一種適用于遠距離星間鏈路通信的設(shè)計

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(航天東方紅衛(wèi)星有限公司, 北京 100094)

0 引言

近年來，低軌小衛(wèi)星編隊飛行星座憑借其好、快、省的優(yōu)勢，已成為國內(nèi)外航天領(lǐng)域研究的熱點。為了有效地利用編隊飛行中的每顆小衛(wèi)星的信息來完成一顆“虛擬大衛(wèi)星”所要完成的復(fù)雜航天任務(wù)，小衛(wèi)星之間要進行大量數(shù)據(jù)傳輸、交換、處理等，因此編隊飛行小衛(wèi)星之間必須建立可靠的星間鏈路，通過星間鏈路把多顆小衛(wèi)星互聯(lián)在一起，形成一個以衛(wèi)星為交換節(jié)點的空間通信網(wǎng)絡(luò)，因此星間鏈路通信是小衛(wèi)星編隊飛行的關(guān)鍵技術(shù)之一，其性能的好壞直接決定由編隊衛(wèi)星組成的“虛擬大衛(wèi)星”能否高效可靠地完成空間任務(wù)[1-3]。

衛(wèi)星星間鏈路的研究工作在國外開展的比較早，已經(jīng)在國際上得到了較為廣泛的應(yīng)用，主要用于跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)、軍事通信系統(tǒng)、中低軌道通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及海洋和地面觀測衛(wèi)星系統(tǒng)等。我國關(guān)于星間鏈路的研究雖然起步較晚，但是近年來隨著小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，我國衛(wèi)星應(yīng)用和航天技術(shù)發(fā)展提出對衛(wèi)星編隊系統(tǒng)的要求，中國航天科技集團、中科院下屬所及國內(nèi)許多大學(xué)都積極開展衛(wèi)星編隊飛行星座系統(tǒng)項目研究，對星座的星間通信鏈路也開展研究試驗[4]。

傳統(tǒng)的同一軌道平面內(nèi)的星間鏈路由于基本保持不變的相對位置，軌內(nèi)星間鏈路的星間距離、方位角和俯仰角變化很小，且小衛(wèi)星星座的星間通信距離一般在幾十公里到幾百公里距離，僅需要使用固定波束星間收發(fā)天線即可實現(xiàn)星間通信。但隨著小衛(wèi)星遠距離編隊飛行的應(yīng)用，星間通信距離也相應(yīng)地增大(1～5千公里)，由此帶來了星間通信信號衰減急劇加大，星間通信視場受到球面軌道的影響導(dǎo)致星間通信鏈路的視場逐漸變窄，甚至中斷等問題，傳統(tǒng)的星間鏈路設(shè)計已經(jīng)不能滿足遠距離星間鏈路通信的需求。本文基于現(xiàn)有小衛(wèi)星星間鏈路系統(tǒng)設(shè)計，針對上述問題，提出了一種改進系統(tǒng)設(shè)計，有效地解決了遠距離星間通信時遇到的上述問題。

1 傳統(tǒng)星間鏈路設(shè)計及其局限性

傳統(tǒng)星間鏈路設(shè)計時，同一軌道面內(nèi)前后飛行的兩顆衛(wèi)星(A星和B星)的星間鏈路系統(tǒng)分別配備一套星間發(fā)射設(shè)備(包括一臺星間發(fā)射機、一副星間發(fā)射天線)和一套星間接收設(shè)備(包括一臺星間接收機、一副星間接收天線)。A星星間發(fā)射機通過星間發(fā)射天線調(diào)制發(fā)射星間傳輸信息，B星星間接收機通過星間接收天線接收解調(diào)星間傳輸信息[5]。

由于A星的-X面安裝星間發(fā)射天線，天線電軸法向與衛(wèi)星-X軸平行，B星的+X面安裝星間接收天線，天線電軸法向與衛(wèi)星+X軸平行，因此當(dāng)兩星距離較近時，球面軌道在兩星之間近似為直線，近距離星間通信時，兩星之間視場不受影響。

但隨著兩顆星之間星間通信距離的增大，會出現(xiàn)通信鏈路信號逐漸減弱甚至不能正常接收解調(diào)信號的現(xiàn)象、以及通信鏈路視場會受到球面軌道的影響導(dǎo)致星間通信鏈路視場變窄甚至中斷的情況，即星間發(fā)射天線波束不能覆蓋星間接收天線波束。

因此星間通信距離的增大，不僅影響了星間鏈路通信信號強弱，還影響了兩星之間星間發(fā)射、接收天線的通信共視視場。傳統(tǒng)的星間鏈路系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)不能滿足遠距離星間通信的需求。

2 星間鏈路系統(tǒng)改進設(shè)計

針對傳統(tǒng)星間鏈路系統(tǒng)設(shè)計在遠距離星間鏈路通信時存在的問題，提出了一種改進系統(tǒng)設(shè)計[5]，主要包括3個方面：1)將與衛(wèi)星+X軸和-X軸平行的星間發(fā)射、接收天線按照預(yù)先計算的指向調(diào)整角度調(diào)整星間發(fā)射、接收天線的安裝方位，從而使星間發(fā)射天線、接收天線波束電軸法向分別相對于衛(wèi)星的+X軸和-X軸方向偏置固定角度，重新構(gòu)建星間通信鏈路，使星間通信視場恢復(fù)；2)星間發(fā)射天線、接收天線采用具有波束窄、增益高的天線，以補償遠距離通信時信號能量的衰減；3)采用卷積編碼作為信道編碼方式，在星間發(fā)射設(shè)備上對信息進行卷積編碼，在星間接收設(shè)備上對信息進行維特比譯碼，降低接收設(shè)備的解調(diào)門限和接收解調(diào)誤碼率，提高信道的鏈路余量，系統(tǒng)設(shè)計框圖分別如圖1和2所示。

圖1為星間發(fā)射、接收天線的系統(tǒng)設(shè)計框圖，其中A星為星間發(fā)射系統(tǒng)，B星為星間接收系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計時，分別調(diào)整A星星間發(fā)射天線和B星星間接收天線在星體上的安裝方位，使A星的星間發(fā)射天線波束法向和B星的星間接收天線波束法向與星體+X軸和-X軸的法向夾角為β角度，重新構(gòu)建星間通信鏈路。

圖1 星間鏈路系統(tǒng)設(shè)計框圖

圖2為星間發(fā)射系統(tǒng)和星間接收系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計框圖。圖中A星星間發(fā)射系統(tǒng)對傳輸信息進行卷積編碼、擴頻調(diào)制、成型濾波、載波調(diào)制、上變頻和功率放大后給星間發(fā)射天線輻射輸出；B星星間接收系統(tǒng)通過星間接收天線接收到星間射頻信號后，經(jīng)低噪聲放大、下變頻、解調(diào)解擴和維特比譯碼后恢復(fù)出傳輸信息。

圖2 星間鏈路系統(tǒng)設(shè)計框圖

在小衛(wèi)星體積空間小、質(zhì)量和功耗受限等因素制約的前提下，使用伺服控制機構(gòu)或者相控陣天線來控制星間天線指向?qū)崿F(xiàn)星間鏈路通信將受到嚴重的制約，但通過將星間發(fā)射、接收天線按照指向調(diào)整角度進行傾斜安裝、采用窄波束、高增益的星間發(fā)射、接收天線以及采用卷積編碼作為信道編碼方式等系統(tǒng)設(shè)計即可實現(xiàn)滿足兩星遠距離星間通信視場可見且正常接收解調(diào)信號的需求，又不受其它因素的制約。

3 星間通信視場分析

星間通信視場可見需要星間發(fā)射天線波束覆蓋星間接收天線波束，由于星間通信距離的增大，星間通信視場會受到球面軌道的影響導(dǎo)致星間通信鏈路視場變窄甚至中斷的情況，根據(jù)第2節(jié)的設(shè)計，需要計算出在一定距離范圍內(nèi)，星間天線指向調(diào)整的角度β，以確保星間發(fā)射天線波束視場能夠準(zhǔn)確覆蓋星間接收天線波束視場。本節(jié)針對星間天線波束指向調(diào)整角度進行了理論計算和分析。

根據(jù)第2節(jié)的系統(tǒng)設(shè)計，分別調(diào)整A星星間發(fā)射天線和B星星間接收天線在星體上的安裝方位，使A星的星間發(fā)射天線波束法向和B星的星間接收天線波束法向與星體+X軸和-X軸的法向夾角為β角度，如圖3中黑色粗線覆蓋區(qū)域為星間發(fā)射天線沿A星星體-X軸傾斜β角度和星間接收天線沿B星星體+X軸傾斜β角度之后，兩天線波束之間的可見視場。圖3中(為A星星間發(fā)射、B星接收天線的波束寬度，β為AB星星間發(fā)射、接收天線電軸法向從平行于衛(wèi)星+X軸和-X軸方向到與AB星星間連線之間的轉(zhuǎn)動角度，(為A星、B星之間所夾弧的圓心角度。R為衛(wèi)星軌道半長軸(A星、B星軌道高度相同)，r為地球半徑，h為衛(wèi)星飛行高度。d為AB星之間直線距離。

圖3 改進設(shè)計后遠距離星間通信視場覆蓋

由于A、B星在軌飛行軌道近似為同一軌道面的圓軌道，因此A星、B星的X軸法向正切于衛(wèi)星軌道面，且通過弦切角定理得知，傾斜角度β等于它所夾的弧所對的圓心角度數(shù)θ的一半，計算公式如下：

(1)

其中:圓心角度數(shù)θ可以通過公式2計算得到，公式中R為衛(wèi)星的軌道半長軸、d為AB星之間的星間直線距離。

(2)

因此通過對兩顆星之間星間天線波束指向調(diào)整角度β的計算公式的推導(dǎo)，可知兩星之間星間天線的指向調(diào)整角度β僅需要事先知道兩顆衛(wèi)星之間的星間直線距離d，以及衛(wèi)星的軌道半長軸R，即可通過公式(1)和公式(2)計算得到。

由于星間發(fā)射和接收天線采用固定波束天線，天線波束指向角度的調(diào)整只能通過調(diào)整天線在星體上的安裝方位來實現(xiàn)，即通過對星間發(fā)射天線沿星體-X軸傾斜β角度和對星間接收天線沿星體+X軸傾斜β角度進行安裝，即可實現(xiàn)星間通信視場的可見。

4 星間通信鏈路分析

為解決遠距離星間通信所帶來的信號衰落變大問題，本設(shè)計采用了高增益的星間發(fā)射、接收天線，以及采用了卷積編碼作為信道編碼方式，以保證星間鏈路通信信道余量滿足通信要求。本節(jié)對整個星間通信鏈路進行了鏈路余量計算和分析。

星間通信鏈路是指從星間發(fā)射信源到星間接收信宿的整個通信路徑：從星間發(fā)射信源開始，傳輸信息通過編碼和調(diào)制由星間發(fā)射機功率放大后經(jīng)由信道到達星間接收機進行解調(diào)和譯碼出傳輸信息后結(jié)束于星間接收信宿。圖4給出了一個典型的由星間發(fā)射端到星間接收端的星間通信鏈路模型圖。其中星間鏈路的傳輸損耗主要包括3個部分：空間損耗、介質(zhì)損耗和解調(diào)損耗。其中空間損耗主要包括3個部分：自由空間傳播損耗、極化損耗、發(fā)射和接收天線指向損耗，介質(zhì)損耗主要包括：發(fā)射饋線和無源部件損耗、接收饋線損耗[6]。

圖4 星間通信鏈路模型圖

本設(shè)計中星間通信鏈路工作頻段為X頻段，星間通信距離為5000公里，調(diào)制和編碼方式采用二進制相移鍵控(BPSK)調(diào)制和卷積編碼方式編碼。在滿足誤碼率要求Pe=10-6時對應(yīng)解調(diào)所需Eb/N0的最小理論要求值為10.5 dB的情況下進行了鏈路余量分析。

星間發(fā)射EIRP通信方程可表示為：

EIRP=PF+GF-LF

(3)

其中:PF為星間發(fā)射機輸出功率，GF為星間發(fā)射天線增益，LF為發(fā)射饋線和無源部件損耗。

接收信號的載噪功率譜密度比(C/N0)通信方程可表示為：

C/N0=EIRP-LSS-LP+(G/T)SS-k

(4)

其中:(G/T)SS為星間接收天線增益與接收系統(tǒng)等效噪聲溫度之比，LSS為自由空間傳播損耗，LP為極化損耗，k為玻爾茲曼常數(shù)。

星間通信鏈路余量(M)通信方程可表示為:

M=C/N0-10lg(R)+GC-LDem-(Eb/N0)Require

(5)

其中:R為信息碼速率，GC為編碼增益，LDem為解調(diào)損失，(Eb/N0)Require為理論解調(diào)Eb/N0值。

按照上述公式(3)～(5)，對星間通信鏈路進行具體計算如表1所示。

表1 星間通信鏈路計算表

由表1可知，在星間發(fā)射機輸出功率2 W、星間發(fā)射天線增益17 dBi、星間發(fā)射EIRP 18 dBW、星間接收天線增益17 dBi、星間接收G/T值為-9.6 dB/K以及星間傳輸信息碼速率2 048 bps情況下，計算得到整個星間鏈路余量為9.1 dB，滿足通信余量大于3 dB的要求，星間接收機接收信號強度為-121.3 dBm，大于星間接收機接收靈敏度-124 dBm。

因此通過采用高增益星間發(fā)射、接收天線，以及采用卷積編碼作為信道編碼方式，可以滿足遠距離星間通信的要求。

5 星間通信視場仿真分析

針對第2節(jié)中提出的天線安裝方位改進設(shè)計以及第3節(jié)中對星間通信視場和天線指向調(diào)整角度的理論計算分析，本節(jié)使用STK軟件進行了星間通信視場仿真覆蓋性分析，以驗證天線指向調(diào)整角度理論計算的正確性[7]。

A星、B星仿真條件如下：1)衛(wèi)星運行軌道為太陽同步軌道；2)衛(wèi)星軌道高度為700 km，傾角為98.27°；3)衛(wèi)星間相對距離為5000 km；4)衛(wèi)星星間發(fā)射天線、接收天線波束寬度為5°；5)A星為星間鏈路系統(tǒng)中的星間發(fā)射衛(wèi)星，B星為星間接收衛(wèi)星。

5.1 仿真設(shè)置

利用STK軟件對兩星星間鏈路通信視場可見性進行了仿真分析，仿真設(shè)置如下：

1)在STK軟件中創(chuàng)建仿真場景，創(chuàng)建場景對象衛(wèi)星SatA、SatB；對SatA和SatB進行軌道參數(shù)設(shè)置，仿真時間設(shè)置為1 Dec 2017 00:00:00-2 Dec 2017 00:00:00(UTCG)，坐標(biāo)系選擇J2000；

2)分別給SatA和SatB添加傳感器對象(Sensor)星間發(fā)射天線ATTEN1、星間接收天線ATTEN2；天線半波束角度(Cone Angle)設(shè)置為2.5°；指向類型為指定軸的固定方式(Fixed in Axes)，方位方式為方位角-仰角(Az-El)，可根據(jù)天線ATTEN1、ATTEN2在SatA和SatB上的安裝位置設(shè)置天線俯仰角。

5.2 星間通信視場仿真

1)根據(jù)傳統(tǒng)星間鏈路設(shè)計，A星的-X面星間發(fā)射天線電軸法向與衛(wèi)星-X軸平行，B星的+X面星間接收天線電軸法向與衛(wèi)星+X軸平行，設(shè)置天線ATTEN1在SatA上方位角(Azimuth)為180°，俯仰角(Azimuth)為0°；設(shè)置天線ATTEN2在SatB上方位角(Azimuth)為0°，俯仰角(Azimuth)為0°。

在STK中調(diào)整A星與B星之間的相對距離，通過仿真得到：當(dāng)A星、B星之間的相對距離達到616.84996 km時，星間天線的仰角(半波束角)已經(jīng)為-2.5°，即已經(jīng)到星間天線波束的邊緣，可見視場變窄，如表2和圖5所示。如果A星與B星之間的相對距離進一步增大，則A星與B星的星間通信可見視場則會中斷。

表2 A星和B星之間相對位置關(guān)系

圖5 A星與B星相對距離達到616.84996 km時可見視場仿真 圖6 A星與B星相對距離達到5000 km時可見視場仿真(指向角度調(diào)整后)

2)根據(jù)遠距離星間通信鏈路的應(yīng)用，星間通信距離可達1～5千公里，根據(jù)第3節(jié)中星間天線的指向調(diào)整角度計算公式，計算出天線波束法向與兩星連線夾角對應(yīng)表如表3所示。

表3 天線波束法向與兩星連線夾角對應(yīng)表

本節(jié)仿真以兩星之間相對距離5000公里為例，因此指向調(diào)整角度β設(shè)置為20.70502°。在STK中設(shè)置天線ATTEN1在SatA上方位角(Azimuth)為180°，俯仰角(Azimuth)為20.70502°；設(shè)置天線ATTEN2在SatB上方位角(Azimuth)為0°，俯仰角(Azimuth)為20.70502°，以調(diào)整星間天線的指向角度，A星與B星可見視場仿真如圖6所示。由圖6可見，A星與B星的星間通信視場重新為可見狀態(tài)。

5.3 仿真結(jié)果

通過上述仿真表明，采用傳統(tǒng)星間天線的安裝方式，星間通信視場隨著星間距離的增大逐漸變窄，但根據(jù)不同的星間距離來計算、調(diào)整星間天線的安裝指向角度，即可實現(xiàn)從不調(diào)整指向角度前的視場不可見狀態(tài)重新恢復(fù)到視場可見狀態(tài)。通過本仿真驗證了第3節(jié)中計算天線指向調(diào)整角度方法的合理可行，在實際工程應(yīng)用中，通過對天線指向調(diào)整角度的計算，并將此角度用于星間天線在星體上的安裝方位的調(diào)整即可，工程實現(xiàn)簡單、實用性強。

6 結(jié)束語

本文針對遠距離星間通信時，傳統(tǒng)星間鏈路設(shè)計方案的局限性和不足提出了改進設(shè)計，并對改進設(shè)計進行了理論計算和仿真分析驗證，驗證結(jié)果表明：遠距離星間通信時，采用按照預(yù)先計算的指向調(diào)整角度調(diào)整星間發(fā)射、接收天線的安裝方位；采用窄波束、高增益星間發(fā)射、接收天線以及采用卷積編碼作為信道編碼方式的設(shè)計，可以解決遠距離星間鏈路通信時，兩星之間的通信視場及鏈路余量問題。本文立足于現(xiàn)有小衛(wèi)星星間鏈路系統(tǒng)進行的改進設(shè)計，其設(shè)計方法不僅適用于低軌小衛(wèi)星編隊飛行星座，對于其它中低軌道航天器進行遠距離星間鏈路通信系統(tǒng)設(shè)計也具有參考和借鑒意義。

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