長基線天線組陣及其在深空遙測中的應用

舒逢春 江 悟 張秀忠

（中國科學院上海天文臺，上海 200030）

引 言

隨著深空探測器遠離地球，到達越來越遠的星際空間，在地面接收到的探測器發(fā)射的信號將會因為超遠距離的衰減變得越來越弱。通過增大天線口徑提高天線的增益或降低接收機系統(tǒng)噪聲溫度有利于對微弱信號的接收，但是這兩者已經(jīng)接近其極限。另一種途徑就是對來自幾個天線的信號進行加權合成，使其等效成一個大口徑的天線，可以提高接收信號的信噪比。這種被稱為天線組陣的技術在20世紀80年代末期就開始用于增強地面天線的接收能力，獲得更多深空探測器返回的科學數(shù)據(jù)。美國深空網(wǎng)已經(jīng)在其三個深空測控站部署了全頻譜合成系統(tǒng)，用來支持他們的行星探測任務［1］。同時，他們也在開展上行天線組陣的研究來提升地面測控系統(tǒng)的整體性能［2］。

我國已經(jīng)在21世紀初開始了深空探測計劃，在探月工程中成功發(fā)射了兩顆月球軌道衛(wèi)星，獲得了大量有價值的科學數(shù)據(jù)。由于燃料充足，嫦娥二號甚至有機會調(diào)整軌道，探測太陽和地球之間的第二個拉格朗日點，使我國成為世界上少數(shù)幾個成功到達該區(qū)域的國家之一。月球著陸器嫦娥三號的發(fā)射也排上了日程，隨后還會有火星、小行星甚至太陽系外星球的探測。隨著深空探測的深入，對地面的測控能力提出越來越高的要求。我國已經(jīng)把對天線組陣技術的研究列入了深空探測任務的支撐課題。文獻［3］［4］研究了深空探測中的天線組陣技術，并分析了其可行性；文獻［5］［6］也對天線組陣中的信號合成算法開展了研究，文獻［7］則利用4個12m的小天線進行了短基線天線組陣實驗，獲得了較好的信號合成效果。文中的主要工作是針對長基線天線陣的信號合成，根據(jù)遙測信號的特點，研究了全頻譜合成（FSC），基帶合成（BC）和符號流合成（SSC）三種信號合成方式，介紹了其信號處理流程，并利用嫦娥二號的遙測信號驗證了長基線天線組陣的可行性。實測數(shù)據(jù)結果表明：來自各天線單元的信號能夠得到精確的時延補償和相位對齊，信號合成的效率均超過90%，充分驗證了長基線天線組陣技術的有效性和可行性。

1 基本原理

1.1 長基線天線組陣概述

由于長基線天線陣各陣元之間的距離也就是基線長度一般在1 000千米量級，信號到達各天線的延遲受到探測器運動和地球自轉的影響，相對時延變化較快。在所有天線陣陣元都能與衛(wèi)星共視的情況下，如果不考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，長基線天線組陣不受陣元的地理位置、基線長短的限制，甚至能夠臨時“借”天線口徑來增強接收性能。與短基線天線陣不同，一方面長基線天線陣中各天線接收的信號都是在本地下變頻并通過高精度時鐘同步系統(tǒng)記錄再傳送到相關中心處理；另一方面通過探測器軌跡和各天線的位置信息預報的各天線間的相對時延往往不夠準確，同時，電波相位受電離層、大氣層的動態(tài)擾動［8－9］，殘留的時延仍然較大，需要先得到精確的時延變化量，再來獲取不同信號之間的相位差。為此，我們在相關處理之后增加了二維條紋搜索［10－11］，用來獲得精確的殘留時延和時延率。隨著工作頻率搬移到更高頻段，長基線組陣中全頻譜合成對時延精度的要求將更加嚴格。長基線天線陣的信號處理流程如圖1所示。

圖1 長基線天線陣信號接收和處理框圖

式中：P是總的信號接收功率，殘留載波和副載波的功率記為P1和P2，分別約等于Pcos2ξ和Psin2ξ；ξ是調(diào)相指數(shù)；ωc和θc是載波頻率和相位；ωsc和θsc為副載波頻率和相位；d（t）是NRZ數(shù)據(jù)流；n（t）是加性帶限高斯白噪聲。

根據(jù)遙測信號的特點，信號合成有三種基本方式，分別是符號流合成、基帶合成和全頻譜合成。其中，全頻譜合成是對未經(jīng)過解調(diào)的信號進行合成，合成的信號是包括主載波在內(nèi)的中頻數(shù)字信號，合成時需要對來自各個天線的信號中主載波相位對齊，

1.2 遙測信號合成的三種基本方式

目前衛(wèi)星遙測信號大多采用脈沖編碼調(diào)制／相移鍵控／調(diào)相（PCM／PSK／PM）的調(diào)制方式，遙測碼型多為非歸零（NRZ）碼［12］。地面接收到的遙測信號可以用數(shù)學表達式簡單表示成在時延補償時，不僅要進行整數(shù)時延補償，而且還需補償時延的小數(shù)部分，所以對時延精度要求較高，同時必須有相位旋轉算法來對齊各路主載波的相位差?；鶐Ш铣傻氖钦{(diào)制在主載波上的信號，需要先解調(diào)出主載波，只對副載波及其攜帶的信息進行合成；但是，因為相對時延的測量精度一般在ns量級，加上模數(shù)轉換（A／D）采樣頻率相對于副載波頻率較高，可以直接通過對時間序列的平移達到信號對齊的目的，無需小數(shù)時延補償和相位旋轉。符號流合成的是經(jīng)過主載波解調(diào)和副載波解調(diào)以后的信號，一般是脈沖編碼調(diào)制（PCM）信號，該信號的周期更長，同樣可以直接通過時間序列的平移實現(xiàn)信號對齊。關于這三種基本的遙測信號合成方式的對比見表1.

表1 全頻譜合成、基帶合成和符號流合成對比

注意到在表1中，基帶合成和符號流合成的傳輸帶寬并不如部分資料所述，信號在天線處先進行載波解調(diào)后再進行傳輸來降低對網(wǎng)絡傳輸帶寬的要求。這應歸功于網(wǎng)絡的發(fā)展，利用網(wǎng)絡進行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀疽呀?jīng)明顯減少，同時帶寬越寬，相關處理得到的時延精度越高，所以這里不再考慮這種只需要MHz量級的傳輸帶寬所帶來的影響。在接收機單元，全頻譜合成時一個天線陣只需要1套接收機系統(tǒng)，基帶合成和符號流合成時，來自不同天線的信號每個都需要一個載波環(huán)或者載波環(huán)和副載波環(huán)，而接收機的計算量大部分集中在載波解調(diào)模塊，所以在這里就認為其接收機的數(shù)目近似于每個天線需要配備一套。另外，在全頻譜合成中，載波環(huán)的輸入信噪比經(jīng)過信號合成得到增強，相對于基帶合成和符號流合成可以適應更低信噪比的信號接收環(huán)境。

1.3 合成效率分析

合成效率定義為天線陣實際增益與理論增益之比，文中天線陣的理論增益用各天線相對于參考天線的實際增益之和表示［1］。增益在這里一般用符號信噪比（RSN，單位dB）計算，也可以用各天線接收信號的載波功率與噪聲功率譜密度之比估算。若選擇天線陣中第k個天線作為參考天線，各天線接收信號的符號信噪比為RSN，i，合成信號的符號信噪比為RSN，C，相對于參考天線的天線陣增益等于RSN，C與RSN，k之差，合成效率η可以表示成

和載噪比相比，符號信噪比與誤碼率直接相關，更能全面評價接收系統(tǒng)的性能，故在數(shù)據(jù)處理過程中選用符號信噪比計算天線陣增益。符號信噪比定義為一個周期內(nèi)符號的功率與噪聲功率之比，對于方波信號則可以用信號的均值和均方差之比的平方估計得到。

2 信號合成實驗

2.1 信號接收和處理系統(tǒng)說明

嫦娥二號探月衛(wèi)星于2010年10月1日18時59分57秒發(fā)射升空，經(jīng)過5天的奔月之旅直接由地月轉移軌道進入橢圓環(huán)月軌道，在月球軌道完成工作任務后，由于剩余燃料充足并且衛(wèi)星性能穩(wěn)定，嫦娥二號衛(wèi)星飛離月球軌道，于2011年8月25日到達距地球150萬千米的日地拉格朗日L2點的環(huán)繞軌道，目前正在執(zhí)行飛越小行星的拓展任務。我們采集的數(shù)據(jù)為嫦娥二號奔月弧段S波段下行遙測信號，通過我國甚長基線干涉測量（VLBI）網(wǎng)四個臺站的天線接收系統(tǒng)接收和記錄［13］，并傳送到位于上海的VLBI中心處理［14］，關于各臺站天線的配置和說明如表2所述，嫦娥二號衛(wèi)星的遙測信號采用

表2 實驗數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)說明

PCM／BPSK／PM 調(diào)制，符號率1 024bit／s，可以用相干接收機解調(diào)。文章中的遙測接收機采用虛擬無線電技術通過軟件實現(xiàn)［10］，載波環(huán)和副載波環(huán)的等效噪聲帶寬分別約為800Hz和160Hz.

因為嫦娥二號衛(wèi)星距離地球較近，地面單站接收到的遙測信號可以實現(xiàn)載波跟蹤，所以三種基本的信號合成方式都進行了實驗。在條紋搜索模塊中，我們采用了5次多項式時延擬合模型，并考慮了大氣時延，大氣時延由預報的天頂方向大氣延遲和Niell影射函數(shù)的乘積得到［15］。全頻譜合成的是來自各天線的2MHz帶寬的中頻信號；在基帶合成過程中，我們將載波環(huán)模塊提到時延補償單元之前，對齊和合成的是各路信號經(jīng)過載波環(huán)解調(diào)后的輸出；在符號流合成過程中，各路信號經(jīng)過副載波解調(diào)以后才進行時延補償并加權合成。

2.2 實驗結果和討論

本次實驗中應用了條紋搜索功能模塊實現(xiàn)對殘余時延和時延率的獲取，并計算出了各路信號之間的初始相位差。這一分鐘數(shù)據(jù)的條紋搜索結果如表3所示。

表3 條紋搜索結果

從表中的結果可以看出：這一分鐘內(nèi)臺站的相對時延精度達到1ns以內(nèi)，相位差的估算精度也在1°范圍內(nèi)。相位差的估計可以認為是在完全補償總時延和時延率后獲得的，采用了類似于Simple算法的原理，以上海站作為參考，通過相關獲得與其他各站的相位差。當然，也可以采用Sumple等算法［5－6］來獲取相位差。

信號合成以后，將各路信號解調(diào)得到PCM符號流，通過計算信號在一個符號周期內(nèi)的均值和均方差估算出符號信噪比。為了提高估計值的準確度，在實驗數(shù)據(jù)處理過程中，一秒鐘內(nèi)估計256次然后取平均值，每秒鐘給出一個符號信噪比估計值。信號合成效率在這里用合成信號的符號信噪比與四個天線的符號信噪比之和的比值表示。一分鐘內(nèi)三種合成方式的天線陣增益如圖2所示。

這一分鐘內(nèi)全頻譜合成、基帶合成和符號流合成的天線陣增益相對于上海站天線分別為4.07±0.24dB、4.12±0.21dB和4.22±0.18dB，理論增益應為6.47dB，合成效率偏低是由于各天線的基帶信號經(jīng)過了1比特量化記錄后處理，1比特量化使得信號信噪比降低到原來的2／π.信噪比降低主要由量化噪聲引起，雖然量化噪聲近似于高斯白噪聲，但不同天線之間的量化噪聲彼此相關，不能通過累加消除?？梢栽诤铣尚盘柕姆栃旁氡燃由?.96dB，計算出消除1比特量化影響后的等效合成效率，最后得到實驗中長基線天線陣的全頻譜合成、基帶合成和符號流合成三種合成方式在這一分鐘的平均等效合成效率分別是91.2%、91.6%和93.9%.這三種組陣方式的效率都在90%以上，在實際操作中，如果接收信號較強，天線陣中單個天線都能實現(xiàn)載波跟蹤和解調(diào)，可以運用較簡單的基帶合成和符號流合成；但對于微弱信號，單天線無法提取出載波，則必須通過全頻譜合成提高接收鏈路的余量。從結果中還可以看到：北京和昆明站的符號信噪比相對于上海和烏魯木齊站，并未和它們的天線口徑的平方成正比，主要原因是當時北京和昆明站的接收系統(tǒng)都采用常溫接收機，系統(tǒng)的噪聲溫度較高，故四站的G／T值相差不大，這說明北京和昆明站的接收性能都有提升的空間。

圖2 全頻譜合成、基帶合成和符號流合成的嫦娥二號遙測信號合成結果

3 結 論

文中針對深空遙測信號的長基線信號合成，采用全頻譜合成、基帶合成和符號流合成三種基本信號合成方式，對嫦娥二號衛(wèi)星的實測信號進行合成，在1比特量化的情況下，以上海站天線接收信號的實際符號信噪比作為參考，四個天線組成的陣的實際增益達到了4.0dB以上，消除1比特量化影響的等效天線合成效率均在90%以上，充分說明了長基線天線陣的可行性。

目前我國VLBI網(wǎng)對深空探測器的相對時延測量精度達到了ns量級，在探測器信號能夠獲得相干條紋的情況下，時延的測量精度不會隨探測器的距離遠近發(fā)生變化；由上海天文臺開發(fā)的數(shù)字基帶轉換器可以支持4比特量化，極大地減少了量化噪聲對合成效率的影響，這些都為長基線信號合成提供了有利條件。利用長基線信號合成技術組成的天線陣不僅可以單獨作為地面接收系統(tǒng)，它的優(yōu)勢還在于可以在任務需要時臨時“借”大口徑天線甚至短基線天線陣，獲得更好的增益。這為將來的深空探測任務提供了一種提高科學數(shù)據(jù)返回量的有效途徑。

致謝：作者特別感謝中國科學院上海天文臺VLBI中心提供嫦娥二號觀測數(shù)據(jù)和上海市空間導航與定位技術重點實驗室基金的資助。

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