一種用于高速飛行器天基測控的數(shù)據(jù)處理器系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種用于高速飛行器天基測控的數(shù)據(jù)處理器系統(tǒng)，包括：電源模塊、接口模塊、控制模塊、加密模塊、前向處理模塊和返向處理模塊；電源模塊為其他模塊提供二次電源；控制模塊接收來自控制指令并發(fā)送其他模塊；加密模塊對返向數(shù)據(jù)流和前向數(shù)據(jù)流分別進行加密和解密；前向處理模塊接收中頻信號，完成接收處理環(huán)節(jié)，恢復(fù)出前向信息，由接口模塊輸出至外部設(shè)備；返向處理模塊接收圖像數(shù)據(jù)和飛行狀態(tài)信息和遙測信息，完成發(fā)射處理環(huán)節(jié)后生成中頻信號輸出給外部射頻前端，最終傳送給地面系統(tǒng)；本發(fā)明支持載體高動態(tài)的飛行器測控，區(qū)域覆蓋范圍大；支持多用戶，可以與飛行器進行實時雙向通信；具有一定的干擾能力。
【專利說明】-種用于高速飛行器天基測控的數(shù)據(jù)處理器系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于高速飛行器天基測控的數(shù)據(jù)處理器系統(tǒng)，主要應(yīng)用于衛(wèi)星中 繼通信和高空或低空飛行的高速飛行器等載體的數(shù)據(jù)處理。

【背景技術(shù)】
[0002] 飛行器測控是指對飛行器進行跟蹤、測速、測距、遙測和遙控等測量和控制過程， 一般包括飛行器上的測控系統(tǒng)和地面測控系統(tǒng)。當(dāng)前我國對于飛行器測控多采用直通測控 或飛機中繼測控等傳統(tǒng)測控方式。直通測控即地面系統(tǒng)和飛行器在視距范圍內(nèi)直接進行 無線通信；飛機中繼測控即利用飛行高度較高的飛機作為中繼設(shè)備，通過飛行器-中繼飛 機-地面系統(tǒng)之間的通信鏈路，進一步提升測控范圍。受限于地球曲率的影響，直通測控方 式能夠作用的距離在幾百公里范圍內(nèi)；由于飛機可以升空的高度限制，飛機中繼模式的測 控作用距離也很有限，且工程實現(xiàn)代價比較大。傳統(tǒng)測控方式一般工作于S頻段，多采用調(diào) 頻FM的調(diào)制方式，在相同誤碼率要求的情況下，該調(diào)制方式對于信噪比的要求較高。
[0003] 天基測控是指利用衛(wèi)星中繼通信的方式進行飛行器測控。中繼衛(wèi)星定點于地球同 步軌道上，可以實現(xiàn)對于中低軌道飛行器的全球覆蓋。天基測控可以采用S頻段或Ka頻段， 其中Ka頻段信號受高空飛行器的黑障問題影響較小。天基測控通常采用相移鍵控PSK的 數(shù)字調(diào)制方式。
[0004] 當(dāng)飛行器的速度很高時，由于多普勒效應(yīng)的存在，會給通信鏈路的信號處理帶來 相當(dāng)大的困難。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：針對高速飛行器的特點，提出一種用于高速飛行器天 基測控的數(shù)據(jù)處理器系統(tǒng)，該方法克服了高速飛行器的嚴(yán)重多普勒效應(yīng)問題，基于衛(wèi)星中 繼的天基測控的區(qū)域覆蓋范圍大；支持多用戶，可以同時對多個飛行器進行測控；通過采 用直擴通信體制和數(shù)據(jù)加密等方式，提供一種低誤碼率、高可靠性的數(shù)據(jù)處理器設(shè)備。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種用于高速飛行器天基測控的數(shù)據(jù)處理器系統(tǒng)，包 括：電源模塊、接口模塊、控制模塊、加密模塊、前向處理模塊和返向處理模塊；
[0007] 其中電源模塊與其他模塊均連接，完成一次輸入電源的電壓變換與電氣隔離，為 其他模塊提供二次電源；
[0008] 接口模塊包括LVDS接口、模擬視頻接口、串行異步通信接口和軟件在線升級管理 總線接口，其中LVDS接口為數(shù)字圖像接口，模擬視頻接口為模擬圖像接口，LVDS接口和模 擬視頻接口用于接收外部設(shè)備的圖像數(shù)據(jù)，串行異步通信接口用于外部飛行器和數(shù)據(jù)處理 器指令信息、狀態(tài)信息和遙測信息的接收與發(fā)送，軟件在線升級管理總線接口用于接收嵌 入式軟件數(shù)據(jù)，接口模塊的所有接口均采取電氣隔離設(shè)計；
[0009] 控制模塊通過接口模塊的串行異步通信接口與外部飛行器連接，接收來自外部飛 行器控制計算機的控制指令，對控制指令進行解析后發(fā)送到加密模塊、前向處理模塊和返 向處理模塊；同時接收外部飛行器控制計算機發(fā)送的飛行狀態(tài)信息和遙測系統(tǒng)發(fā)送的遙測 信息，并將飛行狀態(tài)信息和遙測信息發(fā)送給返向處理模塊；同時對飛行器飛行狀態(tài)信息進 行實時解算，產(chǎn)生天線控制命令，并將天線控制命令傳送給外部射頻前端；所述飛行狀態(tài)信 息包括外部飛行器的姿態(tài)、飛行速度和位置信息；
[0010] 控制模塊同時與加密模塊、前向處理模塊和返向處理模塊連接，監(jiān)控各模塊的工 作狀態(tài)，并將各模塊的工作狀態(tài)通過接口模塊輸出；
[0011] 加密模塊與前向處理模塊和返向處理模塊連接，對返向數(shù)據(jù)流和前向數(shù)據(jù)流分別 進行加密和解密，并完成密鑰管理功能；
[0012] 前向處理模塊通過自身外部接口接收外部射頻前端的中頻信號，完成對中頻信號 的接收處理環(huán)節(jié)，恢復(fù)出前向信息，由接口模塊輸出至外部設(shè)備；
[0013] 返向處理模塊從接口模塊接收圖像數(shù)據(jù)，并從控制模塊接收飛行狀態(tài)信息和遙測 信息，完成對圖像信息、飛行狀態(tài)信息和遙測信息的發(fā)射處理環(huán)節(jié)，生成中頻信號輸出給外 部射頻前端，最終傳送給地面系統(tǒng)。
[0014] 所述前向處理模塊通過自身外部接口接收外部射頻前端的中頻信號，完成對中頻 信號的接收處理環(huán)節(jié)，恢復(fù)出前向信息，由接口模塊輸出至外部設(shè)備；具體為：
[0015] 前向處理模塊包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、解擴模塊、解調(diào)模塊、位同步模塊和譯碼模 塊，信號處理的具體過程如下：
[0016] (1)模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊通過自身外部接口接收外部射頻前端的中頻模擬信號，進行 采樣和量化處理，變?yōu)閿?shù)字信號；
[0017] (2)解擴模塊對步驟（1)中的數(shù)字信號進行下變頻、數(shù)字濾波、偽碼捕獲和跟蹤， 完成信號解擴，同時得到前向信號偽碼多普勒；
[0018] (3)解調(diào)模塊對步驟（2)中解擴后的信號進行FFT頻率估計，運用FLL鑒頻和PLL 鑒相的方法進行載波同步，完成信號解調(diào)，同時得到前向信號頻率多普勒；
[0019] (4)位同步模塊對步驟（3)中解調(diào)后的信號進行比特定時同步，并進行幅度量化， 完成信號的位同步；
[0020] (5)譯碼模塊對步驟（4)中位同步之后的信號進行信道譯碼、幀同步和解擾后，送 加密模塊進行解密后恢復(fù)出前向信息，由接口模塊輸出至外部設(shè)備。
[0021] 所述返向處理模塊從接口模塊接收圖像數(shù)據(jù)，并從控制模塊接收飛行狀態(tài)信息和 遙測信息，完成對圖像信息、飛行狀態(tài)信息和遙測信息的發(fā)射處理環(huán)節(jié)，生成中頻信號輸出 給外部射頻前端；具體為 ：
[0022] 返向處理模塊包括圖像預(yù)處理模塊、圖像壓縮模塊、信道編碼模塊、擴頻調(diào)制模塊 和數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊，信號處理的具體過程如下：
[0023] (1)返向處理模塊接收來自控制模塊的控制命令，并從控制模塊接收飛行狀態(tài)信 息和遙測信息，設(shè)定返向信息速率和和返向信號處理相關(guān)參數(shù)；所述相關(guān)參數(shù)包括返向處 理模塊中每個子模塊的頻率控制字；
[0024] (2)圖像預(yù)處理模塊接收來自接口模塊的圖像數(shù)據(jù)，提取圖像數(shù)據(jù)的亮度和灰度 信息；
[0025] (3)圖像壓縮模塊根據(jù)步驟⑵中提取的圖像數(shù)據(jù)的亮度和灰度信息進行壓縮編 碼；
[0026] (4)信道編碼模塊將步驟（3)中壓縮編碼后的圖像數(shù)據(jù)與步驟（1)中接收的遙測 信息按照約定幀格式進行打包和組幀，送加密模塊進行加密處理后返回至返向處理模塊， 進行數(shù)據(jù)加擾，然后進行級聯(lián)信道編碼；
[0027] (5)擴頻調(diào)制模塊根據(jù)設(shè)定的偽碼對步驟（4)中信道編碼后的信號采用直接序列 擴頻通信體制進行擴頻處理，運用根升余弦濾波器對擴頻處理后的信號成型濾波，然后進 行PSK調(diào)制；
[0028] (6)數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊對步驟（5)中的調(diào)制信號進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，生成中頻模擬信 號，并將生成的中頻信號輸出給外部射頻前端。
[0029] 所述步驟（1)中的返向信息速率為20kbps和100kbps。
[0030] 所述步驟（5)中的PSK調(diào)制利用前向處理模塊中計算得到的前向信號頻率多普勒 和前向信號偽碼多普勒對返向信號進行預(yù)補償。
[0031] 所述步驟（3)中圖像壓縮模塊根據(jù)步驟（2)中提取的圖像數(shù)據(jù)的亮度和灰度信息 進行壓縮編碼；在壓縮編碼過程中根據(jù)碼率要求自適應(yīng)調(diào)節(jié)壓縮倍數(shù)。
[0032] 所述加密模塊的傳送方式包括明文傳送和密文傳送，并且密鑰根據(jù)不同的要求進 行裝訂更換。
[0033] 所述模擬視頻接口支持PAL和NTSC兩種制式的模擬圖像。
[0034] 所述步驟（4)中的約定幀格式具體為：
[0035] 幀總長度為1792比特，幀中內(nèi)容依次為：幀同步字16比特、密鑰同步字32比特、 狀態(tài)域8比特、鏈路幀計數(shù)8比特、狀態(tài)字長度8比特、狀態(tài)字1為280比特、狀態(tài)字2為 480比特、圖像幀計數(shù)8比特、壓縮圖像944比特和標(biāo)示8比特；
[0036] 其中幀同步字用于完成幀同步功能，為固定內(nèi)容1110101110010000,密鑰同步字 用于在解密時進行密鑰識別，狀態(tài)域用于填充前向鏈路的偽碼同步和載波同步狀態(tài)，鏈路 幀計數(shù)用于對返向信息幀進行循環(huán)計數(shù)〇?255,狀態(tài)字長度用于指示返向信息幀中包含 的飛行狀態(tài)信息和遙測信息的長度，狀態(tài)字1為飛行狀態(tài)信息內(nèi)容，狀態(tài)字2為遙測信息內(nèi) 容，圖像幀計數(shù)用于對每幅圖像壓縮后的數(shù)據(jù)進行計數(shù)，壓縮圖像為圖像壓縮后的數(shù)據(jù)，標(biāo) 示用于表示返向信息幀中是否包含飛行狀態(tài)信息和遙測信息。
[0037] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：
[0038] (1)本發(fā)明對于偽碼捕獲采用序列匹配濾波的并行處理方法，相關(guān)值計算采用部 分相關(guān)和非相干累加，能夠極大縮短捕獲時間，對大動態(tài)條件下的頻率偏移和復(fù)雜信道環(huán) 境下的干擾不敏感；
[0039] (2)本發(fā)明對于載波同步采用FFT校頻、二階FLL鑒頻和三階DLL鑒相相結(jié)合的算 法對接收信號進行捕獲和跟蹤；并利用前向接收計算得到的頻率多普勒和偽碼多普勒對返 向信號在發(fā)射前進行預(yù)補償，能夠適應(yīng)飛行器高達十幾馬赫的速度和三十個g的加速度；
[0040] (3)本發(fā)明采用直接序列擴展頻譜的通信體制，降低了發(fā)射信號的功率譜密度，使 信號隱藏于熱噪聲噪底以下，不易被偵測發(fā)現(xiàn)；同時利用擴展頻譜得到的擴頻增益，可以使 系統(tǒng)具有一定的干擾容限，對于無意干擾和人為干擾都具有一定的抵抗能力，而不影響系 統(tǒng)的誤碼率；
[0041] (4)本發(fā)明采用專門的加密模塊，利用和時間關(guān)聯(lián)的復(fù)雜加密處理算法，且在執(zhí)行 測控任務(wù)時采用"一次一密"的方法裝訂任務(wù)密鑰，提高了系統(tǒng)的安全性能，直擴通信體制 和數(shù)據(jù)加密等方式結(jié)合，使系統(tǒng)具有低誤碼率、低時延、高可靠性、抗干擾的優(yōu)點；
[0042] (5)本發(fā)明中返向信息傳輸速率可以根據(jù)地面測控系統(tǒng)發(fā)送的上行控制指令進行 切換，支持20kbps和100kbps兩種速率模式，在低碼率模式時，可以將發(fā)射鏈路的功率放大 器輸出功率降低7dB，從而顯著降低系統(tǒng)的電源功率耗費；
[0043] (6)本發(fā)明的接口模塊對外具有LVDS數(shù)字圖像接口，支持標(biāo)準(zhǔn)的LVDS格式的數(shù) 字圖像數(shù)據(jù)輸入；同時支持PAL制式和NTSC制式的模擬圖像；接口模塊上同時具備相應(yīng)支 持LVDS信號接收和模擬圖像模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的專用處理芯片；通過控制模塊可以控制選擇 輸入數(shù)據(jù)格式，使得數(shù)據(jù)處理器既支持模擬圖像源，又可支持?jǐn)?shù)字圖像源；
[0044] (7)本發(fā)明內(nèi)部各信號處理器的程序加載和燒錄下載控制信號通過專用控制電路 連接至接口模塊，由接口模塊統(tǒng)一進行管理；在設(shè)備加電情況下，通過串行485總線將程序 二進制文件數(shù)據(jù)輸入至接口模塊，由接口模塊按格式對數(shù)據(jù)進行分發(fā)，完成嵌入式軟件的 在線升級功能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0045] 圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0046] 圖2為前向信息處理流程圖；
[0047] 圖3為返向信息處理流程圖；
[0048] 圖4為返向信息幀格式圖。

【具體實施方式】
[0049] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明一種用于高速飛行器天基測控的數(shù)據(jù)處理器系統(tǒng)的技術(shù) 方案進行詳細描述。
[0050] 數(shù)據(jù)處理器用于完成"飛行器-衛(wèi)星-地面系統(tǒng)"及"地面系統(tǒng)-衛(wèi)星-飛行器" 雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕鶐盘柼幚砗蛿?shù)據(jù)處理過程；數(shù)據(jù)處理器實時收集自身狀態(tài)信息，傳送 給外部遙測系統(tǒng)，在進行飛行試驗時可以根據(jù)狀態(tài)信息進行數(shù)據(jù)分析和故障排查；同時數(shù) 據(jù)處理器將前向鏈路狀態(tài)如信噪比和頻偏多普勒值等通過返向鏈路傳送至地面系統(tǒng)，可以 監(jiān)測前向鏈路的工作狀態(tài)和信號質(zhì)量。
[0051] 數(shù)據(jù)處理器內(nèi)部在結(jié)構(gòu)上采用子母板插拔的結(jié)構(gòu)形式，母板固定于機箱底部，各 模塊子板通過機箱左右側(cè)壁上相應(yīng)插槽插入機箱，插入后子板與母板上相應(yīng)接插件實現(xiàn)電 氣連接，然后通過各子板上鎖緊機構(gòu)將其鎖緊于機箱內(nèi)相應(yīng)插槽?？紤]到數(shù)據(jù)處理器外部 輸入信號的種類和特點，機箱外部接插件的信號首先通過線纜引到母板上，再通過母板將 信號分別轉(zhuǎn)接到相應(yīng)的處理模塊。該方法在保證可靠性的同時，具有連接可靠、安裝簡單、 使用維護方便等特點。另外，對設(shè)備內(nèi)的電源模塊布置于機箱靠近側(cè)壁的位置，其DC-DC模 塊散熱片緊貼機箱側(cè)壁外殼以利于熱量的散發(fā)。
[0052] 如圖1所示為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，由圖1可知，本發(fā)明提出的一種用于高速飛行 器天基測控的數(shù)據(jù)處理器系統(tǒng)，包括電源模塊、控制模塊、接口模塊、加密模塊、前向處理模 塊和返向處理模塊；
[0053] 數(shù)據(jù)處理器各模塊的主要功能如下：
[0054] (1)電源模塊
[0055] 電源模塊與其他模塊均連接，完成一次輸入電源（+28VDC±3V)的電壓變換與電 氣隔離，為其他模塊提供穩(wěn)定的二次電源（+5VDC±0. 2V);
[0056] (2)接 口模塊
[0057] 接口模塊包括LVDS接口、模擬視頻接口、串行異步通信接口和軟件在線升級管理 總線接口，接口模塊的所有接口均采取電氣隔離設(shè)計；
[0058] 其中LVDS接口為數(shù)字圖像接口，支持標(biāo)準(zhǔn)的LVDS格式的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)輸入；模擬 視頻接口同時支持PAL制式和NTSC制式的模擬圖像；接口模塊上同時具備相應(yīng)支持LVDS 信號接收和模擬圖像模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的專用處理芯片；通過控制模塊可以控制選擇輸入數(shù)據(jù) 格式，使得數(shù)據(jù)處理器既支持模擬圖像源，又可支持?jǐn)?shù)字圖像源；
[0059] 串行異步通信接口用于外部飛行器和數(shù)據(jù)處理器指令信息、狀態(tài)信息和遙測信息 的接收與發(fā)送；
[0060] 軟件在線升級管理總線接口為串行485總線，用于接收嵌入式軟件數(shù)據(jù)，接口模 塊對系統(tǒng)內(nèi)部各信號處理器的程序燒錄控制信號進行統(tǒng)一管理，在設(shè)備加電的情況下，可 以將程序二進制文件數(shù)據(jù)輸入至接口模塊，由接口模塊按格式對數(shù)據(jù)進行分發(fā)，完成嵌入 式軟件的在線升級功能；
[0061] (3)控制模塊
[0062] 控制模塊通過接口模塊的串行異步通信接口與外部飛行器連接，接收來自外部飛 行器控制計算機的控制指令，對控制指令進行解析后發(fā)送到加密模塊、前向處理模塊和返 向處理模塊，以控制數(shù)據(jù)處理器的工作過程；
[0063] 控制模塊同時接收外部飛行器控制計算機發(fā)送的飛行狀態(tài)信息和遙測系統(tǒng)發(fā)送 的遙測信息，并將飛行狀態(tài)信息和遙測信息發(fā)送給返向處理模塊，由返向處理模塊進行組 中貞等處理；
[0064] 控制模塊根據(jù)接收到的飛行器姿態(tài)和位置等信息，包括經(jīng)度、緯度、高度和航向 等，實時解算出飛行器和中繼衛(wèi)星之間的位置相對關(guān)系，選擇相應(yīng)的指向天線和波束，產(chǎn)生 對天線的控制指令并輸出給射頻前端，使飛行器的天線陣面和中繼衛(wèi)星之間相互可見，保 持鏈路連通，實現(xiàn)飛行過程全覆蓋；
[0065] 控制模塊同時與加密模塊、前向處理模塊和返向處理模塊連接，監(jiān)控各模塊的工 作狀態(tài)，并將各模塊的工作狀態(tài)通過接口模塊輸出；
[0066] (4)加密模塊
[0067] 加密模塊與前向處理模塊和返向處理模塊連接，對返向數(shù)據(jù)流和前向數(shù)據(jù)流分別 進行加密和解密；加密算法和時間關(guān)聯(lián)，且在執(zhí)行測控任務(wù)時采用"一次一密"的方法裝訂 任務(wù)密鑰，提高了系統(tǒng)的安全性能；系統(tǒng)采用的直擴通信體制和數(shù)據(jù)加密相結(jié)合，具有低誤 碼率、低時延、高可靠性、抗干擾的優(yōu)點；
[0068] (5)前向處理模塊
[0069] 前向處理模塊通過自身外部接口接收外部射頻前端的中頻信號，完成對中頻信號 的接收處理環(huán)節(jié)，首先采用序列匹配濾波并行處理方法進行偽碼捕獲，其中的相關(guān)值計算 采用部分相關(guān)和非相干累加，運用非相干延遲鎖定環(huán)進行偽碼跟蹤，完成解擴過程；然后利 用FFT校頻、二階FLL鑒頻和三階DLL鑒相相結(jié)合的算法對接收信號進行載波捕獲和跟蹤， 通過變換環(huán)路帶寬，使數(shù)據(jù)處理器可以適應(yīng)飛行器十幾馬赫的速度和三十個g的加速度， 完成解調(diào)過程；然后經(jīng)過位同步和級聯(lián)信道譯碼，恢復(fù)出前向信息，由接口模塊輸出至外部 設(shè)備；在解擴和解調(diào)環(huán)節(jié)，提取出前向信號的偽碼多普勒和頻率多普勒，輸出給控制模塊； [0070] (6)返向處理模塊
[0071] 返向處理模塊從接口模塊接收圖像數(shù)據(jù)進行圖像壓縮，并從控制模塊接收飛行狀 態(tài)信息和遙測信息，對壓縮后的圖像信息、飛行狀態(tài)信息和遙測信息進行組幀、信道編碼、 擴頻調(diào)制和數(shù)/模轉(zhuǎn)換等發(fā)射處理環(huán)節(jié)，生成中頻信號輸出給外部射頻前端，最終傳送給 地面系統(tǒng)；
[0072] 其中在擴頻環(huán)節(jié)，采用直接序列擴展頻譜的方式，降低了發(fā)射信號的功率譜密度， 使信號隱藏于熱噪聲噪底以下，不易被偵測發(fā)現(xiàn)；利用擴展頻譜得到的擴頻增益，可以使系 統(tǒng)具有一定的干擾容限，對于無意干擾和人為干擾都具有一定的抵抗能力，而不影響系統(tǒng) 的誤碼率；同時利用直接序列擴展頻譜多址接入，支持多個用戶，可以同時對多個飛行器進 行測控；
[0073] 其中在調(diào)制環(huán)節(jié)，根據(jù)來自控制模塊的頻率多普勒和偽碼多普勒信息對返向信號 進行預(yù)補償；
[0074] 前向信息處理過程如附圖2,前向信息處理的具體步驟如下：
[0075] (1)首先接收來自射頻前端的中頻模擬信號，經(jīng)過抗混疊濾波和自適應(yīng)增益控制 AGC，經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換后進行采樣和量化處理，變?yōu)閿?shù)字信號。具體為中心頻率140MHz的模擬 信號，利用110MHz時鐘進行采樣，得到位寬12比特的數(shù)據(jù)；
[0076] (2)對步驟⑴量化后的數(shù)字信號進行下變頻、數(shù)字濾波、偽碼捕獲和跟蹤，完成 信號解擴。具體為對輸入12比特數(shù)據(jù)進行下變頻濾波后，得到同相之路I和正交支路Q兩 路位寬10比特的數(shù)據(jù)，運用匹配濾波方法得到位寬16比特的相關(guān)值；本地偽碼和I/Q信號 分別做二進制加法運算，輸出位寬6比特的數(shù)據(jù)；
[0077] (3)對步驟（2)解擴后的信號進行FFT頻率估計，運用FLL鑒頻和PLL鑒相器相結(jié) 合的方式進行載波同步，完成解調(diào)功能。具體為對信號進行數(shù)據(jù)消調(diào)制，進行長度1024的 FFT運算，估計出信號頻率偏移值32比特；運用階數(shù)為2的鎖頻環(huán)路和階數(shù)為3的鎖相環(huán) 路，輸出相位偏移值32比特；兩路偏移值輸出給下變頻模塊進行處理；
[0078] (4)對步驟（3)解調(diào)后的信號進行比特定時同步，并進行幅度軟值量化。具體為 對I/Q兩路6比特位寬的數(shù)據(jù)，進行加扣脈沖處理，得到最佳采樣位置，得到8比特位寬的 幅度值，按照分布概率量化為3比特；
[0079] (5)對步驟⑷量化后的數(shù)據(jù)進行信道譯碼，進行幀同步和解擾，去掉信道附加信 息，送加密模塊進行解密后恢復(fù)出前向數(shù)據(jù)，按照規(guī)定協(xié)議輸出。具體為進行約束長度為7、 碼率1/2的卷積碼的Viterbi譯碼，通過擾碼生成多項式進行數(shù)據(jù)相乘解擾，去掉4個字節(jié) 的幀同步字，輸出52字節(jié)有效數(shù)據(jù)；
[0080] (6)在步驟⑴和⑵中估計前向接收信號的載噪比和多普勒頻偏數(shù)值，輸出給控 制模塊。具體為載噪比和頻偏值分別取值8比特，填充至數(shù)據(jù)協(xié)議格式中。
[0081] 返向信息處理過程如附圖3,返向信息處理的具體步驟如下：
[0082] (1)根據(jù)控制命令設(shè)定返向信息速率，計算相關(guān)參數(shù)。具體為根據(jù)設(shè)定的兩檔信息 速率20kbps和100kbps，計算相應(yīng)頻率控制字，量化為31比特參數(shù)；
[0083] (2)接收來自接口模塊的視頻信號，進行預(yù)處理后根據(jù)圖像格式進行壓縮編碼； 具體為圖像壓縮倍數(shù)根據(jù)信息速率進行控制，一般壓縮倍數(shù)在10?16倍；
[0084] (3)接收來自控制模塊的飛行狀態(tài)信息和遙測信息。具體為飛行狀態(tài)信息和遙測 信息每包25字節(jié)，幀頻20Hz ;
[0085] (4)對步驟（2)和步驟（3)的壓縮后圖像數(shù)據(jù)、飛行狀態(tài)信息和遙測信息內(nèi)容按 照約定幀格式進行打包和組幀。幀格式如附圖4所示，具體為：幀總長度為1792比特，幀中 內(nèi)容依次為：幀同步字16比特、密鑰同步字32比特、狀態(tài)域8比特、鏈路幀計數(shù)8比特、狀 態(tài)字長度8比特、狀態(tài)字1為280比特、狀態(tài)字2為480比特、圖像幀計數(shù)8比特、壓縮圖像 944比特、標(biāo)示8比特，其中幀同步字用于完成幀同步功能，為固定內(nèi)容1110101110010000， 密鑰同步字用于在解密時進行密鑰識別，狀態(tài)域用于填充前向鏈路的偽碼同步和載波同步 狀態(tài)，鏈路幀計數(shù)用于對返向信息幀進行循環(huán)計數(shù)〇?255,狀態(tài)字長度用于指示返向信息 中貞中包含的飛行狀態(tài)信息和遙測信息的長度，狀態(tài)字1為飛行狀態(tài)信息內(nèi)容，狀態(tài)字2為遙 測信息內(nèi)容，圖像幀計數(shù)用于對每幅圖像壓縮后的數(shù)據(jù)進行計數(shù)，壓縮圖像為圖像壓縮后 的數(shù)據(jù)，標(biāo)示用于表示返向信息幀中是否包含飛行狀態(tài)信息和遙測信息；
[0086] (5)對步驟（4)組幀后的數(shù)據(jù)由加密模塊進行加密處理后輸出至返向處理模塊， 進行數(shù)據(jù)加擾，加密不改變信號格式；加擾采用偽隨機碼作為擾碼和數(shù)據(jù)比特進行二進制 異或的方法；
[0087] (6)對步驟（5)進行級聯(lián)信道編碼，然后根據(jù)設(shè)定的偽碼進行擴頻處理。具體為進 行R-S編碼和卷積（2, 1，7)編碼的級聯(lián)，編碼后數(shù)據(jù)速率變?yōu)樾畔⑺俾实?倍，擴頻采用碼 長1023的Gold序列；
[0088] (7)對步驟（6)擴頻后的數(shù)據(jù)運用根升余弦濾波器進行成型濾波。具體為滾降系 數(shù)選定0. 35,成型后輸出數(shù)據(jù)位寬16比特；
[0089] (8)對步驟（7)濾波后的數(shù)據(jù)進行PSK調(diào)制，根據(jù)來自控制模塊的頻率多普勒和偽 碼多普勒信息對返向信號載波進行預(yù)補償校正，輸出數(shù)字信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器后生成模擬信 號。具體為和載波相乘，輸出數(shù)據(jù)截取14比特，輸出給DAC后，變成幅度lVp-p的140MHz 信號。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于高速飛行器天基測控的數(shù)據(jù)處理器系統(tǒng)，其特征在于包括：電源模塊、接 口模塊、控制模塊、加密模塊、前向處理模塊和返向處理模塊； 其中電源模塊與其他模塊均連接，完成一次輸入電源的電壓變換與電氣隔離，為其他 模塊提供二次電源； 接口模塊包括LVDS接口、模擬視頻接口、串行異步通信接口和軟件在線升級管理總線 接口，其中LVDS接口為數(shù)字圖像接口，模擬視頻接口為模擬圖像接口，LVDS接口和模擬視 頻接口用于接收外部設(shè)備的圖像數(shù)據(jù)，串行異步通信接口用于外部飛行器和數(shù)據(jù)處理器指 令信息、狀態(tài)信息和遙測信息的接收與發(fā)送，軟件在線升級管理總線接口用于接收嵌入式 軟件數(shù)據(jù)，接口模塊的所有接口均采取電氣隔離設(shè)計； 控制模塊通過接口模塊的串行異步通信接口與外部飛行器連接，接收來自外部飛行器 控制計算機的控制指令，對控制指令進行解析后發(fā)送到加密模塊、前向處理模塊和返向處 理模塊；同時接收外部飛行器控制計算機發(fā)送的飛行狀態(tài)信息和遙測系統(tǒng)發(fā)送的遙測信 息，并將飛行狀態(tài)信息和遙測信息發(fā)送給返向處理模塊；同時對飛行器飛行狀態(tài)信息進行 實時解算，產(chǎn)生天線控制命令，并將天線控制命令傳送給外部射頻前端；所述飛行狀態(tài)信息 包括外部飛行器的姿態(tài)、飛行速度和位置信息； 控制模塊同時與加密模塊、前向處理模塊和返向處理模塊連接，監(jiān)控各模塊的工作狀 態(tài)，并將各模塊的工作狀態(tài)通過接口模塊輸出； 加密模塊與前向處理模塊和返向處理模塊連接，對返向數(shù)據(jù)流和前向數(shù)據(jù)流分別進行 加密和解密，并完成密鑰管理功能； 前向處理模塊通過自身外部接口接收外部射頻前端的中頻信號，完成對中頻信號的接 收處理環(huán)節(jié)，恢復(fù)出前向信息，由接口模塊輸出至外部設(shè)備； 返向處理模塊從接口模塊接收圖像數(shù)據(jù)，并從控制模塊接收飛行狀態(tài)信息和遙測信 息，完成對圖像信息、飛行狀態(tài)信息和遙測信息的發(fā)射處理環(huán)節(jié)，生成中頻信號輸出給外部 射頻前端，最終傳送給地面系統(tǒng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高速飛行器天基測控的數(shù)據(jù)處理器系統(tǒng)，其特征在 于：所述前向處理模塊通過自身外部接口接收外部射頻前端的中頻信號，完成對中頻信號 的接收處理環(huán)節(jié)，恢復(fù)出前向信息，由接口模塊輸出至外部設(shè)備；具體為： 前向處理模塊包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、解擴模塊、解調(diào)模塊、位同步模塊和譯碼模塊，信 號處理的具體過程如下： (1) 模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊通過自身外部接口接收外部射頻前端的中頻模擬信號，進行采樣 和量化處理，變?yōu)閿?shù)字信號； (2) 解擴模塊對步驟（1)中的數(shù)字信號進行下變頻、數(shù)字濾波、偽碼捕獲和跟蹤，完成 信號解擴，同時得到前向信號偽碼多普勒； (3) 解調(diào)模塊對步驟（2)中解擴后的信號進行FFT頻率估計，運用FLL鑒頻和PLL鑒相 的方法進行載波同步，完成信號解調(diào)，同時得到前向信號頻率多普勒； (4) 位同步模塊對步驟（3)中解調(diào)后的信號進行比特定時同步，并進行幅度量化，完成 信號的位同步； (5) 譯碼模塊對步驟（4)中位同步之后的信號進行信道譯碼、幀同步和解擾后，送加密 模塊進行解密后恢復(fù)出前向信息，由接口模塊輸出至外部設(shè)備。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高速飛行器天基測控的數(shù)據(jù)處理器系統(tǒng)，其特征在 于：所述返向處理模塊從接口模塊接收圖像數(shù)據(jù)，并從控制模塊接收飛行狀態(tài)信息和遙測 信息，完成對圖像信息、飛行狀態(tài)信息和遙測信息的發(fā)射處理環(huán)節(jié)，生成中頻信號輸出給外 部射頻前端；具體為： 返向處理模塊包括圖像預(yù)處理模塊、圖像壓縮模塊、信道編碼模塊、擴頻調(diào)制模塊和數(shù) /模轉(zhuǎn)換模塊，信號處理的具體過程如下： (1) 返向處理模塊接收來自控制模塊的控制命令，并從控制模塊接收飛行狀態(tài)信息和 遙測信息，設(shè)定返向信息速率和和返向信號處理相關(guān)參數(shù)；所述相關(guān)參數(shù)包括返向處理模 塊中每個子模塊的頻率控制字； (2) 圖像預(yù)處理模塊接收來自接口模塊的圖像數(shù)據(jù)，提取圖像數(shù)據(jù)的亮度和灰度信 息； (3) 圖像壓縮模塊根據(jù)步驟（2)中提取的圖像數(shù)據(jù)的亮度和灰度信息進行壓縮編碼； (4) 信道編碼模塊將步驟（3)中壓縮編碼后的圖像數(shù)據(jù)與步驟（1)中接收的遙測信息 按照約定幀格式進行打包和組幀，送加密模塊進行加密處理后返回至返向處理模塊，進行 數(shù)據(jù)加擾，然后進行級聯(lián)信道編碼； (5) 擴頻調(diào)制模塊根據(jù)設(shè)定的偽碼對步驟（4)中信道編碼后的信號采用直接序列擴頻 通信體制進行擴頻處理，運用根升余弦濾波器對擴頻處理后的信號成型濾波，然后進行PSK 調(diào)制； (6) 數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊對步驟（5)中的調(diào)制信號進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，生成中頻模擬信號，并 將生成的中頻信號輸出給外部射頻前端。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于高速飛行器天基測控的數(shù)據(jù)處理器系統(tǒng)，其特征在 于：所述步驟（1)中的返向信息速率為20kbps和100kbps。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于高速飛行器天基測控的數(shù)據(jù)處理器系統(tǒng)，其特征在 于：所述步驟（5)中的PSK調(diào)制利用前向處理模塊中計算得到的前向信號頻率多普勒和前 向信號偽碼多普勒對返向信號進行預(yù)補償。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于高速飛行器天基測控的數(shù)據(jù)處理器系統(tǒng)，其特征在 于：所述步驟（3)中圖像壓縮模塊根據(jù)步驟（2)中提取的圖像數(shù)據(jù)的亮度和灰度信息進行 壓縮編碼；在壓縮編碼過程中根據(jù)碼率要求自適應(yīng)調(diào)節(jié)壓縮倍數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高速飛行器天基測控的數(shù)據(jù)處理器系統(tǒng)，其特征在 于：所述加密模塊的傳送方式包括明文傳送和密文傳送，并且密鑰根據(jù)不同的要求進行裝 訂更換。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高速飛行器天基測控的數(shù)據(jù)處理器系統(tǒng)，其特征在 于：所述模擬視頻接口支持PAL和NTSC兩種制式的模擬圖像。
9. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于高速飛行器天基測控的數(shù)據(jù)處理器系統(tǒng)，其特征在 于：所述步驟（4)中的約定幀格式具體為： 幀總長度為1792比特，幀中內(nèi)容依次為：幀同步字16比特、密鑰同步字32比特、狀態(tài) 域8比特、鏈路幀計數(shù)8比特、狀態(tài)字長度8比特、狀態(tài)字1為280比特、狀態(tài)字2為480比 特、圖像幀計數(shù)8比特、壓縮圖像944比特和標(biāo)示8比特； 其中幀同步字用于完成幀同步功能，為固定內(nèi)容1110101110010000,密鑰同步字用于 在解密時進行密鑰識別，狀態(tài)域用于填充前向鏈路的偽碼同步和載波同步狀態(tài)，鏈路幀計 數(shù)用于對返向信息幀進行循環(huán)計數(shù)0?255,狀態(tài)字長度用于指示返向信息幀中包含的飛 行狀態(tài)信息和遙測信息的長度，狀態(tài)字1為飛行狀態(tài)信息內(nèi)容，狀態(tài)字2為遙測信息內(nèi)容， 圖像幀計數(shù)用于對每幅圖像壓縮后的數(shù)據(jù)進行計數(shù)，壓縮圖像為圖像壓縮后的數(shù)據(jù)，標(biāo)示 用于表示返向信息幀中是否包含飛行狀態(tài)信息和遙測信息。
【文檔編號】H04B7/185GK104158582SQ201410318176
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月4日
【發(fā)明者】王書省, 賀占權(quán), 張少甫, 曹旸, 肖長春 申請人:航天恒星科技有限公司