王富德　沈喆淵　姚佩航

摘 要：小衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有研發(fā)費(fèi)用少，重量輕，性能穩(wěn)定，信號(hào)覆蓋范圍廣以及不受地域條件限制等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)Ξ?dāng)前大型同步軌道的衛(wèi)星通信進(jìn)行補(bǔ)充作用，在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)也受到了眾多研究機(jī)構(gòu)的重視，因此對(duì)小衛(wèi)星通信系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)行研究同時(shí)具有實(shí)踐意義和理論意義。

關(guān)鍵詞：小衛(wèi)星；通信系統(tǒng)；作用；研究；意義

衛(wèi)星通信技術(shù)在軍事、政治、工業(yè)、生活等方面均具發(fā)揮著重要作用，而相比之下，小衛(wèi)星則更具有大型同步衛(wèi)星所無法實(shí)現(xiàn)的眾多優(yōu)勢(shì)而受到國內(nèi)外研究學(xué)者的重視，同時(shí)，衛(wèi)星向小型化趨勢(shì)發(fā)展也是全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展方向。我國從21世紀(jì)初期開始著手小衛(wèi)星的相關(guān)研制和發(fā)射工作。

1 小衛(wèi)星的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

第一，荷載較少小衛(wèi)星在每次的任務(wù)中一般僅需要裝載一種特殊設(shè)備，進(jìn)而很好地避免了大型衛(wèi)星中出現(xiàn)的荷載間復(fù)雜配比問題。

第二，研制時(shí)間短、費(fèi)用低小衛(wèi)星的研制一般只需經(jīng)過一到兩年，同時(shí)相關(guān)的研究經(jīng)費(fèi)也相比大型衛(wèi)星明顯降低，因此更具有經(jīng)濟(jì)性，更體現(xiàn)其實(shí)踐意義。

第三，重量輕小衛(wèi)星的重量一般較小，就當(dāng)前國際情況來看，最微型的小衛(wèi)星的質(zhì)量?jī)H有幾百克，體積也很小，因此功能密度大，模塊可多次利用。

第四，信號(hào)覆蓋范圍廣，由于小衛(wèi)星具有較強(qiáng)的組網(wǎng)能力，因此能夠形成精度較高，功能強(qiáng)大而且信號(hào)覆蓋范圍廣的星座系統(tǒng)，進(jìn)而易于補(bǔ)網(wǎng)和星座功能穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)。

第五，減緩頻率壓力小衛(wèi)星的星座中包括多顆衛(wèi)星，可以頻率復(fù)用，因此具有減小空間任務(wù)所具有的頻率壓力。

2 小衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要技術(shù)簡(jiǎn)介

衛(wèi)星在通信中起著中轉(zhuǎn)作用，即將地球站傳送來的信號(hào)經(jīng)過變頻和放大轉(zhuǎn)送到另一端的地球站，地球站是衛(wèi)星與地面信息系統(tǒng)的鏈接點(diǎn)，用戶通過地球站途徑進(jìn)入衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，形成鏈接的電路信號(hào)鏈；為了確保系統(tǒng)的運(yùn)行正常，衛(wèi)星通信系統(tǒng)必須和地面的監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)想鏈接，測(cè)控系統(tǒng)能夠?qū)νㄐ判l(wèi)星運(yùn)行的軌道進(jìn)行檢測(cè)和控制，以保證地面檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)πl(wèi)星所傳送的通信信息進(jìn)行有效的監(jiān)控，保證系統(tǒng)安全與穩(wěn)定的運(yùn)行。小衛(wèi)星通信的關(guān)鍵技術(shù)主要有通信系統(tǒng)的鏈路預(yù)算以及接收機(jī)參數(shù)估計(jì)技術(shù)和同步技術(shù)等，其中鏈路預(yù)算技術(shù)是設(shè)計(jì)小衛(wèi)星通信系統(tǒng)的主要計(jì)算方法和參考依據(jù)，精確的鏈路預(yù)算能夠確保通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。近年來，通信系統(tǒng)接收技術(shù)和相應(yīng)的算法逐漸由信號(hào)模擬技術(shù)向數(shù)字化轉(zhuǎn)變；由于衛(wèi)星通信整體碼速率有所提升因此對(duì)接收機(jī)的信息處理速度以及算法的復(fù)雜度、同步速度和穩(wěn)定性也提出了更高的要求；信息傳輸量的大幅增加使得遙測(cè)領(lǐng)域中逐漸采用比特傳輸速率更高的調(diào)制方式；由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)在數(shù)字通信過程中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的晶振不同，以及移動(dòng)平臺(tái)引起的多普勒效應(yīng)，造成發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之問會(huì)產(chǎn)生相位和頻率的偏移，這種多普勒頻移一般較高，即便在頻偏較大時(shí)，接受同步技術(shù)也應(yīng)能夠正常工作，即捕獲帶寬較大。

3 小衛(wèi)星通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介

3.1 鏈路預(yù)算技術(shù)

鏈路預(yù)算，即對(duì)一通信系統(tǒng)中發(fā)射設(shè)備，傳送信道以及接收設(shè)備的通信鏈路的變化情況進(jìn)行的全面核算，是對(duì)小衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)，具體而言是從發(fā)射端的信源起始，通過編碼、調(diào)制、變頻等多項(xiàng)操作，將信號(hào)通過天線發(fā)射出去，再由信道進(jìn)行傳輸，最后到達(dá)接收天線處由接收機(jī)進(jìn)行信息處理，解調(diào)所需信息。其重要性在于：

第一，可確定系統(tǒng)工作是否滿足系統(tǒng)實(shí)際需要。

第二，通過計(jì)算鏈路余量檢查系統(tǒng)能否滿足設(shè)計(jì)要求。

第三，驗(yàn)證在部分設(shè)備具有硬件限制的情況下鏈路其他部分能否進(jìn)行彌補(bǔ)。對(duì)于模擬電路來說，該性能指標(biāo)是基帶信道的信噪比；對(duì)于數(shù)字電路來說，其性能指標(biāo)是基帶信道上測(cè)得的誤碼率；衛(wèi)星鏈路分為兩種信號(hào)路徑：由地面站到衛(wèi)星的上行鏈路和從衛(wèi)星到地面站的下行鏈路，其中上行鏈路的信號(hào)發(fā)射過程包括編碼→調(diào)頻→上變頻→放大功率等操作，信號(hào)從天線傳送到小衛(wèi)星的接收端，而下行鏈路則包括低噪聲放大→下變頻→解調(diào)→解碼等操作，是地面站對(duì)接收信號(hào)的處理操作。與通信系統(tǒng)鏈路預(yù)算有關(guān)的數(shù)據(jù)因素有天線特性，傳輸距離最大值，信號(hào)發(fā)射/接受功率，熱噪聲，信噪比以及接收系統(tǒng)的質(zhì)量。

3.2 同步算法

無論是接受哪種形式的調(diào)制信號(hào)，接收機(jī)同發(fā)射機(jī)都必須保持同步，對(duì)于數(shù)字調(diào)頻技術(shù)而言，有載波同步和碼元同步兩種基本同步模式，前者是對(duì)載波頻率以及相位進(jìn)行估計(jì)，后者則是對(duì)定時(shí)抽樣時(shí)鐘進(jìn)行估計(jì)。由于發(fā)射信號(hào)在衛(wèi)星通信的傳輸過程中必然存在一定延遲，因此產(chǎn)生了載波相位的偏移，同時(shí)由于其在傳播過程中受到噪聲干擾和多普勒效應(yīng)影響，還會(huì)產(chǎn)生頻率偏移，因此同步技術(shù)是數(shù)字通信中的關(guān)鍵技術(shù)，研究調(diào)制信號(hào)的載波同步和碼元同步技術(shù)能夠保障衛(wèi)星通信系統(tǒng)可靠、有效、快速的運(yùn)行。由于載波同步算法利用的是判決反饋環(huán)路的模型，是在時(shí)鐘已同步的基礎(chǔ)之上才能進(jìn)行，因此載波同步應(yīng)位于碼元同步滯后才可工作。以先碼元同步再載波同步的模式為例，模擬信號(hào)被天線接收后，由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再將頻帶信號(hào)通過下變頻轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐盘?hào)，之后通過碼元同步和載波同步對(duì)有載波偏差以及時(shí)鐘偏差的信號(hào)進(jìn)行估計(jì)，最后解調(diào)輸出，碼元同步位于載波同步前，以碼元時(shí)間為基本數(shù)據(jù)處理周期，對(duì)相關(guān)硬件的要求較低，同步性能較好。

3.3 型號(hào)參數(shù)

估計(jì)衛(wèi)星通信信號(hào)的參數(shù)估計(jì)是重要的非合作通信接收技術(shù)，因?yàn)閷?duì)信號(hào)的頻率和調(diào)制方法等重要數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和估測(cè)是保證解調(diào)準(zhǔn)確和達(dá)到監(jiān)視、截獲信息的目的的重要方法，以便為偵察系統(tǒng)的工作打好基礎(chǔ)。小衛(wèi)星通信系統(tǒng)的常用解調(diào)方式有BPSK解調(diào)、QPSK解調(diào)、CPM解調(diào)、SOQPSK解調(diào)等。一般情況下，欲通過衛(wèi)星通信捕捉信號(hào)，接收系統(tǒng)的帶寬需遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬，應(yīng)使用寬帶接收機(jī)。

4 結(jié)語

小衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有的多重優(yōu)勢(shì)使其在當(dāng)今世界范圍內(nèi)的衛(wèi)星通信領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，吸引了眾多研究學(xué)者，本文針對(duì)其中的幾項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單說明。衛(wèi)星通信的作用范圍廣，涉及的技術(shù)種類眾多而且較為復(fù)雜，需要我們不斷進(jìn)行深入研究和實(shí)踐，進(jìn)而推進(jìn)衛(wèi)星通信向小型化方向發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：王富德（1994—），男，遼寧鞍山人，沈陽理工大學(xué)學(xué)生。

沈喆淵（1995—），男，江蘇張家港人，沈陽理工大學(xué)學(xué)生。

姚佩航（1997—），男，遼寧大連人，沈陽理工大學(xué)學(xué)生。