唐子行，陳錫煉，何雨竹，余 翔

（重慶郵電大學(xué)，重慶 400065）

1 CubeSat簡介

CubeSat是目前甚小型衛(wèi)星技術(shù)的主流技術(shù)之一，以低軌道衛(wèi)星為主，相較于傳統(tǒng)衛(wèi)星，CubeSat具有體積小，研發(fā)周期短，成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于低軌道的空間探測任務(wù)以及技術(shù)驗(yàn)證[1]。

CubeSat是在1999年由斯坦福大學(xué)提出的一種新概念的皮衛(wèi)星規(guī)范，尺寸為10cm×10cm×10cm，質(zhì)量約為1.33kg的1U立方體納衛(wèi)星。根據(jù)任務(wù)的需要，可將立方體衛(wèi)星擴(kuò)展為二單元，三單元，甚至六單元[2]。CubeSat以工業(yè)級器件為主研制，通用的工業(yè)器件能夠滿足部分應(yīng)用型航天器的需求，為CubeSat短周期、低成本的研發(fā)提供了可行的方案[3]。

由于CubeSat研發(fā)周期短、費(fèi)用低、發(fā)射方式靈活等特點(diǎn)，CubeSat符合空間應(yīng)用發(fā)展的趨勢，易于組網(wǎng)。一般可多星搭載發(fā)射，易于組成衛(wèi)星星座，可用于完成分布式衛(wèi)星協(xié)同工作，如通信衛(wèi)星星座、遙感衛(wèi)星星座等[3]。典型項(xiàng)目QB50計劃采用50顆2U CubeSat組成空間網(wǎng)絡(luò)，用于對低層大氣實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)在軌測量，同時在星座中開展衛(wèi)星再入大氣層過程的一些相關(guān)研究[4]。

CubeSat系統(tǒng)主要是由通信系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)熱控系統(tǒng)，星務(wù)系統(tǒng)，姿態(tài)控制系統(tǒng)，電源系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。通信子系統(tǒng)是CubeSat最重要的系統(tǒng)之一，確保衛(wèi)星與地面之間可以建立可靠有效的連接，實(shí)現(xiàn)指令、數(shù)據(jù)的傳輸，17%的衛(wèi)星項(xiàng)目失敗是由于通信系統(tǒng)出現(xiàn)問題而造成的[5]。

2 CubeSat通信系統(tǒng)

CubeSat通信子系統(tǒng)作為CubeSat系統(tǒng)中最為重要的系統(tǒng)之一，承擔(dān)著建立星地連接，實(shí)現(xiàn)可靠傳輸?shù)呢?zé)任。由于CubeSat本身體積限制，電池容量有限，星上通信系統(tǒng)的發(fā)射功率一般均不超過2W，如ISIS為CubeSat設(shè)計的UHF/VHF收發(fā)機(jī)發(fā)射功率僅達(dá)0.2W[6]。

CubeSat通信系統(tǒng)大多工作在VHF/UHF業(yè)余頻段，數(shù)據(jù)率為1.2kbps與9.6kbps。部分CubeSat會搭載S或X波段的通信系統(tǒng)，可進(jìn)行高速傳輸遙測數(shù)據(jù)。CubeSat除任務(wù)數(shù)據(jù)傳輸外，還會定時發(fā)射信標(biāo)信息，多數(shù)CubeSat采用星上已有的通信系統(tǒng)直接傳輸，少部分開發(fā)者會制定單獨(dú)的一套通信系統(tǒng)。

由于衛(wèi)星通信的特殊性，在追求一定有效性的同時，還需要保證衛(wèi)星在軌通信的可靠性，另外還應(yīng)該考慮CubeSat的低功耗限制。在VHF/UHF頻段，開發(fā)者通常采用BPSK、AFSK以及GMSK調(diào)制方式，在S或X頻段多采用跳頻方式[1]。通過MATLAB仿真可以看出，在相同信噪比的情況下，BPSK調(diào)制可以實(shí)現(xiàn)更低的誤碼率傳輸，更加適合于發(fā)射功率有限，對信道要求高的星地下行鏈路。而上行通信多采用AFSK調(diào)制方式，適合于不受發(fā)射功率限制的地面站。由于考慮到我國的空間發(fā)射環(huán)境以及系統(tǒng)成本，在滿足通信需求的前提下多采用V/U收發(fā)模式，即上行鏈路工作在VHF頻段，下行鏈路工作在UHF頻段。星上一般采用全向天線進(jìn)行星地通信，以降低對姿態(tài)控制的要求，而地面站通常會采用方向性較好的天線，如八木天線。另外，星間通信采用S波段，高增益天線居多，以實(shí)現(xiàn)星間數(shù)據(jù)的快速傳輸。

圖1 誤碼率比較

對于CubeSat開發(fā)者來說，收發(fā)信機(jī)解決方案可分為三種[7]，第一種是直接采用用于航天器的商業(yè)器件（COTS），開發(fā)難度低，通信質(zhì)量可靠，價格高。第二種是使用其他商用通信模塊，需要修改結(jié)構(gòu)，增加防護(hù)罩，甚至聯(lián)系制造廠家，成本相對較低。最后一種則是自主設(shè)計研發(fā)，難度系數(shù)高，可以更好適應(yīng)個體需求，如南理工自主研發(fā)的低功耗高靈敏度收發(fā)機(jī)，接收機(jī)靈敏度可達(dá)-106.6dBm，接收狀態(tài)下系統(tǒng)功耗僅為0.22W[8]。經(jīng)相關(guān)調(diào)研了解到，多數(shù)開發(fā)者均采用了AX.25協(xié)議，該協(xié)議包含物理層、數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)構(gòu)，適用于較簡單的單星通信，而多星通信需采用更加復(fù)雜，且包含網(wǎng)絡(luò)路由的通信協(xié)議。

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，星載通信模塊逐漸向著數(shù)字化發(fā)展，SDR利用數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)盡可能地用軟件定義和實(shí)現(xiàn)無線通信的功能，如：上下變頻、調(diào)制解調(diào)、編解碼、加解密、多址等[9]。但由于多數(shù)功能都由軟件實(shí)現(xiàn)，易受到太空單粒子效應(yīng)影響，因此SDR不如傳統(tǒng)硬件收發(fā)機(jī)穩(wěn)定性高，提高單板的抗粒子效應(yīng)能力也將是未來的一個研究方向。

3 通信子系統(tǒng)框架

在CubeSat項(xiàng)目開發(fā)中，通常采用如圖2的通信子系統(tǒng)框架[10]。MCU （Micro Controller Unit）作為通信子系統(tǒng)的控制單元，具備與星上其他子系統(tǒng)通信、編解碼、控制收發(fā)模式、控制發(fā)射功率等功能。另外，收發(fā)機(jī)接收到遙控指令后，先交由MCU處理后，再由MCU控制系統(tǒng)做出響應(yīng)。

收發(fā)機(jī)模塊由低噪放、高功放、編解碼器以及HF開關(guān)構(gòu)成，當(dāng)位于接收狀態(tài)時，信號從天線接收后經(jīng)過低功率放大器，再由收發(fā)機(jī)提取出有用信號后交由MCU處理，發(fā)射狀態(tài)下信號處理過程與接收狀態(tài)相反，且信號通過高功率放大器。

通信系統(tǒng)的上下行鏈路，以及信標(biāo)信號以半雙工的通信模式共同使用一條數(shù)據(jù)鏈路，由MCU負(fù)責(zé)控制切換HF開關(guān)，選擇射頻信號通道，該通信方式具有尺寸小、功耗低、系統(tǒng)復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn)。稍復(fù)雜的通信子系統(tǒng)可能會采用單獨(dú)的信標(biāo)板傳輸信標(biāo)信號，且上下行鏈路使用不同的頻率，但同時這也會對尺寸、功耗等提出更高要求。

圖2 通信子系統(tǒng)框圖

CubeSat通信子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)采用I2C總線連接，是CubeSat上最主要的通信總線，收發(fā)機(jī)與MCU采用SPI總線連接，用于配置收發(fā)機(jī)以及數(shù)據(jù)交換。

圖3 MCU框圖

4 未來研究方向

4.1 組網(wǎng)

隨著CubeSat研究不斷地進(jìn)展，雖然CubeSats已經(jīng)成為一個可行的太空平臺，但依然存在衛(wèi)星與地面站無法持續(xù)通信的問題?？茖W(xué)載荷的不斷變化使得CubeSat的星上存儲功能難以滿足巨大數(shù)據(jù)量的存儲需求，因此考慮采用組網(wǎng)方式間接傳輸信息。相較于建立成本過高的地面站網(wǎng)絡(luò)，CubeSat組網(wǎng)具有研發(fā)周期短、費(fèi)用低、傳輸速率高等特點(diǎn)，可以提供更有效、更低成本的通信網(wǎng)絡(luò)[11]。據(jù)相應(yīng)研究表明，CubeSat星群對通信設(shè)施薄弱的極地地區(qū)也可以實(shí)現(xiàn)較好的覆蓋表現(xiàn)[12]。

4.2 星上天線

在通信系統(tǒng)中天線設(shè)計是非常重要的一個環(huán)節(jié)，根據(jù)第二部分的敘述，星上天線多采用工作于VHF/UHF的單極天線天線與偶極天線，以較低的數(shù)據(jù)率換取通信的可靠性。因此為了提高星間通信速率，設(shè)計一個高增益的定向天線是具有一定應(yīng)用價值的。如印度的星上貼片天線，采用緊湊的天線陣列結(jié)構(gòu)，工作于2.46GHz，可提供9.6dB的增益[5]。