可擴充深空天線組陣技術(shù)研究與試驗驗證*

于志堅 李海濤 李小梅

(1太原衛(wèi)星發(fā)射中心 太原 030027 2北京跟蹤與通信技術(shù)研究所 北京 100094 3北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076)

前 言

遙遠距離的深空測控通信始終是深空探測活動面臨的重大挑戰(zhàn)。隨著探測能力的不斷增強，數(shù)據(jù)傳輸速率需求越來越高;隨著探測距離的持續(xù)增大，接收信號強度越來越微弱，單純依靠地面大口徑天線解決上述問題越來越困難［1］。

天線組陣技術(shù)是利用多個天線組成天線陣列，通過時延對齊、相位修正和權(quán)值估計將各個天線接收的信號進行疊加合成，提高信噪比(SNR)，達到增大天線口徑的效果，實現(xiàn)遙遠距離微弱信號的有效接收。一個理想陣(即無合成損失)的最大品質(zhì)因數(shù)(G/T)是各單元G/T值之和［2］。

天線組陣技術(shù)已經(jīng)得到了國際主流航天機構(gòu)的廣泛關(guān)注，是國際深空測控技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。2003年美國國家航空航天局(NASA)分別在戈爾德斯頓、馬德里和堪培拉建成了支持3～4個34m天線的組陣系統(tǒng)，并計劃在2020年建成多達400個12m天線的大規(guī)模天線陣，最終實現(xiàn)等效240m口徑天線的接收能力［1］。目前，我國也開展了天線組陣技術(shù)研究工作，構(gòu)建了原理性驗證系統(tǒng)，并且利用嫦娥二號(CE-2)衛(wèi)星的下行信號開展了驗證試驗。

考慮到深空測控一般采用調(diào)相副載波調(diào)制體制，可行的組陣合成技術(shù)有符號流合成(SSC)、復符號合成(CSC)、載波組陣(CA)、基帶合成(BC)和全頻譜合成(FSC)等［3］。其中前四種技術(shù)均需要在載波或是副載波鎖定的前提下完成合成。而FSC技術(shù)在解調(diào)前就進行信號合成，提高了解調(diào)時的SNR，能在較低SNR條件下實現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能，是目前主流的合成技術(shù)。表1給出了五種方案的合成技術(shù)要求［3］。

表1 合成技術(shù)要求Table 1 Combining techniques requests

本文研究基于Sumple算法的FSC技術(shù)，構(gòu)建了4×12m天線組陣試驗系統(tǒng)，并成功利用CE-2衛(wèi)星開展了天線組陣技術(shù)驗證試驗。

1 全頻譜合成(FSC)

FSC是一種在中頻合成信號的組陣技術(shù)，如圖1和圖2所示［4］。它利用一個包括載波環(huán)、副載波環(huán)和符號同步環(huán)的接收機來解調(diào)合成的信號。中頻信號合成是二維的，首先根據(jù)預測或者延遲估計環(huán)路輸出的延遲量，進行延遲對齊;然后通過相位差估計器估計相位差，完成相位修正。

圖1 FSC原理Fig.1 The schematic diagram of FSC

1.1 延遲對齊

圖3所示是地球表面的兩個天線，同時接收來自一個遙遠航天器的下行信號［5］。

圖2 雙天線陣的FSC對齊與合成Fig.2 Delaying and combining of two antennas’signals using FSC technique

圖3 兩天線接收延遲示意圖Fig.3 The schematic diagram of receiving delay between two antennas

無線電波的到達時間差τg可以簡單地表示為

其中，D是從1號天線軸交點延伸到2號天線軸交點的基線矢量，i是指向航天器的單位矢量，c是光速。每個天線的輸出通過等長度電纜連接到一個乘法器上，在時間t的輸出為τg))，通過一個低通濾波器，我們得到的結(jié)果是得到τg后通過增加延遲補償，可使總的電纜延遲和幾何延遲完全抵消。此時，乘法器的Vout最大，且電壓是同相的。

1.2 相位修正

其中，τi表示第1個天線和第i個天線接收信號之間的延遲，為相對多普勒相移差和振蕩器相位噪聲差之和，一般為“極小量”。

將每個si(t)信號下變頻至中頻，其復信號表達式為其中ωI表示中頻頻率。根據(jù)時延預測或估計的結(jié)果，對每個xi(t)信號延遲τi，則每路中頻信號為

信號間相對相位差可以通過時間上已經(jīng)對齊的各路信號的復相關(guān)處理和估計得到。為了便于計算，將天線1作為參考。在相關(guān)器的輸入端，來自第1個和第i個天線的兩路信號，通過帶寬為B的濾波器，然后以每秒2B采樣的奈奎斯特速率進行采樣。復采樣信號如式(5)。

其中，τ1=0，ni(tk)是獨立的系統(tǒng)噪聲復高斯隨機變量，方差為

接下來對兩路信號作相關(guān)處理(即相乘和低通濾波)，得到

相關(guān)之后，在T秒時間上作平均，利用N=2BT獨立采樣將公式(7)的方差減小N倍。在圖2中的累加器輸出端得到它的信噪比為

當相關(guān)帶寬B非常大時(在兆赫茲量級)，信號噪聲乘積項可以忽略，等效噪聲方差主要受噪聲乘積項的支配。此時，SNRi1可以近似為

φi1的估計可以通過的實部和虛部得到，即

2 迭代算法

如果各個天線收到信號的SNR足夠高，所有天線對都可以進行很強的相關(guān)，不需要特殊處理，那么直接利用相關(guān)獲得的相位和延遲偏移來對齊信號。然而，當各天線接收信號的SNR較低時，需要采用合適的算法充分利用所有可能的天線對。天線組陣信號合成的相關(guān)算法主要有Simple算法、Sumple算法、Eigen算法和最小二乘算法等。其中Eigen算法和最小二乘算法需要的相關(guān)運算量與天線數(shù)量的平方成正比，運算量大，不利于實現(xiàn)。Simple算法和Sumple算法成為常用的迭代算法［6］。

2.1 Simple算法

Simple算法主要是在L個天線中選擇一個G/T值最大的天線作為參考天線，將其余L-1個天線接收到的信號均與參考天線接收到的信號進行相關(guān)運算，利用運算結(jié)果修正各個天線信號的延遲和相位偏移，最后對修正后的各路信號進行加權(quán)求和。

合成效率為

2.2 Sumple算法

Sumple算法是在Simple基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種算法，它與Simple算法的區(qū)別在于:相關(guān)運算中的參考天線不是某一個特定的天線，而是其他所有天線加權(quán)求和后組成的“天線”。Sumple算法是一種迭代算法，每流轉(zhuǎn)過L個天線中的一個，并與參考天線相關(guān)加權(quán)求和后就完成一次迭代。由于選擇不同天線時，參考天線總是在變化的，加權(quán)值也是變化的，因此Sumple算法的處理過程要比Simple算法復雜，但Sumple算法可以用于處理更微弱的信號。

合成效率為

Simple與Sumple算法的實現(xiàn)原理如圖4、圖5所示。

圖4 Simple算法原理Fig.4 Principle block diagram of Simple algorithm

圖5 Sumple算法原理Fig.5 Principle block diagram of Sumple algorithm

3 天線組陣技術(shù)驗證試驗

為了驗證基于Sumple算法的FSC合成技術(shù)在工程應用上的可行性，在國家高新技術(shù)發(fā)展計劃支持下，我們構(gòu)建了4×12m天線組陣試驗系統(tǒng)，并成功利用CE-2衛(wèi)星任務開展天線組陣技術(shù)驗證試驗。

3.1 試驗系統(tǒng)組成

試驗驗證系統(tǒng)工作原理如圖6所示。

圖6 試驗系統(tǒng)工作原理Fig.6 Principle block diagram of experiment system

4個天線接收CE-2衛(wèi)星發(fā)送的射頻信號，經(jīng)過場放大器(LNA)放大后下變頻到70MHz中頻，4路中頻信號同時送入合成器。合成器對4路中頻信號進行合成處理，并將合成后的信號變換為70MHz中頻輸出。采用測控體制時，可用頻譜儀觀測直通信號(通過開關(guān)選擇1路、2路、3路、4路信號)以及合成信號的SNR。采用數(shù)傳體制時，可用綜合基帶分別對單路信號和合成后的信號進行解調(diào)，觀測單路信號與4路合成信號的誤碼率，并反推SNR。

3.2 合成前后的數(shù)據(jù)圖像比較

圖7是CE-2衛(wèi)星在距離地球14萬公里處下傳的監(jiān)視相機圖像。圖8是CE-2衛(wèi)星在環(huán)月軌道上拍攝的虹灣地區(qū)照片。從對比圖中可以看出，由單個12m天線接收的CE-2衛(wèi)星數(shù)傳數(shù)據(jù)生成的圖像存在很多馬賽克，甚至無法辨別，而4個12m天線接收并合成所得到的圖像清晰、分辨率高，明顯優(yōu)于單天線接收信號生成的圖像。

圖7 距離地球14萬公里處拍攝的太陽帆板與地球的照片F(xiàn)ig.7 Solar panel and earth pictures by CE-2 satellite which is 140，000km far away from the earth

圖8 環(huán)月軌道拍攝的虹灣照片F(xiàn)ig.8 Sinus iridium pictures by CE-2 satellite which is on the lunar orbit

3.3 試驗數(shù)據(jù)分析

①CE-2衛(wèi)星測控信號

試驗中，對于測控信號主要比較合成前后載噪譜密度比(C/N0)，結(jié)果示于表2。CE-2衛(wèi)星測控信號合成信號比四路信號中最強的一路高出了5.00dB，與理論計算值相比損失了0.14dB，合成效率為96.8%。

表2 CE-2衛(wèi)星測控信號C/N0對比Table 2 Comparison of C/N0 of CE-2 TT&C signal

②CE-2衛(wèi)星數(shù)傳信號

數(shù)傳信號的數(shù)據(jù)分析采用統(tǒng)計誤碼率反算的方法。由于綜合基帶數(shù)傳解調(diào)損失在各個SNR下不盡相同，因此需要進行基帶解調(diào)損耗測試。圖9為碼率為6Mb/s情況下實測誤碼率與Eb/N0的關(guān)系曲線。相比于理論BPSK解調(diào)曲線，綜合基帶在誤碼率高的情況下，解調(diào)損失較小;在誤碼率低的情況下，解調(diào)損失較大。在單路10-3量級、合路10-6量級的情況下，解調(diào)損失的差異大約為0.4dB，計算合成效率時需要將其補償進去。

BPSK信號合成，幀頭誤碼率為1.4×10-6。CE-2衛(wèi)星數(shù)傳信號Eb/N0對比結(jié)果示于表3，經(jīng)計算合成信號比四路信號中最強的一路高出了5.09dB，與理論計算值相比損失了0.27dB，合成效率為93.9%。

圖9 碼率6Mb/s時，實測誤碼率與Eb/N0的關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between themeasured bit error rat and Eb/N0 with the rate of 6Mb/s

表3 CE-2衛(wèi)星數(shù)傳信號Eb/N0對比Table 3 Comparison of Eb/N0 of CE-2 data signal

4 結(jié)束語

天線組陣技術(shù)可以通過組合多個天線實現(xiàn)單一天線難以達到的接收能力，是在射頻范圍解決深空測控通信問題的重要途徑?；赟umple算法的FSC合成方案將合成后的強信號作為參考，在解調(diào)前完成信號合成，可以在低SNR條件下實現(xiàn)高效合成。通過構(gòu)建的4×12m天線組陣系統(tǒng)接收并合成空間飛行的CE-2衛(wèi)星下行信號，合成效率優(yōu)于90%，證明該技術(shù)已經(jīng)初步具備了工程應用的可行性，可以為我國未來深空網(wǎng)建設(shè)大規(guī)模可擴充天線組陣提供技術(shù)儲備，同時也將作為未來深空探測任務高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾夹g(shù)途徑。

［1］于志堅 深空測控通信系統(tǒng) ［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2009:291.Yu Zhijian.Deep Space TT&C System［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2009:291.

［2］李海濤，李宇華，匡乃雪，深空探測中的天線組陣技術(shù)［J］.飛行器測控學報，2004，12(4):57～60.Li Haitao， Li Yuhua， Kuang Naixue.Antenna Array Forming Technology in Deep Space Exploration［J］.Journal of Spacecraft TT&C Technology，2004，12(4):57～60.

［3］Mileant A， Hinedi S.Overview of Arraying Techniques in the Deep Space Network， The Telecommunications and Data Acquisition Progress Report 42-104［R/OL］.1990，10-12 Jet Propulsion Laboratory， Pasadena， California， 109 ～139，F(xiàn)ebruary 15，1991.http://ipnpr.jpl.nasa.gov/progress_report/

［4］Rogstad D H.Suppressed Carrier Full-Spectrum Combining， The Telecommunications and Data Acquisition Progress Report 42-107［R/OL］.July-September1991， Jet Propulsion Laboratory， Pasadena， California，12 ～20， November15，1991.http://ipnpr.jpl.nasa.gov/progress_report/

［5］Thompson A R， Moran JM， and Swenson GW.Interferometry and Synthesis in Radio Astronomy［M］.New York:Wiley，1986.

［6］Rogstad H， Mileant Alexander， Pham T.Antenna Arraying Techniques in the Deep Space Network［M］.JPL Publication 03-001，Jan 2003.