于志堅(jiān) 李海濤 李小梅

(1太原衛(wèi)星發(fā)射中心 太原 030027 2北京跟蹤與通信技術(shù)研究所 北京 100094 3北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076)

前 言

遙遠(yuǎn)距離的深空測(cè)控通信始終是深空探測(cè)活動(dòng)面臨的重大挑戰(zhàn)。隨著探測(cè)能力的不斷增強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸速率需求越來(lái)越高;隨著探測(cè)距離的持續(xù)增大，接收信號(hào)強(qiáng)度越來(lái)越微弱，單純依靠地面大口徑天線解決上述問(wèn)題越來(lái)越困難［1］。

天線組陣技術(shù)是利用多個(gè)天線組成天線陣列，通過(guò)時(shí)延對(duì)齊、相位修正和權(quán)值估計(jì)將各個(gè)天線接收的信號(hào)進(jìn)行疊加合成，提高信噪比(SNR)，達(dá)到增大天線口徑的效果，實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)距離微弱信號(hào)的有效接收。一個(gè)理想陣(即無(wú)合成損失)的最大品質(zhì)因數(shù)(G/T)是各單元G/T值之和［2］。

天線組陣技術(shù)已經(jīng)得到了國(guó)際主流航天機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，是國(guó)際深空測(cè)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一。2003年美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)分別在戈?duì)柕滤诡D、馬德里和堪培拉建成了支持3～4個(gè)34m天線的組陣系統(tǒng)，并計(jì)劃在2020年建成多達(dá)400個(gè)12m天線的大規(guī)模天線陣，最終實(shí)現(xiàn)等效240m口徑天線的接收能力［1］。目前，我國(guó)也開(kāi)展了天線組陣技術(shù)研究工作，構(gòu)建了原理性驗(yàn)證系統(tǒng)，并且利用嫦娥二號(hào)(CE-2)衛(wèi)星的下行信號(hào)開(kāi)展了驗(yàn)證試驗(yàn)。

考慮到深空測(cè)控一般采用調(diào)相副載波調(diào)制體制，可行的組陣合成技術(shù)有符號(hào)流合成(SSC)、復(fù)符號(hào)合成(CSC)、載波組陣(CA)、基帶合成(BC)和全頻譜合成(FSC)等［3］。其中前四種技術(shù)均需要在載波或是副載波鎖定的前提下完成合成。而FSC技術(shù)在解調(diào)前就進(jìn)行信號(hào)合成，提高了解調(diào)時(shí)的SNR，能在較低SNR條件下實(shí)現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能，是目前主流的合成技術(shù)。表1給出了五種方案的合成技術(shù)要求［3］。

表1 合成技術(shù)要求Table 1 Combining techniques requests

本文研究基于Sumple算法的FSC技術(shù)，構(gòu)建了4×12m天線組陣試驗(yàn)系統(tǒng)，并成功利用CE-2衛(wèi)星開(kāi)展了天線組陣技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 全頻譜合成(FSC)

FSC是一種在中頻合成信號(hào)的組陣技術(shù)，如圖1和圖2所示［4］。它利用一個(gè)包括載波環(huán)、副載波環(huán)和符號(hào)同步環(huán)的接收機(jī)來(lái)解調(diào)合成的信號(hào)。中頻信號(hào)合成是二維的，首先根據(jù)預(yù)測(cè)或者延遲估計(jì)環(huán)路輸出的延遲量，進(jìn)行延遲對(duì)齊;然后通過(guò)相位差估計(jì)器估計(jì)相位差，完成相位修正。

圖1 FSC原理Fig.1 The schematic diagram of FSC

1.1 延遲對(duì)齊

圖3所示是地球表面的兩個(gè)天線，同時(shí)接收來(lái)自一個(gè)遙遠(yuǎn)航天器的下行信號(hào)［5］。

圖2 雙天線陣的FSC對(duì)齊與合成Fig.2 Delaying and combining of two antennas’signals using FSC technique

圖3 兩天線接收延遲示意圖Fig.3 The schematic diagram of receiving delay between two antennas

無(wú)線電波的到達(dá)時(shí)間差τg可以簡(jiǎn)單地表示為

其中，D是從1號(hào)天線軸交點(diǎn)延伸到2號(hào)天線軸交點(diǎn)的基線矢量，i是指向航天器的單位矢量，c是光速。每個(gè)天線的輸出通過(guò)等長(zhǎng)度電纜連接到一個(gè)乘法器上，在時(shí)間t的輸出為τg))，通過(guò)一個(gè)低通濾波器，我們得到的結(jié)果是得到τg后通過(guò)增加延遲補(bǔ)償，可使總的電纜延遲和幾何延遲完全抵消。此時(shí)，乘法器的Vout最大，且電壓是同相的。

1.2 相位修正

其中，τi表示第1個(gè)天線和第i個(gè)天線接收信號(hào)之間的延遲，為相對(duì)多普勒相移差和振蕩器相位噪聲差之和，一般為“極小量”。

將每個(gè)si(t)信號(hào)下變頻至中頻，其復(fù)信號(hào)表達(dá)式為其中ωI表示中頻頻率。根據(jù)時(shí)延預(yù)測(cè)或估計(jì)的結(jié)果，對(duì)每個(gè)xi(t)信號(hào)延遲τi，則每路中頻信號(hào)為

信號(hào)間相對(duì)相位差可以通過(guò)時(shí)間上已經(jīng)對(duì)齊的各路信號(hào)的復(fù)相關(guān)處理和估計(jì)得到。為了便于計(jì)算，將天線1作為參考。在相關(guān)器的輸入端，來(lái)自第1個(gè)和第i個(gè)天線的兩路信號(hào)，通過(guò)帶寬為B的濾波器，然后以每秒2B采樣的奈奎斯特速率進(jìn)行采樣。復(fù)采樣信號(hào)如式(5)。

其中，τ1=0，ni(tk)是獨(dú)立的系統(tǒng)噪聲復(fù)高斯隨機(jī)變量，方差為

接下來(lái)對(duì)兩路信號(hào)作相關(guān)處理(即相乘和低通濾波)，得到

相關(guān)之后，在T秒時(shí)間上作平均，利用N=2BT獨(dú)立采樣將公式(7)的方差減小N倍。在圖2中的累加器輸出端得到它的信噪比為

當(dāng)相關(guān)帶寬B非常大時(shí)(在兆赫茲量級(jí))，信號(hào)噪聲乘積項(xiàng)可以忽略，等效噪聲方差主要受噪聲乘積項(xiàng)的支配。此時(shí)，SNRi1可以近似為

φi1的估計(jì)可以通過(guò)的實(shí)部和虛部得到，即

2 迭代算法

如果各個(gè)天線收到信號(hào)的SNR足夠高，所有天線對(duì)都可以進(jìn)行很強(qiáng)的相關(guān)，不需要特殊處理，那么直接利用相關(guān)獲得的相位和延遲偏移來(lái)對(duì)齊信號(hào)。然而，當(dāng)各天線接收信號(hào)的SNR較低時(shí)，需要采用合適的算法充分利用所有可能的天線對(duì)。天線組陣信號(hào)合成的相關(guān)算法主要有Simple算法、Sumple算法、Eigen算法和最小二乘算法等。其中Eigen算法和最小二乘算法需要的相關(guān)運(yùn)算量與天線數(shù)量的平方成正比，運(yùn)算量大，不利于實(shí)現(xiàn)。Simple算法和Sumple算法成為常用的迭代算法［6］。

2.1 Simple算法

Simple算法主要是在L個(gè)天線中選擇一個(gè)G/T值最大的天線作為參考天線，將其余L-1個(gè)天線接收到的信號(hào)均與參考天線接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，利用運(yùn)算結(jié)果修正各個(gè)天線信號(hào)的延遲和相位偏移，最后對(duì)修正后的各路信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和。

合成效率為

2.2 Sumple算法

Sumple算法是在Simple基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種算法，它與Simple算法的區(qū)別在于:相關(guān)運(yùn)算中的參考天線不是某一個(gè)特定的天線，而是其他所有天線加權(quán)求和后組成的“天線”。Sumple算法是一種迭代算法，每流轉(zhuǎn)過(guò)L個(gè)天線中的一個(gè)，并與參考天線相關(guān)加權(quán)求和后就完成一次迭代。由于選擇不同天線時(shí)，參考天線總是在變化的，加權(quán)值也是變化的，因此Sumple算法的處理過(guò)程要比Simple算法復(fù)雜，但Sumple算法可以用于處理更微弱的信號(hào)。

合成效率為

Simple與Sumple算法的實(shí)現(xiàn)原理如圖4、圖5所示。

圖4 Simple算法原理Fig.4 Principle block diagram of Simple algorithm

圖5 Sumple算法原理Fig.5 Principle block diagram of Sumple algorithm

3 天線組陣技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于Sumple算法的FSC合成技術(shù)在工程應(yīng)用上的可行性，在國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃支持下，我們構(gòu)建了4×12m天線組陣試驗(yàn)系統(tǒng)，并成功利用CE-2衛(wèi)星任務(wù)開(kāi)展天線組陣技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)工作原理如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)系統(tǒng)工作原理Fig.6 Principle block diagram of experiment system

4個(gè)天線接收CE-2衛(wèi)星發(fā)送的射頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)場(chǎng)放大器(LNA)放大后下變頻到70MHz中頻，4路中頻信號(hào)同時(shí)送入合成器。合成器對(duì)4路中頻信號(hào)進(jìn)行合成處理，并將合成后的信號(hào)變換為70MHz中頻輸出。采用測(cè)控體制時(shí)，可用頻譜儀觀測(cè)直通信號(hào)(通過(guò)開(kāi)關(guān)選擇1路、2路、3路、4路信號(hào))以及合成信號(hào)的SNR。采用數(shù)傳體制時(shí)，可用綜合基帶分別對(duì)單路信號(hào)和合成后的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，觀測(cè)單路信號(hào)與4路合成信號(hào)的誤碼率，并反推SNR。

3.2 合成前后的數(shù)據(jù)圖像比較

圖7是CE-2衛(wèi)星在距離地球14萬(wàn)公里處下傳的監(jiān)視相機(jī)圖像。圖8是CE-2衛(wèi)星在環(huán)月軌道上拍攝的虹灣地區(qū)照片。從對(duì)比圖中可以看出，由單個(gè)12m天線接收的CE-2衛(wèi)星數(shù)傳數(shù)據(jù)生成的圖像存在很多馬賽克，甚至無(wú)法辨別，而4個(gè)12m天線接收并合成所得到的圖像清晰、分辨率高，明顯優(yōu)于單天線接收信號(hào)生成的圖像。

圖7 距離地球14萬(wàn)公里處拍攝的太陽(yáng)帆板與地球的照片F(xiàn)ig.7 Solar panel and earth pictures by CE-2 satellite which is 140，000km far away from the earth

圖8 環(huán)月軌道拍攝的虹灣照片F(xiàn)ig.8 Sinus iridium pictures by CE-2 satellite which is on the lunar orbit

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

①CE-2衛(wèi)星測(cè)控信號(hào)

試驗(yàn)中，對(duì)于測(cè)控信號(hào)主要比較合成前后載噪譜密度比(C/N0)，結(jié)果示于表2。CE-2衛(wèi)星測(cè)控信號(hào)合成信號(hào)比四路信號(hào)中最強(qiáng)的一路高出了5.00dB，與理論計(jì)算值相比損失了0.14dB，合成效率為96.8%。

表2 CE-2衛(wèi)星測(cè)控信號(hào)C/N0對(duì)比Table 2 Comparison of C/N0 of CE-2 TT&C signal

②CE-2衛(wèi)星數(shù)傳信號(hào)

數(shù)傳信號(hào)的數(shù)據(jù)分析采用統(tǒng)計(jì)誤碼率反算的方法。由于綜合基帶數(shù)傳解調(diào)損失在各個(gè)SNR下不盡相同，因此需要進(jìn)行基帶解調(diào)損耗測(cè)試。圖9為碼率為6Mb/s情況下實(shí)測(cè)誤碼率與Eb/N0的關(guān)系曲線。相比于理論BPSK解調(diào)曲線，綜合基帶在誤碼率高的情況下，解調(diào)損失較小;在誤碼率低的情況下，解調(diào)損失較大。在單路10-3量級(jí)、合路10-6量級(jí)的情況下，解調(diào)損失的差異大約為0.4dB，計(jì)算合成效率時(shí)需要將其補(bǔ)償進(jìn)去。

BPSK信號(hào)合成，幀頭誤碼率為1.4×10-6。CE-2衛(wèi)星數(shù)傳信號(hào)Eb/N0對(duì)比結(jié)果示于表3，經(jīng)計(jì)算合成信號(hào)比四路信號(hào)中最強(qiáng)的一路高出了5.09dB，與理論計(jì)算值相比損失了0.27dB，合成效率為93.9%。

圖9 碼率6Mb/s時(shí)，實(shí)測(cè)誤碼率與Eb/N0的關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between themeasured bit error rat and Eb/N0 with the rate of 6Mb/s

表3 CE-2衛(wèi)星數(shù)傳信號(hào)Eb/N0對(duì)比Table 3 Comparison of Eb/N0 of CE-2 data signal

4 結(jié)束語(yǔ)

天線組陣技術(shù)可以通過(guò)組合多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)單一天線難以達(dá)到的接收能力，是在射頻范圍解決深空測(cè)控通信問(wèn)題的重要途徑?；赟umple算法的FSC合成方案將合成后的強(qiáng)信號(hào)作為參考，在解調(diào)前完成信號(hào)合成，可以在低SNR條件下實(shí)現(xiàn)高效合成。通過(guò)構(gòu)建的4×12m天線組陣系統(tǒng)接收并合成空間飛行的CE-2衛(wèi)星下行信號(hào)，合成效率優(yōu)于90%，證明該技術(shù)已經(jīng)初步具備了工程應(yīng)用的可行性，可以為我國(guó)未來(lái)深空網(wǎng)建設(shè)大規(guī)模可擴(kuò)充天線組陣提供技術(shù)儲(chǔ)備，同時(shí)也將作為未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾夹g(shù)途徑。

［1］于志堅(jiān) 深空測(cè)控通信系統(tǒng) ［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2009:291.Yu Zhijian.Deep Space TT&C System［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2009:291.

［2］李海濤，李宇華，匡乃雪，深空探測(cè)中的天線組陣技術(shù)［J］.飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)，2004，12(4):57～60.Li Haitao， Li Yuhua， Kuang Naixue.Antenna Array Forming Technology in Deep Space Exploration［J］.Journal of Spacecraft TT&C Technology，2004，12(4):57～60.

［3］Mileant A， Hinedi S.Overview of Arraying Techniques in the Deep Space Network， The Telecommunications and Data Acquisition Progress Report 42-104［R/OL］.1990，10-12 Jet Propulsion Laboratory， Pasadena， California， 109 ～139，F(xiàn)ebruary 15，1991.http://ipnpr.jpl.nasa.gov/progress_report/

［4］Rogstad D H.Suppressed Carrier Full-Spectrum Combining， The Telecommunications and Data Acquisition Progress Report 42-107［R/OL］.July-September1991， Jet Propulsion Laboratory， Pasadena， California，12 ～20， November15，1991.http://ipnpr.jpl.nasa.gov/progress_report/

［5］Thompson A R， Moran JM， and Swenson GW.Interferometry and Synthesis in Radio Astronomy［M］.New York:Wiley，1986.

［6］Rogstad H， Mileant Alexander， Pham T.Antenna Arraying Techniques in the Deep Space Network［M］.JPL Publication 03-001，Jan 2003.