抗多徑效應(yīng)的全范圍多員出艙通信方法

龍吟 王巖 王悅 黃克武 崔久鵬 劉超 程偉

(1 中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094)(2 山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺(tái) 264670)

隨著載人航天任務(wù)的蓬勃發(fā)展，出艙活動(dòng)成為人類零距離探索太空的支撐技術(shù)。其中，出艙通信技術(shù)，即航天員進(jìn)行出艙活動(dòng)時(shí)與載人航天器之間進(jìn)行信息交互的技術(shù)[1]，是關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著航天技術(shù)的發(fā)展和航天任務(wù)復(fù)雜度的不斷提高，未來(lái)空間站任務(wù)、載人登月任務(wù)涉及的出艙活動(dòng)，面臨多人出艙、活動(dòng)范圍廣、通信帶寬增加的需求，以及由于載人航天器體積與造型復(fù)雜度的增加導(dǎo)致的信號(hào)遮蔽、反射、繞射帶來(lái)的多徑效應(yīng)、通信“死角”問(wèn)題。

目前，只有美國(guó)、俄羅斯和中國(guó)掌握了出艙通信技術(shù)。由美國(guó)和俄羅斯參與建造的“國(guó)際空間站”，采用時(shí)分多址(TDMA)的通信體制率先實(shí)現(xiàn)了多人出艙通信[2]，具有抗多徑效應(yīng)、通信速率高的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)具有發(fā)射功率高、通信效率低的缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)的神舟七號(hào)任務(wù)[3-7]，通過(guò)采用臍帶通信的有線通信方法和基于頻分多址(FDMA)通信體制的無(wú)線通信方法，分別實(shí)現(xiàn)了單人出艙的通信任務(wù)。臍帶通信雖然具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但由于長(zhǎng)度的限制，不適用于大范圍的出艙活動(dòng)任務(wù)。采用FDMA通信體制的通信方法，具有可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但是在頻率資源有限的前提下，一般僅支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的全雙工實(shí)時(shí)通信，不適用于多人出艙的任務(wù)需求。

為滿足我國(guó)未來(lái)出艙活動(dòng)任務(wù)的需求，本文提出一種全范圍多員出艙通信方法，以解決傳統(tǒng)出艙通信方法帶來(lái)的僅支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、抗多徑性能差、通信效率低的問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)多人出艙通信和出艙活動(dòng)的大范圍測(cè)控覆蓋、通信鏈路高穩(wěn)定性。

1 出艙通信方法

一般，出艙通信系統(tǒng)包括出艙通信處理器、出艙通信天線、艙外服天線和無(wú)線通信機(jī)。航天員通過(guò)無(wú)線通信機(jī)和艙外服天線，以無(wú)線的方式與位于載人航天器內(nèi)部的出艙通信處理器進(jìn)行雙向通信，通信的內(nèi)容涵蓋語(yǔ)音、遙測(cè)、控制等信息。

傳統(tǒng)的出艙通信方法，主要包括單天線出艙通信方法和多天線出艙通信方法。其中：?jiǎn)翁炀€出艙通信方法僅通過(guò)單副出艙通信天線完成出艙通信，通信的角度范圍受天線主瓣的限制，通信體制一般采用FDMA。多天線出艙通信方法通過(guò)多副出艙通信天線完成出艙通信，通信的角度范圍大大增加，根據(jù)配置天線的數(shù)量一般可以實(shí)現(xiàn)360°全范圍覆蓋，但是仍然存在通信質(zhì)量受多徑效應(yīng)影響的問(wèn)題；通信體制一般采用頻分雙工體制(FDD)和直擴(kuò)碼分多址(DS-CDMA)體制。

本文提出的出艙通信方法可解決上述問(wèn)題，其具體步驟為：

(1)系統(tǒng)配置，包括出艙通信天線組陣設(shè)計(jì)，以及沿用多天線出艙通信方法的FDD和DS-CDMA通信體制。

(2)前向鏈路通信，采用時(shí)間分集技術(shù)。載人航天器利用多副天線錯(cuò)時(shí)發(fā)送前向鏈路數(shù)據(jù)，出艙航天員通過(guò)在相關(guān)長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行滑窗相關(guān)尋找前向信號(hào)功率的相關(guān)峰值，并且在峰值前后的錯(cuò)時(shí)時(shí)間范圍內(nèi)找到剩余峰值，根據(jù)峰值判決門限完成前向鏈路信號(hào)的最大比合并。

(3)返向鏈路通信，采用空間分集技術(shù)。載人航天器利用多副天線同時(shí)接收出艙航天員的返向鏈路數(shù)據(jù)，通過(guò)滑窗相關(guān)找到所有天線接收的返向信號(hào)功率的相關(guān)峰值，并且根據(jù)峰值判決門限進(jìn)行最大比合并。

系統(tǒng)配置首先執(zhí)行，然后，前向鏈路通信和返向鏈路通信并行執(zhí)行。前向鏈路通信和返向鏈路通信的流程如圖1所示。

圖1 出艙通信流程Fig.1 Flow of extravehicular communications

1.1 系統(tǒng)配置

1)出艙通信天線組陣設(shè)計(jì)

由于艙壁遮擋、天線方向圖的主瓣帶寬等限制，單副出艙通信天線無(wú)法與來(lái)自后方的無(wú)線通信機(jī)實(shí)現(xiàn)出艙通信，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)出艙活動(dòng)相對(duì)于載人航天器360°范圍的全覆蓋。本文方法對(duì)出艙通信天線進(jìn)行組陣設(shè)計(jì)，在載人航天器艙壁一周等間隔安裝k副出艙通信天線。k副天線彼此間隔360°/k，每副天線分別通過(guò)穿艙高頻電纜連接到位于載人航天器內(nèi)部的出艙通信處理器，均能實(shí)現(xiàn)收發(fā)共用。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)360°范圍的通信覆蓋，可大大提升出艙通信的活動(dòng)范圍。出艙通信天線布局如圖2所示，出艙通信天線連接如圖3所示。

2)FDD和DS-CDMA通信體制

出艙任務(wù)要求支持多名航天員出艙活動(dòng)，出艙通信系統(tǒng)通過(guò)FDD體制實(shí)現(xiàn)前向和返向鏈路的雙向?qū)崟r(shí)通信，通過(guò)DS-CDMA體制[8]實(shí)現(xiàn)頻域及時(shí)域共享，解決多名航天員同時(shí)通信的需求。以3人出艙任務(wù)為例，前向鏈路采用3組擴(kuò)頻碼，實(shí)現(xiàn)載人航天器與3名航天員的前向鏈路同時(shí)通信。返向鏈路采用3組擴(kuò)頻碼，實(shí)現(xiàn)3名航天員與載人航天器的返向鏈路同時(shí)通信。出艙通信系統(tǒng)總計(jì)使用6套擴(kuò)頻碼組。物理層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖2 出艙通信天線布局示意

圖3 出艙通信天線連接示意

圖4 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)Fig.4 Data frame format

從圖4可以看出：卷積前幀格式，包含幀同步字、話音數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、幀計(jì)數(shù)、幀尾、預(yù)留等字段；卷積后擴(kuò)頻前幀格式，包括卷積前幀數(shù)據(jù)以及循環(huán)冗余碼校驗(yàn)(CRC)數(shù)據(jù)。相對(duì)于多天線出艙通信方法，本文出艙通信方法增加了業(yè)務(wù)信道，包括傳輸用戶數(shù)據(jù)、導(dǎo)頻符號(hào)和功率控制符號(hào)。

1.2 采用時(shí)間分集技術(shù)的前向鏈路通信

出艙通信采用多天線組陣布局方案，保證360°全覆蓋。前向鏈路通信過(guò)程中，如果采用多天線同時(shí)發(fā)送，無(wú)線通信機(jī)由于接收的多信號(hào)相移不同，導(dǎo)致信號(hào)非正向疊加，造成無(wú)線通信機(jī)的接收性能下降，嚴(yán)重影響出艙通信的質(zhì)量。采用擴(kuò)頻碼用于區(qū)分射頻通道1～k，可以避免上述問(wèn)題，但會(huì)使無(wú)線通信機(jī)復(fù)雜度成倍增加，無(wú)線通信機(jī)必須具備進(jìn)行k路射頻通道信號(hào)解析的能力。由于前向鏈路信號(hào)經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻后，碼片之間具有非相關(guān)性，即經(jīng)過(guò)固定碼片間隔延遲的前向擴(kuò)頻信號(hào)的衰落互不相關(guān)，利用這一特性，可以構(gòu)成時(shí)間分集[9-10]。因此，本文在前向鏈路通信中采用時(shí)間分集技術(shù)。

載人航天器采用錯(cuò)時(shí)發(fā)送體制，即將同一個(gè)擴(kuò)頻調(diào)制后的射頻信號(hào)S(t)，分別通過(guò)k路射頻通道(出艙通信天線1，2，…，k)錯(cuò)時(shí)發(fā)送，每個(gè)射頻通道相差n個(gè)碼片時(shí)間，k個(gè)射頻通道彼此之間最大相差(k-1)n個(gè)碼片時(shí)間。無(wú)線通信機(jī)對(duì)接收的k路信號(hào)通過(guò)滑窗相關(guān)尋找峰值。設(shè)置相關(guān)長(zhǎng)度為幀長(zhǎng)L的整數(shù)倍b，采用逐比特的滑位相關(guān)，找到大于門限值的峰值a1。然后，在峰值相鄰的前后(k-1)n個(gè)碼片之間，找到另外(k-1)個(gè)峰值a2，a3，…，ak。無(wú)線通信機(jī)根據(jù)功率相關(guān)峰值是否通過(guò)門限，決定前向鏈路信號(hào)的合并路數(shù)，產(chǎn)生合并增益，提升前向鏈路通信的可靠性，見(jiàn)圖5，其中，S(t)表示擴(kuò)頻調(diào)制后的射頻信號(hào)。通過(guò)采用時(shí)間分集技術(shù)，航天員出艙活動(dòng)的任何位置均可以穩(wěn)定建立通信鏈路，并且保證移動(dòng)過(guò)程中通信不會(huì)中斷，解決通信死角問(wèn)題。

圖5 時(shí)間分集技術(shù)Fig.5 Technology of time diversity

1.3 采用空間分集技術(shù)的返向鏈路通信

在返向鏈路通信的過(guò)程中，采用空間分集技術(shù)，如圖6所示。

圖6 空間分集技術(shù)Fig.6 Technology of space diversity

載人航天器的多副天線分別接收到無(wú)線通信機(jī)的返向鏈路信號(hào)。利用出艙通信天線不同布局收到的返向鏈路信號(hào)衰落的獨(dú)立性，實(shí)現(xiàn)抗衰落的功能。出艙通信處理器存儲(chǔ)各用戶的返向同步碼，分別在接收序列中滑窗相關(guān)，獲取峰值。①利用3個(gè)用戶規(guī)定幀長(zhǎng)的窗口，在接收信號(hào)序列中滑動(dòng)。②在指定相關(guān)時(shí)間內(nèi)獲取峰值，并根據(jù)相關(guān)序列擺放的位置獲取數(shù)據(jù)信息。③將不同天線數(shù)據(jù)根據(jù)同步序列峰值進(jìn)行最大比合并[11]。

2 仿真分析

仿真場(chǎng)景設(shè)計(jì)為：出艙通信天線選用準(zhǔn)全向天線，天線主瓣覆蓋范圍為±80°，出艙通信天線的數(shù)量設(shè)置為3，按照120°等間隔分布。通信體制為DS-CDMA，擴(kuò)頻因子設(shè)置為16，發(fā)射信號(hào)通過(guò)3副天線依次錯(cuò)時(shí)發(fā)送，每條路徑延遲1個(gè)碼元。分別對(duì)本文出艙通信方法，以及傳統(tǒng)的三天線、單天線出艙通信方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果見(jiàn)圖7。仿真結(jié)果表明：采用本文出艙通信方法的誤碼率為10-5時(shí)，對(duì)應(yīng)的信噪比(Eb/N0)為8.7 dB；誤碼率相同時(shí)，三天線出艙通信方法對(duì)應(yīng)的信噪比為9.8 dB，單天線出艙通信方法對(duì)應(yīng)的信噪比13.2 dB?？梢?jiàn)，本文出艙通信方法比三天線出艙通信方法的性能優(yōu)化1.1 dB，比單天線出艙通信方法的性能優(yōu)化4.5 dB。

對(duì)出艙通信的覆蓋范圍進(jìn)行分析，覆蓋范圍分為角度覆蓋范圍和距離覆蓋范圍。使用相同的出艙通信天線，分別對(duì)上述3種出艙通信方法的覆蓋范圍進(jìn)行分析，如表1所示。單天線出艙通信方法的角度覆蓋范圍為160°，三天線出艙通信方法和本文出艙通信方法的角度覆蓋范圍均為360°。在發(fā)射功率、接收靈敏度和誤碼率指標(biāo)一致的前提下，單天線出艙通信方法的距離覆蓋范圍均為50 m，三天線出艙通信方法的距離覆蓋范圍為74 m，本文出艙通信方法的距離覆蓋范圍為84 m?？梢?jiàn)，全范圍多員出艙通信方法比傳統(tǒng)的單天線及三天線出艙通信方法擴(kuò)大了通信覆蓋范圍。

圖7 仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results

出艙通信方法角度覆蓋范圍/(°)距離覆蓋范圍/m單天線出艙通信方法16050三天線出艙通信方法36074本文出艙通信方法36084

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種全范圍多員出艙通信方法，通過(guò)在載人航天器艙壁均勻布置多副收發(fā)一體的出艙通信天線，實(shí)現(xiàn)載人航天器與多名出艙航天員的實(shí)時(shí)雙工通信。全范圍多員出艙通信方法利用多天線組陣設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)出艙通信的全范圍覆蓋。前向鏈路通信采用錯(cuò)時(shí)發(fā)送的時(shí)間分集技術(shù)，出艙航天員通過(guò)分集接收再合并的方式，能顯著提高接收增益。返向鏈路通信采用多天線的空間分集技術(shù)，通過(guò)相關(guān)再合并的方式，獲得合并增益。與傳統(tǒng)出艙通信方法相比，本文出艙通信方法具有高測(cè)控覆蓋率、高效率、高信噪比的優(yōu)勢(shì)，能解決多徑效應(yīng)帶來(lái)的信道惡化問(wèn)題，可為未來(lái)出艙通信任務(wù)設(shè)計(jì)提供參考。

References)

[1] 龍吟，崔久鵬，劉超，等.出艙通信系統(tǒng)的返向信號(hào)功率自動(dòng)控制方法[J].航天器工程,2017, 26(4):80-84

Long Yin, Cui Jiupeng, Liu Chao, et al. Automatic power control method of reversed signal for communications system of astronaut EVA [J]. Spacecraft Engineering, 2017, 26(4): 80-84 (in Chinese)

[2] 郝玉濤,劉保國(guó),王瑞軍，等.國(guó)際空間站測(cè)控通信系統(tǒng)研究[J].載人航天，2014，20(2):165-172

Hao Yutao, Liu Baoguo, Wang Ruijun， et al. Research on TT&C system in International Space Station [J]. Manned Spaceflight， 2014， 20(2): 165-172 (in Chinese)

[3] 尚志，張柏楠，潘騰，等.神舟七號(hào)出艙活動(dòng)飛船研制綜述[J].載人航天，2009，15(2)：16-21，48

Shang Zhi, Zhang Bainan, Pan Teng, et al. Research and development of Shen Zhou-7[J]. Manned Spaceflight，2009， 15(2)：16-21，48 (in Chinese)

[4] 陳金盾，劉偉波，陳善廣.神舟七號(hào)航天員出艙活動(dòng)總體設(shè)計(jì)與飛行實(shí)踐[J].載人航天，2009，15(2)：1-9

Chen Jindun, Liu Weibo, Chen Shanguang. The system design and flight application of astronaut EVA in Shen￣zhou Ⅶ mission [J]. Manned Spaceflight， 2009，15(2)： 1-9 (in Chinese)

[5] 于瀟,馬曉兵,茍仲秋.神舟飛船出艙活動(dòng)故障模式和對(duì)策的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].航天器工程，2010，19(6)：56-60

Yu Xiao， Ma Xiaobing， Gou Zhongqiu. Failure mode and countermeasure design and implement for Shenzhou spaceship’s extravehicular activity [J]. Spacecraft Engineering， 2010， 19(6)： 56-60 (in Chinese)

[6] 龐之浩.當(dāng)代出艙活動(dòng)技術(shù)發(fā)展[J].科技導(dǎo)報(bào)，2008，26(20):21-27

Pang Zhihao. Development of technologies of extravehicular activities [J]. Science & Technology Review, 2008， 26(20): 21-27 (in Chinese)

[7] 朱光辰，賈世錦.出艙活動(dòng)的地面試驗(yàn)驗(yàn)證[J].載人航天，2009，15(3)：48-53

Zhu Guangchen， Jia Shijin. The ground verification of spacecraft EVA functions [J]. Manned Spaceflight， 2009， 15(3)： 48-53 (in Chinese)

[8] 周革強(qiáng)，軒永，鄒永忠.新型CDMA技術(shù)在出艙通信中的應(yīng)用分析[J].載人航天，2010，16(3)：14-18

Zhou Geqiang，Xuan Yong，Zou Yongzhong. Application analysis on the novel CDMA technology in extravehi-cular communication [J]. Manned Spaceflight， 2010，16(3)： 14-18 (in Chinese)

[9] 趙國(guó)棟，陳曉挺，劉會(huì)杰，等.低軌道衛(wèi)星信道特性及高路徑解析度Rake接收[J].上海航天，2009，26(5)：52-55

Zhao Guodong，Chen Xiaoting，Liu Huijie，et al. Channel model of LEO satellite and high resolution Rake receiver [J]. Aerospace Shanghai， 2009， 26(5)： 52-55 (in Chinese)

[10] 李苗，呂善偉，張江林，等.一種新的用于DS/CDMA系統(tǒng)的多級(jí)盲空時(shí)多用戶接收機(jī)[J].電子學(xué)報(bào)，2004，32(9)：1553-1555

Li Miao，Lü Shanwei，Zhang Jianglin，et al. A novel multistage blind space-time multiple receiver for DS/CDMA [J]. Acta Electronica Sinica， 2004， 32(9)： 1553-1555 (in Chinese)

[11] 張琳，秦家銀.最大比合并分集接收性能的新的分析方法[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，22(2)：347-350

Zhang Lin，Qin Jiayin. New efficient methods for performance analysis of maximal ratio combining diversity receivers [J]. Chinese Journal of Radio Science， 2007， 22(2)： 347-350 (in Chinese)