中繼衛(wèi)星系統(tǒng)用戶終端關鍵技術分析*

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

1 引 言

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)是一個利用同步衛(wèi)星和地面終端站對中、低軌飛行器(用戶星)進行高覆蓋率測控和數(shù)據(jù)中繼的測控通信系統(tǒng)。目前，美國NASA的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)——跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS)已發(fā)展到第二代，第三代系統(tǒng)正在論證之中；歐空局也于2001年發(fā)射了第一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星Artemis，并于2003年投入使用， 將于2010年到達壽命期，歐空局正在進行第二代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(EDRSS)的方案構想；我國的“天鏈”一號中繼衛(wèi)星系統(tǒng)也于2008年4月投入使用。中繼衛(wèi)星系統(tǒng)具有跟蹤測軌和數(shù)據(jù)中繼兩方面的功能，同時具有全軌道跟蹤多個用戶星以及高速數(shù)傳的能力，代表了新一代天基測控系統(tǒng)的發(fā)展方向[1]。

中繼衛(wèi)星用戶終端與中繼衛(wèi)星、地面站構成了跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。中繼衛(wèi)星用戶終端安裝在中、低軌道的用戶航天器(或其它用戶平臺)上，是外部信號與用戶航天器內部設備之間的接口設備。它通過中繼衛(wèi)星與地面站建立前返向鏈路，完成信號的接收和發(fā)送，通過總線接口與用戶航天器的指令分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分系統(tǒng)、遙測分系統(tǒng)相連接，完成對用戶航天器的測控和數(shù)據(jù)傳輸。中繼衛(wèi)星系統(tǒng)用戶終端是中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的重要組成部分，它不僅具有遙控、遙測、測距、測速功能，還能進行數(shù)據(jù)的中繼傳輸，因此，其性能的優(yōu)劣將直接影響系統(tǒng)對用戶航天器測軌跟蹤與數(shù)據(jù)通信質量[2]。

2 對中繼衛(wèi)星系統(tǒng)用戶終端的需求

為滿足用戶平臺的載荷、供電和數(shù)據(jù)傳輸能力的要求，通常的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)用戶終端應做到：有足夠高的有效全向輻射功率(EIRP)和G/T值；保證穩(wěn)定可靠地指向中繼衛(wèi)星；實現(xiàn)多功能綜合，包括：實現(xiàn)測控信息和應用數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn)測定軌的各項功能要求；設備體積、重量、功耗應盡量小。除滿足以上功能外，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)用戶終端還面臨復雜的電子對抗環(huán)境，因此應具有較強的抗干擾能力。

隨著航天技術、電子技術的發(fā)展，以及應用領域的不斷擴展，對中繼衛(wèi)星系統(tǒng)用戶終端的需求也在不斷增加和提高。

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)用戶終端最早應用于中、低軌道的衛(wèi)星、航天飛機等航天器，近幾年來，其應用領域不斷擴展，已在小衛(wèi)星、長航氣球、運載火箭、飛機(包括無人機)、艦船、海洋浮標，以及地面應用平臺等領域獲得廣泛應用。

用戶終端的分類方式有多種，按照使用載體可分為航天器載用戶終端、機載用戶終端和艦(船)載用戶終端等；按照工作頻段可分為S頻段用戶終端、Ku頻段用戶終端和Ka頻段用戶終端；按照數(shù)據(jù)傳輸速率可分為高速率終端、中速率終端和低速率終端。

針對不同的應用領域和分類方式，對中繼衛(wèi)星系統(tǒng)用戶終端的需求也不相同，如：對航天器載用戶終端，按照數(shù)據(jù)傳輸速率分類，其要求為：

(1)高速率終端：Ku、Ka頻段，拋物面或其它智能天線，等效口徑為0.8～1 m，發(fā)射功率為30 W左右，重量不超過50 kg，功耗為150～200 W，返向速率為45～150 Mbit/s以上；

(2)中速率終端：Ku、Ka頻段，拋物面或其它智能天線，等效口徑為0.3～0.6 m，發(fā)射功率為20 W左右，重量不超過40 kg，功耗為120～150 W，返向速率為2～25 Mbit/s以上；

(3)低速率終端：S頻段，用于測控，發(fā)射功率為10 W左右，重量不超過10 kg，功耗為50～80 W，采用全向天線，返向速率為2～4 kbit/s,若采用寬波束定向天線，返向速率為每秒幾萬比特。

由上述分析可知，適應大動態(tài)、低信噪比解調、中高速數(shù)據(jù)傳輸和相參轉發(fā)是用戶終端需要解決的關鍵技術。

3 中繼衛(wèi)星系統(tǒng)用戶終端的功能和組成

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)用戶終端的主要功能有：接收解調地面站發(fā)來的遙控指令、測距信號和數(shù)傳信號；相干轉發(fā)地面站發(fā)來的前向測速﹑測距信號；向地面站返向發(fā)射用戶航天器的數(shù)傳信號和遙測數(shù)據(jù)；可接受數(shù)據(jù)處理等設備的監(jiān)控。

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)用戶終端一般由天線、雙工器、接收信道、發(fā)射信道、本振源、綜合基帶和數(shù)據(jù)處理等組成，其功能模塊框圖如圖1所示。

圖1 中繼衛(wèi)星系統(tǒng)用戶終端功能框圖

(1)根據(jù)用戶的不同要求可采用不同形式的天線，通常有適應傳輸?shù)退俾实牡驮鲆嫒蛱炀€、傳輸中速率的中增益貼片式陣列天線和傳輸高速率的波束可控的高增益拋物面天線或相控陣天線；

(2)雙工器要保證對發(fā)射頻率和鏡頻有足夠的抑制和一定的收發(fā)隔離；

(3)接收信道包括低噪聲放大器、下混頻器、放大器、濾波器和AGC電路，完成接收信號的下變頻；

(4)發(fā)射信道包括上混頻器、放大器、濾波器和功放鏈路，完成轉發(fā)信號的上變頻和功率放大；

(5)本振源由多個鎖相環(huán)組成，提供接收信道和發(fā)射信道所需的多路本振信號；

(6)綜合基帶包括中頻接收和中頻發(fā)射模塊，中頻接收模塊由A/D變換器、載波恢復及解擴、解調電路、PN碼捕獲和跟蹤環(huán)、位同步、幀同步提取電路組成，完成偽碼的捕獲和跟蹤、載波恢復和解調，解調出的前向遙控指令和數(shù)傳信號經數(shù)據(jù)存儲接口送監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理設備和衛(wèi)星平臺作相應處理；

(7)中頻發(fā)射模塊由發(fā)射信號的擴頻和可編程調制器組成，完成頻率相關處理、測距信號的轉發(fā)和返向多種模式信號的調制；

(8)數(shù)據(jù)處理由用戶終端與衛(wèi)星平臺的各種接口電路組成，完成加電、工作模式選擇等遙控指令的接收、解調和遙測數(shù)據(jù)的輸出。

4 中繼衛(wèi)星系統(tǒng)用戶終端關鍵技術

4.1 數(shù)字化可編程綜合基帶

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)用戶終端需要接收和轉發(fā)復雜的前向和返向信號，前向鏈路采用UQPSK調制，I、Q兩路分別傳送擴頻指令和測距碼[3]。

按照美國TDRSS的劃分，返向鏈路可分為DG1和DG2兩個數(shù)據(jù)組[4-5]。DG1傳送的數(shù)據(jù)率較低，一般為每秒幾十萬比特以下；DG2數(shù)據(jù)率較高，一般為每秒幾兆比特至每秒幾百兆比特。DG1又包括M1、M2和M3 3種數(shù)據(jù)模式，其中，M1用于雙向多普勒測量和距離測量，用戶終端以相干轉發(fā)方式工作；M2用于用戶終端非相干轉發(fā)；M3用于同時進行雙向測距和多普勒測量并伴隨有高速率的遙測數(shù)據(jù)的場合，Q通道攜帶高速數(shù)據(jù)，不擴頻，I通道用于測距，同時傳輸擴頻數(shù)據(jù)。DG2傳送的數(shù)據(jù)速率較高，不使用擴頻，不能進行測距，返向載波與正向載波可以相干也可以不相干，相干時可以測速。

為了適應復雜的前、返向信號形式，用戶終端常采用數(shù)字化綜合基帶實現(xiàn)工作頻率、調制方式、數(shù)據(jù)速率、PN碼碼型和發(fā)射功率的可編程，并完成低信噪比解調、中高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。用FPGA芯片完成前向擴頻信號PN碼的捕獲、跟蹤，載波提取、信息解調和返向各種模式信號的產生、數(shù)字調制等功能；用DSP芯片完成工作參數(shù)的選擇和工作模式的切換等，實現(xiàn)基帶可編程。其實現(xiàn)方法是：

(1)采用FFT作頻率引導。中繼衛(wèi)星系統(tǒng)要求在用戶航天器的自由飛行段和動力飛行段用戶終端都能跟蹤地面站的信號和提取數(shù)據(jù)。在動力段飛行器加速度很大，使載波多普勒達±1.9 MHz，載波頻率捕獲是鎖相跟蹤中信號捕獲過程的重要組成部分，只有在載波頻率捕獲鎖定的前提下，距離捕獲才能實現(xiàn)。所以進入載波環(huán)的信號首先經DSP作FFT運算測出載頻的偏移量，并根據(jù)FFT的分析值對載波DCO進行頻率預置，抵消載波多普勒，使環(huán)路進入快捕帶；根據(jù)載波多普勒換算出碼鐘多普勒，對碼環(huán)中碼鐘DCO頻率進行設置，抵消碼鐘多普勒，使之能夠完成PN碼的捕獲和跟蹤；

(2)載波環(huán)采用Costas環(huán)。根據(jù)前向鏈路信號形式的特點，應答機先捕短碼，再捕載波，最后捕長碼。通常，QPSK擴頻信號由I、Q兩路Costas環(huán)完成載波跟蹤及解調，由于前向UQPSK調制信號I、Q兩路功率比為10:1，因此進行數(shù)據(jù)解調時， Q支路對載波恢復的貢獻可忽略不計，僅采用一路Costas環(huán)完成載波的跟蹤及解調解擴；

(3)短碼的捕獲采用步進捕獲方式；

(4)短碼的跟蹤采用非相干延遲鎖定環(huán)；

(5)利用短碼輔助長碼捕獲；

(6)返向調制器的實現(xiàn)。

返向鏈路要產生多種模式擴頻或不擴頻的調制信號，數(shù)字化綜合基帶為返向各種模式調制信號的實現(xiàn)提供了高度的可編程性。DG2模式需產生每秒幾十甚至上百兆比特的中高速調制信號，調制信號質量的好壞直接影響地面站能否正常解調。根據(jù)工程經驗，調制信號時鐘的頻率穩(wěn)定度和產生方式、發(fā)射信道輸出端的相位噪聲、調制器I、Q兩路的幅度和相位的平衡性、PN碼的畸變和碼片抖動等都是影響調制信號質量的關鍵因素，是設計和調試時需特別關注的重點。

數(shù)字化的綜合基帶靈活實現(xiàn)了用戶終端多功能綜合的要求，避免了由于溫度、時間、電源、信號電平等變化引起的系統(tǒng)漂移誤差，具有穩(wěn)定度高、精度高、可靠性高和生產性好等優(yōu)點。

4.2 適應大動態(tài)的要求——AGC的使用

系統(tǒng)對用戶終端動態(tài)范圍有不小于50 dB的需求，而為防止強信號引起接收信道過載，保證綜合基帶在整個動態(tài)范圍內正常工作，要求綜合基帶的輸入滿足一定的條件：保證整個動態(tài)范圍內信道工作在線性狀態(tài)；保證弱信號時到A/D輸入端的噪聲不使A/D限幅；保證強信號時到A/D輸入端的信號電平不超過A/D的峰-峰值。使用AGC可以滿足以上要求，實現(xiàn)方法有3種：

(1)在接收信道加AGC。接收信道采用AGC，通過控制信道增益，保證整個動態(tài)內綜合基帶都能正常工作；

(2)在綜合基帶加AGC。綜合基帶采用AGC，通過載波的鎖定與否來控制環(huán)路輸入端的信號電平，保證在整個動態(tài)內送到環(huán)路輸入端的信號電平保持一個相對穩(wěn)定的值，使基帶環(huán)路參數(shù)變化不大，穩(wěn)定工作；

(3)接收信道和綜合基帶均加AGC。先在接收信道采用非相干AGC，將信道輸出信號壓縮到一個相對小的范圍，再通過綜合基帶相干AGC把信號電平控制在一個穩(wěn)定的值上。

比較以上3種方案，方案1由于信道AGC是非相干的，且用戶終端接收信號的信噪比很低，弱信號時AGC控制的是信號加噪聲的電平，因此基帶環(huán)路輸入端的信號電平仍有一定變化范圍，需要綜合基帶電路能適應這種變化，對綜合基帶電路的性能要求較高；方案2是可行的，但增加了基帶電路調試的難度；方案3是折衷的方案，接收信道非相干AGC的采用，減輕了綜合基帶的壓力，使信道增益分配更合理，調試較容易，尤其適用于有小型化要求的星、彈載設備。

AGC的使用不但是必需的，而且還能提高用戶終端的抗干擾性能。

4.3 相參轉發(fā)

(1)鎖相分、倍頻的方案

相參工作由相參本振實現(xiàn)，它由綜合基帶載波環(huán)提取的前向信號的載波作本振的參考信號，通過合理選擇接收信道和發(fā)射信道各路本振的分、倍頻關系和混頻器的極性滿足轉發(fā)比的要求，從而實現(xiàn)用戶終端的相參轉發(fā)。

(2)上、下變頻的方案

在用戶終端方案中引入一個非相參的頻率分量，并在轉發(fā)信號中消去該非相參分量，同時使用直接數(shù)字頻率合成器(DDS)代替晶體壓控振蕩器，使用戶終端轉發(fā)比仍為常數(shù)，靈活地實現(xiàn)相參轉發(fā)。

方案1由于DDS輸出信號經N次倍頻后，其相位截斷雜散分量按20 lgN(dB)增大，倍乘到S頻段其雜散分量增大35 dB以上，在更高的工作頻段如Ku、Ka頻段，影響更大，使系統(tǒng)難以接受。方案2實現(xiàn)方法很靈活，但需精心設計以抵消引入的非相參分量，是一種較好的方案。

4.4 小型化技術

對星、彈載用戶終端，小型化、低功耗和輕重量是基本要求。為實現(xiàn)小型化、輕重量，射頻部分采用微波集成電路實現(xiàn)，綜合基帶部分采用低功耗、超大規(guī)模FPGA、高速微處理器芯片和表面貼裝小型化元件等數(shù)字化技術實現(xiàn)，整機結構采取通用化、系列化、模塊化設計，充分考慮收發(fā)模塊間的電磁隔離及整機散熱，并使單元間的內、外接線相對少且短，使各模塊組合具有相同的截面尺寸，根據(jù)各組合組成模塊的數(shù)量差異，調整其長度尺寸，以達到靈活多變，又能充分利用尺寸空間和進行總體優(yōu)化的目的。采用由鋁板銑削加工出的模塊有利于整機重量的減輕，以及抗振性能、電磁屏蔽及抗輻照能力的提高，并能獲得較高的裝配精度。

5 結束語

本文對中繼衛(wèi)星系統(tǒng)用戶終端的關鍵技術進行了總結和分析，隨著其應用領域的不斷拓寬、電子技術的迅速發(fā)展，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)用戶終端技術總的發(fā)展趨勢是高可靠、長壽命、小型化(體積小、重量輕、低功耗)。應重點研制開發(fā)Ka頻段相控陣天線，以獲得更高的增益和更小的體積、重量，利用FPGA和DSP實現(xiàn)多制式、可編程、全數(shù)字化的多功能綜合基帶；開發(fā)低功耗收發(fā)信機，以提高中繼衛(wèi)星系統(tǒng)用戶終端的可靠性，實現(xiàn)設備通用化、綜合化、小型化，滿足不同用戶的應用需求。

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