高可靠小型测控应答机的研究与改进

摘要

皮卫星是现代航天中的重要研究领域，由于其具有体积小、重量轻、研制周期短等特点，因此越来越受人们的青睐。测控应答机作为皮卫星的重要子系统，主要负责星地链路间的通信，它的正常工作与否将直接影响整个卫星任务的成败。与传统卫星相比，皮卫星对测控应答机提出了更高的要求，它要求小型测控应答机在保证其基本功能实现的情况下在体积与功耗等方面均能适应皮卫星的任务需求。
　　经过课题组数十年的努力，已经实现了高可靠、低功耗小型测控应答机的设计。然而随着航空航天领域的进一步发展，其不足之处也渐渐显现。本文仍旧从小型测控应答机高可靠、低功耗的设计角度出发，对现有的测控应答机进行改进与优化。
　　本文首先从高可靠的设计出发，针对太空中存在的单粒子效应，提出了使用反熔丝FPGA来替换原有的DSP完成数字部分信号处理的方案。随后对现有测控应答机灵敏度不高的原因进行分析，结合现有的硬件平台提出了数模结合的载波跟踪环结构，从而有效地将灵敏度从-93dBm提升至了-110dBm。最后，考虑到小型测控应答机的通用性，本文在现有测控应答机的基础上增加了高速数传模块与射频前端天线网络盒模块。经过测试分析，以上各模块均能正常工作并达到了预期的指标要求。
　　通过本文的工作，小型测控应答机能够分时地工作于USB（统一S频段）体制与高速数传体制。其接收灵敏度优于-110dBm，面积约为160cm2，功耗为3.2W，与同级别的其他测控应答机相比具有较明显的优势。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景和现状

1．1．1 微小卫星研究背景介绍

1．1．2 测控应答机研究背景介绍

1．2 论文的研究背景介绍

1．2．1 现有应答机简述

1．2．2 存在的不足与解决方案

1．3 论文工作与章节安排

2 小型测控应答机可靠性设计

2．1 可靠性方案设计

2．1．1 单粒子效应简介

2．1．2 改进方案分析

2．1．3 最终方案介绍

2．2 反熔丝FPGA软件设计

2．3 本章小结

3 数模结合载波跟踪环设计

3．1 原应答机灵敏度不足的原因

3．1．1 应答机灵敏度的限制因素

3．1．2 现有测控应答机载波跟踪环结构分析

3．2 载波跟踪环结构设计

3．2．1 数字载波跟踪环结构

3．2．2 模拟载波跟踪环结构

3．2．3 数模结合载波跟踪环结构

3．3 方案介绍及硬件电路设计

3．3．1 方案介绍

3．3．2 环路滤波器的设计

3．4 测试结果及分析

3．5 本章小结

4 高速数传模块设计

4．1 高速数传需求分析

4．2 高速数传方案设计

4．2．1 数字调制高速数传方案

4．2．2 模拟调制高速数传方案

4．2．3 最终方案介绍

4．3 调制过程中非理想因素分析

4．3．1 DQPSK

4．3．2 IQ不平衡

4．3．3 本振泄露与边带抑制

4．4 硬件电路的设计与实现

4．4．1 芯片选型

4．4．2 高速DAC的设计与实现

4．4．3 频率综合器的设计与实现

4．4．4 模拟调制器的设计与实现

4．4．5 芯片间的互连

4．5 测试结果及分析

4．6．本章小结

5 射频前端天线网络盒设计

5．1 天线网络盒的功能简述与方案设计

5．1．1 功能简述及其意义

5．1．2 传统方案介绍

5．1．3 方案设计

5．1．4 器件位置考虑

5．2 硬件电路设计

5．2．1 芯片选型

5．2．2 系统可靠性设计

5．3 测试结果及分析

5．4 本章小结

6 小型测控应答机整机性能测试

6．1 测试方案介绍

6．1．1 硬件平台介绍

6．1．2 测试方案介绍

6．2 整机性能测试

6．2．1 射频接收链路测试与分析

6．2．2 射频发射链路测试与分析

6．2．3 整机功耗测试与分析

6．3 本章小结

7 总结和展望

7．1 本文总结

7．2 工作展望

参考文献

作者简介