李臣，蘇彥，張治國

(1. 中國科學(xué)院國家天文臺，北京100012;2. 中國人民解放軍63783 部隊(duì)，新疆 喀什844000)

0 引言

目前，嫦娥一、二號已經(jīng)順利完成了探月工程的前期探測任務(wù)，這是進(jìn)行更深更遠(yuǎn)深空探測的前期探索，同時(shí)拉開了深空探測的序幕。展開對火星、小行星和其它太陽系內(nèi)行星的探測將成為我國未來深空探測的任務(wù)［1］。2011 年，螢火一號的發(fā)射標(biāo)志著對火星的探測已經(jīng)邁出了重要的第一步，實(shí)現(xiàn)對火星探測器進(jìn)行自主測控通信是我國深空探測任務(wù)的下一個(gè)發(fā)展目標(biāo)。

深空測控通信技術(shù)一直處于技術(shù)發(fā)展的最前沿，為了盡快建成我國的火星測控通信網(wǎng)，還需要對一系列關(guān)鍵技術(shù)展開科研攻關(guān)，在結(jié)合一定的國際技術(shù)合作和引進(jìn)的基礎(chǔ)上，研發(fā)有中國特色的測控通信技術(shù)，提高我國的深空探測任務(wù)系統(tǒng)建設(shè)的性價(jià)比。

美國航空航天局(NASA)將天線組陣技術(shù)、深空光通信技術(shù)和行星際通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并列為實(shí)現(xiàn)未來深空探測測控通信的三個(gè)主要技術(shù)途徑［2－3］。根據(jù)我國測控通信的技術(shù)現(xiàn)狀，天線組陣技術(shù)將是近期完成火星探測任務(wù)的主要技術(shù)手段。

1 天線組陣技術(shù)簡介

1.1 天線組陣

天線組陣技術(shù)是多個(gè)天線同時(shí)與同一探測器發(fā)送或接收相同信號，實(shí)現(xiàn)對探測器進(jìn)行測控通信的技術(shù)。其關(guān)鍵是將天線接收到的信號進(jìn)行搜集和合成處理，增強(qiáng)接收信號的信噪比，實(shí)現(xiàn)正常通信。按照信號發(fā)送方向，天線組陣分為上行陣和下行陣，上行陣是為了提高發(fā)送遙控指令的成功率，下行陣是為了提高下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇a速率。因?yàn)槿蝿?wù)中上行碼速率通常比下行低得多，所以下行陣顯得尤其必要。

天線組陣技術(shù)是提高深空通信下行數(shù)據(jù)傳輸速率的重要技術(shù)途徑，也是探測器高增益天線故障或進(jìn)入安全模式時(shí)進(jìn)行測控通信的有效解決方案，它是未來深空測控通信技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。天線組陣具有下述幾個(gè)特點(diǎn)［4］:①可以增加等效天線口徑，可為特定任務(wù)提供支持，實(shí)現(xiàn)資源的更高利用;②使測控通信系統(tǒng)可用性更高、維護(hù)靈活且工作可靠;③可以減少用于備件的費(fèi)用;④可以通過使用更小口徑的天線來降低成本;⑤還可以提高系統(tǒng)的可操作性和計(jì)劃的靈活性。

1.2 信號合成方案

目前有五種方案可以用于組陣天線的信號合成處理［5］:全頻譜合成(Full-Spectrum Combining)、復(fù)符號合成 (Complex-Symbol Combining)、符號流合成(Symbol-Stream Combining)、基帶合成 (Baseband Combining)、載波合成(Carrier Array)。

在這五種天線組陣信號合成方案中，全頻譜合成(FSC)方案是在中頻進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算與信號合成，由于在信號解調(diào)前實(shí)現(xiàn)了信號合成，提高了接收信號解調(diào)時(shí)的信噪比，因此系統(tǒng)具有最佳的數(shù)據(jù)傳輸性能［6］。下行陣數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑硪妶D1。

圖1 全頻譜合成原理框圖

研究結(jié)果［7］表明:天線組陣全頻譜合成的合成效率主要由天線間的相位差估計(jì)精度決定，相位差估計(jì)精度越高，合成效率越高。而天線間的相位差估計(jì)精度與相關(guān)算法、天線數(shù)量、單個(gè)天線接收信噪比、互相關(guān)帶寬和相位差閉環(huán)帶寬等因素有關(guān)。

深空任務(wù)下行數(shù)據(jù)傳輸信號微弱，在中頻進(jìn)行相關(guān)的全頻譜合成方案是深空通信天線組陣信號合成的最佳方案，合成效率主要由軟件對天線間的相位差估計(jì)精度決定的。

2 檢前記錄設(shè)備工作原理

檢前記錄設(shè)備是用于記錄數(shù)據(jù)被解調(diào)之前無線電信號的設(shè)備。目前國內(nèi)出現(xiàn)的檢前記錄設(shè)備主要對70 MHz 信號進(jìn)行實(shí)時(shí)帶通采樣和數(shù)據(jù)存儲，保證調(diào)制信號的完整性。下面就某型號的檢前記錄設(shè)備為例，對其工作原理作簡單介紹。

我國通用的檢前記錄設(shè)備可以同時(shí)記錄2 路70 MHz 中頻信號和1 路時(shí)碼信號，記錄帶寬分為高、低兩種，低帶寬大約4.8 MHz，高帶寬約20 MHz。任務(wù)中設(shè)備實(shí)時(shí)記錄與存儲70 MHz 中頻信號和時(shí)碼信號，存儲數(shù)據(jù)可通過事后回放，還原輸出中頻70 MHz 信號和對應(yīng)時(shí)碼信號。該設(shè)備工作原理如圖2 所示。

圖2 通用檢前記錄設(shè)備工作原理

圖2中，兩路輸入的70 MHz 中頻信號分別經(jīng)過帶通濾波、AGC 放大等處理后變成峰值約為2 V 的恒幅信號送給信號采集電路進(jìn)行采集，通過采樣率16.3 MHz 的中頻帶通采樣，70 MHz 中頻信號變成4.8 MHz的數(shù)字中頻信號，實(shí)現(xiàn)中頻信號的下變頻。采樣后的數(shù)據(jù)與時(shí)碼同時(shí)嚴(yán)格對齊并行存儲在高速硬盤中。記錄數(shù)據(jù)以16 進(jìn)制格式連續(xù)存放在硬盤中，每兩個(gè)字節(jié)為從兩個(gè)數(shù)據(jù)通道和B 碼通道采樣的數(shù)據(jù)，每一個(gè)通道數(shù)據(jù)占7 位，B 碼數(shù)據(jù)占1 位，1 位預(yù)留。

由上述數(shù)據(jù)可知，如果同時(shí)記錄2 路信號，該設(shè)備記錄時(shí)每秒生成的數(shù)據(jù)量為32.6 MB。如果實(shí)現(xiàn)20 Mb/s 下行碼率的信號記錄與存儲，設(shè)備記錄時(shí)每秒生成的數(shù)據(jù)量將高得多。

3 檢前記錄設(shè)備應(yīng)用方案論證

依據(jù)天線組陣信號合成技術(shù)和檢前記錄設(shè)備的工作原理，結(jié)合深空探測任務(wù)的特點(diǎn)，我們可以充分挖掘并發(fā)揮檢前記錄設(shè)備的作用，探討在火星探測任務(wù)中應(yīng)用檢前記錄設(shè)備的方案。

3.1 必要性分析

深空任務(wù)中，傳輸距離遠(yuǎn)，接收的信號微弱，而且可變傳播時(shí)延很高，通信環(huán)境復(fù)雜，對天線接收靈敏度要求高。深空通信的這些特點(diǎn)，極大地限制了下行數(shù)據(jù)接收的碼速率。表1 是依據(jù)我國未來深空任務(wù)設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)預(yù)測值，粗略估算深空探測任務(wù)中的數(shù)據(jù)傳輸能夠達(dá)到的碼速率數(shù)值。

表1 火星探測任務(wù)下行數(shù)據(jù)碼速率估算

從表1 可以看出，深空通信系統(tǒng)在不斷發(fā)展與完善的過程中，探測不同對象所能達(dá)到的最大碼速率的情況。目前的技術(shù)狀態(tài)下，對于探測火星來說，在遠(yuǎn)地點(diǎn)最大碼速率約為105 kb/s，遠(yuǎn)不能滿足科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。因此，我國深空通信技術(shù)還需要加快發(fā)展，盡可能提高下行數(shù)據(jù)傳輸碼速率。

地面天線組陣技術(shù)的靈活應(yīng)用將是解決該問題最有效的途徑之一。

3.2 適用性分析

1)信號合成適用性分析

全頻譜合成方案是深空通信天線組陣信號合成的最佳方案［4］，以前面所述的檢前記錄設(shè)備為例，其輸入、輸出的信號為中頻70 MHz 信號，存儲的數(shù)據(jù)為帶寬為4.8 MHz 的低頻數(shù)字信號。對于深空任務(wù)數(shù)傳信號通常采用的載波調(diào)相體制，該檢前記錄器支持的最大低解調(diào)損耗的調(diào)制碼速率為2.4 Mb/s，滿足火星探測任務(wù)的碼速率預(yù)算值。因此，該檢前記錄設(shè)備適用于第一階段火星探測任務(wù)中采用全頻譜合成方案。另外，隨著組陣接收碼速率的提高，可選擇更高記錄帶寬的檢前記錄設(shè)備完成相應(yīng)工作。

2)任務(wù)兼容適用性分析

檢前記錄設(shè)備的本職工作是實(shí)時(shí)記錄存儲檢前信號。如果賦予組陣信號合成任務(wù)，則需要實(shí)時(shí)或事后共享存儲的數(shù)據(jù)，而這兩種任務(wù)是不矛盾的。實(shí)際上，根據(jù)檢前記錄設(shè)備性能，在不影響數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄存儲的前提下，可以增加其數(shù)據(jù)發(fā)送功能，以提高信號合成的時(shí)間利用效率。

3)數(shù)據(jù)傳輸適用性分析

以前面所述檢前記錄設(shè)備為例，在雙通道同時(shí)記錄數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為32.6 Mb/s。如果網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)速度低于該值，則不能做到實(shí)時(shí)傳輸;如果高于此值，數(shù)據(jù)接收計(jì)算機(jī)則需要同時(shí)能夠接收各組陣天線發(fā)送的數(shù)據(jù)并進(jìn)行合成處理，該要求比較高。對于在同一地點(diǎn)的不同天線，網(wǎng)絡(luò)速度問題不大，但是，對于相距千里的異地天線的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸，其速度穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)可靠性是主要問題。因此實(shí)時(shí)傳輸與數(shù)據(jù)解調(diào)的技術(shù)難度比較大。采用非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)解調(diào)方案，大大增強(qiáng)組陣數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)增加效費(fèi)比，并具有系統(tǒng)可擴(kuò)展能力。

4)虛擬無線電適用性分析

信號合成是天線組陣技術(shù)的核心，虛擬無線電技術(shù)非常適用于非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，特別是對于數(shù)據(jù)獲取、合成運(yùn)算實(shí)施具有簡單方便的優(yōu)勢。對于多種數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)處理，虛擬無線電技術(shù)是最優(yōu)選擇。

3.3 檢前記錄設(shè)備應(yīng)用優(yōu)勢

1)國產(chǎn)檢前記錄設(shè)備已成熟應(yīng)用，性能優(yōu)良，研制費(fèi)用低，服務(wù)保障好。目前國產(chǎn)的某型號檢前記錄設(shè)備，記錄帶寬可滿足碼速率高達(dá)20 Mb/s 信號的數(shù)據(jù)傳輸，對于調(diào)相體制的誤碼惡化指標(biāo)為0.1 dB 上下，可靠性高;

2)利用檢前記錄設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行天線組陣下行信號合成，組陣方式靈活可變，應(yīng)用范圍廣泛。只需通過軟件配置即可實(shí)現(xiàn)對參與跟蹤目標(biāo)的天線進(jìn)行組陣取舍，該方式不僅可應(yīng)用于深空任務(wù)下行數(shù)據(jù)傳輸，還可應(yīng)用于近地衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，擴(kuò)展下行數(shù)據(jù)碼速率;

3)檢前記錄設(shè)備是地面站的標(biāo)準(zhǔn)配置設(shè)備，對保證數(shù)據(jù)安全性和系統(tǒng)可靠性起重要作用，它用于天線組陣信號合成，存儲數(shù)據(jù)隨時(shí)可用，因此事后天線組陣信號合成與數(shù)據(jù)重檢靈活方便，數(shù)據(jù)接收安全性和可靠性高;

4)檢前記錄設(shè)備具備雙通道功能，可同時(shí)對下行左、右旋信號進(jìn)行記錄，支持極化分集合成解調(diào)，這可以提高接收信道增益大約2.5 dB;

5)采用虛擬無線電技術(shù)進(jìn)行非實(shí)時(shí)信號合成，設(shè)備性能要求低，軟件實(shí)現(xiàn)簡單，合成效率較高，并且可以通過改善合成算法輕易擴(kuò)展組陣天線數(shù)量，提高合成效率，從而有利于降低接收數(shù)據(jù)的誤碼率。

4 應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

4.1 應(yīng)用方案

檢前記錄設(shè)備為解決火星探測下行數(shù)據(jù)傳輸問題提供了一種新的解決途徑，在地面接收站現(xiàn)有設(shè)備配置的基礎(chǔ)上，通過適當(dāng)建設(shè)，可實(shí)現(xiàn)兩種天線組陣下行數(shù)據(jù)接收方案，即準(zhǔn)實(shí)時(shí)全頻譜信號合成方案和事后全頻譜信號合成方案。

4.1.1 準(zhǔn)實(shí)時(shí)全頻譜信號合成方案

1)檢查并配置各地面站的檢前記錄設(shè)備，保證檢前記錄設(shè)備狀態(tài)正常，參數(shù)設(shè)置合理，輸入信號配置正確，并且具有足夠的數(shù)據(jù)存儲空間;

2)任務(wù)開始時(shí)，檢前記錄設(shè)備啟動(dòng)70 MHz 中頻信號記錄功能，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)以設(shè)定的速度向信號合成數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)發(fā)送當(dāng)前存儲數(shù)據(jù);

3)數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)同時(shí)接收所有地面站發(fā)送來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行信號合成運(yùn)算，合成數(shù)據(jù)按照檢前記錄數(shù)據(jù)格式存盤，并使用虛擬無線電技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)與處理;

4)任務(wù)結(jié)束后，各地面站檢前記錄設(shè)備繼續(xù)發(fā)送存盤數(shù)據(jù)，發(fā)完為止，數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收與處理，數(shù)據(jù)收完為止。

4.1.2 事后全頻譜信號合成方案

1)檢查并配置各地面站的檢前記錄設(shè)備，保證檢前記錄設(shè)備狀態(tài)正常，參數(shù)設(shè)置合理，輸入信號配置正確，并且具有足夠的數(shù)據(jù)存儲空間;

2)任務(wù)開始時(shí)，檢前記錄設(shè)備啟動(dòng)70 MHz 中頻信號記錄功能，并共享存儲數(shù)據(jù)文件，供信號合成處理機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)取，任務(wù)結(jié)束后，停止記錄;

3)信號合成數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(可以使用中心地面站的檢前記錄設(shè)備)使用專用軟件通過網(wǎng)絡(luò)讀取各數(shù)據(jù)接收站檢前記錄設(shè)備的存儲數(shù)據(jù)，對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號合成處理，并且按檢前記錄設(shè)備數(shù)據(jù)格式存儲合成數(shù)據(jù)。

對于數(shù)據(jù)解調(diào)有兩種處理方法:第一，直接使用虛擬無線電技術(shù)，對合成數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)與處理;第二，使用檢前記錄設(shè)備回放合成數(shù)據(jù)，輸出中頻70 MHz 信號，然后使用地面站配置的解調(diào)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)與處理。

這兩種方案都依靠網(wǎng)絡(luò)傳輸檢前記錄設(shè)備存儲數(shù)據(jù)，沒有嚴(yán)格實(shí)時(shí)性的限制，有利于提高合成效率，降低誤碼率，可為提高任務(wù)數(shù)據(jù)傳輸碼速率打下基礎(chǔ)。

4.2 方案優(yōu)缺點(diǎn)分析及應(yīng)用條件

1)準(zhǔn)實(shí)時(shí)全頻譜信號合成方案優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用條件

優(yōu)點(diǎn):能夠準(zhǔn)實(shí)時(shí)接收和顯示任務(wù)數(shù)據(jù)，充分利用任務(wù)執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行信號合成或數(shù)據(jù)解調(diào)，時(shí)間利用率高。

缺點(diǎn):需要改造檢前記錄設(shè)備軟件，購置高性能數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，并研制比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)接收與信號合成軟件(力爭實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解調(diào)能力);在完成任務(wù)數(shù)據(jù)解調(diào)前，所有地面站不能執(zhí)行其它任務(wù)(如網(wǎng)絡(luò)和高性能計(jì)算機(jī)速度足夠，可以做到實(shí)時(shí)接收解調(diào)，則不影響其它相鄰任務(wù));對網(wǎng)絡(luò)的可靠性、穩(wěn)定性和速度要求高，實(shí)施技術(shù)難度較大。

應(yīng)用條件:設(shè)備和軟件研制經(jīng)費(fèi)充足，能夠購置高性能數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，并完成數(shù)據(jù)接收、信號合成與數(shù)據(jù)解調(diào)軟件的研制。

2)事后全頻譜信號合成方案優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用條件

優(yōu)點(diǎn):硬件設(shè)備可以不變動(dòng)，只需研發(fā)一套功能簡易的軟件，研制費(fèi)用相對比較低;信號合成可靠性好;信號合成處理時(shí)間靈活，不影響地面站其它任務(wù);實(shí)施技術(shù)難度小，風(fēng)險(xiǎn)小;對網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求不高。

缺點(diǎn):數(shù)據(jù)接收實(shí)時(shí)性差，不能即時(shí)解調(diào)顯示接收數(shù)據(jù);解調(diào)數(shù)據(jù)需要解調(diào)機(jī)配合。

應(yīng)用條件:不需實(shí)時(shí)顯示接收數(shù)據(jù)結(jié)果，硬件設(shè)備和軟件研制經(jīng)費(fèi)有限。

5 結(jié)束語

檢前記錄設(shè)備在深空任務(wù)天線組陣下行數(shù)據(jù)接收中具有應(yīng)用可行性。通過應(yīng)用擴(kuò)展和軟件開發(fā)，可應(yīng)用于火星探測天線組陣下行數(shù)據(jù)接收任務(wù)。文中設(shè)計(jì)的檢前記錄設(shè)備的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案，技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對簡單，開發(fā)成本低，能夠以較小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)火星探測任務(wù)天線組陣下行數(shù)據(jù)接收的任務(wù)。

在這兩種方案的應(yīng)用中，使用虛擬無線電進(jìn)行信號合成軟件的開發(fā)與編制是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在實(shí)際的應(yīng)用中，可以根據(jù)實(shí)際情況對軟件進(jìn)行適應(yīng)性升級改造，擴(kuò)展參與其中的天線組陣的數(shù)量，充分利用閑置的地面站，不斷提高組陣天線下行數(shù)據(jù)接收的性能。這些數(shù)據(jù)接收方案同樣適用于各種衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)接收站，通過同地和異地的天線組陣，提高下行數(shù)據(jù)接收能力。

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