低軌衛星高動態特性對星地數據傳輸影響分析研究?

方 科 劉景元 景新攀

（1.中國電子科技集團公司第十研究所 成都 610036）（2.中國人民解放軍61096部隊 北京 100094）

1 引言

星地高速數據傳輸主要通過高速數傳接收機對星地間寬帶信號進行接收解調與數據處理，實現星地高速數據傳輸與獲取，在遙感、通信等衛星應用中得到廣泛應用。然而根據衛星應用的不同領域，各類衛星有不同的軌道高度和動態特性，尤其是低軌衛星由于其在相對低的軌道上繞地球運行，相對于地面站位置有更高的速度以及速度變化特性［1～2］。這種星地相對高速運動的狀態（加速度和加加速度）會導致低軌衛星下行信號具有一階、二階甚至更高階的多普勒變化特性，加大了高速數傳接收機對衛星信號進行捕獲跟蹤的難度，甚至造成無法完成同步的問題，這對高速數傳接收機提出了更高的動態適應性要求。因此，研究低軌衛星高動態特性（即大頻偏及其各階變化率）對于高速數傳的影響分析，對于改進高動態環境下的衛星數傳信號載波同步設計、低軌衛星高速數據接收通道的建立至關重要。

2 高動態對高速數傳的影響分析

2.1 機理分析

衛星高動態特性主要與衛星和地面站相對運動速度有關，也與衛星的實際軌道高度、地面站位置等物理環境有關［3］。以地面站為第一視角看衛星，最大的正多普勒頻移是出現在衛星剛從地平面升起時；最大的負多普勒頻移是出現在衛星從地平面消失時。而當衛星過頂，即位于地面站正上方時，高速數傳接收機接收信號中帶有多普勒動態的一階加速度和二階加速度最大。

目前的高速數傳接收機大多采用全數字解調技術，從中頻信號接收采樣到基帶數據解調完成同步組幀，需要經歷載波環路、位同步、自適應均衡、幀同步等信號處理流程，在高動態場景下，衛星信號高動態特性對于高速數傳的影響直接反映到載波環路模塊，此時的載波同步可看作是對相位、頻率和頻率一階變化率及二階變化率的聯合估計。高速數傳接收機通常采用三階環的載波環路設計［4～5］，具體如圖1所示.

圖1 載波環路設計

接收到的衛星中頻信號采樣后先要乘以本地相干載波輸出基帶數據［6］。鑒相器提取輸入信號與本地頻率的誤差，與載波多普勒跟蹤范圍相比，鑒相器的工作頻率要高得多（一般為600MHz），為了提高信噪比，采用積分時間為256個工作周期的定窗濾波器進行誤差信號的積分。

利用拉普拉斯終值定理及環路誤差傳遞函數對環路的跟蹤性能進行分析。

拉普拉斯終值定理［7］：

在R固定存在的情況下，調整剩余相差可以通過減小τ1或者增加K進行，但是，三階環的穩定條件更苛刻，單獨修改這兩個參數中的一個可能引起環路穩定性的問題。根據環路帶寬設計公式：

r>1為穩定條件，可見同時減小τ12及增加K可等效為增大環路帶寬BL。

結論：通過增加環路帶寬BL，可減小環路對二階多普勒變化率的剩余相差，提高三階環對二階多普勒變化率的適應能力。

2.2 機理驗證

為進一步驗證機理分析中高動態對于高速數傳環路帶寬的影響，我們分別做了原有6KHz環路帶寬對于多普勒一階變化率（加速度）和對于多普勒二階變化率（加加速度）的適應能力測試。

測試結果表明：原有環路帶寬對于多普勒一階動態的適應能力滿足要求，對多普勒二階變化率的適應力偏臨界，會隨著信噪比降低而下降，當進一步加入信號幅度掃描，原設計環路對多普勒二階動態適應能力將進一步下降。因此要提高對于低軌衛星高動態條件的適應能力，需要對原有環路做設計改進。

表1 多普勒一階變化率（加速度）適應能力測試

表2 多普勒二階變化率（加加速度）適應能力測試

3 設計改進

3.1 載波環路設計改進

環路帶寬作為載波環路設計中最為重要的參數值［8～9］，在高動態環境下要求鎖相環環路帶寬的選擇至少要滿足二階多普勒變化率的要求，但是加大環路帶寬又會引入帶內噪聲，星間通信接收信號微弱，到達高速數傳接收機的信號信噪比低，因此除了適當增加環路濾波器帶寬之外，鑒于高動態環境下輸入信號動態的隨機性和變化性，載波跟蹤環路也需要進行相應調整以適應輸入信號動態的變化［10］。鎖相環的跟蹤性能是與環路帶寬參數緊密相關，在一般的低動態或無動態應用環境中，由于輸入信號的動態特性在較長時間內基本恒定，環路濾波器系數可預先設計好并且固定不變［11］，而在高動態環境下，要想使環路達到最優的跟蹤性能，環路參數需根據輸入信號的改變而做相應的調整［12］。

原結構固定了積分清零濾波器的積分時間，限制了環路帶寬的靈活性。因此將固定階數的積分清零濾波器改為可變階數的濾波器，積分時間由外部參數控制。這樣既可通過減小環路積分清零濾波器的積分時間Tu，在滿足穩定性前提下（BlTu≤0.05）增加環路帶寬Bl，實現對大動態信號的捕獲，亦可采用原積分時間，確保環路對低信噪比信號的接收能力。

圖2 三階環路設計改進示意圖

3.2 改進效果

通過實施上述增加環路帶寬和提高環路參數更新速率的更改措施，在滿足原有載波捕獲門限的前提下經實際測試，更改后的環路帶寬為22KHz（見圖3），遠大于原有6KHz的環路帶寬，對二階多普勒的動態適應能力最高可達到200Hz/s2。

圖3 環路帶寬測試

我們在實際收星測試中對更改前后的載波環路設計做了進一步比對驗證，高速數傳接收機的接收解調通道1保持原有環路設計參數，接收解調通道2采用更改后的環路設計參數。接入同一個衛星下行信號后，對比兩個通道的接收看出，修改環路帶寬后，幀同步可以鎖定，設備正常工作。對比驗證結果如圖4所示。

圖4 實際收星測試的對比驗證結果

4 結語

本文通過機理分析和針對性的測試發現，信噪比越高，三階環帶寬越寬，對于低軌衛星接收信號的多普勒動態適應能力越強。通過增大環路帶寬和提高環路參數更新速率，來改進高動態環境下的衛星數傳信號載波同步設計，可實現穩定接收高動態低軌衛星下行信號，具有一定的工程應用價值。