CubeSat通信子系統綜述

唐子行，陳錫煉，何雨竹，余 翔

（重慶郵電大學，重慶 400065）

1 CubeSat簡介

CubeSat是目前甚小型衛星技術的主流技術之一，以低軌道衛星為主，相較于傳統衛星，CubeSat具有體積小，研發周期短，成本低等優點，廣泛應用于低軌道的空間探測任務以及技術驗證[1]。

CubeSat是在1999年由斯坦福大學提出的一種新概念的皮衛星規范，尺寸為10cm×10cm×10cm，質量約為1.33kg的1U立方體納衛星。根據任務的需要，可將立方體衛星擴展為二單元，三單元，甚至六單元[2]。CubeSat以工業級器件為主研制，通用的工業器件能夠滿足部分應用型航天器的需求，為CubeSat短周期、低成本的研發提供了可行的方案[3]。

由于CubeSat研發周期短、費用低、發射方式靈活等特點，CubeSat符合空間應用發展的趨勢，易于組網。一般可多星搭載發射，易于組成衛星星座，可用于完成分布式衛星協同工作，如通信衛星星座、遙感衛星星座等[3]。典型項目QB50計劃采用50顆2U CubeSat組成空間網絡，用于對低層大氣實現多點在軌測量，同時在星座中開展衛星再入大氣層過程的一些相關研究[4]。

CubeSat系統主要是由通信系統，結構熱控系統，星務系統，姿態控制系統，電源系統等子系統組成。通信子系統是CubeSat最重要的系統之一，確保衛星與地面之間可以建立可靠有效的連接，實現指令、數據的傳輸，17%的衛星項目失敗是由于通信系統出現問題而造成的[5]。

2 CubeSat通信系統

CubeSat通信子系統作為CubeSat系統中最為重要的系統之一，承擔著建立星地連接，實現可靠傳輸的責任。由于CubeSat本身體積限制，電池容量有限，星上通信系統的發射功率一般均不超過2W，如ISIS為CubeSat設計的UHF/VHF收發機發射功率僅達0.2W[6]。

CubeSat通信系統大多工作在VHF/UHF業余頻段，數據率為1.2kbps與9.6kbps。部分CubeSat會搭載S或X波段的通信系統，可進行高速傳輸遙測數據。CubeSat除任務數據傳輸外，還會定時發射信標信息，多數CubeSat采用星上已有的通信系統直接傳輸，少部分開發者會制定單獨的一套通信系統。

由于衛星通信的特殊性，在追求一定有效性的同時，還需要保證衛星在軌通信的可靠性，另外還應該考慮CubeSat的低功耗限制。在VHF/UHF頻段，開發者通常采用BPSK、AFSK以及GMSK調制方式，在S或X頻段多采用跳頻方式[1]。通過MATLAB仿真可以看出，在相同信噪比的情況下，BPSK調制可以實現更低的誤碼率傳輸，更加適合于發射功率有限，對信道要求高的星地下行鏈路。而上行通信多采用AFSK調制方式，適合于不受發射功率限制的地面站。由于考慮到我國的空間發射環境以及系統成本，在滿足通信需求的前提下多采用V/U收發模式，即上行鏈路工作在VHF頻段，下行鏈路工作在UHF頻段。星上一般采用全向天線進行星地通信，以降低對姿態控制的要求，而地面站通常會采用方向性較好的天線，如八木天線。另外，星間通信采用S波段，高增益天線居多，以實現星間數據的快速傳輸。

圖1 誤碼率比較

對于CubeSat開發者來說，收發信機解決方案可分為三種[7]，第一種是直接采用用于航天器的商業器件（COTS），開發難度低，通信質量可靠，價格高。第二種是使用其他商用通信模塊，需要修改結構，增加防護罩，甚至聯系制造廠家，成本相對較低。最后一種則是自主設計研發，難度系數高，可以更好適應個體需求，如南理工自主研發的低功耗高靈敏度收發機，接收機靈敏度可達-106.6dBm，接收狀態下系統功耗僅為0.22W[8]。經相關調研了解到，多數開發者均采用了AX.25協議，該協議包含物理層、數據鏈路層結構，適用于較簡單的單星通信，而多星通信需采用更加復雜，且包含網絡路由的通信協議。

隨著數字技術的發展，星載通信模塊逐漸向著數字化發展，SDR利用數字信號處理（DSP）技術，實現盡可能地用軟件定義和實現無線通信的功能，如：上下變頻、調制解調、編解碼、加解密、多址等[9]。但由于多數功能都由軟件實現，易受到太空單粒子效應影響，因此SDR不如傳統硬件收發機穩定性高，提高單板的抗粒子效應能力也將是未來的一個研究方向。

3 通信子系統框架

在CubeSat項目開發中，通常采用如圖2的通信子系統框架[10]。MCU （Micro Controller Unit）作為通信子系統的控制單元，具備與星上其他子系統通信、編解碼、控制收發模式、控制發射功率等功能。另外，收發機接收到遙控指令后，先交由MCU處理后，再由MCU控制系統做出響應。

收發機模塊由低噪放、高功放、編解碼器以及HF開關構成，當位于接收狀態時，信號從天線接收后經過低功率放大器，再由收發機提取出有用信號后交由MCU處理，發射狀態下信號處理過程與接收狀態相反，且信號通過高功率放大器。

通信系統的上下行鏈路，以及信標信號以半雙工的通信模式共同使用一條數據鏈路，由MCU負責控制切換HF開關，選擇射頻信號通道，該通信方式具有尺寸小、功耗低、系統復雜度低的優點。稍復雜的通信子系統可能會采用單獨的信標板傳輸信標信號，且上下行鏈路使用不同的頻率，但同時這也會對尺寸、功耗等提出更高要求。

圖2 通信子系統框圖

CubeSat通信子系統與其他子系統采用I2C總線連接，是CubeSat上最主要的通信總線，收發機與MCU采用SPI總線連接，用于配置收發機以及數據交換。

圖3 MCU框圖

4 未來研究方向

4.1 組網

隨著CubeSat研究不斷地進展，雖然CubeSats已經成為一個可行的太空平臺，但依然存在衛星與地面站無法持續通信的問題。科學載荷的不斷變化使得CubeSat的星上存儲功能難以滿足巨大數據量的存儲需求，因此考慮采用組網方式間接傳輸信息。相較于建立成本過高的地面站網絡，CubeSat組網具有研發周期短、費用低、傳輸速率高等特點，可以提供更有效、更低成本的通信網絡[11]。據相應研究表明，CubeSat星群對通信設施薄弱的極地地區也可以實現較好的覆蓋表現[12]。

4.2 星上天線

在通信系統中天線設計是非常重要的一個環節，根據第二部分的敘述，星上天線多采用工作于VHF/UHF的單極天線天線與偶極天線，以較低的數據率換取通信的可靠性。因此為了提高星間通信速率，設計一個高增益的定向天線是具有一定應用價值的。如印度的星上貼片天線，采用緊湊的天線陣列結構，工作于2.46GHz，可提供9.6dB的增益[5]。