衛(wèi)星艙內(nèi)無(wú)線傳輸技術(shù)的應(yīng)用探索

繆鵬飛，司圣平，費(fèi)颶峰

（1.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109；2.上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海 200090）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)航天探測(cè)的需求不斷提高，以遙感和對(duì)地觀測(cè)為主的有效載荷不斷涌現(xiàn)，隨之有效載荷數(shù)量和種類也越來(lái)越多。然而，各有效載荷在星內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布涌诓槐M相同，傳輸速率不同，在進(jìn)行聯(lián)試時(shí)需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)和測(cè)試，這成為衛(wèi)星快速研制的瓶頸。對(duì)于衛(wèi)星平臺(tái)，怎樣有效控制和適應(yīng)日益增多的有效載荷，怎樣對(duì)平臺(tái)進(jìn)行有效管理，一直是亟待解決的問(wèn)題。

現(xiàn)有衛(wèi)星艙內(nèi)各設(shè)備間通過(guò)整星電纜網(wǎng)有線連接，給整星的設(shè)計(jì)和研制帶來(lái)巨大的負(fù)擔(dān)。一方面，整星電纜網(wǎng)在質(zhì)量上給衛(wèi)星帶來(lái)了不可忽視的影響。衛(wèi)星艙中各種功能的單機(jī)數(shù)量眾多，導(dǎo)致連接各單機(jī)的接插件和線纜的質(zhì)量占了相當(dāng)大的比重，約為衛(wèi)星整體質(zhì)量的8%左右。這些電纜的按功能分類，主要包括遙測(cè)遙控、供電、總線、射頻連接、遙感數(shù)據(jù)和星地測(cè)試6 個(gè)部分，以某型號(hào)衛(wèi)星為例，整星總質(zhì)量為2 400 kg，而整星電纜網(wǎng)的質(zhì)量約為180 kg，各功能部分的質(zhì)量大小及所占整星電纜網(wǎng)的比重如圖1 所示。從圖中可以看出，整星電纜網(wǎng)中涉及數(shù)據(jù)通信的遙測(cè)遙控、星載總線、遙感數(shù)據(jù)傳輸功能部分的電纜總質(zhì)量達(dá)到120 kg，占整個(gè)電纜網(wǎng)質(zhì)量的近67%。可以通過(guò)衛(wèi)星艙內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)纜化傳輸，從而能夠?qū)崿F(xiàn)減輕整星電纜網(wǎng)質(zhì)量的目標(biāo)，進(jìn)而減少衛(wèi)星平臺(tái)質(zhì)量，提高衛(wèi)星平臺(tái)的利用率。

另一方面，整星電纜網(wǎng)的復(fù)雜性給衛(wèi)星的快速研制帶來(lái)了困擾，不僅在設(shè)計(jì)上需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力去核對(duì)所有衛(wèi)星產(chǎn)品之間接插件的硬件接點(diǎn)，確保設(shè)備間的信號(hào)連接正確，而且在生產(chǎn)、加工及工藝檢驗(yàn)過(guò)程中也需要投入巨大人力、物力成本。衛(wèi)星艙內(nèi)單機(jī)間的有線連接存在錯(cuò)綜復(fù)雜的連接關(guān)系，對(duì)于一臺(tái)單機(jī)中的某一接插件，與其連接的可能是另外同一臺(tái)單機(jī)的同一個(gè)接插件，也可能是同一臺(tái)單機(jī)的不同接插件，還有可能是不同單機(jī)的不同接插件。此外，衛(wèi)星艙內(nèi)各種功能的單機(jī)根據(jù)其任務(wù)和功能要求，其在衛(wèi)星上的安裝位置也不相同，這就造成一束電纜有長(zhǎng)有短，有粗有細(xì)，特別是現(xiàn)階段衛(wèi)星結(jié)構(gòu)一般都采用分艙設(shè)計(jì)的辦法，有線連接的方式給電纜網(wǎng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的復(fù)雜性，如圖2 所示。

圖2 衛(wèi)星電纜網(wǎng)的布局走線示意Fig.2 Layout and routing of the satellite cable network

另外，整星電纜網(wǎng)一旦設(shè)計(jì)和生產(chǎn)完成，由于受到其連接的產(chǎn)品硬件接點(diǎn)約束，在使用過(guò)程中不能發(fā)生改變，既不能在接插件上增加接點(diǎn)信號(hào)，也不能減少成品電纜束中的連接電纜，靈活性差；對(duì)于不同衛(wèi)星型號(hào)來(lái)說(shuō)，由于受到單機(jī)布局、不同載荷及接插件的影響，整星電纜網(wǎng)更是不能兼容和替代，通用性差；在整星電纜網(wǎng)的安裝與鋪設(shè)過(guò)程中也存在諸多注意事項(xiàng)，避免對(duì)整星電纜網(wǎng)造成損害，例如對(duì)于長(zhǎng)電纜需要進(jìn)行固定，在進(jìn)行接插件插拔過(guò)程中注意插頭尾部電纜不被彎曲，電纜在穿越孔眼或活動(dòng)部位時(shí)注意棱角和銳邊等。這些“機(jī)械性”的特點(diǎn)都給整星的測(cè)試和集成裝配造成了很大的困擾，特別是在電性星及初樣星階段的電測(cè)試過(guò)程中。

隨著ZigBee、Bluetooth、WiFi［1-2］等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及無(wú)線傳感器技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星艙內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［3-7］的研究與應(yīng)用提上日程。然而衛(wèi)星艙內(nèi)的通信環(huán)境與地面開(kāi)闊空間無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)有所不同，衛(wèi)星艙內(nèi)系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，內(nèi)部空間狹小，儀器設(shè)備眾多，系統(tǒng)內(nèi)電纜間、設(shè)備間、電纜與設(shè)備間等各種耦合、交調(diào)及互調(diào)干擾較多，無(wú)線傳輸信號(hào)會(huì)受到因素的多種影響［8-9］，從而使無(wú)線接收端接收到的信號(hào)出現(xiàn)失真，現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)無(wú)法直接應(yīng)用于適用于衛(wèi)星艙內(nèi)無(wú)線通信。因此，本文基于現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)頻率配置及通信干擾在衛(wèi)星艙內(nèi)的應(yīng)用進(jìn)行研究和探索，為最終形成衛(wèi)星艙內(nèi)無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信體系標(biāo)準(zhǔn)打下基礎(chǔ)。

1 應(yīng)用場(chǎng)景

某衛(wèi)星采用SAST3000 衛(wèi)星平臺(tái)，基于載荷應(yīng)用需求，采用無(wú)線通信技術(shù)在衛(wèi)星艙內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，擬設(shè)計(jì)多個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)，由采集接點(diǎn)負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)傳輸?shù)娇刂平狱c(diǎn)，由控制接點(diǎn)組包將數(shù)據(jù)通過(guò)總線傳輸?shù)綌?shù)管計(jì)算機(jī)，通過(guò)下傳通道傳輸?shù)降孛妗Ｆ渲校刂乒?jié)點(diǎn)為局域網(wǎng)中心節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)終端，兩者組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，兩種之間通過(guò)無(wú)線信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

從安全性及可靠性出發(fā)，在方案設(shè)計(jì)中，既有通過(guò)采集節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，又有通過(guò)有線方式采集的數(shù)據(jù)，這樣做的目的主要有兩個(gè)方面：一方面，可以確保艙內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的設(shè)計(jì)得到驗(yàn)證；另一方面，即使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)出現(xiàn)故障，也不影響其他位置微振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的基本設(shè)計(jì)方案如圖3 所示。

圖3 艙內(nèi)無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用Fig.3 Application of the wireless communication technology in satellite cabin

2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)采用一種新型無(wú)線寬帶接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖4 所示，具有自組織、自恢復(fù)、多級(jí)級(jí)聯(lián)、節(jié)點(diǎn)自我管理等職能優(yōu)勢(shì)［10-12］，支持64個(gè)以上節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，采集節(jié)點(diǎn)可擴(kuò)展。因衛(wèi)星艙體間屏蔽效應(yīng)，容易造成無(wú)線信號(hào)的多路徑傳輸。針對(duì)星內(nèi)無(wú)線信道的特點(diǎn)，無(wú)線傳輸系統(tǒng)采用擴(kuò)頻技術(shù)+均衡技術(shù)+Rake接收技術(shù)，用于解決多徑干擾、信道衰落等問(wèn)題。

圖4 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸體系結(jié)構(gòu)Fig.4 Architecture of the wireless network transmission system

2.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

考慮衛(wèi)星艙板的遮擋、衛(wèi)星艙內(nèi)采集點(diǎn)的離散分布，傳輸網(wǎng)絡(luò)擬采用一種無(wú)線寬帶接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)融合無(wú)線局域網(wǎng)和Adhoc 網(wǎng)絡(luò)［13］優(yōu)勢(shì)：1）自組織。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可即時(shí)加入網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，并可連接至其他節(jié)點(diǎn)。2）自愈合。如果網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障或從其拓?fù)湮恢蒙喜鹦叮W(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)適應(yīng)這種改變，即使發(fā)端和接收端之間的鏈接涉及多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)也會(huì)找到從發(fā)端到接收端的新的路由。3）多跳式。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以當(dāng)作路由，都能進(jìn)行接收和發(fā)送信號(hào)，都可以與一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由無(wú)線路由和終端節(jié)點(diǎn)組成［14］，其中，路由節(jié)點(diǎn)在充當(dāng)路由的同時(shí)也具有節(jié)點(diǎn)功能。路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)管蜂窩內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)和時(shí)隙分配，接收蜂窩內(nèi)各子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)采集等。對(duì)于由于屏蔽、遮擋等因素?zé)o法直接無(wú)線傳輸?shù)模扇o(wú)線跳轉(zhuǎn)進(jìn)行中繼組網(wǎng)傳輸，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)線化。

2.2 網(wǎng)絡(luò)頻率配置

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用頻分（FD）+時(shí)分（TD）組合的方式實(shí)現(xiàn)，整個(gè)頻帶劃分3 個(gè)獨(dú)立通道，各蜂窩共用一個(gè)頻率通道，路由節(jié)點(diǎn)與主控制節(jié)點(diǎn)共用一個(gè)通道，每一個(gè)蜂窩內(nèi)部采用時(shí)分模式，各個(gè)蜂窩之間也采用時(shí)分方式。各蜂窩路由與主控節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)無(wú)線方式連接。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)初步設(shè)計(jì)92 MHz 帶寬，通道帶寬為26 MHz，通道間隔為6 MHz，共分12 個(gè)通道（通道之間有交疊），其中3 個(gè)完全獨(dú)立通道，這樣便于組網(wǎng)拓展，如圖5 所示。

圖5 信道頻率劃分Fig.5 Division of the channel frequency

2.3 抗干擾設(shè)計(jì)

針對(duì)多徑干擾，在WiFi 通信技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了頻域均衡技術(shù)和Rake 接收等技術(shù)，使無(wú)線傳輸系統(tǒng)方案在抗干擾性能方面要優(yōu)于WiFi 技術(shù)。考慮小型化設(shè)計(jì)，區(qū)別于傳統(tǒng)Rake 接收機(jī)增加分支數(shù)目的方法來(lái)提高系統(tǒng)性能，而是利用均衡技術(shù)，在消除ISI 的同時(shí)也降低了Rake 接收機(jī)的分支數(shù)目，從而可以降低系統(tǒng)復(fù)雜度，減少硬件規(guī)模。目前，該技術(shù)已在彈載數(shù)據(jù)鏈中得到成功應(yīng)用。

借鑒802.11g［15］無(wú)線局域網(wǎng)物理層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，擴(kuò)頻序列擬采用13 位barker 碼，信道帶寬最大為13 Mbit/s，針對(duì)衛(wèi)星艙內(nèi)無(wú)線傳輸場(chǎng)景分析，由于直達(dá)波通信距離較近，反射波是經(jīng)過(guò)多次反射后到達(dá)接收機(jī)的。因此，反射波傳輸距離遠(yuǎn)大于直達(dá)波傳輸距離，也即是其傳輸時(shí)延大于碼片速率，通過(guò)采用自相關(guān)非常好的擴(kuò)頻序列barker 碼，并以非整數(shù)倍采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)窄帶相關(guān)技術(shù)（相關(guān)間距小于1個(gè)chip），分離出多徑信號(hào)。最后，利用Rake 接收機(jī)把分離出來(lái)的多經(jīng)信號(hào)累加起來(lái)，從而克服了多徑效應(yīng)，也提高了接收信號(hào)的信噪比（SNR），改善了通信性能。以下針對(duì)片內(nèi)多徑信道、片外多徑信道及混合片內(nèi)外多徑3 種情況的誤碼率（BER）開(kāi)展了性能仿真。

片外多徑信道下誤碼率隨信噪比變化情況如圖6 所示。在沒(méi)有任何措施下的QPSK，隨著信噪比的增大，誤碼率維持在較高的數(shù)值下，導(dǎo)致信號(hào)幾乎無(wú)法正確解調(diào)。在片外多徑信道中，增加了均衡措施后，QPSK 信號(hào)從信噪比為10 dB 開(kāi)始，誤碼率緩慢下降，雖有降低但不明顯，在該基礎(chǔ)上加入了CDMA 擴(kuò)頻措施后，誤碼率開(kāi)始明顯下降。隨著均衡、擴(kuò)頻和RS 編碼措施的增加，誤碼率性能得到了顯著的提高，并在信噪比為10 dB 時(shí)誤碼率達(dá)到約10-6。

圖6 片外多徑信道下誤碼率仿真Fig.6 BER simulation for the off-chip in multipath channel

如圖7 所示，沒(méi)有任何措施的QPSK 信號(hào)的誤碼率隨著信噪比的增加基本不變，加入了均衡措施后，誤碼率隨著信噪比的增大逐漸降低，誤碼性能略微提升。并且，在同時(shí)加入了均衡和擴(kuò)頻措施后，誤碼率有了更大幅度的降低。隨著均衡、擴(kuò)頻和RS 編碼措施的增加，在信噪比逐漸增大的同時(shí)，誤碼率有了快速而顯著的下降，并于信噪比約為14 dB 時(shí)達(dá)到最低值，誤碼性能顯著提升。

混合片內(nèi)片外多徑的誤碼率仿真結(jié)果如圖8 所示。在沒(méi)有任何措施下，QPSK 信號(hào)的誤碼率隨著信噪比的增大維持在較高數(shù)值。加入均衡措施后，誤碼率隨著信噪比的增加有了一定幅度的下降。在以上基礎(chǔ)上增加擴(kuò)頻措施，誤碼率在信噪比為-10 dB 到17 dB 范圍內(nèi)大幅度下降，并于之后呈穩(wěn)定態(tài)勢(shì)。隨著均衡、擴(kuò)頻和RS 編碼措施的增加，誤碼率從信噪比為-5 dB 開(kāi)始呈線性函數(shù)式顯著下降，并于信噪比為6 dB 時(shí)達(dá)到最低值約10-4.7。相比于混合片內(nèi)片外多徑信道誤碼率優(yōu)化結(jié)果，片內(nèi)或者片外多徑信道下誤碼性能的提升更為顯著。

圖7 片內(nèi)多徑信道下誤碼率仿真Fig.7 BER simulation for the in-chip in multipath channel

圖8 片內(nèi)片外多徑信道下誤碼率仿真Fig.8 BER simulation for the hybrid chip in multipath channel

3 測(cè)試與驗(yàn)證

在衛(wèi)星艙內(nèi)大多數(shù)情況下，任意兩點(diǎn)都可以進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，只有處于相互對(duì)立面的極個(gè)別情況下，會(huì)出現(xiàn)由于遮擋和屏蔽造成傳輸誤碼，在這種情況下只需要通過(guò)多跳方式進(jìn)行中繼就可以解決遮擋等類似問(wèn)題。通過(guò)在結(jié)構(gòu)星的試驗(yàn)驗(yàn)證，可以初步認(rèn)為采用擴(kuò)頻技術(shù)+均衡技術(shù)+Rake 技術(shù)的無(wú)線傳輸系統(tǒng)是可以滿足衛(wèi)星艙內(nèi)環(huán)境下無(wú)線傳輸要求的，本次數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)的位置布局如圖9 所示。

圖9 中艙內(nèi)采集節(jié)點(diǎn)與控制傳輸節(jié)點(diǎn)由一段蜂窩板隔開(kāi)，測(cè)試過(guò)程中艙板全部封閉。對(duì)經(jīng)無(wú)線采集單元采集的遙感數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，3 個(gè)通道（X、Y、Z）持續(xù)時(shí)間約為38.6 s 振動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行去除直流分量得到振動(dòng)時(shí)域圖，再進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）得到頻譜圖，結(jié)果如圖10～圖12 所示。

圖9 控制節(jié)點(diǎn)與采集節(jié)點(diǎn)位置布局Fig.9 Position layout of the control nodes and acquisition nodes

圖10 X 方向振動(dòng)頻譜圖Fig.10 Vibration spectrum in theX-direction

圖11 Y 方向振動(dòng)頻譜圖Fig.11 Vibration spectrum in theY-direction

圖12 Z 方向振動(dòng)頻譜圖Fig.12 Vibration spectrum in theZ-direction

經(jīng)過(guò)在某型號(hào)的試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：艙內(nèi)采集節(jié)點(diǎn)與控制傳輸節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信正確，鏈路通暢，無(wú)線通信功能得到驗(yàn)證。

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線傳輸系統(tǒng)屬于有中心的節(jié)點(diǎn)的局域網(wǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中控制節(jié)點(diǎn)為局域網(wǎng)中心節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)終端。在此次試驗(yàn)中，本無(wú)線局域網(wǎng)傳輸僅限1 個(gè)控制傳輸節(jié)點(diǎn)和1 個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)形式，但系統(tǒng)方案兼顧支持多點(diǎn)組網(wǎng)應(yīng)用。在后續(xù)的應(yīng)用與試驗(yàn)中，將逐步擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)形式，形成多點(diǎn)間信息傳輸應(yīng)用。此外，在得到充分的在軌飛行驗(yàn)證后，可以對(duì)軟件進(jìn)行固化，形成基于FPGA的IPCore 或標(biāo)準(zhǔn)軟件庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理層和MAC 層的ASIC 集成設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星艙內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)化的目標(biāo)。