飛行器衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計與分析?

黃愛軍（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

飛行器衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計與分析?

黃愛軍
（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

介紹了飛行器與衛(wèi)星間通信鏈路的組成、工作原理和系統(tǒng)設(shè)計考慮，討論了系統(tǒng)信息傳輸體制和飛行器載設(shè)備的實現(xiàn)。通過理論計算及仿真，進(jìn)行了系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及主要性能指標(biāo)的可實現(xiàn)性分析，對工程應(yīng)用具有一定參考價值。

衛(wèi)星通信；相控陣天線；軟件無線電；直接系列擴(kuò)頻；抗干擾；鏈路性能

1 引言

隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星資源不斷增加，功能越來越強(qiáng)大，利用衛(wèi)星通信實現(xiàn)跨區(qū)域的超視距數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)越來越受到重視，已成為各種信息實時、有效傳輸?shù)年P(guān)鍵途徑。

對于各種中低軌飛行器，受地球曲率影響，平臺信息很難直接空地傳輸。衛(wèi)星通信因其具有覆蓋范圍廣、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸媒介穩(wěn)定、通信容量大等優(yōu)勢，是飛行器信息傳輸?shù)闹匾Ｕ稀?/p>

本文主要介紹一種基于飛行器平臺的衛(wèi)星鏈路設(shè)計，并從系統(tǒng)傳輸體制、設(shè)備實現(xiàn)及鏈路性能多方面分析，提出了適應(yīng)小型化、高動態(tài)、實時傳輸要求的設(shè)計思路。

2 系統(tǒng)組成及功能

飛行器衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

飛行器衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由飛行器載分系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備、地面分系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備及衛(wèi)星中繼平臺組成。

地面→衛(wèi)星→飛行器的通信鏈路稱為前向鏈路，主要完成對飛行器飛行的指揮控制；飛行器→衛(wèi)星→地面的通信鏈路稱為返向鏈路，主要完成飛行器獲取信息的回傳。

飛行器衛(wèi)星通信系統(tǒng)支持飛行器在飛行過程中與地面指控中心連通，前向傳輸控制指令，返向回傳平臺信息。前向低速指令傳輸及返向高速信息傳輸，都應(yīng)具有抗干擾以及多目標(biāo)支持能力。

為提高系統(tǒng)工作的靈活性、可靠性，應(yīng)進(jìn)行多衛(wèi)星中繼平臺設(shè)計考慮，終端設(shè)備應(yīng)具有易重構(gòu)、可擴(kuò)展的功能，以適應(yīng)不同的傳輸體制。

合理配置系統(tǒng)參數(shù)（如發(fā)射功率、天線增益等），以彌補(bǔ)衛(wèi)星中繼傳輸路徑遠(yuǎn)帶來的鏈路損耗，滿足系統(tǒng)信息傳輸?shù)男枰?/p>

3 系統(tǒng)設(shè)計考慮

3.1 工作頻段

飛行器衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作頻段的選擇必須考慮作用距離、信道帶寬、設(shè)備可實現(xiàn)性、安裝平臺以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

飛行器平臺空間及載荷能力有限，要求天線及終端設(shè)備體積小、重量輕，加上較高的數(shù)傳速率要求，決定了系統(tǒng)只能工作于微波以上頻段。

毫米波頻段作為發(fā)展趨勢，具有較強(qiáng)的數(shù)傳能力和抗干擾性能，在鏈路電平允許的情況下，支持?jǐn)?shù)百兆甚至更高速率的數(shù)據(jù)傳輸。但是，由于飛行器平臺的特殊性，信號功率及天線增益不可能太高，這種情況下，微波頻段會表現(xiàn)出較毫米波頻段更優(yōu)越的性能。此外，系統(tǒng)頻段的選擇還必須與衛(wèi)星中繼平臺兼容。

3.2 傳輸體制

3.2.1 調(diào)制方式

根據(jù)設(shè)計目的不同，調(diào)制可分為兩種類型：功率有效方式和頻譜有效方式。

飛行器平臺設(shè)備體積、重量、功耗嚴(yán)格受限，其應(yīng)用模式?jīng)Q定了信號格式應(yīng)為功率有效方式。一般來說，二、四進(jìn)制調(diào)制方式如BPSK／QPSK的功率效率比多進(jìn)制調(diào)制方式的高。

為提高設(shè)備效率，飛行器載通信終端的功放應(yīng)盡量工作于非線性飽和狀態(tài)。為使信號不失真，不增加系統(tǒng)誤碼率，發(fā)射信號要求恒包絡(luò)調(diào)制，較為成熟的恒包絡(luò)調(diào)制方式有MSK、GMSK、FQPSK-B、CPM等。在傳輸信道非帶限或弱帶限的情況下，一個信號的頻譜不受信道帶寬的限制，可全部通過，這時BPSK、QPSK等調(diào)制方式也可認(rèn)為是恒包絡(luò)調(diào)制。

為提高系統(tǒng)抗干擾能力，采用直接序列擴(kuò)頻方式?？紤]數(shù)傳速率與轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬因素，系統(tǒng)前向鏈路選擇直接序列擴(kuò)頻BPSK調(diào)制方式，返向鏈路選擇直接序列擴(kuò)頻BPSK或QPSK調(diào)制方式。

3.2.2 偽碼信號格式

偽碼信號設(shè)計應(yīng)考慮碼形選擇、碼長選擇和碼速率選擇。

擴(kuò)頻系統(tǒng)偽碼選擇遵循以下原則：要有尖銳的自相關(guān)特性；互相關(guān)值盡可能??；足夠多的序列數(shù)；序列平衡；工程上易于生產(chǎn)、加工、復(fù)制和控制；盡可能序列復(fù)雜，以防止敵方截獲、破譯。常用的擴(kuò)頻序列有m序列、M序列、Gold序列、Walsh碼序列等，其中平衡Gold碼具有調(diào)制特性好、載波抑制度好、可以提供良好多址能力等優(yōu)點，因此系統(tǒng)采用平衡Gold碼作為擴(kuò)頻碼。

Gold碼碼長決定CDMA系統(tǒng)的多址性能。碼長越長，系統(tǒng)地址數(shù)越多，但相應(yīng)的硬件復(fù)雜度會成倍增加，同時，接收機(jī)對PN碼的捕獲時間也加長。折衷考慮系統(tǒng)性能及設(shè)計的復(fù)雜程度，根據(jù)具體情況選擇合適位數(shù)的系統(tǒng)擴(kuò)頻碼。

碼速率的選擇主要考慮所需的擴(kuò)頻處理增益、信號帶寬等因素。通常把接收機(jī)相關(guān)器輸出的干擾電平降至熱噪聲時的碼速率稱為最佳碼速率。同時還要注意碼序列的重復(fù)率（即碼的時鐘率／碼的長度）不落在信息頻帶之外，以免有害噪聲通過信息解調(diào)器，因此，實際的碼長和碼速率的選擇需要綜合考慮［1］。

3.2.3 通信幀格式

系統(tǒng)應(yīng)用模式?jīng)Q定著前向鏈路數(shù)傳速率低，實時性要求高，數(shù)據(jù)傳輸具有突發(fā)特性；返向鏈路數(shù)傳速率高，信息量大，數(shù)據(jù)傳輸連續(xù)。應(yīng)根據(jù)前返向鏈路的不同特點，進(jìn)行合理可行的前返向通信幀格式設(shè)計［2］。

3.2.4 編譯碼選擇

為降低誤比特率，改善信道傳輸性能，降低對飛行器載終端的要求，飛行器衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)考慮高效的糾錯編譯碼技術(shù)。

RS碼+卷積碼級聯(lián)可以很好地糾正突發(fā)錯誤和隨機(jī)錯誤，具有較好的編碼增益與相對較低的實現(xiàn)復(fù)雜度，該方式技術(shù)成熟，已在多個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。Turbo碼是目前通信系統(tǒng)中性能非常優(yōu)異一種FEC碼，碼長可以配合交織深度靈活選擇，在低誤碼率條件下，可以通過串行級聯(lián)方式改善性能，特別適合于功率極端受限的信道。LDPC碼是一種基于稀疏圖構(gòu)造的逼近香農(nóng)限的線性分組碼，它解決了長碼譯碼問題，可以對抗隨機(jī)錯誤和一定的突發(fā)信道錯誤，具有良好的糾錯性能。相比Turbo碼，LDPC碼具有復(fù)雜度低、譯碼延遲小、誤碼平層小、支持高速并行譯碼、吞吐量大等優(yōu)點，更適合高碼率應(yīng)用，其幀長越長，性能越優(yōu)。

單純從性能上講，上述3種編碼方式均能較好地滿足系統(tǒng)要求。綜合考慮使用環(huán)境及要求、可實現(xiàn)性、抗突發(fā)錯誤、譯碼延遲、技術(shù)先進(jìn)性以及發(fā)展趨勢等因素，系統(tǒng)前向鏈路實時性要求高，選擇RS +卷積級聯(lián)編碼方式；返向鏈路電平緊張，選擇Turbo或LDPC編碼方式。這樣，在系統(tǒng)最低信噪比條件下，可以達(dá)到前向鏈路1×10-7、返向鏈路1× 10-6的誤碼率要求。

3.3 多址方式

選擇碼分多址方式，為同一衛(wèi)星波束范圍內(nèi)的多個飛行器提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。多址工作時，為充分利用轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬，提高系統(tǒng)抗干擾性能，采用給定轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬允許的盡量高的擴(kuò)頻碼率。

根據(jù)前向鏈路接收信號電平變化或飛行器姿態(tài)信息，形成必要的功率控制措施，使飛行器平臺的發(fā)射信號功率相對于衛(wèi)星而言近似相等，以避免遠(yuǎn)近效應(yīng)帶來的不利影響，使系統(tǒng)處于較為理想的工作狀態(tài)。

4 關(guān)鍵技術(shù)及性能分析

4.1 飛行器載設(shè)備實現(xiàn)

飛行器衛(wèi)星通信系統(tǒng)地面設(shè)備技術(shù)成熟，系統(tǒng)的關(guān)鍵是飛行器載設(shè)備的實現(xiàn)。飛行器載設(shè)備包括天線和通信終端兩部分。受飛行器平臺安裝限制，飛行器載設(shè)備應(yīng)進(jìn)行小型化和電磁兼容設(shè)計。

飛行器平臺設(shè)備組成如圖2所示。

4.1.1 天線技術(shù)

飛行器載天線精確指向衛(wèi)星是通信鏈路建立的關(guān)鍵。考慮到飛行器飛行速度快、姿態(tài)變化大的特點，平臺上的衛(wèi)星通信天線應(yīng)精確設(shè)計，在輕便、共形的基礎(chǔ)上，適應(yīng)有限安裝空間，克服飛行器結(jié)構(gòu)對天線輻射方向性圖的影響，滿足對衛(wèi)星中繼平臺的有效覆蓋，并盡可能提高增益，滿足系統(tǒng)對數(shù)傳速率的要求。

隨著技術(shù)的發(fā)展，共形相控陣天線技術(shù)日益成熟。相控陣天線具有高增益、高指向精度、實時切換、無慣性快速跟蹤等優(yōu)點，通過相位控制波束掃描，確保飛行器上的天線波束始終準(zhǔn)確指向衛(wèi)星中繼平臺，實現(xiàn)信息的有效傳輸。

4.1.2 通信終端技術(shù)

通信終端是飛行器平臺衛(wèi)星通信的核心，它通過數(shù)據(jù)接口接收前返向各種數(shù)據(jù)，與指控和飛行器系統(tǒng)進(jìn)行信息交換，通信規(guī)程、報文協(xié)議都在這里實現(xiàn)。

為便于功能綜合化及可擴(kuò)展的設(shè)計需求，飛行器載通信終端采用軟件無線電設(shè)計思想，通過開放式的軟、硬件體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建通用平臺，采用可編程方式動態(tài)配置設(shè)備參數(shù)，滿足不同任務(wù)功能需求。

飛行器載通信終端通用硬件平臺結(jié)構(gòu)、通用軟件體系結(jié)構(gòu)分別如圖3和圖4所示。

4.2 通信終端抗干擾性能分析

不考慮上行鏈路及衛(wèi)星的抗干擾問題，僅討論衛(wèi)通終端對下行鏈路的抗干擾接收。

系統(tǒng)采用直接序列擴(kuò)頻方式，飛行器載衛(wèi)通終端抗干擾模型如圖5所示。

當(dāng)干擾信號（含多址干擾）進(jìn)入接收機(jī)后，包括接收機(jī)熱噪聲，擴(kuò)頻系統(tǒng)接收信號比特能量-干擾噪聲譜比值為［3］

式中，Eb為比特能量，nj為干擾功率單邊譜密度，n0為接收機(jī)熱噪聲單邊功率譜密度，W為擴(kuò)頻帶寬，Ps為接收系統(tǒng)接收的單個用戶功率（設(shè)各用戶功率相等），Pj為干擾功率，Rb為信息速率，N為多址數(shù)，GP=W／Rb為擴(kuò)頻處理增益。

表示系統(tǒng)正常工作的接收門限信噪比，改寫式（1），得到包括接收機(jī)熱噪聲的干擾容限為

設(shè)PN碼鐘8 Mchip／s，數(shù)傳速率1 kbit／s，單用戶工作和多用戶工作時（設(shè)多用戶數(shù)為12）衛(wèi)通終端接收干擾容限仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

由圖可見，若取衛(wèi)通終端解調(diào)門限7.5 dB，接收G／T=-24 dB／K，則前向鏈路單用戶工作，數(shù)傳速率1 kbit／s時，衛(wèi)通終端接收的干擾容限大于29 dB；12用戶工作、數(shù)傳速率1 kbit／s時，干擾容限大于27 dB。4.3鏈路性能分析根據(jù)基本通信公式：

前返向鏈路性能及多址干擾影響分析分別如圖8和圖9所示。當(dāng)飛行器載設(shè)備G／T優(yōu)于-24 dB／K、前向鏈路數(shù)傳速率為1 kbit／s時，系統(tǒng)鏈路余量充裕（誤碼率1×10-7）。由于擴(kuò)頻增益較高（GP=（8 Mchip／s）／（1 kbit／s）=8 000），多址干擾影響較小。單用戶／多用戶解調(diào)性能仿真如圖8所示。

當(dāng)飛行器載設(shè)備EIRP優(yōu)于22 dBW，返向鏈路支持128 kbit／s數(shù)傳速率，鏈路余量足夠（誤碼率1× 10-5）。由于擴(kuò)頻增益有限（GP=（8 Mchip／s）／（128kbit／s）=62.5），返向鏈路多址干擾對解調(diào)性能的影響較大，因此飛行器衛(wèi)星通信的返向鏈路應(yīng)盡量減少多址數(shù)。返向鏈路多址數(shù)為6時，單用戶／多用戶解調(diào)性能仿真如圖9所示。

此外，系統(tǒng)鏈路性能分析時還應(yīng)考慮CDMA工作時發(fā)射機(jī)功率均分問題。

5 結(jié)束語

本文研究了基于衛(wèi)星中繼的飛行器信息傳輸體制，通過理論計算及仿真，進(jìn)行了系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及主要性能指標(biāo)的可實現(xiàn)分析。在共形相控陣天線和小型化終端設(shè)備的實現(xiàn)基礎(chǔ)上，給出了鏈路數(shù)傳速率與抗干擾性能及多址干擾間的對應(yīng)關(guān)系。

隨著技術(shù)的發(fā)展，飛行器對信息化需求越來越高?；谛l(wèi)星中繼的飛行器信息傳輸系統(tǒng)支持飛行器和地面指控系統(tǒng)間超視距實時數(shù)據(jù)傳輸，高效、可靠的衛(wèi)星雙向數(shù)據(jù)傳輸鏈路，能把飛行器融入自動化信息系統(tǒng)，有效發(fā)揮其效能。

［1］張邦寧，魏安全，郭道省，等.通信抗干擾技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006. ZHANG Bang-ning，WEI An-quan，GUO Dao-xing，et al.Communication Anti-interference Technology［M］.Beijing：Machine Press，2006.（in Chinese）

［2］劉蘊才.無線電遙測遙控［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2001. LIU Yun-cai.Wireless Radio Telemetry，Tracking and Command［M］.Beijing：The National Defense Industry Press，2001.（in Chinese）

［3］Kaplan E D.GPS原理與應(yīng)用［M］.2版.邱致和，王萬義，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2002：140-141. Kaplan E D.Understanding GPS：Principles and Applications［M］.2nd ed.Tranlslated by QIU Zhi-he，WANG Wan-yi. Beijing：Publishing House of Electronic Industry，2002：140-141.（in Chinese）

［4］蔡劍銘，呂海寰，甘仲民，等.衛(wèi)星通信系統(tǒng)［M］.2版.北京：人民郵電出版社，1994. CAIJian-ming，LV Hai-huan，GAN Zhong-min，et al. Satellite Communication System［M］.2nd ed.Beijing：People′s Posts and Telecomm Press，1994.（in Chinese）

［5］朱近康.CDMA通信技術(shù)［M］.北京：人民郵電出版社，2001：26-32. ZHU Jin-kang.CDMA Communication Technology［M］.Beijing：People′s Posts and Telecomm Press，2001：26-32.（in Chinese）

［6］曹志剛，錢亞生.現(xiàn)代通信原理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1992. CAO Zhi-gang，QIAN Ya-sheng.Modern Communication Principle［M］.Beijing：Tsinghua University Press，1992.（in Chinese）

Design and Analysis of Satellite Communication Link Onboard Aerial Vehicle

HUANG Ai-jun
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

The satellite communication link onboard aerialvehicle is introduced，including its composition，operation principle and system design.Information transmission system and onboard equipment implementation are discussed.Realizability analysis of key technologies and main performance characteristics is made through theoretical calculation and simulation，which has reference value for engineering application.

satellite communication；phased array antenna；software defined radio；DSSS；anti-jamming；link performance

TN927；TN802；V243

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.02.001

黃愛軍（1968—），女，四川眉山人，高級工程師，主要研究方向為衛(wèi)星通信。

1001-893X（2012）02-0125-05

2011-12-20；

2012-02-08

HUANG Ai-jun was born in Meishan，Sichuan Province，in 1968.She is now a senior engineer.Her research concerns satellite communication.

Email：huangaijx＠sina.com