我國深空天線組陣技術現(xiàn)狀與發(fā)展思考*

徐茂格，柴 霖

(中國西南電子技術研究所，成都610036)

1 引言

我國月球探測取得重大進展之后，開展深空探測是我國航天發(fā)展的必然選擇。根據(jù)規(guī)劃，我國深空探測將以火星探測為重點，逐步實現(xiàn)繞、落、回等目標，為進一步擴展遠距離探測能力，遠期還將安排木星探測任務[1]。綜合分析各個階段任務的測控需求可以看出，未來深空探測對深空測控通信系統(tǒng)有如下需求:

(1)更高的測量精度需求:10億公里距離上定位精度達到數(shù)km甚至數(shù)十km，要求地基直接測量的角精度達到數(shù)nrad;

(2)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率需求:10億公里距離上的數(shù)據(jù)傳輸速率達到數(shù)Mb/s，甚至數(shù)十Mb/s;

(3)更靈活的任務適應性需求:由于深空探測任務周期長，比如小行星伴飛取樣返回任務可能長達數(shù)十年，則要求未來的飛控任務管理模式將更多地依賴星上自主。

特別是在數(shù)據(jù)傳輸方面，以首次火星探測任務為例，我國現(xiàn)有的最大口徑深空站在4億公里上支持的數(shù)據(jù)傳輸速率只有幾十kb/s，只能勉強滿足首次火星探測最低數(shù)據(jù)接收要求，無法滿足后續(xù)火星詳查探測以及更遠距離的深空探測任務。在測控通信領域，提高系統(tǒng)容量的典型方案包括建造更大口徑天線(美國國家航空航天局最大口徑深空站是70 m)、開發(fā)更低噪聲的接收機、使用更接近香農(nóng)極限的編譯碼等，這些技術的開發(fā)潛力極已經(jīng)很有限，一個必然的技術發(fā)展方向就是通過多個中小口徑天線以組陣的方式來替代單個大口徑天線［2］。

本文首先系統(tǒng)地對比了深空天線組陣與射電天文組陣和傳統(tǒng)相控陣的相同點與不同點，分析了深空天線組陣的技術需求，在此基礎上總結了國內研究現(xiàn)狀，并提出了后續(xù)發(fā)展建議。

2 天線組陣的概念與內涵

從多個中小口徑天線組陣的角度出發(fā)，天線組陣技術的研究大致可分為兩類:

(1)一類是以大地測量、地球旋轉以及射電天文等科學研究為目的，主要工作是觀測頻譜為純噪聲的射電源，開展射電天文成像以及高精度的射電源位置和大地測量;出發(fā)點是用天線陣來構建復合干涉儀，技術手段是干涉測量與成像;主要技術指標在于要求高的信號檢測靈敏度、寬頻帶覆蓋、大視場以及高的角度分辨率;實時性要求不強，主要是事后處理與分析［3］;

(2)另一類是集中在深空測控通信任務，主要工作是接收探測器下發(fā)的下行信號并最大程度地恢復出來，重點在于提高數(shù)據(jù)接收質量，主要出發(fā)點是用天線陣替代單個大口徑天線，具備單個大口徑天線的鏈路接收能力，主要技術手段是信號合成，核心技術指標是最大化合成增益，并要求盡可能地實時處理，可以簡稱為測控通信組陣。

可以看出，射電天文組陣與測控通信組陣的共同點在于要求高的信號檢測靈敏度，典型的區(qū)別在于因為執(zhí)行任務的背景不同因而接收信號的形式以及對后端處理的要求上有所不同。在條件允許的情況下，可以共用兩者的天線及射頻前端，比如美國噴氣動力實驗室發(fā)射的“旅行者”航天器到達海王星時就利用了戈爾斯頓的測控通信陣(一個70 m和兩個34 m口徑天線)與新墨西哥的甚大規(guī)模射電天文陣(VLA，27個25 m口徑天線)組陣，成功提高了“旅行者”的返回數(shù)據(jù)量。

從信號合成的角度出發(fā)，測控通信組陣與一般的相控陣系統(tǒng)在核心的衡量指標上是一樣的，即強調最大化合成增益，基本概念也都是將從各個不同的天線接收的信號經(jīng)過差異補償后相干相加使得有用信號得到加強，其區(qū)別在于:第一，傳統(tǒng)的相控陣系統(tǒng)屬于緊湊型陣列，子陣元間的間距一般是波長的二分之一，因此在信號合成中考慮的重點是補償通道間的幅度和相位差;第二，測控通信的天線組陣屬于分布式陣列，陣元間的間距長達幾千個波長，通道間不僅僅存在幅度和相位的差異，還存在時變的時延以及多普勒。

下面給出測控通信組陣的信號模型以及系統(tǒng)設計的技術需求分析。假設第1個天線和第i個天線接收的信號可以表示為

其中，wc表示下行信號載波頻率，Δd(t)Sqrt(wsct+θsc)表示調制數(shù)據(jù)，θc(t)表示多普勒，τi表示第i個天線和第一個天線間的延遲，Δθi(t)表示差分多普勒。

將每個Y1(t)、Yi(t)復下變頻后得到

其中，wI表示中頻頻率。比較X1(t)和Xi(t)可以看出，天線間接收的中頻信號存在載波相位差wcτi+θd1(t)－θdi(t)，數(shù)據(jù)上的時延差為 τi。

可以看出:對兩個接收天線來說，空間上的傳輸時延反映在接收信號上的差異表現(xiàn)在兩個方面:一是載波上的相位差，包括射頻傳輸時延引入的相位差，以及兩個天線位置不同引入的差分多普勒等;二是調制數(shù)據(jù)上是射頻傳輸時延引入的數(shù)據(jù)碼元相位差。

因此，深空天線組陣信號合成主要包括兩方面的工作:一是信號間差異的估計與補償，包括時延以及差分多普勒;二是信號最佳合成，也就是通過最優(yōu)復權值估計算法對信號加權求和，確保信號相干相加以獲得最大合成信噪比。

3 國內研究現(xiàn)狀

深空測控通信組陣最早由美國噴氣推進實驗室(JPL)于1965 年提出［4－5］，最初是利用現(xiàn)有天線組陣以支持某些應急任務。從1996年開始到2003年歷時8年，美國深空網(wǎng)(DSN)部署了3套下行組陣系統(tǒng)，都采用了全頻譜組陣技術，開啟了深空測控通信天線組陣的新篇章。國內從2005年左右開始了深空測控通信天線組陣技術的研究。

3.1 理論研究情況

在理論研究方面，國內的研究熱點是針對JPL提出的經(jīng)典相位修正算法，如圖1所示，包括Simple、Sumple、Eigen、最小二乘法(LS)開展仿真分析[6]，并在此基礎上提出了各種改進措施[6－15]:為了快速計算Eigen最優(yōu)權值，文獻[7]給出了兩種迭代算法即 PM 和 PMFM 算法;文獻[8]利用SUMPLE算法中相位差估計值之間的幾何關系，提出了基于相位差的遞推最小二乘濾波方法;針對BPSK數(shù)傳信號;文獻[11]提出循環(huán)自相關的相位差估計方法，理論分析和仿真實驗表明，循環(huán)自相關具有更好的低信噪比相位差估計性能;文獻[14]指出在進行全頻譜合成時，應首先考慮采用Sumple算法?？梢钥闯?，國內在組陣合成技術的算法研究方面主要集中在對最優(yōu)相位修正的設計上，較少從系統(tǒng)層面給出技術需求分析與相應措施。

圖1 經(jīng)典的相位修正算法Fig.1 The classical phase revision algorithms

3.2 試驗驗證情況

在理論研究的同時，國內多個研究單位也積極開展了組陣系統(tǒng)的設計、合成基帶原理樣機的研制以及對星演示試驗。

具有里程碑意義的是在2010年9月，北京跟蹤與通信技術研究所抓總建立了我國首個天線組陣試驗系統(tǒng)，原理框圖如圖2所示。系統(tǒng)由4 m×12 m雙頻天線組成，其中天線和射頻鏈路由中國電科第五十四研究所研制，合成基帶由北京遙測技術研究所研制，天線布局如圖3所示。2010年10月，開始利用“嫦娥二號”衛(wèi)星、歐空局太空望遠鏡等深空目標進行技術驗證試驗，合成效率優(yōu)于91%，達到了預期試驗效果[16]。

圖2 試驗系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experiment system

圖3 天線組陣試驗系統(tǒng)天線布局Fig.3 The antenna layout of antenna arraying experiment

中國電科第十研究所在天線組陣方面也做了大量研究工作，2011年9月成功研制了四通道合成基帶原理樣機。為了驗證真實工作環(huán)境下的合成性能，2011年11月在北京借助現(xiàn)有的4 m×12 m天線陣，對位于拉格朗日L2點的“嫦娥二號”開展了下行信號的實時合成試驗。這是國內首次對月球以遠距離的探測器開展的下行微弱信號實時合成試驗，試驗期間接收的1.5 Mb/s數(shù)傳單天線 Eb/No約0.5 dB，基本上屬于數(shù)傳基帶工作門限，試驗結果表明合成效率也超過了95%[17]。

2012年，為了進一步驗證合成基帶對異構天線的適應性，中國電科第十研究所又在某測控站再次開展了以“異構/異地/高頻”為典型特點的演示試驗，如圖4所示?！爱悩嫛敝傅氖墙M陣天線口徑不同、建造年代不同、執(zhí)行任務的背景不同、設備一致性差(特別是通道間的信噪比存在較大差異)?！爱悩嫛苯M陣的意義在于能夠把現(xiàn)有測控資源整合起來，將多個小天線拼成一個大天線使用?！爱惖亍钡谋举|在于各個接收天線使用相互獨立的時頻源，不受測控站地域限制，實現(xiàn)更為靈活的組陣，其典型特點是通道間存在明顯的頻差?！案哳l”指的是下行采用了X頻段。試驗結果表明:標準TT＆C實測合成增益等于理論上的最優(yōu)合成增益加減0.05 dB;單天線接收的數(shù)傳信號極其微弱，以至于單路信號接收機無法鎖定，預計單路Eb/No為－1.5 dB左右，兩路合成后接收機成功鎖定，試驗獲得了圓滿成功。

圖4 “異構/異地/X頻段”組陣試驗示意圖Fig.4 Antenna arraying experiment diagram of different architecture/different place/X band

4 國外最新研究進展

在深空測控通信領域JPL一直引領著天線組陣技術的發(fā)展方向。近年來，在JPL技術支持下美國國家航空航天局(NASA)規(guī)劃將建設新一代的基于組陣的深空主干網(wǎng)[18]，其組陣系統(tǒng)的顯著特點在于:頻段全面升級到Ka頻段;合成信號帶寬上百兆赫;布設數(shù)百個中等大小(約12 m)拋物面天線組成的天線陣，相當于70 m天線10倍的下行鏈路能力;在功能上滿足行星雷達、射電科學以及天文觀測等需求。

在上百個天線陣的規(guī)劃建設中，NASA初步計劃首先研究出25副天線的布局，以此為基礎，后續(xù)可以通過優(yōu)化插入75副天線從而形成100副天線的最優(yōu)布局;再在100副天線的基礎上，優(yōu)化可以形成400副天線的布局。也就是通過簡單的在先前布局上增加更多的天線形成一系列新的布局，這也形成一個合理的建造順序[18]。

JPL目前正在開展的工作是建造兩個6 m天線和一個12 m天線組成的試驗系統(tǒng)，根據(jù)這一試驗系統(tǒng)得到的結論將用來開發(fā)更大規(guī)模的12 m天線陣列。該試驗系統(tǒng)設計方案中，工作頻段是X頻段和Ka頻段，支持100 MHz帶寬的信號合成。

歐空局(ESA)近年來也加大了深空天線組陣方面的研究，后續(xù)建設規(guī)劃擬采取組陣的方式將G/T值在現(xiàn)有35 m站的基礎上提高10 dB。擬采取分步實施的方式，第一步建設的天線陣G/T值將比現(xiàn)有35 m提高6 dB，基本等效 NASA 70 m口徑天線。在陣列結構方面考慮兩個備選方案:一個方案是4個35 m天線組陣，另一個方案是1個35 m再加9個20 m 天線組陣[19－20]，其中第二種方案比較靈活，陣的可用度較高，方便擴展。

5 后續(xù)發(fā)展建議

后續(xù)超遠距離(10億公里)的深空探測任務要求地面系統(tǒng)等效口徑超過了100 m，組陣系統(tǒng)的設計上可以采取兩種途徑:一是小規(guī)模(數(shù)個)的大口徑天線組陣;二是大規(guī)模(數(shù)十上百個)的中小口徑天線組陣。

建議采用大規(guī)模中小口天線組陣，首先是因為從費效比角度分析，隨著天線口徑加大，加工制造的成本呈幾何級數(shù)增加，相對而言大規(guī)模的中小口徑組陣的成本相對較低;其次是中小口徑天線波束較寬，降低了單天線指向精度要求，并且中小口徑天線空域覆蓋較大，有利于開展行星表面或附近的同時多個探測器的測控;還有就是大規(guī)模組陣抗單點故障的能力較強，比如100個天線組陣，如果其中一個天線因為故障不能執(zhí)行任務，系統(tǒng)的G/T值損失只有約 0.04 dB。

在小規(guī)模的接收下行組陣方面，國內技術發(fā)展相對比較成熟，具備了執(zhí)行任務的能力。后續(xù)的研究重點應該放在大規(guī)模寬帶可擴展天線組陣上，這里的大規(guī)模指的是天線數(shù)超過數(shù)十個，寬帶指的是合成信號帶寬超過數(shù)十MHz，可擴展指的是支持系統(tǒng)建設的階段化，規(guī)?？蓴U展。

6 大規(guī)模寬帶可擴展天線組陣關鍵技術

對于大規(guī)模寬帶可擴展天線組陣，建議開展以下關鍵技術研究。

(1)天線布局優(yōu)化設計。在以大口徑天線為基礎的深空天線組陣中，單元天線間的間距通常在數(shù)百個甚至上千個波長，若單元波束內合成波束附近有較強的柵瓣或旁瓣將直接導致目標附近行星、太陽及其他航天器的信號作為干擾信號進入接收通道。小規(guī)模組陣中，天線個數(shù)過小使得瞬時合成波束帶有較高的旁瓣，而且不隨具體布局而變，因此一般都未開展針對合成波束旁瓣的優(yōu)化。組陣布局優(yōu)化研究是大規(guī)模陣的一個首要問題[21－22]。

(2)大規(guī)模寬帶合成終端。大型陣對組陣信號的要求是組陣單元天線數(shù)可擴展、合成方式的多樣性，也就是要求組陣信號處理有靈活的信號處理結構以及高速數(shù)據(jù)信號處理能力。為此建議在信號處理結構上相關合成應從時域轉向頻域處理，也就是在頻域完成波束形成。

(3)采取多種措施提高單個天線的G/T值。在各天線G/T值基本一致的情況下，36副天線合成增益約15.6 dB，46 副天線合成增益約16.6 dB，76 副天線合成增益約18.8 dB;可以看出對于大規(guī)模陣，隨著單元天線數(shù)的增加性能提高的增量下降，此時需要折衷考慮增加單個天線的G/T值的成本以及增加天線數(shù)的成本，比如對76副天線來說，若能將單元天線的G/T值增加3 dB，則可以將天線數(shù)減少為36副。因此對于大規(guī)模陣應該采取多種措施盡量提高單個天線的G/T值，包括采取低成本高效率天線反射面技術以及多頻段饋源場放一體化制冷技術等。

(4)時頻/射頻信號遠距離傳輸技術。大規(guī)模陣布局范圍通常在數(shù)km內，傳統(tǒng)電纜時頻/射頻信號遠距離傳輸不僅損耗較大而且穩(wěn)定性較差，建議開展組陣時頻/射頻鏈路的優(yōu)化設計以及基于高穩(wěn)光纖的時頻/射頻信號遠距離傳輸技術研究。

(5)多個深空任務同時測控支持。大規(guī)模陣強調同時多任務(多目標)支持的能力，通過劃分子陣，不同的子陣指向不同的航天器。需針對運行管理、指揮顯示等功能體系結構進行補充建設。

(6)監(jiān)視控制系統(tǒng)快速故障排查，包括模塊化方式設計，部件可替換，支持即查即用。

(7)高效系統(tǒng)測試及標校程序。

7 結束語

根據(jù)我國火星以及其他更遠行星探測的任務需求分析可以看出，在測控通信領域星地傳輸鏈路能力始終是一個需要突破的技術瓶頸。在現(xiàn)有技術水平下建設更大口徑的天線從技術和成本方面都難以承受，一個重要的解決途徑將是天線組陣。經(jīng)過多次對星試驗驗證，國內相關單位已經(jīng)掌握了小規(guī)模天線組陣的核心技術，具備了執(zhí)行深空任務的能力。建議后續(xù)開展大規(guī)?？蓴U展天線組陣相關關鍵技術的前期研究，以滿足未來超遠距離(10億公里以上)的深空探測任務的需求。

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