劉云閣，胡建平

（中國電子科技集團公司第十研究所，成都610036）

1 引言

隨著我國航天技術(shù)及其應用的蓬勃發(fā)展，載人空間站、高分辨率對地觀測等計劃已陸續(xù)啟動，這些工程的建設和應用對測控通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率、測軌精度、可靠性等提出了更高的要求，我國現(xiàn)有測控手段已難以滿足需求。

Ka頻段以其良好的資源優(yōu)勢和應用前景成為研究熱點。美國空軍測控網(wǎng)早就提出了Ka頻段測控網(wǎng)的設想[1]，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(zhuǎn)移計劃[2]，建立了Ka頻段地面站進行相關(guān)的演示驗證試驗。又加之利用USB地面測控網(wǎng)和TDRSS系統(tǒng)進行測控存在一定的限制，發(fā)展新型S/Ka頻段測控通信網(wǎng)將是未來測控通信系統(tǒng)一種必然的選擇。其原因如下：

①頻帶寬，國際電聯(lián)規(guī)定Ka下行頻段為25.5GHz～27GHz，具備1Gbps以上的高速數(shù)傳能力；

②頻段高，可提高測軌精度[2]；

③工作頻段與中繼衛(wèi)星的星間鏈路頻段相兼容，有利于實現(xiàn)測控通信系統(tǒng)天地一體化設計。

我國已逐步開始進行Ka頻段測控通信系統(tǒng)的研究。系統(tǒng)面臨的技術(shù)難題包括：天地基測控體制兼容性設計；窄波束天線對高動態(tài)目標的角捕獲與跟蹤；高速數(shù)據(jù)解調(diào)；Ka頻段信道及功放等。

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 系統(tǒng)組成及工作模式

S/Ka頻段測控通信系統(tǒng)由S/Ka頻段測控通信地面站、S/Ka頻段用戶終端以及相應的地面網(wǎng)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(xiàn)組網(wǎng)應用。S/Ka頻段測控設備與其它地基S頻段設備及中繼衛(wèi)星系統(tǒng)一起均是天地一體化測控通信網(wǎng)的測控通信資源，由全網(wǎng)統(tǒng)一的運行管理系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度，航天器按使用優(yōu)先級共同使用天地基資源。

S/Ka頻段測控通信系統(tǒng)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(shù)傳基帶、測控基帶、監(jiān)控、時頻及測試標校等設備組成，組成示意圖見圖2所示。

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(shù)傳模塊三大部份，其組成原理框圖如圖3。用戶終端采用對地及對星兩付天線，在頻段及信號體制、波形上兼容地基及天基系統(tǒng)，可以工作于地基及天基系統(tǒng)，用戶終端將是實現(xiàn)天地一體化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

系統(tǒng)在工作頻段允許的情況下，其工作模式應盡量適應現(xiàn)有的測控體制，并滿足日益增長的測控任務需求。工作模式包括：標準TT&C、擴頻TT&C、跳擴結(jié)合TT&C、S頻段數(shù)傳、Ka頻段數(shù)傳。

圖1 S/Ka頻段測控通信系統(tǒng)及天地一體化應用示意圖

圖2 S/Ka頻段測控通信網(wǎng)地面站設備組成示意圖

2.2 天/地基測控體制兼容性設計

（1）地面站部分功能與指標的兼容

S/Ka頻段測控通信系統(tǒng)地面站和天基中繼衛(wèi)星系統(tǒng)及現(xiàn)有地基測控通信系統(tǒng)實現(xiàn)部分功能與指標的兼容，如上、下行的工作頻段、測控體制、數(shù)傳調(diào)制體制、數(shù)傳碼速率等方面的兼容性。S/Ka頻段測控通信系統(tǒng)地面站工作頻段兼容中繼衛(wèi)星系統(tǒng)星間鏈路工作頻段；其工作體制與地基測控系統(tǒng)標準TT&C和擴頻TT&C測控體制相同，通過終端的設置兼容中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的測距體制；其數(shù)傳調(diào)制體制兼容中繼衛(wèi)星系統(tǒng)和地基地面站的調(diào)制體制，支持高于中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)傳碼速率。

（2）系統(tǒng)傳輸協(xié)議的兼容

傳輸協(xié)議的標準化是實現(xiàn)天/地基測控網(wǎng)兼容的核心，其中包括地面段以及空間段的協(xié)議。地面段的信息傳輸采用TCP/IP協(xié)議已成為各國航天機構(gòu)的首選。在空間段的信息傳輸方面可供選擇的協(xié)議有多種：基于CCSDS的協(xié)議體系；基于地面商業(yè)標準的協(xié)議體系；將CCSDS與商業(yè)標準結(jié)合的協(xié)議體系；支持未來行星際互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議體系。IP over CCSDS Space Links協(xié)議是目前研究的熱點。這些協(xié)議在實現(xiàn)的功能、效率和互操作等方面各有其特點，而最終實現(xiàn)的端到端信息傳輸質(zhì)量則是各層協(xié)議綜合作用的結(jié)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(tǒng)應用相同工作頻率外，還要求天線兼容“向上對中繼衛(wèi)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(xiàn)同時與地基和天基系統(tǒng)建立鏈路等方案。航天器用戶終端的兼容是實現(xiàn)天地一體化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

航天器用戶終端的兼容包含了頻段的兼容和信號體制的兼容兩個方面的內(nèi)容。頻段的兼容可以在頻段上與系統(tǒng)要求保持一致，但終端的頻點需要具有一定的可設置能力，以滿足天基與地基不同頻點的應用模式，即具有射頻可重組功能；用戶終端適應的信號體制要與天地基系統(tǒng)保持一定的兼容性，但由于不同任務的需要，對于同一個用戶終端對天基或?qū)Φ鼗到y(tǒng)的幀格式等可能會有所變化，可通過終端軟件的動態(tài)加載方式來適應天地基的應用，這一技術(shù)已是可實現(xiàn)的。

圖3 S/Ka頻段用戶終端組成框圖

2.3 天地鏈路能力分析

考慮用戶航天器的軌道高度約為400km，地面站天線仰角3°時，空地鏈路最大徑向距離約為2000km。用戶航天器S頻段對地天線采用賦形天線，用于中低速數(shù)據(jù)速率（150kbps及1Mbps）收發(fā)，增益大于0dBi。

用戶航天器Ka頻段高速數(shù)傳對地天線采用相控陣或自跟蹤定向天線用于高中低速數(shù)據(jù)速率（返向最高速率1.2Gbps）收發(fā)，其發(fā)射增益假設為大于30dBi，接收增益暫考慮為10dBi。初步考慮用戶航天器Ka頻段發(fā)射功率為20W（13dBW），S頻段發(fā)射功率為1W，低噪聲場放噪聲系數(shù)3dB。

在給定用戶航天器對地天線的假設參數(shù)下，地面測控設備采用15m天線以及相應的場放和功放時，經(jīng)分析計算G/T和ERIP設計值滿足用戶要求的上、下行鏈路電平需求。Ka頻段上行鏈路的余量可以有效地克服這一上行頻率范圍在天地鏈路中較大的大氣及水蒸汽損耗。

對于工作于其它軌道高度的用戶航天器，可以通過增加用戶終端發(fā)射功率、采用高效編譯碼技術(shù)、提高天線增益等方式來滿足傳輸鏈路的需求。

3 關(guān)鍵技術(shù)及解決措施

3.1 窄波束天線的角捕獲與跟蹤技術(shù)

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）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(jù)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(nèi)的三次引導成功概率優(yōu)于99.6%，滿足測控系統(tǒng)角度引導需求，因此，當航天器同時發(fā)射S頻段、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(xiàn)角度捕獲不失為一種穩(wěn)妥可行的實現(xiàn)方案。

（2）Ka頻段直接捕獲

在系統(tǒng)設計上，還需要考慮到一旦S頻段信標出現(xiàn)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(xiàn)捕獲的可能性，因此地面系統(tǒng)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(huán)的方式，實現(xiàn)低信噪比狀態(tài)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(nèi)，該方案的難點在于低信噪比高動態(tài)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(huán)選用三階環(huán)，引導信號為單頻信號且引導天線接收S/Φ大于等于25dBHz，捕獲及角誤差提取時間總時間約為1.85s，通過計算，經(jīng)過兩次引導可達到99%的引導概率，滿足測控系統(tǒng)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；

圖4 多波束引導接收機設備原理框圖

為了驗證其正確性，進行了初步的試驗驗證。該試驗采用3.8m口徑的天線，利用方位和俯仰個排列7個陣元的方式，實現(xiàn)了在1°范圍的引導。試驗系統(tǒng)組成框圖如圖5所示。

圖5 饋源多波束試驗設備組成框圖

試驗時，天線偏離零點一定的角度，利用饋源多波束引導系統(tǒng)提供的角度偏差信息引導天線指向主波束，在主跟蹤接收機鎖定并達到一定的AGC設定門限條件下，轉(zhuǎn)入自跟蹤狀態(tài)。圖6為信噪比為55dBHz下多波束引導系統(tǒng)閉環(huán)試驗特性曲線。

圖6中，系列1為天線角度指向信息曲線，系列2為主跟蹤接收機在試驗過程中的角誤差信息，系列3為主跟蹤接收機的AGC電壓曲線，系列4為主跟蹤接收機的鎖定指示狀態(tài)，系列5為天線指向工作狀態(tài)；0表示饋源多波束引導狀態(tài)，1表示自跟蹤狀態(tài)。

圖6 55dBHz條件下的多波束引導系統(tǒng)閉環(huán)試驗特性曲線

試驗中我們進行了多次引導跟蹤試驗，均成功引導，引導概率100%。

影響大天線目標跟蹤性能的重要因素是天線的動態(tài)滯后問題。由于目標運動角加速度引起的動態(tài)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(shù)越大，動態(tài)滯后就越小。采用復合控制技術(shù)可有效地提高系統(tǒng)的加速度常數(shù)。伺服控制系統(tǒng)原理框圖如圖7所示，采用復合控制技術(shù)的原理框圖如圖8所示。圖中 W1（S）是控制器的傳遞函數(shù)，W2（S）表示包括速度環(huán)、電流環(huán)、天線結(jié)構(gòu)在內(nèi)的控制對象的傳遞函數(shù)，Wb（S）*W2（S）為前饋補償傳遞函數(shù)。系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為

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

圖7 伺服控制系統(tǒng)原理框圖

圖8 復合控制原理框圖

在天線跟蹤軌道高度400km、目標線速度為12km/s條件下，根據(jù)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(shù)40計算，伺服系統(tǒng)在方位最大加速度及俯仰最大加速度時的動態(tài)滯后誤差分別為0.025°，天線可以可靠跟蹤目標。

3.2 高速數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)技術(shù)

建立Ka頻段地面測控網(wǎng)重要目的之一是適應用戶航天器大數(shù)據(jù)容量和高實時性的數(shù)據(jù)傳輸要求，后續(xù)航天器可能有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率要求（未來對地觀測要求達到2Gbps）。要在目前的器件技術(shù)水平上，實現(xiàn)如此高速數(shù)據(jù)的處理是一項技術(shù)挑戰(zhàn)。

對于1.2Gbps甚至2.4Gbps以上的高數(shù)數(shù)據(jù)傳輸，在系統(tǒng)設計上，要解決傳輸帶寬，高性能Ka頻段寬帶信道，以及極化復用技術(shù)的應用等；在設備的設計上關(guān)鍵在于高速A/D、并行處理和信道均衡。高速數(shù)據(jù)接收處理原理框圖如圖9所示。

圖9 高速數(shù)據(jù)接收處理原理框圖

其中信道均衡分為時域均衡和頻域均衡兩種，時域均衡原理框圖如圖10所示，均衡器采用LMS算法的判決反饋結(jié)構(gòu)（DFE）、分數(shù)間隔盲均衡結(jié)構(gòu)，其主要功能模塊包括：正向濾波器、逆向濾波器、判決器、和抽頭系數(shù)更新的自適應算法模塊。

圖10 時域均衡原理框圖

實測結(jié)果表明該方案可實現(xiàn)1.2Gbps高速數(shù)據(jù)的接收解調(diào)。

3.3 Ka頻段信道及功放技術(shù)

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(zhì)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(tǒng)所需的Ka頻段功率決定了系統(tǒng)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(shù)至關(guān)重要。Ka頻段固態(tài)功放的研制采取的技術(shù)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1GHz以上，如何在如此寬的帶寬下保證信道特性滿足系統(tǒng)跳頻測控及高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，是其設計和研制的關(guān)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組件模式。LNB原理電路圖如圖11所示，在低噪放前加一級隔離器，有效改善輸入駐波；下變頻器選用諧波混頻器，采用低本振，降低了本振的實現(xiàn)難度，并且對本振的偶次諧波輸出有很好的抑制作用。

LNB實測指標如表1所示。

圖11 LNB原理電路圖

表1 LNB實測指標

4 系統(tǒng)應用

4.1 在空間站工程中的應用

空間站需要借助測控通信系統(tǒng)下傳多路高質(zhì)量圖像信號、高保真話音信號、工程遙測數(shù)據(jù)，更重要的是隨著空間站的逐步建設及應用，將有大批量民用科學實驗數(shù)據(jù)和對地觀測數(shù)據(jù)對地傳輸，采用Ka頻段測控通信系統(tǒng)后，可用頻帶擴寬，達到1.5GHz，較易滿足這一要求。

另外，采用Ka頻段后，為提高系統(tǒng)測速和測角的精度提供了有利條件。我國首次空間站交會對接任務已完成，本系統(tǒng)建成后將為載人航天交會對接遠距離導引及近距離第一次導引的實時高精度測定軌提供另一種有效手段。

4.2 在對地觀測中的應用

對地觀測也是我國科技發(fā)展的方向之一。按照當前的需求分析，數(shù)傳速率可達到2Gbps，這樣高的數(shù)傳速率在今后升級的中繼系統(tǒng)中也是無法完全滿足的，需要采用天-地“直達”傳輸?shù)腒a頻段測控通信系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

S/Ka頻段測控通信系統(tǒng)設計兼容天/地基測控通信體制，具有標準TT&C、擴頻TT&C、跳頻TT&C、高速數(shù)傳等工作模式，其數(shù)傳速率高、抗干擾能力強、測量精度高，可支持中低軌的測控通信。隨著各種航天應用的蓬勃發(fā)展、系統(tǒng)研究的深入、關(guān)鍵技術(shù)的突破，我國S/Ka測控通信系統(tǒng)的建設已提上議事日程，并將在空間站、對地觀測等工程中大有作為。

［1］A direct-to-ground Architecture for Supporting Commercial Communication from the International Space Station.IEEE 2002.

［2］哥達德航天中心.天基、地基測控網(wǎng)的Ka頻段過渡計劃.張紀生，譯.《飛行器測控學報》2003，22（1）:81-87.

［3］劉嘉興.再論發(fā)展Ka頻段測控通信網(wǎng)的思考［J］.《電訊技術(shù)》，2008，12.

［4］胡建平等.Ka頻段寬帶測控通信與抗干擾技術(shù)探討.《飛行器測控學報》2009，28（2）：27-30.

［5］統(tǒng)一載波測控系統(tǒng)講義［V］.電子工業(yè)部第十研究所.1997（6）：53-54.

［6］陳芳允.衛(wèi)星測控手冊［V］.北京科學出版社.1992年6月第1版：232-317.