抗多徑效應的全范圍多員出艙通信方法

龍吟 王巖 王悅 黃克武 崔久鵬 劉超 程偉

(1 中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094)(2 山東航天電子技術研究所，山東煙臺 264670)

隨著載人航天任務的蓬勃發展，出艙活動成為人類零距離探索太空的支撐技術。其中，出艙通信技術，即航天員進行出艙活動時與載人航天器之間進行信息交互的技術[1]，是關鍵技術之一。隨著航天技術的發展和航天任務復雜度的不斷提高，未來空間站任務、載人登月任務涉及的出艙活動，面臨多人出艙、活動范圍廣、通信帶寬增加的需求，以及由于載人航天器體積與造型復雜度的增加導致的信號遮蔽、反射、繞射帶來的多徑效應、通信“死角”問題。

目前，只有美國、俄羅斯和中國掌握了出艙通信技術。由美國和俄羅斯參與建造的“國際空間站”，采用時分多址(TDMA)的通信體制率先實現了多人出艙通信[2]，具有抗多徑效應、通信速率高的優點，但同時具有發射功率高、通信效率低的缺點。國內的神舟七號任務[3-7]，通過采用臍帶通信的有線通信方法和基于頻分多址(FDMA)通信體制的無線通信方法，分別實現了單人出艙的通信任務。臍帶通信雖然具有可靠性高、抗干擾能力強的優點，但由于長度的限制，不適用于大范圍的出艙活動任務。采用FDMA通信體制的通信方法，具有可靠性高的優點，但是在頻率資源有限的前提下，一般僅支持點對點的全雙工實時通信，不適用于多人出艙的任務需求。

為滿足我國未來出艙活動任務的需求，本文提出一種全范圍多員出艙通信方法，以解決傳統出艙通信方法帶來的僅支持點對點、抗多徑性能差、通信效率低的問題，可實現多人出艙通信和出艙活動的大范圍測控覆蓋、通信鏈路高穩定性。

1 出艙通信方法

一般，出艙通信系統包括出艙通信處理器、出艙通信天線、艙外服天線和無線通信機。航天員通過無線通信機和艙外服天線，以無線的方式與位于載人航天器內部的出艙通信處理器進行雙向通信，通信的內容涵蓋語音、遙測、控制等信息。

傳統的出艙通信方法，主要包括單天線出艙通信方法和多天線出艙通信方法。其中：單天線出艙通信方法僅通過單副出艙通信天線完成出艙通信，通信的角度范圍受天線主瓣的限制，通信體制一般采用FDMA。多天線出艙通信方法通過多副出艙通信天線完成出艙通信，通信的角度范圍大大增加，根據配置天線的數量一般可以實現360°全范圍覆蓋，但是仍然存在通信質量受多徑效應影響的問題；通信體制一般采用頻分雙工體制(FDD)和直擴碼分多址(DS-CDMA)體制。

本文提出的出艙通信方法可解決上述問題，其具體步驟為：

(1)系統配置，包括出艙通信天線組陣設計，以及沿用多天線出艙通信方法的FDD和DS-CDMA通信體制。

(2)前向鏈路通信，采用時間分集技術。載人航天器利用多副天線錯時發送前向鏈路數據，出艙航天員通過在相關長度范圍內進行滑窗相關尋找前向信號功率的相關峰值，并且在峰值前后的錯時時間范圍內找到剩余峰值，根據峰值判決門限完成前向鏈路信號的最大比合并。

(3)返向鏈路通信，采用空間分集技術。載人航天器利用多副天線同時接收出艙航天員的返向鏈路數據，通過滑窗相關找到所有天線接收的返向信號功率的相關峰值，并且根據峰值判決門限進行最大比合并。

系統配置首先執行，然后，前向鏈路通信和返向鏈路通信并行執行。前向鏈路通信和返向鏈路通信的流程如圖1所示。

圖1 出艙通信流程Fig.1 Flow of extravehicular communications

1.1 系統配置

1)出艙通信天線組陣設計

由于艙壁遮擋、天線方向圖的主瓣帶寬等限制，單副出艙通信天線無法與來自后方的無線通信機實現出艙通信，也就無法實現出艙活動相對于載人航天器360°范圍的全覆蓋。本文方法對出艙通信天線進行組陣設計，在載人航天器艙壁一周等間隔安裝k副出艙通信天線。k副天線彼此間隔360°/k，每副天線分別通過穿艙高頻電纜連接到位于載人航天器內部的出艙通信處理器，均能實現收發共用。通過這種設計，能實現360°范圍的通信覆蓋，可大大提升出艙通信的活動范圍。出艙通信天線布局如圖2所示，出艙通信天線連接如圖3所示。

2)FDD和DS-CDMA通信體制

出艙任務要求支持多名航天員出艙活動，出艙通信系統通過FDD體制實現前向和返向鏈路的雙向實時通信，通過DS-CDMA體制[8]實現頻域及時域共享，解決多名航天員同時通信的需求。以3人出艙任務為例，前向鏈路采用3組擴頻碼，實現載人航天器與3名航天員的前向鏈路同時通信。返向鏈路采用3組擴頻碼，實現3名航天員與載人航天器的返向鏈路同時通信。出艙通信系統總計使用6套擴頻碼組。物理層數據幀結構如圖4所示。

圖2 出艙通信天線布局示意

圖3 出艙通信天線連接示意

圖4 數據幀結構Fig.4 Data frame format

從圖4可以看出：卷積前幀格式，包含幀同步字、話音數據、業務數據、幀計數、幀尾、預留等字段；卷積后擴頻前幀格式，包括卷積前幀數據以及循環冗余碼校驗(CRC)數據。相對于多天線出艙通信方法，本文出艙通信方法增加了業務信道，包括傳輸用戶數據、導頻符號和功率控制符號。

1.2 采用時間分集技術的前向鏈路通信

出艙通信采用多天線組陣布局方案，保證360°全覆蓋。前向鏈路通信過程中，如果采用多天線同時發送，無線通信機由于接收的多信號相移不同，導致信號非正向疊加，造成無線通信機的接收性能下降，嚴重影響出艙通信的質量。采用擴頻碼用于區分射頻通道1～k，可以避免上述問題，但會使無線通信機復雜度成倍增加，無線通信機必須具備進行k路射頻通道信號解析的能力。由于前向鏈路信號經過擴頻后，碼片之間具有非相關性，即經過固定碼片間隔延遲的前向擴頻信號的衰落互不相關，利用這一特性，可以構成時間分集[9-10]。因此，本文在前向鏈路通信中采用時間分集技術。

載人航天器采用錯時發送體制，即將同一個擴頻調制后的射頻信號S(t)，分別通過k路射頻通道(出艙通信天線1，2，…，k)錯時發送，每個射頻通道相差n個碼片時間，k個射頻通道彼此之間最大相差(k-1)n個碼片時間。無線通信機對接收的k路信號通過滑窗相關尋找峰值。設置相關長度為幀長L的整數倍b，采用逐比特的滑位相關，找到大于門限值的峰值a1。然后，在峰值相鄰的前后(k-1)n個碼片之間，找到另外(k-1)個峰值a2，a3，…，ak。無線通信機根據功率相關峰值是否通過門限，決定前向鏈路信號的合并路數，產生合并增益，提升前向鏈路通信的可靠性，見圖5，其中，S(t)表示擴頻調制后的射頻信號。通過采用時間分集技術，航天員出艙活動的任何位置均可以穩定建立通信鏈路，并且保證移動過程中通信不會中斷，解決通信死角問題。

圖5 時間分集技術Fig.5 Technology of time diversity

1.3 采用空間分集技術的返向鏈路通信

在返向鏈路通信的過程中，采用空間分集技術，如圖6所示。

圖6 空間分集技術Fig.6 Technology of space diversity

載人航天器的多副天線分別接收到無線通信機的返向鏈路信號。利用出艙通信天線不同布局收到的返向鏈路信號衰落的獨立性，實現抗衰落的功能。出艙通信處理器存儲各用戶的返向同步碼，分別在接收序列中滑窗相關，獲取峰值。①利用3個用戶規定幀長的窗口，在接收信號序列中滑動。②在指定相關時間內獲取峰值，并根據相關序列擺放的位置獲取數據信息。③將不同天線數據根據同步序列峰值進行最大比合并[11]。

2 仿真分析

仿真場景設計為：出艙通信天線選用準全向天線，天線主瓣覆蓋范圍為±80°，出艙通信天線的數量設置為3，按照120°等間隔分布。通信體制為DS-CDMA，擴頻因子設置為16，發射信號通過3副天線依次錯時發送，每條路徑延遲1個碼元。分別對本文出艙通信方法，以及傳統的三天線、單天線出艙通信方法進行仿真驗證，仿真結果見圖7。仿真結果表明：采用本文出艙通信方法的誤碼率為10-5時，對應的信噪比(Eb/N0)為8.7 dB；誤碼率相同時，三天線出艙通信方法對應的信噪比為9.8 dB，單天線出艙通信方法對應的信噪比13.2 dB。可見，本文出艙通信方法比三天線出艙通信方法的性能優化1.1 dB，比單天線出艙通信方法的性能優化4.5 dB。

對出艙通信的覆蓋范圍進行分析，覆蓋范圍分為角度覆蓋范圍和距離覆蓋范圍。使用相同的出艙通信天線，分別對上述3種出艙通信方法的覆蓋范圍進行分析，如表1所示。單天線出艙通信方法的角度覆蓋范圍為160°，三天線出艙通信方法和本文出艙通信方法的角度覆蓋范圍均為360°。在發射功率、接收靈敏度和誤碼率指標一致的前提下，單天線出艙通信方法的距離覆蓋范圍均為50 m，三天線出艙通信方法的距離覆蓋范圍為74 m，本文出艙通信方法的距離覆蓋范圍為84 m。可見，全范圍多員出艙通信方法比傳統的單天線及三天線出艙通信方法擴大了通信覆蓋范圍。

圖7 仿真結果Fig.7 Simulation results

出艙通信方法角度覆蓋范圍/(°)距離覆蓋范圍/m單天線出艙通信方法16050三天線出艙通信方法36074本文出艙通信方法36084

3 結束語

本文提出一種全范圍多員出艙通信方法，通過在載人航天器艙壁均勻布置多副收發一體的出艙通信天線，實現載人航天器與多名出艙航天員的實時雙工通信。全范圍多員出艙通信方法利用多天線組陣設計，實現出艙通信的全范圍覆蓋。前向鏈路通信采用錯時發送的時間分集技術，出艙航天員通過分集接收再合并的方式，能顯著提高接收增益。返向鏈路通信采用多天線的空間分集技術，通過相關再合并的方式，獲得合并增益。與傳統出艙通信方法相比，本文出艙通信方法具有高測控覆蓋率、高效率、高信噪比的優勢，能解決多徑效應帶來的信道惡化問題，可為未來出艙通信任務設計提供參考。

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