小衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)

王富德　沈喆淵　姚佩航

摘 要：小衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有研發(fā)費用少，重量輕，性能穩(wěn)定，信號覆蓋范圍廣以及不受地域條件限制等優(yōu)點，能夠?qū)Ξ?dāng)前大型同步軌道的衛(wèi)星通信進(jìn)行補充作用，在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用的同時也受到了眾多研究機構(gòu)的重視，因此對小衛(wèi)星通信系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)行研究同時具有實踐意義和理論意義。

關(guān)鍵詞：小衛(wèi)星；通信系統(tǒng)；作用；研究；意義

衛(wèi)星通信技術(shù)在軍事、政治、工業(yè)、生活等方面均具發(fā)揮著重要作用，而相比之下，小衛(wèi)星則更具有大型同步衛(wèi)星所無法實現(xiàn)的眾多優(yōu)勢而受到國內(nèi)外研究學(xué)者的重視，同時，衛(wèi)星向小型化趨勢發(fā)展也是全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展方向。我國從21世紀(jì)初期開始著手小衛(wèi)星的相關(guān)研制和發(fā)射工作。

1 小衛(wèi)星的技術(shù)優(yōu)勢

第一，荷載較少小衛(wèi)星在每次的任務(wù)中一般僅需要裝載一種特殊設(shè)備，進(jìn)而很好地避免了大型衛(wèi)星中出現(xiàn)的荷載間復(fù)雜配比問題。

第二，研制時間短、費用低小衛(wèi)星的研制一般只需經(jīng)過一到兩年，同時相關(guān)的研究經(jīng)費也相比大型衛(wèi)星明顯降低，因此更具有經(jīng)濟(jì)性，更體現(xiàn)其實踐意義。

第三，重量輕小衛(wèi)星的重量一般較小，就當(dāng)前國際情況來看，最微型的小衛(wèi)星的質(zhì)量僅有幾百克，體積也很小，因此功能密度大，模塊可多次利用。

第四，信號覆蓋范圍廣，由于小衛(wèi)星具有較強的組網(wǎng)能力，因此能夠形成精度較高，功能強大而且信號覆蓋范圍廣的星座系統(tǒng)，進(jìn)而易于補網(wǎng)和星座功能穩(wěn)定的優(yōu)勢。

第五，減緩頻率壓力小衛(wèi)星的星座中包括多顆衛(wèi)星，可以頻率復(fù)用，因此具有減小空間任務(wù)所具有的頻率壓力。

2 小衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要技術(shù)簡介

衛(wèi)星在通信中起著中轉(zhuǎn)作用，即將地球站傳送來的信號經(jīng)過變頻和放大轉(zhuǎn)送到另一端的地球站，地球站是衛(wèi)星與地面信息系統(tǒng)的鏈接點，用戶通過地球站途徑進(jìn)入衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，形成鏈接的電路信號鏈；為了確保系統(tǒng)的運行正常，衛(wèi)星通信系統(tǒng)必須和地面的監(jiān)測管理系統(tǒng)和測控系統(tǒng)想鏈接，測控系統(tǒng)能夠?qū)νㄐ判l(wèi)星運行的軌道進(jìn)行檢測和控制，以保證地面檢測系統(tǒng)能夠?qū)πl(wèi)星所傳送的通信信息進(jìn)行有效的監(jiān)控，保證系統(tǒng)安全與穩(wěn)定的運行。小衛(wèi)星通信的關(guān)鍵技術(shù)主要有通信系統(tǒng)的鏈路預(yù)算以及接收機參數(shù)估計技術(shù)和同步技術(shù)等，其中鏈路預(yù)算技術(shù)是設(shè)計小衛(wèi)星通信系統(tǒng)的主要計算方法和參考依據(jù)，精確的鏈路預(yù)算能夠確保通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。近年來，通信系統(tǒng)接收技術(shù)和相應(yīng)的算法逐漸由信號模擬技術(shù)向數(shù)字化轉(zhuǎn)變；由于衛(wèi)星通信整體碼速率有所提升因此對接收機的信息處理速度以及算法的復(fù)雜度、同步速度和穩(wěn)定性也提出了更高的要求；信息傳輸量的大幅增加使得遙測領(lǐng)域中逐漸采用比特傳輸速率更高的調(diào)制方式；由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)在數(shù)字通信過程中的發(fā)射機和接收機的晶振不同，以及移動平臺引起的多普勒效應(yīng)，造成發(fā)射機和接收機之問會產(chǎn)生相位和頻率的偏移，這種多普勒頻移一般較高，即便在頻偏較大時，接受同步技術(shù)也應(yīng)能夠正常工作，即捕獲帶寬較大。

3 小衛(wèi)星通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)簡介

3.1 鏈路預(yù)算技術(shù)

鏈路預(yù)算，即對一通信系統(tǒng)中發(fā)射設(shè)備，傳送信道以及接收設(shè)備的通信鏈路的變化情況進(jìn)行的全面核算，是對小衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能的評價，具體而言是從發(fā)射端的信源起始，通過編碼、調(diào)制、變頻等多項操作，將信號通過天線發(fā)射出去，再由信道進(jìn)行傳輸，最后到達(dá)接收天線處由接收機進(jìn)行信息處理，解調(diào)所需信息。其重要性在于：

第一，可確定系統(tǒng)工作是否滿足系統(tǒng)實際需要。

第二，通過計算鏈路余量檢查系統(tǒng)能否滿足設(shè)計要求。

第三，驗證在部分設(shè)備具有硬件限制的情況下鏈路其他部分能否進(jìn)行彌補。對于模擬電路來說，該性能指標(biāo)是基帶信道的信噪比；對于數(shù)字電路來說，其性能指標(biāo)是基帶信道上測得的誤碼率；衛(wèi)星鏈路分為兩種信號路徑：由地面站到衛(wèi)星的上行鏈路和從衛(wèi)星到地面站的下行鏈路，其中上行鏈路的信號發(fā)射過程包括編碼→調(diào)頻→上變頻→放大功率等操作，信號從天線傳送到小衛(wèi)星的接收端，而下行鏈路則包括低噪聲放大→下變頻→解調(diào)→解碼等操作，是地面站對接收信號的處理操作。與通信系統(tǒng)鏈路預(yù)算有關(guān)的數(shù)據(jù)因素有天線特性，傳輸距離最大值，信號發(fā)射/接受功率，熱噪聲，信噪比以及接收系統(tǒng)的質(zhì)量。

3.2 同步算法

無論是接受哪種形式的調(diào)制信號，接收機同發(fā)射機都必須保持同步，對于數(shù)字調(diào)頻技術(shù)而言，有載波同步和碼元同步兩種基本同步模式，前者是對載波頻率以及相位進(jìn)行估計，后者則是對定時抽樣時鐘進(jìn)行估計。由于發(fā)射信號在衛(wèi)星通信的傳輸過程中必然存在一定延遲，因此產(chǎn)生了載波相位的偏移，同時由于其在傳播過程中受到噪聲干擾和多普勒效應(yīng)影響，還會產(chǎn)生頻率偏移，因此同步技術(shù)是數(shù)字通信中的關(guān)鍵技術(shù)，研究調(diào)制信號的載波同步和碼元同步技術(shù)能夠保障衛(wèi)星通信系統(tǒng)可靠、有效、快速的運行。由于載波同步算法利用的是判決反饋環(huán)路的模型，是在時鐘已同步的基礎(chǔ)之上才能進(jìn)行，因此載波同步應(yīng)位于碼元同步滯后才可工作。以先碼元同步再載波同步的模式為例，模擬信號被天線接收后，由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再將頻帶信號通過下變頻轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐盘?，之后通過碼元同步和載波同步對有載波偏差以及時鐘偏差的信號進(jìn)行估計，最后解調(diào)輸出，碼元同步位于載波同步前，以碼元時間為基本數(shù)據(jù)處理周期，對相關(guān)硬件的要求較低，同步性能較好。

3.3 型號參數(shù)

估計衛(wèi)星通信信號的參數(shù)估計是重要的非合作通信接收技術(shù)，因為對信號的頻率和調(diào)制方法等重要數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和估測是保證解調(diào)準(zhǔn)確和達(dá)到監(jiān)視、截獲信息的目的的重要方法，以便為偵察系統(tǒng)的工作打好基礎(chǔ)。小衛(wèi)星通信系統(tǒng)的常用解調(diào)方式有BPSK解調(diào)、QPSK解調(diào)、CPM解調(diào)、SOQPSK解調(diào)等。一般情況下，欲通過衛(wèi)星通信捕捉信號，接收系統(tǒng)的帶寬需遠(yuǎn)大于信號帶寬，應(yīng)使用寬帶接收機。

4 結(jié)語

小衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有的多重優(yōu)勢使其在當(dāng)今世界范圍內(nèi)的衛(wèi)星通信領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，吸引了眾多研究學(xué)者，本文針對其中的幾項關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行了簡單說明。衛(wèi)星通信的作用范圍廣，涉及的技術(shù)種類眾多而且較為復(fù)雜，需要我們不斷進(jìn)行深入研究和實踐，進(jìn)而推進(jìn)衛(wèi)星通信向小型化方向發(fā)展。

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作者簡介：王富德（1994—），男，遼寧鞍山人，沈陽理工大學(xué)學(xué)生。

沈喆淵（1995—），男，江蘇張家港人，沈陽理工大學(xué)學(xué)生。

姚佩航（1997—），男，遼寧大連人，沈陽理工大學(xué)學(xué)生。