S/Ka頻段測控通信系統設計及關鍵技術分析

劉云閣

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

1 引 言

隨著航天技術及其應用的蓬勃發展,建立空間實驗室及進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計劃將陸續啟動,我國載人登月工程也已提上議事日程,這些工程的建設和應用對測控通信系統的數據傳輸速率、測軌精度、抗干擾能力等提出了更高的要求,我國現有測控手段已難以滿足其需求。

(1)空間站工程

現階段空間站工程提出的下行數據速率的需求高達600Mbit/s以上,我國現有的S頻段測控系統已無法滿足這一要求,采用Ka頻段后,可用頻段擴寬到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傳速率達到2Gbit/s,這樣高的數傳速率在今后升級的TDRSS中也是無法完全滿足的,在一些應用場合需要采用天-地“直達”傳輸的Ka頻段測控通信系統[2]。

(3)軍用測控網

Ka頻段帶寬寬、波束窄、空間抗干擾能力強、機動能力好,能夠實現寬帶直擴和混合跳擴頻,有效提高系統抗干擾能力,可成為軍用測控網有效組成部分。

(4)載人登月

我國已規劃“登、駐、用”三步走的登月計劃。陸基S/Ka頻段測控通信設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項目。

利用Ka頻段進行測控具有頻帶寬、抗干擾能力強、測軌精度高、更易機動和隱蔽等特點,又加之利用USB(統一S頻段)地面測控網和TDRSS系統進行測控存在一定的限制,發展新型S/Ka頻段測控通信網將是未來測控通信系統必然的選擇,其原因如下:采用25.5～27GHz工作頻段,可與中繼衛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頻段測控業務,易于實現天地一體化協同工作;頻帶寬,具備1Gbit/s以上的高速數傳能力,并為應用寬帶跳頻、直擴等抗干擾測控體制創造了條件;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。

美國空軍測控網早就提出了Ka頻段測控網的設想,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頻段轉移計劃,建立了Ka頻段地面站進行相關的演示驗證試驗[3]。歐空局的規劃也在由S頻段向X、Ka轉移[1]。文獻[3]給出了NASA試驗系統及相關試驗的報道,但具體技術細節不詳。2006年5月,NASA提出了建設毫米波月地通信主干線用于地月之間大容量通信的規劃[4]。美國現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。國內也逐步開始進行Ka頻段測控通信系統的研究,為兼容現有測控通信系統,系統面臨與天地一體化兼容性設計問題,并需要解決窄波束捕獲跟蹤、Ka頻段信道及功放、高速數據調制解調、擴跳結合測控等關鍵技術。

2 系統總體設計

2.1 系統組成及運行模式

S/Ka頻段地面測控通信系統由S/Ka頻段地面測控通信站、S/Ka頻段用戶終端以及相應的地面網絡組成,基本組成如圖1所示。

在實際應用中可以建設多個S/Ka頻段地面站,實現組網應用。S/Ka頻段測控設備與其它地基S頻段設備及中繼衛星系統一起均是天地一體化測控通信網的測控通信資源,由全網統一的運行管理系統統一進行調度,航天器按使用優先級共同使用天地基資源。

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

S/Ka頻段測控設備在測控通信網運行管理系統的統一調度和管理下運行,要求具備按照運行管理系統統一的協議進行遠程操作配置和自動化運行的能力。

S/Ka頻段測控系統地面站由S/Ka雙頻段天線、S頻段上下行鏈路、Ka頻段上下行鏈路、數傳基帶、測控基帶、監控、時頻及測試標校等設備組成,如圖2所示。

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

地面測控設備在工作頻段允許的情況下,其工作模式應盡量適應現有的測控體制,滿足日益增長的測控任務需求。各工作模式共用智能化綜合基帶設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現。工作模式設計如下:標準TT&C、擴頻TT&C、跳擴結合TT&C、S頻段數傳和Ka頻段數傳。

S/Ka頻段用戶終端包括天饋分機、多模雙頻段應答機、高速數傳模塊三大部分,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,可以工作于地基及天基系統,用戶終端將是實現天地一體化的關鍵環節。

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計

(1)S/Ka頻段測控通信系統地面站和天基中繼衛星系統及現有地基測控通信系統實現部分功能與指標的兼容

S/Ka頻段測控通信系統地面站工作頻段兼容中繼衛星系統星間鏈路工作頻段,其S頻段工作頻段與地基USB測控系統相同;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標準TT&C和擴頻TT&C測控體制相同,可通過終端的設置兼容中繼衛星系統的測距體制。其數傳調制體制兼容中繼衛星系統和地基地面站的調制體制,支持高于中繼衛星系統的數傳碼速率。

(2)系統傳輸協議的兼容

傳輸協議的標準化是實現天/地基測控網兼容的核心,其中包括地面段以及空間段的協議。地面段的信息傳輸采用TCP/IP協議已成為各國航天機構的首選。在空間段的信息傳輸方面可供選擇的協議有多種,這些協議在實現的功能、效率和互操作等方面各有其特點,而最終實現的端到端信息傳輸質量則是各層協議綜合作用的結果。

(3)航天器用戶終端的兼容

除將航天器用戶終端設計為與天基系統應用相同工作頻率外,還要求天線兼容“向上對中繼衛星”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現同時與地基和天基系統建立鏈路等方案。

3 關鍵技術及解決措施

3.1 窄波束天線的角捕獲與跟蹤技術

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目標,這將是一個新的技術難點。

3.1.1 目標的捕獲

解決窄波束天線的捕獲可采取S頻段引導或Ka頻段直接捕獲兩種方案。

(1)方案1:S頻段引導

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,并提供相應的S頻段信標,地面天線用低頻段進行引導,然后再進行Ka頻段天線的跟蹤。根據文獻[5]所述的分析計算方法,以S頻段天線將目標引導至Ka頻段半功率波束寬度以內的3次引導成功概率優于99.6%,滿足測控系統角度引導需求,因此,當航天器同時發射S頻段和Ka頻段信號時,以S頻段寬波束引導Ka頻段窄波束天線實現角度捕獲不失為一種穩妥可行的實現方案。

(2)方案2:Ka頻段直接捕獲

在系統設計上,還需要考慮到一旦S頻段信標出現故障或其它因素造成S頻段信號不可用時,將導致地面天線無法實現捕獲的可能性,因此地面系統還需要具有Ka頻段直接捕獲的手段。

其一是利用小口徑Ka引導天線引導主天線跟蹤的方式,利用較寬波束的Ka引導天線加窄帶環的方式,實現低信噪比狀態下先期捕獲跟蹤目標,再將天線指向引入主天線波束范圍內,該方案的難點在于低信噪比高動態信號的角誤差信號提取。跟蹤接收機設計時采用相干檢波的方法提取角誤差信號,載波環選用三階環,引導信號為單頻信號且引導天線接收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,經過兩次引導可達到99%的引導概率,滿足測控系統角度引導需求。

其二是地面站天線可設計為具有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,將天線指向引導入Ka頻段的窄波束中,該方案設備原理框圖如圖4所示。其中,ACU為天線控制單元,PDU為電源分配單元,ADU為天線驅動單元。

圖4 多波束引導接收機設備原理框圖Fig.4 Composition of multi-beam guiding tracking receiver

其三是采用波束展寬技術設計Ka頻段引導饋源,將天線指向引導入Ka頻段的窄波束中,需要進一步仿真分析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 目標的跟蹤

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

可見,在其它因素不變的前提下,加速度常數越大,動態滯后就越小。采用復合控制技術可有效地提高系統的加速度常數。伺服控制系統原理框圖如圖5所示,采用復合控制技術的原理框圖如圖6所示,圖中W1(S)是控制器的傳遞函數,W2(S)表示包括速度環、電流環、天線結構在內的控制對象的傳遞函數,Wb(S)·W2(S)為前饋補償傳遞函數。

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

圖6 復合控制原理框圖Fig.6 Schematic block diagram of compound servo control system

系統的誤差傳遞函數為

若選擇前饋補償傳遞函數Wb(S)·W2(S)接近于1,可以有效地減小跟蹤誤差。以15 m轉臺式方位俯仰型天線座伺服系統為例,未采用復合控制技術時加速度常數只能達到8,采用復合控制技術后其加速度常數可達到40左右,工程計算時取值為40。

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

3.2 Ka頻段信道及功放技術

地面測控站和用戶終端均需進行Ka頻段的信道設計,其信道設計質量直接影響到地面測控站和用戶終端的工作性能,同時能否提供系統所需的Ka頻段功率決定了系統能否建立正常的空間鏈路,因此,Ka頻段的信道設計以及大功率功放技術至關重要。Ka頻段固態功放的研制采取的技術措施包括功率合成幅相一致性控制、散熱仿真設計等。

Ka頻段信道帶寬將達到1 GHz以上,如何在如此寬的帶寬下保證信道特性滿足系統跳頻測控及高速數據傳輸的需求,是其設計和研制的關鍵。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計中將LNA和D/C兩個模塊合二為一,設計成一個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,降低了本振的實現難度,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實測指標如表1所示。

表1 LNB實測指標Table 1 The specification test result of LNB

3.3 高速數據調制解調技術

建立Ka頻段地面測控網重要目的之一是適應用戶航天器大數據容量和高實時性的數據傳輸要求,目前,TDRSS高速數傳的速率設計要求是300Mbit/s,空間站的數據傳輸速率要求大于600Mbit/s,后續航天器可能有更高的數據傳輸速率要求(高分辨力對地觀測要求達到2 Gbit/s)。要在目前的器件技術水平上,實現如此高速數據的處理是一項技術挑戰。

在系統設計上,要解決高性能Ka頻段寬帶信道,以及極化復用技術的應用等;在設備設計方面的關鍵在于高速A/D、并行處理和信道均衡。A/D采樣是解調器實施各種算法的瓶頸,A/D采樣的質量直接影響解調的質量,其中最關鍵的是A/D采樣的精度和A/D的輸出信噪比,同時應確保高速輸出數據間無串擾。接收機采用高速A/D進行數字化,其速率大大超過了FPGA的處理能力,必須進行并行化,其后的數字處理也相應地要采用并行處理技術。在無線信道中傳輸高速率數據時,碼間干擾被認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。高速數據接收處理原理框圖如圖8所示。

圖8 高速數據接收處理原理框圖Fig.8 Schematic block diagram of high data rate receiver

實測結果表明,該方案可實現1.2 Gbit/s高速數據的接收解調。

3.4 跳/擴結合測控技術

在跳/擴結合測控體制下,擴頻信號由載波頻率跳變的直接序列信號組成,相比單一擴頻,組合擴頻可以把直擴和跳擴的優點結合起來,提供更強的抗干擾性能。擴跳結合模式原理框圖如圖9所示,發端將包含測量信號和信息的偽碼序列直接調制在跳頻載波上發送,測控應答機接收后轉發該信號,接收端完成信號同步解跳后,進行信號的解擴解調,完成測距、測速和信息解調。跳擴結合體制應用于測控領域的主要問題是跳頻破壞了載波相位的連續性,使得相干多普勒測速無法進行;另外,大動態低信噪比條件下組合擴頻信號的快速捕獲和跟蹤也是十分關鍵的技術問題。如果能夠采用DDS來產生跳頻載波,就可以在跳頻點轉換時保持載波相位的連續性,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行引導。

圖9 擴跳結合模式原理框圖Fig.9 Schematic block diagram of FH/DS TT&C system

4 結束語

本文對S/Ka頻段測控通信系統進行了總體設計,分析了系統的關鍵技術,提出了可行的解決方案。為滿足后續工程建設的需要,急需對窄波束的捕獲跟蹤方案進行演示試驗驗證。另外,需要加強Ka頻段大功率功放的研究,對于跳/擴結合的測控體制需要重點研究解決高跳速下信號捕獲跟蹤及跳頻系統高精度測速的問題。隨著各種航天應用的蓬勃發展、系統研究的深入、關鍵技術的突破,我國S/Ka測控通信系統的建設勢在必行,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。

[1]劉嘉興.再論發展Ka頻段測控通信網的思考[J].電訊技術,2008,48(12):90-97.LIU Jia-xing.Rediscussion on the Consideration of Developing Ka TT&C Communication Network[J].Telecommunication Engineering,2008,48(12):90-97.(in Chinese)

[2]Alex T Nguyen,Xiangrong Zhou,Michael Hadjitheodosiou,et al.A direct-to-ground Architecture for Supporting Commercial Communication from the International Space Station[C]//Proceedings of 2002 IEEE International Conference on Communications.New York:IEEE,2002:2989-2993.

[3]張紀生.哥達德航天中心天基、地基測控網的Ka頻段過渡計劃[J].飛行器測控學報,2003,22(1):81-87.ZHANG Ji-sheng.The upgrating scheme toward Ka frequency band of Gold Stone Space Center and TT&C ground station network[J].Journal of Spacecraft TT&C Technology,2003,22(1):81-87.(in Chinese)

[4]2005～2030年NASA空間通信與導航體系結構建議[Z].張紀生,譯.北京:北京跟蹤與通信技術研究所,2007.NASA′s communication and navigation system architecture in years from 2005 to 2030[M].Translated by ZHANG Jisheng.Beijing:Institute of Tracking and Communication Techniques,2007.(in Chinese)

[5]電子工業部第十研究所.統一載波測控系統講義[M].成都:《電訊技術》編輯部,1997:53-54.The 10th Institute of the Ministry of Electronic Industry.Teaching Material for United Carrier TT&C System[M].Chengdu:Telecommunication Engineering Agency,1997:53-54.(in Chinese)

[6]陳芳允.衛星測控手冊[M].北京:科學出版社,1992:232-317.CHEN Fang-yun.Satellite TT&C Manual[M].Beijing:Science Press,1992:232-317.(in Chinese)