曹正蕊，孫寶升，姚艷軍，賀 超

(1.北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094；2.北京空間信息中繼傳輸技術研究中心，北京 100094；3.中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230000)

0 引 言

我國在軌的中低軌航天器數(shù)量急劇增多，全時全域監(jiān)控對地面測控系統(tǒng)提出了非常高的要求。目前主要采用地基測控和天基測控兩種方式對在軌航天器進行測控和管理。地基測控軌道覆蓋率較低，基于中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的天基測控實現(xiàn)了對低軌航天器的全軌道覆蓋，但傳統(tǒng)天基測控一般采用單址天線，波束數(shù)量有限。有限的地基/天基資源無法滿足大量航天器同時服務需求，當航天器位于地基測控不可見區(qū)域或天基資源受限不能滿足使用需求時，一旦發(fā)生在軌故障或者受到敵對攻擊，地面將無法實時掌控并做出及時響應。

相控陣天線易實現(xiàn)多波束，能很好地滿足同時為多用戶目標服務的需求[1-3]。中繼衛(wèi)星安裝相控陣天線，可向中低速用戶提供SMA(S-band Multiple Access，S頻段多址接入)業(yè)務，并在美國得到了廣泛的應用[4-6]。SMA波束覆蓋方式有跟蹤和全景兩種[7]。對于中繼衛(wèi)星單址天線和多址天線的跟蹤波束，國內(nèi)外已有較多研究[1-6,8,9]，文獻[1]設計了預分配、周計劃和按需接入應用服務模式，文獻[3]描述了對近地衛(wèi)星的均勻測控、輪詢測控和連續(xù)測控模式，并已實現(xiàn)工程應用。國內(nèi)對于全景波束技術研究則比較匱乏。

中繼衛(wèi)星SMA返向波束可地面形成，利用該特點，通過在地面增擴組合SMA返向波束，能夠形成蜂窩狀的廣域覆蓋常駐靜態(tài)波束，從而對中低軌航天器實現(xiàn)全時全域覆蓋。聯(lián)合返向組合全景波束和相掃前向波束，研發(fā)新的適用多用戶的短報文和連續(xù)業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，可以支持數(shù)百上千個航天器在中繼衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡中始終在線，實現(xiàn)對它們的全時監(jiān)控管理。

本文提出了中繼衛(wèi)星多址全景波束支持航天器在軌全時監(jiān)控的應用模式，設計了其工作流程，對于全景波束形成、構型和協(xié)議體制等技術進行了研究，前向鏈路、返向短報文和連續(xù)業(yè)務鏈路預算余量高于3 dB，單顆中繼衛(wèi)星可支持不少于1000個短報文用戶。本文的成果可作為全景波束工程應用的參考。

1 航天器全時監(jiān)控要求

航天器在軌全時監(jiān)控系統(tǒng)需要能夠支持所有航天器連續(xù)在線和按需服務。對該監(jiān)控系統(tǒng)的功能和性能基本要求如下：對低軌航天器全軌道連續(xù)覆蓋，按照一定頻率發(fā)送綜合監(jiān)測信息，包括運行狀態(tài)、故障信息、位置信息等；根據(jù)監(jiān)測信息，快速上注應急響應遙控指令，遙控指令發(fā)送速率千比特秒(kbit/s)量級；服務200～2000 km軌道航天器數(shù)量不少于1000個。

2 航天器在軌全時監(jiān)控應用模式及流程

中繼衛(wèi)星多址波束支持中低軌航天器在軌全時監(jiān)控示意圖如圖1所示。其中，航天器用戶通過系統(tǒng)返向全景波束通道發(fā)送短報文消息，周期上報自身的健康(正常OK/異常SOS)和位置等狀態(tài)信息，從而地面能實時了解航天器狀態(tài)，必要時對航天器用戶進行前向應急管控。

圖1 中低軌航天器在軌全時監(jiān)控示意圖

相應的應用流程設計如圖2所示。用戶以發(fā)送間隔為周期，通過中繼衛(wèi)星全景波束系統(tǒng)返向通道，向地面控制中心回傳自身的狀態(tài)信息；地面控制中心接收狀態(tài)信息，必要時通過前向波束向用戶發(fā)送遙控指令，進行前向管控。

圖2 中低軌航天器在軌全時監(jiān)控應用流程

3 中繼衛(wèi)星全景波束技術

3.1 全景波束形成技術

有源相控陣波束形成有模擬波束形成(ABF)和數(shù)字波束形成(DBF)兩種技術體制可以實現(xiàn)。DBF技術成熟，具有波束控制靈活、具備靈活的多任務能力，空間自由度和移相精度高、抗干擾能力強，體系架構簡潔、擴展升級能力強等主要優(yōu)點，如圖3所示。返向全景波束需要形成多個，并具備可擴展性，采用地基DBF技術體制對設備的環(huán)境適應性要求比星上低，一方面保障對用戶的跟蹤精度與數(shù)傳性能，一方面為用戶服務數(shù)量擴展、地面系統(tǒng)升級預留空間。

圖3 數(shù)字波束形成

根據(jù)對期望區(qū)域與SMA系統(tǒng)的相對空間位置分析計算，通過調(diào)整多個返向DBF加權系數(shù)，形成按一定電平交疊的多個靜態(tài)子波束，可實現(xiàn)對2000 km 高度全覆蓋，如圖1所示。全景波束形成方法的關鍵在于對波束覆蓋參數(shù)的配置，需要根據(jù)SMA相控陣天線相對于單個子波束覆蓋區(qū)域的中心位置，分析、計算出與每個子波束對應的DBF加權系數(shù)，并通過DBF控制單元傳送給相應的DBF板，進而實現(xiàn)組合全景波束的覆蓋。根據(jù)下列公式確定DBF加權系數(shù)為

(1)

式中：(xn，yn)為第n個陣元的坐標；λ為波長；(θ，φ)為根據(jù)全景波束構型設計確定的每個子波束中心角度，是將通常按經(jīng)緯高坐標定義的子波束覆蓋區(qū)域中心映射到SMA相控陣天線坐標系中得到的。SMA天線坐標系定義：原點為陣面與地板安裝面的幾何中心，各坐標軸與衛(wèi)星坐標系各軸對應平行，其中，衛(wèi)星坐標系原點位于星箭分離面的幾何中心，X軸與衛(wèi)星東板垂直且向外為正，Y軸與衛(wèi)星南板垂直且向外為正，Z軸與衛(wèi)星對地板垂直且向外為正。

3.2 波束構型選擇

分析組合全景波束3 dB和1.5 dB交疊的覆蓋性能。單星覆蓋200～2000 km的航天器，相鄰波束按照3 dB交疊，約需要37個波束，張角為±11.5°；相鄰波束按照1.5 dB交疊，約需要75個波束，張角為±11.5°。單星覆蓋波束交疊示意圖如圖4所示。

圖4 單星覆蓋200～2000 km航天器波束交疊圖

按照中繼衛(wèi)星軌道位置77°E，176.8°E，16.8°E，90°W進行仿真得到四星星座對200～2000 km航天器覆蓋分析。由于部分區(qū)域波束重疊覆蓋，為減少地面設備數(shù)量，提高效費比，部分波束可以不形成，區(qū)域全覆蓋所需的最少波束數(shù)量如表1和表2所示。

表1 單星最少波束覆蓋數(shù)量分析

表2 四星最少波束覆蓋數(shù)量分析

全球覆蓋200～2000 km航天器，從波束數(shù)量角度來看，1.5 dB交疊的波束數(shù)量更多；從信號損失角度來看，1.5 dB交疊帶來的用戶運動到波束邊緣信號電平損失更低。由于返向短報文鏈路預算(如表4所示)較為緊張，綜合處理資源和鏈路預算余量，選擇1.5 dB交疊的波束構型。

3.3 協(xié)議體制設計

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)空間鏈路協(xié)議分層結構參照空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)建議的空間鏈路協(xié)議五層結構，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層。SMA全景波束協(xié)議體制對物理層的全部內(nèi)容和要求以及數(shù)據(jù)鏈路層的有關內(nèi)容和要求進行描述，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)協(xié)議分層架構

SMA全景波束系統(tǒng)物理層分為兩個子層，射頻子層主要包括射頻的頻率、帶寬、功率、極化以及信道特性要求等，編碼調(diào)制子層主要包括編碼、擴頻、載波調(diào)制的方法以及性能要求。

SMA全景波束系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路層也分為兩個子層，同步子層主要用于對傳送幀進行定界和同步，鏈路協(xié)議子層主要用于對來自高層的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)單元進行成幀處理，并執(zhí)行可能數(shù)據(jù)分割和重組。

分別針對前返向短報文和連續(xù)業(yè)務，設計了多址方式、擴頻方式、調(diào)制解調(diào)方式、編碼方式等，如表3所示。

表3 協(xié)議體制

3.4 鏈路預算

天基測控前向鏈路信息速率按照2000 bit/s計算，SMA前向接收的系統(tǒng)余量為9.5 dB。返向短報文業(yè)務信息速率按照1318 bit/s，終端EIRP按照9 dBW計算，SMA全景波束系統(tǒng)余量為4.6 dB。返向連續(xù)業(yè)務信息速率按照2000 bit/s，終端EIRP按照9 dBW計算，SMA跟蹤波束系統(tǒng)余量為5.7 dB?？梢?，前返向鏈路余量高于3 dB的要求。鏈路預算分別如表4所示。其中，星間距離和星地距離均取42000 km，波爾茲曼常數(shù)-228.6。

表4 鏈路預算

3.5 單星用戶容量分析

為滿足大量用戶的管理信息傳輸，在SMA全景波束下，采用短報文形式的業(yè)務體制，傳輸基本的狀態(tài)與信令。下面進行在短報文業(yè)務形式下，SMA全景波束系統(tǒng)單顆中繼衛(wèi)星所能支持的系統(tǒng)容量。

用戶容量定義為每個用戶按照一定的間隔發(fā)送短報文，在保證一定的傳輸成功率條件下(如99%)，系統(tǒng)所能支持的在線用戶數(shù)量。而短報文容量定義為一個小時內(nèi)單星所支持的短報文發(fā)送次數(shù)，取決于一定發(fā)送周期內(nèi)單星所能夠容納的用戶容量。由于返向采用擴頻ALOHA方式進行短報文傳輸，用戶容量遠高于傳統(tǒng)的ALOHA系統(tǒng)。

在擴頻ALOHA系統(tǒng)中，多個用戶可共用同一個擴頻碼，而使用同一擴頻碼的兩個或兩個以上的數(shù)據(jù)包在時間軸上可能會有重疊的部分，即在信道中發(fā)生碰撞，但這些發(fā)生碰撞的數(shù)據(jù)包不一定全部被毀壞，只要它們到達地面的時間差錯開幾個chip的時間(擴頻CDMA固有的時延捕捉特性)，它們便可以被地面站成功接收，因此，用戶容量遠高于傳統(tǒng)的ALOHA系統(tǒng)。

接下來對系統(tǒng)容量指標進行具體核算分析：(1)首先，分析使用同一個擴頻碼，僅考慮沖突影響時的用戶容量，確定一個公共碼道所能支持的最大用戶數(shù)量；(2)然后，分析多址干擾下的用戶容量，確定不考慮沖突時系統(tǒng)所能容納的最大用戶數(shù)量；(3)最后，聯(lián)合考慮沖突和干擾影響，分析系統(tǒng)所支持的用戶容量、公共碼道數(shù)量，論證系統(tǒng)短報文容量。

當所有用戶短報文有效信息長度為256 bit時，綜合考慮沖突和干擾對系統(tǒng)用戶容量的影響，通過仿真分析，得到：

1)單碼道用戶容量約為4000個，略低于不考慮干擾時單碼道用戶容量4500，證明用戶數(shù)量較少時多址干擾可忽略；

2)5個碼道用戶容量約為13000，單碼道容量約為2600。

按照系統(tǒng)用戶容量13000計算，每個用戶每隔10 s發(fā)一次短報文，對應的系統(tǒng)容量為13000(256 bit/10 s=333 kbit/s)，此時每小時支持的短報文容量為13000(3600/10=468萬次/h)。用戶容量與解調(diào)門限、可容忍的信噪比惡化程度密切相關，綜合系統(tǒng)所服務的用戶類型，建議短報文長度256 bit，報文發(fā)送時間間隔不小于10 s，單星可服務不少于1000個用戶。

4 結 論

中繼衛(wèi)星SMA系統(tǒng)能夠為中低軌航天器提供在軌全時監(jiān)控服務，其返向組合全景波束全球靜態(tài)覆蓋特性可以提高航天器在軌監(jiān)控效率與按需響應能力，分析的波束形成及構型能夠從數(shù)量上完全滿足在軌衛(wèi)星監(jiān)控需求，設計的通信協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)短報文及連續(xù)業(yè)務傳輸，單顆中繼衛(wèi)星可服務不少于1000個短報文航天器用戶。

結合全景波束抗干擾技術等系統(tǒng)關鍵技術的攻克，中繼衛(wèi)星多址返向全景波束系統(tǒng)支持航天器在軌全時監(jiān)控具有現(xiàn)實的可行性。