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(航天東方紅衛(wèi)星有限公司, 北京 100094)

0 引言

近年來，低軌小衛(wèi)星編隊飛行星座憑借其好、快、省的優(yōu)勢，已成為國內(nèi)外航天領(lǐng)域研究的熱點。為了有效地利用編隊飛行中的每顆小衛(wèi)星的信息來完成一顆“虛擬大衛(wèi)星”所要完成的復雜航天任務(wù)，小衛(wèi)星之間要進行大量數(shù)據(jù)傳輸、交換、處理等，因此編隊飛行小衛(wèi)星之間必須建立可靠的星間鏈路，通過星間鏈路把多顆小衛(wèi)星互聯(lián)在一起，形成一個以衛(wèi)星為交換節(jié)點的空間通信網(wǎng)絡(luò)，因此星間鏈路通信是小衛(wèi)星編隊飛行的關(guān)鍵技術(shù)之一，其性能的好壞直接決定由編隊衛(wèi)星組成的“虛擬大衛(wèi)星”能否高效可靠地完成空間任務(wù)[1-3]。

衛(wèi)星星間鏈路的研究工作在國外開展的比較早，已經(jīng)在國際上得到了較為廣泛的應(yīng)用，主要用于跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)、軍事通信系統(tǒng)、中低軌道通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及海洋和地面觀測衛(wèi)星系統(tǒng)等。我國關(guān)于星間鏈路的研究雖然起步較晚，但是近年來隨著小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，我國衛(wèi)星應(yīng)用和航天技術(shù)發(fā)展提出對衛(wèi)星編隊系統(tǒng)的要求，中國航天科技集團、中科院下屬所及國內(nèi)許多大學都積極開展衛(wèi)星編隊飛行星座系統(tǒng)項目研究，對星座的星間通信鏈路也開展研究試驗[4]。

傳統(tǒng)的同一軌道平面內(nèi)的星間鏈路由于基本保持不變的相對位置，軌內(nèi)星間鏈路的星間距離、方位角和俯仰角變化很小，且小衛(wèi)星星座的星間通信距離一般在幾十公里到幾百公里距離，僅需要使用固定波束星間收發(fā)天線即可實現(xiàn)星間通信。但隨著小衛(wèi)星遠距離編隊飛行的應(yīng)用，星間通信距離也相應(yīng)地增大(1～5千公里)，由此帶來了星間通信信號衰減急劇加大，星間通信視場受到球面軌道的影響導致星間通信鏈路的視場逐漸變窄，甚至中斷等問題，傳統(tǒng)的星間鏈路設(shè)計已經(jīng)不能滿足遠距離星間鏈路通信的需求。本文基于現(xiàn)有小衛(wèi)星星間鏈路系統(tǒng)設(shè)計，針對上述問題，提出了一種改進系統(tǒng)設(shè)計，有效地解決了遠距離星間通信時遇到的上述問題。

1 傳統(tǒng)星間鏈路設(shè)計及其局限性

傳統(tǒng)星間鏈路設(shè)計時，同一軌道面內(nèi)前后飛行的兩顆衛(wèi)星(A星和B星)的星間鏈路系統(tǒng)分別配備一套星間發(fā)射設(shè)備(包括一臺星間發(fā)射機、一副星間發(fā)射天線)和一套星間接收設(shè)備(包括一臺星間接收機、一副星間接收天線)。A星星間發(fā)射機通過星間發(fā)射天線調(diào)制發(fā)射星間傳輸信息，B星星間接收機通過星間接收天線接收解調(diào)星間傳輸信息[5]。

由于A星的-X面安裝星間發(fā)射天線，天線電軸法向與衛(wèi)星-X軸平行，B星的+X面安裝星間接收天線，天線電軸法向與衛(wèi)星+X軸平行，因此當兩星距離較近時，球面軌道在兩星之間近似為直線，近距離星間通信時，兩星之間視場不受影響。

但隨著兩顆星之間星間通信距離的增大，會出現(xiàn)通信鏈路信號逐漸減弱甚至不能正常接收解調(diào)信號的現(xiàn)象、以及通信鏈路視場會受到球面軌道的影響導致星間通信鏈路視場變窄甚至中斷的情況，即星間發(fā)射天線波束不能覆蓋星間接收天線波束。

因此星間通信距離的增大，不僅影響了星間鏈路通信信號強弱，還影響了兩星之間星間發(fā)射、接收天線的通信共視視場。傳統(tǒng)的星間鏈路系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)不能滿足遠距離星間通信的需求。

2 星間鏈路系統(tǒng)改進設(shè)計

針對傳統(tǒng)星間鏈路系統(tǒng)設(shè)計在遠距離星間鏈路通信時存在的問題，提出了一種改進系統(tǒng)設(shè)計[5]，主要包括3個方面：1)將與衛(wèi)星+X軸和-X軸平行的星間發(fā)射、接收天線按照預先計算的指向調(diào)整角度調(diào)整星間發(fā)射、接收天線的安裝方位，從而使星間發(fā)射天線、接收天線波束電軸法向分別相對于衛(wèi)星的+X軸和-X軸方向偏置固定角度，重新構(gòu)建星間通信鏈路，使星間通信視場恢復；2)星間發(fā)射天線、接收天線采用具有波束窄、增益高的天線，以補償遠距離通信時信號能量的衰減；3)采用卷積編碼作為信道編碼方式，在星間發(fā)射設(shè)備上對信息進行卷積編碼，在星間接收設(shè)備上對信息進行維特比譯碼，降低接收設(shè)備的解調(diào)門限和接收解調(diào)誤碼率，提高信道的鏈路余量，系統(tǒng)設(shè)計框圖分別如圖1和2所示。

圖1為星間發(fā)射、接收天線的系統(tǒng)設(shè)計框圖，其中A星為星間發(fā)射系統(tǒng)，B星為星間接收系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計時，分別調(diào)整A星星間發(fā)射天線和B星星間接收天線在星體上的安裝方位，使A星的星間發(fā)射天線波束法向和B星的星間接收天線波束法向與星體+X軸和-X軸的法向夾角為β角度，重新構(gòu)建星間通信鏈路。

圖1 星間鏈路系統(tǒng)設(shè)計框圖

圖2為星間發(fā)射系統(tǒng)和星間接收系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計框圖。圖中A星星間發(fā)射系統(tǒng)對傳輸信息進行卷積編碼、擴頻調(diào)制、成型濾波、載波調(diào)制、上變頻和功率放大后給星間發(fā)射天線輻射輸出；B星星間接收系統(tǒng)通過星間接收天線接收到星間射頻信號后，經(jīng)低噪聲放大、下變頻、解調(diào)解擴和維特比譯碼后恢復出傳輸信息。

圖2 星間鏈路系統(tǒng)設(shè)計框圖

在小衛(wèi)星體積空間小、質(zhì)量和功耗受限等因素制約的前提下，使用伺服控制機構(gòu)或者相控陣天線來控制星間天線指向?qū)崿F(xiàn)星間鏈路通信將受到嚴重的制約，但通過將星間發(fā)射、接收天線按照指向調(diào)整角度進行傾斜安裝、采用窄波束、高增益的星間發(fā)射、接收天線以及采用卷積編碼作為信道編碼方式等系統(tǒng)設(shè)計即可實現(xiàn)滿足兩星遠距離星間通信視場可見且正常接收解調(diào)信號的需求，又不受其它因素的制約。

3 星間通信視場分析

星間通信視場可見需要星間發(fā)射天線波束覆蓋星間接收天線波束，由于星間通信距離的增大，星間通信視場會受到球面軌道的影響導致星間通信鏈路視場變窄甚至中斷的情況，根據(jù)第2節(jié)的設(shè)計，需要計算出在一定距離范圍內(nèi)，星間天線指向調(diào)整的角度β，以確保星間發(fā)射天線波束視場能夠準確覆蓋星間接收天線波束視場。本節(jié)針對星間天線波束指向調(diào)整角度進行了理論計算和分析。

根據(jù)第2節(jié)的系統(tǒng)設(shè)計，分別調(diào)整A星星間發(fā)射天線和B星星間接收天線在星體上的安裝方位，使A星的星間發(fā)射天線波束法向和B星的星間接收天線波束法向與星體+X軸和-X軸的法向夾角為β角度，如圖3中黑色粗線覆蓋區(qū)域為星間發(fā)射天線沿A星星體-X軸傾斜β角度和星間接收天線沿B星星體+X軸傾斜β角度之后，兩天線波束之間的可見視場。圖3中(為A星星間發(fā)射、B星接收天線的波束寬度，β為AB星星間發(fā)射、接收天線電軸法向從平行于衛(wèi)星+X軸和-X軸方向到與AB星星間連線之間的轉(zhuǎn)動角度，(為A星、B星之間所夾弧的圓心角度。R為衛(wèi)星軌道半長軸(A星、B星軌道高度相同)，r為地球半徑，h為衛(wèi)星飛行高度。d為AB星之間直線距離。

圖3 改進設(shè)計后遠距離星間通信視場覆蓋

由于A、B星在軌飛行軌道近似為同一軌道面的圓軌道，因此A星、B星的X軸法向正切于衛(wèi)星軌道面，且通過弦切角定理得知，傾斜角度β等于它所夾的弧所對的圓心角度數(shù)θ的一半，計算公式如下：

(1)

其中:圓心角度數(shù)θ可以通過公式2計算得到，公式中R為衛(wèi)星的軌道半長軸、d為AB星之間的星間直線距離。

(2)

因此通過對兩顆星之間星間天線波束指向調(diào)整角度β的計算公式的推導，可知兩星之間星間天線的指向調(diào)整角度β僅需要事先知道兩顆衛(wèi)星之間的星間直線距離d，以及衛(wèi)星的軌道半長軸R，即可通過公式(1)和公式(2)計算得到。

由于星間發(fā)射和接收天線采用固定波束天線，天線波束指向角度的調(diào)整只能通過調(diào)整天線在星體上的安裝方位來實現(xiàn)，即通過對星間發(fā)射天線沿星體-X軸傾斜β角度和對星間接收天線沿星體+X軸傾斜β角度進行安裝，即可實現(xiàn)星間通信視場的可見。

4 星間通信鏈路分析

為解決遠距離星間通信所帶來的信號衰落變大問題，本設(shè)計采用了高增益的星間發(fā)射、接收天線，以及采用了卷積編碼作為信道編碼方式，以保證星間鏈路通信信道余量滿足通信要求。本節(jié)對整個星間通信鏈路進行了鏈路余量計算和分析。

星間通信鏈路是指從星間發(fā)射信源到星間接收信宿的整個通信路徑：從星間發(fā)射信源開始，傳輸信息通過編碼和調(diào)制由星間發(fā)射機功率放大后經(jīng)由信道到達星間接收機進行解調(diào)和譯碼出傳輸信息后結(jié)束于星間接收信宿。圖4給出了一個典型的由星間發(fā)射端到星間接收端的星間通信鏈路模型圖。其中星間鏈路的傳輸損耗主要包括3個部分：空間損耗、介質(zhì)損耗和解調(diào)損耗。其中空間損耗主要包括3個部分：自由空間傳播損耗、極化損耗、發(fā)射和接收天線指向損耗，介質(zhì)損耗主要包括：發(fā)射饋線和無源部件損耗、接收饋線損耗[6]。

圖4 星間通信鏈路模型圖

本設(shè)計中星間通信鏈路工作頻段為X頻段，星間通信距離為5000公里，調(diào)制和編碼方式采用二進制相移鍵控(BPSK)調(diào)制和卷積編碼方式編碼。在滿足誤碼率要求Pe=10-6時對應(yīng)解調(diào)所需Eb/N0的最小理論要求值為10.5 dB的情況下進行了鏈路余量分析。

星間發(fā)射EIRP通信方程可表示為：

EIRP=PF+GF-LF

(3)

其中:PF為星間發(fā)射機輸出功率，GF為星間發(fā)射天線增益，LF為發(fā)射饋線和無源部件損耗。

接收信號的載噪功率譜密度比(C/N0)通信方程可表示為：

C/N0=EIRP-LSS-LP+(G/T)SS-k

(4)

其中:(G/T)SS為星間接收天線增益與接收系統(tǒng)等效噪聲溫度之比，LSS為自由空間傳播損耗，LP為極化損耗，k為玻爾茲曼常數(shù)。

星間通信鏈路余量(M)通信方程可表示為:

M=C/N0-10lg(R)+GC-LDem-(Eb/N0)Require

(5)

其中:R為信息碼速率，GC為編碼增益，LDem為解調(diào)損失，(Eb/N0)Require為理論解調(diào)Eb/N0值。

按照上述公式(3)～(5)，對星間通信鏈路進行具體計算如表1所示。

表1 星間通信鏈路計算表

由表1可知，在星間發(fā)射機輸出功率2 W、星間發(fā)射天線增益17 dBi、星間發(fā)射EIRP 18 dBW、星間接收天線增益17 dBi、星間接收G/T值為-9.6 dB/K以及星間傳輸信息碼速率2 048 bps情況下，計算得到整個星間鏈路余量為9.1 dB，滿足通信余量大于3 dB的要求，星間接收機接收信號強度為-121.3 dBm，大于星間接收機接收靈敏度-124 dBm。

因此通過采用高增益星間發(fā)射、接收天線，以及采用卷積編碼作為信道編碼方式，可以滿足遠距離星間通信的要求。

5 星間通信視場仿真分析

針對第2節(jié)中提出的天線安裝方位改進設(shè)計以及第3節(jié)中對星間通信視場和天線指向調(diào)整角度的理論計算分析，本節(jié)使用STK軟件進行了星間通信視場仿真覆蓋性分析，以驗證天線指向調(diào)整角度理論計算的正確性[7]。

A星、B星仿真條件如下：1)衛(wèi)星運行軌道為太陽同步軌道；2)衛(wèi)星軌道高度為700 km，傾角為98.27°；3)衛(wèi)星間相對距離為5000 km；4)衛(wèi)星星間發(fā)射天線、接收天線波束寬度為5°；5)A星為星間鏈路系統(tǒng)中的星間發(fā)射衛(wèi)星，B星為星間接收衛(wèi)星。

5.1 仿真設(shè)置

利用STK軟件對兩星星間鏈路通信視場可見性進行了仿真分析，仿真設(shè)置如下：

1)在STK軟件中創(chuàng)建仿真場景，創(chuàng)建場景對象衛(wèi)星SatA、SatB；對SatA和SatB進行軌道參數(shù)設(shè)置，仿真時間設(shè)置為1 Dec 2017 00:00:00-2 Dec 2017 00:00:00(UTCG)，坐標系選擇J2000；

2)分別給SatA和SatB添加傳感器對象(Sensor)星間發(fā)射天線ATTEN1、星間接收天線ATTEN2；天線半波束角度(Cone Angle)設(shè)置為2.5°；指向類型為指定軸的固定方式(Fixed in Axes)，方位方式為方位角-仰角(Az-El)，可根據(jù)天線ATTEN1、ATTEN2在SatA和SatB上的安裝位置設(shè)置天線俯仰角。

5.2 星間通信視場仿真

1)根據(jù)傳統(tǒng)星間鏈路設(shè)計，A星的-X面星間發(fā)射天線電軸法向與衛(wèi)星-X軸平行，B星的+X面星間接收天線電軸法向與衛(wèi)星+X軸平行，設(shè)置天線ATTEN1在SatA上方位角(Azimuth)為180°，俯仰角(Azimuth)為0°；設(shè)置天線ATTEN2在SatB上方位角(Azimuth)為0°，俯仰角(Azimuth)為0°。

在STK中調(diào)整A星與B星之間的相對距離，通過仿真得到：當A星、B星之間的相對距離達到616.84996 km時，星間天線的仰角(半波束角)已經(jīng)為-2.5°，即已經(jīng)到星間天線波束的邊緣，可見視場變窄，如表2和圖5所示。如果A星與B星之間的相對距離進一步增大，則A星與B星的星間通信可見視場則會中斷。

表2 A星和B星之間相對位置關(guān)系

圖5 A星與B星相對距離達到616.84996 km時可見視場仿真 圖6 A星與B星相對距離達到5000 km時可見視場仿真(指向角度調(diào)整后)

2)根據(jù)遠距離星間通信鏈路的應(yīng)用，星間通信距離可達1～5千公里，根據(jù)第3節(jié)中星間天線的指向調(diào)整角度計算公式，計算出天線波束法向與兩星連線夾角對應(yīng)表如表3所示。

表3 天線波束法向與兩星連線夾角對應(yīng)表

本節(jié)仿真以兩星之間相對距離5000公里為例，因此指向調(diào)整角度β設(shè)置為20.70502°。在STK中設(shè)置天線ATTEN1在SatA上方位角(Azimuth)為180°，俯仰角(Azimuth)為20.70502°；設(shè)置天線ATTEN2在SatB上方位角(Azimuth)為0°，俯仰角(Azimuth)為20.70502°，以調(diào)整星間天線的指向角度，A星與B星可見視場仿真如圖6所示。由圖6可見，A星與B星的星間通信視場重新為可見狀態(tài)。

5.3 仿真結(jié)果

通過上述仿真表明，采用傳統(tǒng)星間天線的安裝方式，星間通信視場隨著星間距離的增大逐漸變窄，但根據(jù)不同的星間距離來計算、調(diào)整星間天線的安裝指向角度，即可實現(xiàn)從不調(diào)整指向角度前的視場不可見狀態(tài)重新恢復到視場可見狀態(tài)。通過本仿真驗證了第3節(jié)中計算天線指向調(diào)整角度方法的合理可行，在實際工程應(yīng)用中，通過對天線指向調(diào)整角度的計算，并將此角度用于星間天線在星體上的安裝方位的調(diào)整即可，工程實現(xiàn)簡單、實用性強。

6 結(jié)束語

本文針對遠距離星間通信時，傳統(tǒng)星間鏈路設(shè)計方案的局限性和不足提出了改進設(shè)計，并對改進設(shè)計進行了理論計算和仿真分析驗證，驗證結(jié)果表明：遠距離星間通信時，采用按照預先計算的指向調(diào)整角度調(diào)整星間發(fā)射、接收天線的安裝方位；采用窄波束、高增益星間發(fā)射、接收天線以及采用卷積編碼作為信道編碼方式的設(shè)計，可以解決遠距離星間鏈路通信時，兩星之間的通信視場及鏈路余量問題。本文立足于現(xiàn)有小衛(wèi)星星間鏈路系統(tǒng)進行的改進設(shè)計，其設(shè)計方法不僅適用于低軌小衛(wèi)星編隊飛行星座，對于其它中低軌道航天器進行遠距離星間鏈路通信系統(tǒng)設(shè)計也具有參考和借鑒意義。

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