S/Ka頻段測控通信系統(tǒng)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)分析

劉云閣

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

隨著航天技術(shù)及其應(yīng)用的蓬勃發(fā)展,建立空間實(shí)驗(yàn)室及進(jìn)一步建立長期有人照料的空間站、高分辨率對地觀測等后續(xù)計劃將陸續(xù)啟動,我國載人登月工程也已提上議事日程,這些工程的建設(shè)和應(yīng)用對測控通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率、測軌精度、抗干擾能力等提出了更高的要求,我國現(xiàn)有測控手段已難以滿足其需求。

(1)空間站工程

現(xiàn)階段空間站工程提出的下行數(shù)據(jù)速率的需求高達(dá)600Mbit/s以上,我國現(xiàn)有的S頻段測控系統(tǒng)已無法滿足這一要求,采用Ka頻段后,可用頻段擴(kuò)寬到1.5GHz,則較易滿足這一要求。

載人航天交會對接時,要求地面測控站提供高精度測軌,采用Ka頻段后,為提高系統(tǒng)測速和測角的精度提供了有利條件[1]。

(2)高分辨力對地觀測

高分辨力對地觀測要求數(shù)傳速率達(dá)到2Gbit/s,這樣高的數(shù)傳速率在今后升級的TDRSS中也是無法完全滿足的,在一些應(yīng)用場合需要采用天-地“直達(dá)”傳輸?shù)腒a頻段測控通信系統(tǒng)[2]。

(3)軍用測控網(wǎng)

Ka頻段帶寬寬、波束窄、空間抗干擾能力強(qiáng)、機(jī)動能力好,能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶直擴(kuò)和混合跳擴(kuò)頻,有效提高系統(tǒng)抗干擾能力,可成為軍用測控網(wǎng)有效組成部分。

(4)載人登月

我國已規(guī)劃“登、駐、用”三步走的登月計劃。陸基S/Ka頻段測控通信設(shè)備是提升測控通信能力、滿足載人登月階段高碼速率上、下行信息傳輸要求的重要建設(shè)項目。

利用Ka頻段進(jìn)行測控具有頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)、測軌精度高、更易機(jī)動和隱蔽等特點(diǎn),又加之利用USB(統(tǒng)一S頻段)地面測控網(wǎng)和TDRSS系統(tǒng)進(jìn)行測控存在一定的限制,發(fā)展新型S/Ka頻段測控通信網(wǎng)將是未來測控通信系統(tǒng)必然的選擇,其原因如下:采用25.5～27GHz工作頻段,可與中繼衛(wèi)星的星間鏈路頻段相兼容,可以共用一個用戶終端,同時還支持S頻段測控業(yè)務(wù),易于實(shí)現(xiàn)天地一體化協(xié)同工作;頻帶寬,具備1Gbit/s以上的高速數(shù)傳能力,并為應(yīng)用寬帶跳頻、直擴(kuò)等抗干擾測控體制創(chuàng)造了條件;天線波束窄,具有空間選擇抗干擾、抗截獲能力;可提高測軌精度。

美國空軍測控網(wǎng)早就提出了Ka頻段測控網(wǎng)的設(shè)想,美國NASA為了提高對中低軌航天器的測控通信支持能力,制定了Ka頻段轉(zhuǎn)移計劃,建立了Ka頻段地面站進(jìn)行相關(guān)的演示驗(yàn)證試驗(yàn)[3]。歐空局的規(guī)劃也在由S頻段向X、Ka轉(zhuǎn)移[1]。文獻(xiàn)[3]給出了NASA試驗(yàn)系統(tǒng)及相關(guān)試驗(yàn)的報道,但具體技術(shù)細(xì)節(jié)不詳。2006年5月,NASA提出了建設(shè)毫米波月地通信主干線用于地月之間大容量通信的規(guī)劃[4]。美國現(xiàn)已在白沙靶場建立了18 m的Ka頻段測控通信站,用于月球和地球軌道飛行器的測控通信。國內(nèi)也逐步開始進(jìn)行Ka頻段測控通信系統(tǒng)的研究,為兼容現(xiàn)有測控通信系統(tǒng),系統(tǒng)面臨與天地一體化兼容性設(shè)計問題,并需要解決窄波束捕獲跟蹤、Ka頻段信道及功放、高速數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)、擴(kuò)跳結(jié)合測控等關(guān)鍵技術(shù)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成及運(yùn)行模式

S/Ka頻段地面測控通信系統(tǒng)由S/Ka頻段地面測控通信站、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S/Ka頻段地面站,實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)應(yīng)用。S/Ka頻段測控設(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控通信網(wǎng)的測控通信資源,由全網(wǎng)統(tǒng)一的運(yùn)行管理系統(tǒng)統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度,航天器按使用優(yōu)先級共同使用天地基資源。

圖1 S/Ka頻段測控通信系統(tǒng)及天地一體化應(yīng)用示意圖Fig.1 Illustration of S/Ka band TT&C communication system and integrated space&ground application

S/Ka頻段測控設(shè)備在測控通信網(wǎng)運(yùn)行管理系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度和管理下運(yùn)行,要求具備按照運(yùn)行管理系統(tǒng)統(tǒng)一的協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程操作配置和自動化運(yùn)行的能力。

S/Ka頻段測控系統(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、測控基帶、監(jiān)控、時頻及測試標(biāo)校等設(shè)備組成,如圖2所示。

圖2 S/Ka頻段測控通信網(wǎng)地面站設(shè)備組成示意圖Fig.2 Composition of S/Ka TT&C communication system ground station

地面測控設(shè)備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)有的測控體制,滿足日益增長的測控任務(wù)需求。各工作模式共用智能化綜合基帶設(shè)備和多模式雙頻段用戶終端平臺,工作模式的切換通過軟件下載實(shí)現(xiàn)。工作模式設(shè)計如下:標(biāo)準(zhǔn)TT&C、擴(kuò)頻TT&C、跳擴(kuò)結(jié)合TT&C、S頻段數(shù)傳和Ka頻段數(shù)傳。

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)傳模塊三大部分,其組成原理框圖如圖3所示。用戶終端采用對地及對星兩副天線,在頻段及信號體制、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)。

圖3 S/Ka頻段用戶終端組成原理框圖Fig.3 Composition of S/Ka band user terminals

2.2 天/地基測控體制兼容性設(shè)計

(1)S/Ka頻段測控通信系統(tǒng)地面站和天基中繼衛(wèi)星系統(tǒng)及現(xiàn)有地基測控通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)部分功能與指標(biāo)的兼容

S/Ka頻段測控通信系統(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S頻段工作頻段與地基USB測控系統(tǒng)相同;Ka頻段上行鏈路工作頻段為22.55～23.55GHz,下行鏈路工作頻段為25.5～27 GHz[1]。其工作體制與地基測控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)TT&C和擴(kuò)頻TT&C測控體制相同,可通過終端的設(shè)置兼容中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的測距體制。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,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“向上對中繼衛(wèi)星”和“向下對地面測控站”兩種工作模式,可以采用切換天線分時工作或配置上、下天線、頻分或碼分等方式實(shí)現(xiàn)同時與地基和天基系統(tǒng)建立鏈路等方案。

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)

頻率升高到Ka頻段以后,波束較S頻段變窄了1/12.4倍,又要捕獲跟蹤低軌的高動態(tài)目標(biāo),這將是一個新的技術(shù)難點(diǎn)。

3.1.1 目標(biāo)的捕獲

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)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3次引導(dǎo)成功概率優(yōu)于99.6%,滿足測控系統(tǒng)角度引導(dǎo)需求,因此,當(dāng)航天器同時發(fā)射S頻段和Ka頻段信號時,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)方案2:Ka頻段直接捕獲

在系統(tǒng)設(shè)計上,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頻段信號不可用時,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)在于低信噪比高動態(tài)信號的角誤差信號提取。跟蹤接收機(jī)設(shè)計時采用相干檢波的方法提取角誤差信號,載波環(huán)選用三階環(huán),引導(dǎo)信號為單頻信號且引導(dǎo)天線接收S/Υ大于等于25 dBHz,捕獲及角誤差提取總時間約為1.85 s。通過計算,經(jīng)過兩次引導(dǎo)可達(dá)到99%的引導(dǎo)概率,滿足測控系統(tǒng)角度引導(dǎo)需求。

其二是地面站天線可設(shè)計為具有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。其中,ACU為天線控制單元,PDU為電源分配單元,ADU為天線驅(qū)動單元。

圖4 多波束引導(dǎo)接收機(jī)設(shè)備原理框圖Fig.4 Composition of multi-beam guiding tracking receiver

其三是采用波束展寬技術(shù)設(shè)計Ka頻段引導(dǎo)饋源,將天線指向引導(dǎo)入Ka頻段的窄波束中,需要進(jìn)一步仿真分析Ka頻段窄波束展寬到滿足要求的波束寬度的可能性。

3.1.2 目標(biāo)的跟蹤

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

可見,在其它因素不變的前提下,加速度常數(shù)越大,動態(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5所示,采用復(fù)合控制技術(shù)的原理框圖如圖6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)的控制對象的傳遞函數(shù),Wb(S)·W2(S)為前饋補(bǔ)償傳遞函數(shù)。

圖5 伺服控制系統(tǒng)原理框圖Fig.5 Schematic block diagram of servo control system

圖6 復(fù)合控制原理框圖Fig.6 Schematic block diagram of compound servo control system

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15 m轉(zhuǎn)臺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,工程計算時取值為40。

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

3.2 Ka頻段信道及功放技術(shù)

地面測控站和用戶終端均需進(jìn)行Ka頻段的信道設(shè)計,其信道設(shè)計質(zhì)量直接影響到地面測控站和用戶終端的工作性能,同時能否提供系統(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)計等。

Ka頻段信道帶寬將達(dá)到1 GHz以上,如何在如此寬的帶寬下保證信道特性滿足系統(tǒng)跳頻測控及高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?是其設(shè)計和研制的關(guān)鍵。減小Ka頻段信號的傳輸路徑是重要措施,地面測控站和用戶終端的接收信道設(shè)計中將LNA和D/C兩個模塊合二為一,設(shè)計成一個LNB(Low Noise Block)組件模式。LNB原理電路圖如圖 7所示,在低噪放前加一級隔離器,有效改善了輸入駐波;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,并且對本振的偶次諧波輸出有很好的抑制作用。

圖7 LNB原理電路圖Fig.7 Block diagram of LNB

LNB實(shí)測指標(biāo)如表1所示。

表1 LNB實(shí)測指標(biāo)Table 1 The specification test result of LNB

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

建立Ka頻段地面測控網(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)時性的數(shù)據(jù)傳輸要求,目前,TDRSS高速數(shù)傳的速率設(shè)計要求是300Mbit/s,空間站的數(shù)據(jù)傳輸速率要求大于600Mbit/s,后續(xù)航天器可能有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率要求(高分辨力對地觀測要求達(dá)到2 Gbit/s)。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)的處理是一項技術(shù)挑戰(zhàn)。

在系統(tǒng)設(shè)計上,要解決高性能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)備設(shè)計方面的關(guān)鍵在于高速A/D、并行處理和信道均衡。A/D采樣是解調(diào)器實(shí)施各種算法的瓶頸,A/D采樣的質(zhì)量直接影響解調(diào)的質(zhì)量,其中最關(guān)鍵的是A/D采樣的精度和A/D的輸出信噪比,同時應(yīng)確保高速輸出數(shù)據(jù)間無串?dāng)_。接收機(jī)采用高速A/D進(jìn)行數(shù)字化,其速率大大超過了FPGA的處理能力,必須進(jìn)行并行化,其后的數(shù)字處理也相應(yīng)地要采用并行處理技術(shù)。在無線信道中傳輸高速率數(shù)據(jù)時,碼間干擾被認(rèn)為是降低誤碼率的主要原因,而均衡正是對付碼間干擾的一項有效技術(shù)。高速數(shù)據(jù)接收處理原理框圖如圖8所示。

圖8 高速數(shù)據(jù)接收處理原理框圖Fig.8 Schematic block diagram of high data rate receiver

實(shí)測結(jié)果表明,該方案可實(shí)現(xiàn)1.2 Gbit/s高速數(shù)據(jù)的接收解調(diào)。

3.4 跳/擴(kuò)結(jié)合測控技術(shù)

在跳/擴(kuò)結(jié)合測控體制下,擴(kuò)頻信號由載波頻率跳變的直接序列信號組成,相比單一擴(kuò)頻,組合擴(kuò)頻可以把直擴(kuò)和跳擴(kuò)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來,提供更強(qiáng)的抗干擾性能。擴(kuò)跳結(jié)合模式原理框圖如圖9所示,發(fā)端將包含測量信號和信息的偽碼序列直接調(diào)制在跳頻載波上發(fā)送,測控應(yīng)答機(jī)接收后轉(zhuǎn)發(fā)該信號,接收端完成信號同步解跳后,進(jìn)行信號的解擴(kuò)解調(diào),完成測距、測速和信息解調(diào)。跳擴(kuò)結(jié)合體制應(yīng)用于測控領(lǐng)域的主要問題是跳頻破壞了載波相位的連續(xù)性,使得相干多普勒測速無法進(jìn)行;另外,大動態(tài)低信噪比條件下組合擴(kuò)頻信號的快速捕獲和跟蹤也是十分關(guān)鍵的技術(shù)問題。如果能夠采用DDS來產(chǎn)生跳頻載波,就可以在跳頻點(diǎn)轉(zhuǎn)換時保持載波相位的連續(xù)性,使相干多普勒測速成為可能。對于慢跳頻信號的捕獲可采取固定跳頻點(diǎn)等待的方式,對于快跳頻信號的捕獲可采取同步頭對捕獲過程進(jìn)行引導(dǎo)。

圖9 擴(kuò)跳結(jié)合模式原理框圖Fig.9 Schematic block diagram of FH/DS TT&C system

4 結(jié)束語

本文對S/Ka頻段測控通信系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計,分析了系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),提出了可行的解決方案。為滿足后續(xù)工程建設(shè)的需要,急需對窄波束的捕獲跟蹤方案進(jìn)行演示試驗(yàn)驗(yàn)證。另外,需要加強(qiáng)Ka頻段大功率功放的研究,對于跳/擴(kuò)結(jié)合的測控體制需要重點(diǎn)研究解決高跳速下信號捕獲跟蹤及跳頻系統(tǒng)高精度測速的問題。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測控通信系統(tǒng)的建設(shè)勢在必行,并將在空間站工程、高分辨率對地觀測、軍用測控、載人登月等工程中大有作為。

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