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紫丁香2号卫星无线电技术探秘

2020.10.06

前言

紫丁香2号卫星是哈尔滨工业大学学生团队研制的一颗技术试验纳卫星，质量12.5 kg，搭载了FPGA飞行软件试验平台、宽频接收模块、多模式业余无线电转发器、长波红外相机四个试验载荷，计划2015年9月搭载我国新型运载火箭一箭多星发射，进入524 km高度的太阳同步轨道。

业余无线电技术试验与转发通信是紫丁香2号卫星的重要任务。本文对紫丁香2号卫星的无线电系统进行介绍，以方便爱好者的研究与使用，您的参与和反馈也是我们了解卫星运行状态的重要手段。

卫星总体概述

紫丁香2号卫星包括卫星平台和有效载荷两个部分。卫星平台采用立方体卫星标准，具有开放的星上电子系统体系结构和标准的电子系统总线接口，主要设备采用双机热备份冗余，使用I2C总线交换数据，如图2所示。

紫丁香2号卫星以6块安装板为主体结构，各安装板同时作为承力结构板，均使用螺栓连接。卫星的结构爆炸图与设备布局如图3所示。

卫星的射频系统

紫丁香2号卫星的射频系统包括测控收发信机A、测控收发信机B、GPS/BD2接收机、宽频接收模块和配属的天线，组成框图如图4所示。

测控收发信机A是采用IQ零中频/低中频架构的V/U软件无线电收发信机，可实现多通道收发及对多种射频参数的灵活配置与切换，多模式业余无线电转发器也在其基础上实现。其下行模式包括：1.2/9.6 kbps BPSK、1.2 kbps MSK、1.2 kbps AFSK以及FM等，最大输出功率27 dBm；上行模式包括AFSK、FM等。

测控收发信机B是L/U波段的FSK收发信机，可全双工工作，其下行码速率为1.2/4.8 kbps，最大输出功率27 dBm。

宽频接收模块基于开源单板机Beaglebone-Black和廉价的RTL电视棒SDR，配合低噪放与天线/滤波器切换网络，运行Debian操作系统，可进行ADS-B、AIS等信号的接收，并具有软件在轨上注能力。

UHF天线使用4根倾斜的1/4波长振子组成双圆极化全向阵列；VHF天线和AIS天线为使用钛镍记忆合金材料的1/4波长展开天线；L波段天线和BG2/GPS天线为微带天线。

遥测协议与编码

紫丁香2号卫星系统的星内、星地、地面通信统一使用了CSP协议。CSP协议（立方体卫星空间协议）最初由丹麦奥尔堡大学AAUSAT3团队开发，是一个开源、轻量的网络层协议，其工作方式类似于因特网的TCP/UDP协议。CSP协议中不同的设备、不同的应用利用不同的节点号（类似与IP地址）与端口号，例如，紫丁香2号卫星的计算机A为16号节点，测控收发信机B为19号节点，而地面站的Web节点（5号）使用16号端口接收遥测数据。如果我们收到了一个来源为16号节点、目的为5号节点的16号端口的数据包，那这一定是计算机发送至地面Web节点的遥测包。Web节点对这个数据包进行解析处理后，就能够在卫星的遥测信息实时发布页面中显示出来。

为了使CSP包适合无线信道传输，需要对其进行一定的处理。紫丁香2号卫星的处理方式有两种，一种方法是直接嵌入AX.25帧，进行AFSK-FM调制后发射，我们称其为AX.25模式；另一种方法则是先使用KISS协议处理，再截断或填充至固定长度后经CCSDS（国际空间数据系统咨询委员会）标准的信道编码处理再调制发射，我们称其为CCSDS模式。
信道编码又称纠错编码，它能够利用在数据中添加的冗余信息根据一定的数学规则纠正传输过程中发生的错误，提高给定信道的传输效率。紫丁香2号卫星使用了CCSDS标准的级联码，包括码率1/2、约束长度7的卷积码与截短的(223, 255)里德-所罗门码，这套编码方案最早用于NASA的旅行者号星际探测器，对于热噪声等产生的随机错误和遮蔽、多径等产生的突发错误均有较好的纠正能力。除信道编码外，用于确定帧起始位置的同步字（ASM）和用于将数据随机化的扰码也采用了CCSDS标准。整个组帧/编码过程如图5所示。

由于性能较好，紫丁香2号卫星的测控收发信机A/B在默认情况下均使用CCSDS模式。其中，测控收发信机A默认采用9.6 kbps SRRC-BPSK调制，为防止相位模糊还采用了差分编码（即步骤5），可实现-128 dBm以上的灵敏度。测控收发信机B默认采用4.8 kbps GFSK调制，最大频偏2.4 kHz。

卫星的遥测推荐使用软件无线电进行接收，现已实现对USRP、Funcube Dongle及RTLSDR的支持，计划加入对S9-C的支持。解调解码软件基于Linux和GNU Radio开发，将通过Github发布，并提供liveCD以方便使用。解码成功的数据包可通过互联网实时上传至服务器并在网站显示，还可作为申请QSL卡片的凭据。

转发器使用

紫丁香2号卫星的多模式转发器可工作于APRS转发和FM转发模式下，将在卫星入轨后适时开放。

紫丁香2号卫星的APRS转发器可对符合规则的AFSK AX.25 UI帧进行转发，设计有实时转发与延时转发两种模式，呼号分别为BJ1SI-1与BJ1SI-2。当使用实时转发时，BJ1SI-1必须填入第一个转发路径，卫星将在收到数据包后立即将其转发至地面。当使用延时转发时，BJ1SI-2必须填入第一个转发路径，第二个转发路径则填入ASCII编码的延时秒数，不足6个字符则高位补0，卫星根据上行数据包要求的延时时间将其转发至地面，最大可存储256个数据包。

FM转发器的使用门槛低，使用普通的FM对讲机或车载台即可使用，是“粉丝”最多的卫星转发器工作模式。紫丁香2号卫星的FM转发器使用最简单的电平静噪方式，根据信号强度检测用户载波，超过阈值时进行转发，可避免亚音静噪在存在多路上行时失效的情况。语音滤波器通带范围为300~3500 Hz，在300Hz以下的亚音频以基带数据的形式同时进行一路CCSDS模式的300 bps的遥测数据传输。亚音频遥测码型为NRZ-L，不使用卷积码，使用平方根升余弦滤波器限带。