滤波器用于提取高速DAC输出模拟信号中的第4奈奎斯特频率成分，以满足星地相干转发系统要求；温补晶振TCXO用于提供高速ADC采样频率基准。

一种基于立方体卫星测控应答机的相干信号转发方法，方法步骤如下：

步骤1、VHF频段天线收到地面站发射的上行信号后，由第一VHF带通滤波器、射频放大器、第二VHF带通滤波器进行信号放大和抑制带外噪声和干扰的处理。