S/Ka頻段測(cè)控通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉云閣，胡建平

（中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，成都610036）

1 引言

隨著我國航天技術(shù)及其應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，載人空間站、高分辨率對(duì)地觀測(cè)等計(jì)劃已陸續(xù)啟動(dòng)，這些工程的建設(shè)和應(yīng)用對(duì)測(cè)控通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率、測(cè)軌精度、可靠性等提出了更高的要求，我國現(xiàn)有測(cè)控手段已難以滿足需求。

Ka頻段以其良好的資源優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景成為研究熱點(diǎn)。美國空軍測(cè)控網(wǎng)早就提出了Ka頻段測(cè)控網(wǎng)的設(shè)想[1]，NASA為了提高對(duì)中低軌航天器的測(cè)控通信支持能力，制定了Ka頻段轉(zhuǎn)移計(jì)劃[2]，建立了Ka頻段地面站進(jìn)行相關(guān)的演示驗(yàn)證試驗(yàn)。又加之利用USB地面測(cè)控網(wǎng)和TDRSS系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)控存在一定的限制，發(fā)展新型S/Ka頻段測(cè)控通信網(wǎng)將是未來測(cè)控通信系統(tǒng)一種必然的選擇。其原因如下：

①頻帶寬，國際電聯(lián)規(guī)定Ka下行頻段為25.5GHz～27GHz，具備1Gbps以上的高速數(shù)傳能力；

②頻段高，可提高測(cè)軌精度[2]；

③工作頻段與中繼衛(wèi)星的星間鏈路頻段相兼容，有利于實(shí)現(xiàn)測(cè)控通信系統(tǒng)天地一體化設(shè)計(jì)。

我國已逐步開始進(jìn)行Ka頻段測(cè)控通信系統(tǒng)的研究。系統(tǒng)面臨的技術(shù)難題包括：天地基測(cè)控體制兼容性設(shè)計(jì)；窄波束天線對(duì)高動(dòng)態(tài)目標(biāo)的角捕獲與跟蹤；高速數(shù)據(jù)解調(diào)；Ka頻段信道及功放等。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成及工作模式

S/Ka頻段測(cè)控通信系統(tǒng)由S/Ka頻段測(cè)控通信地面站、S/Ka頻段用戶終端以及相應(yīng)的地面網(wǎng)絡(luò)組成，基本組成如圖1所示。

在實(shí)際應(yīng)用中可以建設(shè)多個(gè)S/Ka頻段地面站，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)應(yīng)用。S/Ka頻段測(cè)控設(shè)備與其它地基S頻段設(shè)備及中繼衛(wèi)星系統(tǒng)一起均是天地一體化測(cè)控通信網(wǎng)的測(cè)控通信資源，由全網(wǎng)統(tǒng)一的運(yùn)行管理系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度，航天器按使用優(yōu)先級(jí)共同使用天地基資源。

S/Ka頻段測(cè)控通信系統(tǒng)地面站由S/Ka雙頻段天線、S頻段上下行鏈路、Ka頻段上下行鏈路、數(shù)傳基帶、測(cè)控基帶、監(jiān)控、時(shí)頻及測(cè)試標(biāo)校等設(shè)備組成，組成示意圖見圖2所示。

S/Ka頻段用戶終端包括天饋分機(jī)、多模雙頻段應(yīng)答機(jī)、高速數(shù)傳模塊三大部份，其組成原理框圖如圖3。用戶終端采用對(duì)地及對(duì)星兩付天線，在頻段及信號(hào)體制、波形上兼容地基及天基系統(tǒng)，可以工作于地基及天基系統(tǒng)，用戶終端將是實(shí)現(xiàn)天地一體化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

系統(tǒng)在工作頻段允許的情況下，其工作模式應(yīng)盡量適應(yīng)現(xiàn)有的測(cè)控體制，并滿足日益增長(zhǎng)的測(cè)控任務(wù)需求。工作模式包括：標(biāo)準(zhǔn)TT&C、擴(kuò)頻TT&C、跳擴(kuò)結(jié)合TT&C、S頻段數(shù)傳、Ka頻段數(shù)傳。

圖1 S/Ka頻段測(cè)控通信系統(tǒng)及天地一體化應(yīng)用示意圖

圖2 S/Ka頻段測(cè)控通信網(wǎng)地面站設(shè)備組成示意圖

2.2 天/地基測(cè)控體制兼容性設(shè)計(jì)

（1）地面站部分功能與指標(biāo)的兼容

S/Ka頻段測(cè)控通信系統(tǒng)地面站和天基中繼衛(wèi)星系統(tǒng)及現(xiàn)有地基測(cè)控通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)部分功能與指標(biāo)的兼容，如上、下行的工作頻段、測(cè)控體制、數(shù)傳調(diào)制體制、數(shù)傳碼速率等方面的兼容性。S/Ka頻段測(cè)控通信系統(tǒng)地面站工作頻段兼容中繼衛(wèi)星系統(tǒng)星間鏈路工作頻段；其工作體制與地基測(cè)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)TT&C和擴(kuò)頻TT&C測(cè)控體制相同，通過終端的設(shè)置兼容中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的測(cè)距體制；其數(shù)傳調(diào)制體制兼容中繼衛(wèi)星系統(tǒng)和地基地面站的調(diào)制體制，支持高于中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)傳碼速率。

（2）系統(tǒng)傳輸協(xié)議的兼容

傳輸協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)現(xiàn)天/地基測(cè)控網(wǎng)兼容的核心，其中包括地面段以及空間段的協(xié)議。地面段的信息傳輸采用TCP/IP協(xié)議已成為各國航天機(jī)構(gòu)的首選。在空間段的信息傳輸方面可供選擇的協(xié)議有多種：基于CCSDS的協(xié)議體系；基于地面商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議體系；將CCSDS與商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合的協(xié)議體系；支持未來行星際互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議體系。IP over CCSDS Space Links協(xié)議是目前研究的熱點(diǎn)。這些協(xié)議在實(shí)現(xiàn)的功能、效率和互操作等方面各有其特點(diǎn)，而最終實(shí)現(xiàn)的端到端信息傳輸質(zhì)量則是各層協(xié)議綜合作用的結(jié)果。

（3）航天器用戶終端的兼容

除將航天器用戶終端設(shè)計(jì)為與天基系統(tǒng)應(yīng)用相同工作頻率外，還要求天線兼容“向上對(duì)中繼衛(wèi)星”和“向下對(duì)地面測(cè)控站”兩種工作模式，可以采用切換天線分時(shí)工作或配置上、下天線、頻分或碼分等方式實(shí)現(xiàn)同時(shí)與地基和天基系統(tǒng)建立鏈路等方案。航天器用戶終端的兼容是實(shí)現(xiàn)天地一體化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

航天器用戶終端的兼容包含了頻段的兼容和信號(hào)體制的兼容兩個(gè)方面的內(nèi)容。頻段的兼容可以在頻段上與系統(tǒng)要求保持一致，但終端的頻點(diǎn)需要具有一定的可設(shè)置能力，以滿足天基與地基不同頻點(diǎn)的應(yīng)用模式，即具有射頻可重組功能；用戶終端適應(yīng)的信號(hào)體制要與天地基系統(tǒng)保持一定的兼容性，但由于不同任務(wù)的需要，對(duì)于同一個(gè)用戶終端對(duì)天基或?qū)Φ鼗到y(tǒng)的幀格式等可能會(huì)有所變化，可通過終端軟件的動(dòng)態(tài)加載方式來適應(yīng)天地基的應(yīng)用，這一技術(shù)已是可實(shí)現(xiàn)的。

圖3 S/Ka頻段用戶終端組成框圖

2.3 天地鏈路能力分析

考慮用戶航天器的軌道高度約為400km，地面站天線仰角3°時(shí)，空地鏈路最大徑向距離約為2000km。用戶航天器S頻段對(duì)地天線采用賦形天線，用于中低速數(shù)據(jù)速率（150kbps及1Mbps）收發(fā)，增益大于0dBi。

用戶航天器Ka頻段高速數(shù)傳對(duì)地天線采用相控陣或自跟蹤定向天線用于高中低速數(shù)據(jù)速率（返向最高速率1.2Gbps）收發(fā)，其發(fā)射增益假設(shè)為大于30dBi，接收增益暫考慮為10dBi。初步考慮用戶航天器Ka頻段發(fā)射功率為20W（13dBW），S頻段發(fā)射功率為1W，低噪聲場(chǎng)放噪聲系數(shù)3dB。

在給定用戶航天器對(duì)地天線的假設(shè)參數(shù)下，地面測(cè)控設(shè)備采用15m天線以及相應(yīng)的場(chǎng)放和功放時(shí)，經(jīng)分析計(jì)算G/T和ERIP設(shè)計(jì)值滿足用戶要求的上、下行鏈路電平需求。Ka頻段上行鏈路的余量可以有效地克服這一上行頻率范圍在天地鏈路中較大的大氣及水蒸汽損耗。

對(duì)于工作于其它軌道高度的用戶航天器，可以通過增加用戶終端發(fā)射功率、采用高效編譯碼技術(shù)、提高天線增益等方式來滿足傳輸鏈路的需求。

3 關(guān)鍵技術(shù)及解決措施

3.1 窄波束天線的角捕獲與跟蹤技術(shù)

解決窄波束天線的捕獲可采取S頻段引導(dǎo)或Ka頻段直接捕獲兩種方案。

（1）S頻段引導(dǎo)

用戶終端和地面站均采用雙頻段天線，每一個(gè)航天器上需配置S/Ka雙頻段用戶終端，并提供相應(yīng)的S頻段信標(biāo)，地面天線用低頻段進(jìn)行引導(dǎo)，然后再進(jìn)行Ka頻段天線的跟蹤。根據(jù)文獻(xiàn)[5]所述的分析計(jì)算方法，以S頻段天線將目標(biāo)引導(dǎo)至Ka頻段半功率波束寬度以內(nèi)的三次引導(dǎo)成功概率優(yōu)于99.6%，滿足測(cè)控系統(tǒng)角度引導(dǎo)需求，因此，當(dāng)航天器同時(shí)發(fā)射S頻段、Ka頻段信號(hào)時(shí)，以S頻段寬波束引導(dǎo)Ka頻段窄波束天線實(shí)現(xiàn)角度捕獲不失為一種穩(wěn)妥可行的實(shí)現(xiàn)方案。

（2）Ka頻段直接捕獲

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，還需要考慮到一旦S頻段信標(biāo)出現(xiàn)故障或其它因素造成S頻段信號(hào)不可用時(shí)，將導(dǎo)致地面天線無法實(shí)現(xiàn)捕獲的可能性，因此地面系統(tǒng)還需要具有Ka頻段直接捕獲的手段。

其一是利用小口徑Ka引導(dǎo)天線引導(dǎo)主天線跟蹤的方式，利用較寬波束的Ka引導(dǎo)天線加窄帶環(huán)的方式，實(shí)現(xiàn)低信噪比狀態(tài)下先期捕獲跟蹤目標(biāo)，再將天線指向引入主天線波束范圍內(nèi)，該方案的難點(diǎn)在于低信噪比高動(dòng)態(tài)信號(hào)的角誤差信號(hào)提取。跟蹤接收機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)采用相干檢波的方法提取角誤差信號(hào)，載波環(huán)選用三階環(huán)，引導(dǎo)信號(hào)為單頻信號(hào)且引導(dǎo)天線接收S/Φ大于等于25dBHz，捕獲及角誤差提取時(shí)間總時(shí)間約為1.85s，通過計(jì)算，經(jīng)過兩次引導(dǎo)可達(dá)到99%的引導(dǎo)概率，滿足測(cè)控系統(tǒng)角度引導(dǎo)需求。

其二是地面站天線可設(shè)計(jì)為具有Ka饋源多波束的S/Ka雙頻段天線，利用多波束天線空間掃描方式捕獲跟蹤目標(biāo)，將天線指向引導(dǎo)入Ka頻段的窄波束中，該方案設(shè)備原理框圖如圖4所示；

圖4 多波束引導(dǎo)接收機(jī)設(shè)備原理框圖

為了驗(yàn)證其正確性，進(jìn)行了初步的試驗(yàn)驗(yàn)證。該試驗(yàn)采用3.8m口徑的天線，利用方位和俯仰個(gè)排列7個(gè)陣元的方式，實(shí)現(xiàn)了在1°范圍的引導(dǎo)。試驗(yàn)系統(tǒng)組成框圖如圖5所示。

圖5 饋源多波束試驗(yàn)設(shè)備組成框圖

試驗(yàn)時(shí)，天線偏離零點(diǎn)一定的角度，利用饋源多波束引導(dǎo)系統(tǒng)提供的角度偏差信息引導(dǎo)天線指向主波束，在主跟蹤接收機(jī)鎖定并達(dá)到一定的AGC設(shè)定門限條件下，轉(zhuǎn)入自跟蹤狀態(tài)。圖6為信噪比為55dBHz下多波束引導(dǎo)系統(tǒng)閉環(huán)試驗(yàn)特性曲線。

圖6中，系列1為天線角度指向信息曲線，系列2為主跟蹤接收機(jī)在試驗(yàn)過程中的角誤差信息，系列3為主跟蹤接收機(jī)的AGC電壓曲線，系列4為主跟蹤接收機(jī)的鎖定指示狀態(tài)，系列5為天線指向工作狀態(tài)；0表示饋源多波束引導(dǎo)狀態(tài)，1表示自跟蹤狀態(tài)。

圖6 55dBHz條件下的多波束引導(dǎo)系統(tǒng)閉環(huán)試驗(yàn)特性曲線

試驗(yàn)中我們進(jìn)行了多次引導(dǎo)跟蹤試驗(yàn)，均成功引導(dǎo)，引導(dǎo)概率100%。

影響大天線目標(biāo)跟蹤性能的重要因素是天線的動(dòng)態(tài)滯后問題。由于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)角加速度引起的動(dòng)態(tài)滯后誤差由下式計(jì)算：

可見，在其它因素不變的前提下，加速度常數(shù)越大，動(dòng)態(tài)滯后就越小。采用復(fù)合控制技術(shù)可有效地提高系統(tǒng)的加速度常數(shù)。伺服控制系統(tǒng)原理框圖如圖7所示，采用復(fù)合控制技術(shù)的原理框圖如圖8所示。圖中 W1（S）是控制器的傳遞函數(shù)，W2（S）表示包括速度環(huán)、電流環(huán)、天線結(jié)構(gòu)在內(nèi)的控制對(duì)象的傳遞函數(shù)，Wb（S）*W2（S）為前饋補(bǔ)償傳遞函數(shù)。系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為

若選擇前饋補(bǔ)償傳遞函數(shù) Wb（S）*W2（S）接近于1，可以有效地減小跟蹤誤差。以15m轉(zhuǎn)臺(tái)式方位俯仰型天線座伺服系統(tǒng)為例，未采用復(fù)合控制技術(shù)時(shí)加速度常數(shù)只能達(dá)到8、采用復(fù)合控制技術(shù)后其加速度常數(shù)可達(dá)到40左右，工程計(jì)算時(shí)取值為40。

圖7 伺服控制系統(tǒng)原理框圖

圖8 復(fù)合控制原理框圖

在天線跟蹤軌道高度400km、目標(biāo)線速度為12km/s條件下，根據(jù)文獻(xiàn)[6]，可計(jì)算出目標(biāo)的最大加速度?？紤]目標(biāo)變軌等因素，在進(jìn)行誤差分析計(jì)算時(shí)，我們選取最大加速度為1°/s2，按照加速度常數(shù)40計(jì)算，伺服系統(tǒng)在方位最大加速度及俯仰最大加速度時(shí)的動(dòng)態(tài)滯后誤差分別為0.025°，天線可以可靠跟蹤目標(biāo)。

3.2 高速數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)技術(shù)

建立Ka頻段地面測(cè)控網(wǎng)重要目的之一是適應(yīng)用戶航天器大數(shù)據(jù)容量和高實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)傳輸要求，后續(xù)航天器可能有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率要求（未來對(duì)地觀測(cè)要求達(dá)到2Gbps）。要在目前的器件技術(shù)水平上，實(shí)現(xiàn)如此高速數(shù)據(jù)的處理是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。

對(duì)于1.2Gbps甚至2.4Gbps以上的高數(shù)數(shù)據(jù)傳輸，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，要解決傳輸帶寬，高性能Ka頻段寬帶信道，以及極化復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用等；在設(shè)備的設(shè)計(jì)上關(guān)鍵在于高速A/D、并行處理和信道均衡。高速數(shù)據(jù)接收處理原理框圖如圖9所示。

圖9 高速數(shù)據(jù)接收處理原理框圖

其中信道均衡分為時(shí)域均衡和頻域均衡兩種，時(shí)域均衡原理框圖如圖10所示，均衡器采用LMS算法的判決反饋結(jié)構(gòu)（DFE）、分?jǐn)?shù)間隔盲均衡結(jié)構(gòu)，其主要功能模塊包括：正向?yàn)V波器、逆向?yàn)V波器、判決器、和抽頭系數(shù)更新的自適應(yīng)算法模塊。

圖10 時(shí)域均衡原理框圖

實(shí)測(cè)結(jié)果表明該方案可實(shí)現(xiàn)1.2Gbps高速數(shù)據(jù)的接收解調(diào)。

3.3 Ka頻段信道及功放技術(shù)

地面測(cè)控站和用戶終端均需進(jìn)行Ka頻段的信道設(shè)計(jì)，其信道設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響到地面測(cè)控站和用戶終端的工作性能，同時(shí)能否提供系統(tǒng)所需的Ka頻段功率決定了系統(tǒng)能否建立正常的空間鏈路，因此，Ka頻段的信道設(shè)計(jì)以及大功率功放技術(shù)至關(guān)重要。Ka頻段固態(tài)功放的研制采取的技術(shù)措施包括：功率合成幅相一致性控制、散熱仿真設(shè)計(jì)等。

Ka頻段信道帶寬將達(dá)到1GHz以上，如何在如此寬的帶寬下保證信道特性滿足系統(tǒng)跳頻測(cè)控及高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅瞧湓O(shè)計(jì)和研制的關(guān)鍵。減小Ka頻段信號(hào)的傳輸路徑是重要措施，地面測(cè)控站和用戶終端的接收信道設(shè)計(jì)中將LNA和D/C兩個(gè)模塊合二為一，設(shè)計(jì)成一個(gè)LNB組件模式。LNB原理電路圖如圖11所示，在低噪放前加一級(jí)隔離器，有效改善輸入駐波；下變頻器選用諧波混頻器，采用低本振，降低了本振的實(shí)現(xiàn)難度，并且對(duì)本振的偶次諧波輸出有很好的抑制作用。

LNB實(shí)測(cè)指標(biāo)如表1所示。

圖11 LNB原理電路圖

表1 LNB實(shí)測(cè)指標(biāo)

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 在空間站工程中的應(yīng)用

空間站需要借助測(cè)控通信系統(tǒng)下傳多路高質(zhì)量圖像信號(hào)、高保真話音信號(hào)、工程遙測(cè)數(shù)據(jù)，更重要的是隨著空間站的逐步建設(shè)及應(yīng)用，將有大批量民用科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)地傳輸，采用Ka頻段測(cè)控通信系統(tǒng)后，可用頻帶擴(kuò)寬，達(dá)到1.5GHz，較易滿足這一要求。

另外，采用Ka頻段后，為提高系統(tǒng)測(cè)速和測(cè)角的精度提供了有利條件。我國首次空間站交會(huì)對(duì)接任務(wù)已完成，本系統(tǒng)建成后將為載人航天交會(huì)對(duì)接遠(yuǎn)距離導(dǎo)引及近距離第一次導(dǎo)引的實(shí)時(shí)高精度測(cè)定軌提供另一種有效手段。

4.2 在對(duì)地觀測(cè)中的應(yīng)用

對(duì)地觀測(cè)也是我國科技發(fā)展的方向之一。按照當(dāng)前的需求分析，數(shù)傳速率可達(dá)到2Gbps，這樣高的數(shù)傳速率在今后升級(jí)的中繼系統(tǒng)中也是無法完全滿足的，需要采用天-地“直達(dá)”傳輸?shù)腒a頻段測(cè)控通信系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

S/Ka頻段測(cè)控通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)兼容天/地基測(cè)控通信體制，具有標(biāo)準(zhǔn)TT&C、擴(kuò)頻TT&C、跳頻TT&C、高速數(shù)傳等工作模式，其數(shù)傳速率高、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高，可支持中低軌的測(cè)控通信。隨著各種航天應(yīng)用的蓬勃發(fā)展、系統(tǒng)研究的深入、關(guān)鍵技術(shù)的突破，我國S/Ka測(cè)控通信系統(tǒng)的建設(shè)已提上議事日程，并將在空間站、對(duì)地觀測(cè)等工程中大有作為。

［1］A direct-to-ground Architecture for Supporting Commercial Communication from the International Space Station.IEEE 2002.

［2］哥達(dá)德航天中心.天基、地基測(cè)控網(wǎng)的Ka頻段過渡計(jì)劃.張紀(jì)生，譯.《飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)》2003，22（1）:81-87.

［3］劉嘉興.再論發(fā)展Ka頻段測(cè)控通信網(wǎng)的思考［J］.《電訊技術(shù)》，2008，12.

［4］胡建平等.Ka頻段寬帶測(cè)控通信與抗干擾技術(shù)探討.《飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)》2009，28（2）：27-30.

［5］統(tǒng)一載波測(cè)控系統(tǒng)講義［V］.電子工業(yè)部第十研究所.1997（6）：53-54.

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