孔德慶，李春來，張洪波，蘇 彥，劉建軍，徐茂格，朱新穎，李俊鐸，薛喜平

(1. 中國科學(xué)院國家天文臺(tái)，中國科學(xué)院月球與深空探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012；2. 中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引 言

隨著深空探測(cè)與射電天文的迅猛發(fā)展，對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡的性能提出了新的需求[1-3]。然而，目前由于大口徑天線和低噪聲接收機(jī)等存在工程極限，單個(gè)天線性能的提高已經(jīng)到了停滯狀態(tài)，通過大量小天線組陣的方法是獲得更高天線性能的基本途徑。天線組陣技術(shù)除了能夠?qū)崿F(xiàn)等效口徑大天線接收能力的同時(shí)，還具有更大的視場(chǎng)、更高的系統(tǒng)可靠性、更低的建造維護(hù)費(fèi)用、更好的計(jì)劃靈活性和對(duì)射電天文科學(xué)研究更廣泛的支持。天線組陣技術(shù)已成為深空通信和射電天文技術(shù)發(fā)展的主要方向[4]。

美國深空網(wǎng)早在20世紀(jì)70年代就開始進(jìn)行天線組陣技術(shù)的研究和深空探測(cè)任務(wù)的執(zhí)行，最初利用已有的深空通信大天線和大型射電天文望遠(yuǎn)鏡組陣。先后分別建成了三套全頻譜組陣系統(tǒng)[2,5]，在幾乎每次的深空探測(cè)中都進(jìn)行了天線組陣的數(shù)據(jù)接收。分別利用深空站的34 m、64 m、70 m天線以及射電天文的Parkes 64 m天線、VLA 27面25 m天線陣等，在水手號(hào)、Voyager、Galileo、Cassini和先驅(qū)者號(hào)等系列深空探測(cè)器，在探測(cè)水星、木星、土星、天王星和海王星等任務(wù)中，都利用天線組陣技術(shù)進(jìn)行了下行科學(xué)數(shù)據(jù)的接收，成功實(shí)現(xiàn)了深空探測(cè)器科學(xué)數(shù)據(jù)的最大效率回傳[6]。目前，正在建設(shè)和計(jì)劃建設(shè)的天線陣主要有SKA(平方公里陣)[7]、阿倫望遠(yuǎn)鏡[2]、DSN(美國深空網(wǎng))大型陣等。NASA已明確表示在未來的深空探測(cè)中，將不再建設(shè)大型單口徑天線，而是采用中小天線組陣的方式[2]，DSN大型陣就是針對(duì)未來的深空探測(cè)，用于替換目前的70 m天線而研制的新一代天線陣。DSN大型陣采用數(shù)百個(gè)直徑為6～15 m的小天線進(jìn)行組陣，它將從總口徑為2倍70 m天線口徑的原型系統(tǒng)開始，在資金許可的條件下可以做成原型的100倍；不過，目前這一系統(tǒng)面臨著微弱信號(hào)相關(guān)與合成的問題[8]。國內(nèi)除了中科院國家天文臺(tái)、上海天文臺(tái)已建成或正在建設(shè)的用于射電天文觀測(cè)研究的天線陣外，我國用于執(zhí)行深空探測(cè)數(shù)據(jù)接收任務(wù)的天線組陣仍停留在實(shí)驗(yàn)階段。分別在國家天文臺(tái)密云站建立了4天線Ku頻段實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[9]，在北京懷柔建立了4天線S/X頻段實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并針對(duì)嫦娥2號(hào)、同步衛(wèi)星等進(jìn)行了組陣實(shí)驗(yàn)[10]，舒逢春等[11]利用VLBI數(shù)據(jù)進(jìn)行了組陣實(shí)驗(yàn)。

我國首次火星探測(cè)任務(wù)已經(jīng)立項(xiàng)，根據(jù)我國的深空探測(cè)規(guī)劃，后續(xù)還將進(jìn)行多次月球、火星、木星及遠(yuǎn)至太陽系邊緣的行星際穿越的深空探測(cè)。地面接收到的探測(cè)器信號(hào)非常微弱，如采用現(xiàn)有的單天線接收，無法滿足探測(cè)器的科學(xué)數(shù)據(jù)下行需求。為了確保探測(cè)器有效載荷科學(xué)數(shù)據(jù)的順利下傳，在首次火星探測(cè)任務(wù)中擬采用密云站GRAS-1天線(口徑50 m)、昆明站GRAS-2天線(口徑40 m)、密云站GRAS-3天線(口徑40 m)和正在建設(shè)中的武清站GRAS-4天線(口徑70 m)組陣接收的方案來滿足數(shù)據(jù)接收的需求。4面天線組成的天線陣等效口徑可達(dá)102 m，針對(duì)后續(xù)更遠(yuǎn)的深空探測(cè)任務(wù)，根據(jù)需要也可將國內(nèi)其他大型天線，如上海天文臺(tái)天馬站65 m、新疆天文臺(tái)南山站25 m等天線納入天線組陣中。

天線組陣中，特別是涉及異地組陣的時(shí)延、時(shí)延率和相位差的估計(jì)與補(bǔ)償，以及信號(hào)合成等方法是天線組陣的關(guān)鍵技術(shù)。天線組陣技術(shù)在航天工程中的應(yīng)用在國內(nèi)尚屬首次，密云站和武清站的直線距離約110 km，與昆明站的距離超過2100 km，屬于異地組陣。異地組陣與本地組陣相比，由于接收探測(cè)器下行信號(hào)的路徑不同，不同地點(diǎn)的天線接收系統(tǒng)接收到的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生較大的時(shí)延和時(shí)延率；由于對(duì)流層的不穩(wěn)定性，使得對(duì)流層延遲可以在很短的時(shí)間、很小的區(qū)域內(nèi)發(fā)生變化[12]，對(duì)流層延遲的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率一般不足70%，濕延遲的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率更是不到30%。這些因素對(duì)信號(hào)合成效率都有較大影響。

為此，開展了信號(hào)時(shí)延、時(shí)延率和相位差的估計(jì)及信號(hào)合成方法的研究，提出了利用模型計(jì)算和基于科斯塔斯環(huán)的搜索估計(jì)相結(jié)合的初始時(shí)延和多普勒頻差快速估計(jì)方法，并利用現(xiàn)有的密云站GRAS-1天線和昆明站GRAS-2天線，以嫦娥3號(hào)著陸器數(shù)傳信號(hào)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行了天線組陣與數(shù)據(jù)接收技術(shù)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)。

1 火星探測(cè)數(shù)據(jù)接收天線組陣合成性能分析

1.1 數(shù)據(jù)接收天線組陣方案

圖1為首次火星探測(cè)天線陣組成及信號(hào)合成數(shù)據(jù)處理流程示意圖。探測(cè)器信號(hào)由地面站天線接收經(jīng)下變頻后，由檢前信號(hào)采集設(shè)備進(jìn)行中頻信號(hào)采集、處理，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到組陣信號(hào)合成和解調(diào)處理機(jī)進(jìn)行信號(hào)合成和軟件解調(diào)。下變頻器和檢前采集設(shè)備由站內(nèi)原子鐘提供的頻標(biāo)信號(hào)作為外頻標(biāo)。組陣信號(hào)合成和解調(diào)軟件實(shí)現(xiàn)各路信號(hào)之間的時(shí)延、多普勒頻差和相位差等參數(shù)估計(jì)，完成信號(hào)幅度、時(shí)延、條紋旋轉(zhuǎn)和相位的補(bǔ)償和修正，并將修正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)相加實(shí)現(xiàn)信號(hào)合成。合成信號(hào)由軟件解調(diào)模塊實(shí)現(xiàn)軟件解調(diào)。

圖1 天線陣組成及信號(hào)合成數(shù)據(jù)處理流程示意圖Fig.1 Antenna array and the combining flow diagram

用于天線陣信號(hào)合成處理的基本方法主要有全頻譜合成(FSC)、復(fù)符號(hào)合成(CSC)、符號(hào)流合成(SSC)、基帶合成(BC)和載波組陣(CA)等。其中，復(fù)符號(hào)合成和基帶合成適用于存在副載波的情況，載波組陣主要適用于本地組陣，符號(hào)流合成效率較低，全頻譜合成方法具有更高的合成效率和更廣泛的信號(hào)適用能力[2]。為此主要針對(duì)合成效率和信號(hào)適應(yīng)能力最強(qiáng)的全頻譜合成方法進(jìn)行研究。

1.2 天線陣信號(hào)合成性能分析

假設(shè)每個(gè)天線對(duì)的殘留相位誤差呈高斯分布，以天線1為參考天線，則FSC合成損失可表示為[13]

(1)

式中:RFSC為FSC合成信號(hào)的實(shí)際信噪比，Rideal為無合成損失時(shí)的合成信號(hào)理論信噪比，Ri為天線i的信噪比，Cij為由于天線之間相位未對(duì)齊引起的減弱系數(shù)，且

Cij=E{exp[j(Δφi1-Δφj1)]}=

式中：Ri1為天線i的信號(hào)與參考天線1的互相關(guān)函數(shù)的信噪比，即

Ri1=2RiR1TB

式中：T為積分時(shí)間，B為信號(hào)帶寬。

理論上信號(hào)信噪比越低，合成損耗越高，選擇合成后的信號(hào)信噪比為解調(diào)門限時(shí)進(jìn)行指標(biāo)分析。由LDPC譯碼的Eb/N0≤0.5 dBHz(編碼后)的門限要求，以及GRAS-1、2、3和4天線G/T值，計(jì)算合成信號(hào)達(dá)到解調(diào)門限時(shí)每面天線信號(hào)的信噪比。此時(shí)單路天線信噪比均低于解調(diào)門限，合成信號(hào)Eb/N0達(dá)到0.5 dBHz解調(diào)門限要求。經(jīng)計(jì)算，不考慮大氣相位擾動(dòng)，在采用全頻譜合成SIMUPLE互相關(guān)算法時(shí)，在碼速率≥256 bps，頻標(biāo)頻率穩(wěn)定度≥2×10-11時(shí)，GRAS-1/2/3/4天線陣可以實(shí)現(xiàn)合成損失≤0.35 dB。一般條件下，銣種、氫鐘等的短期穩(wěn)定度均可滿足這一條件，但考慮大氣擾動(dòng)和接收設(shè)備等因素對(duì)相位穩(wěn)定性的影響，一般選用短穩(wěn)精度較高的氫鐘作為頻率標(biāo)準(zhǔn)。在首次火星探測(cè)任務(wù)中，下行數(shù)據(jù)最低碼速率為16 kbps，所以GRAS-1/2/3/4天線陣可以滿足火星任務(wù)及后續(xù)其他深空探測(cè)任務(wù)的信號(hào)合成性能要求。

2 信號(hào)合成方法和處理流程

信號(hào)合成首先根據(jù)探測(cè)器軌道進(jìn)行時(shí)延、頻差的模型計(jì)算或基于信號(hào)的初步估計(jì)，進(jìn)行信號(hào)時(shí)延和頻差的粗修正；通過互相關(guān)實(shí)現(xiàn)時(shí)延、頻差和相位差的精確估計(jì)和修正，然后進(jìn)行信號(hào)的加權(quán)合成；合成后的信號(hào)通過軟件解調(diào)實(shí)現(xiàn)下行數(shù)據(jù)的獲取。

2.1 初始時(shí)延、頻差和相位差快速估計(jì)方法

基于時(shí)延模型的初始時(shí)延和時(shí)延率計(jì)算，需要較高的探測(cè)器軌道和兩站授時(shí)精度。在缺少精確先驗(yàn)知識(shí)的條件下，直接利用互相關(guān)方法進(jìn)行時(shí)延、多普勒頻差的估計(jì)，需要進(jìn)行二維搜索，需要較大的計(jì)算量和較長的估計(jì)時(shí)間。為此提出一種基于科斯塔斯環(huán)載波跟蹤的時(shí)延、多普勒頻差和相位差的快速估計(jì)方法。在實(shí)際信號(hào)合成處理中，可以與由探測(cè)器軌道和天線位置的模型計(jì)算相結(jié)合，從而極大提高信號(hào)的互相關(guān)捕獲效率和初始估計(jì)精度。

時(shí)延、多普勒頻差和相位差快速估計(jì)示意圖如圖2所示。天線信號(hào)經(jīng)采樣后，利用科斯塔斯環(huán)實(shí)現(xiàn)載波相位的復(fù)現(xiàn)和跟蹤；輸出的同相信號(hào)經(jīng)時(shí)延互相關(guān)實(shí)現(xiàn)兩天線信號(hào)的時(shí)延估計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)載波相位差π弧度的相位模糊估計(jì)。復(fù)現(xiàn)的載波相位經(jīng)時(shí)延調(diào)整后實(shí)現(xiàn)兩路載波相位的時(shí)間同步，然后經(jīng)載波相位差分后獲得載波相位的差值，通過頻差和初始相位差估計(jì)模塊實(shí)現(xiàn)頻率差和相位差的估計(jì)，其中相位差還需要進(jìn)行π或0弧度的相位補(bǔ)償。頻率差和初始相位差估計(jì)模塊可采用經(jīng)典的最小二乘估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)頻率差和相位差的估計(jì)。

圖2 天線信號(hào)相位差、時(shí)延和頻率差快速估計(jì)示意圖Fig.2 The estimation flow diagram of signal phase difference, delay and frequency difference

與傳統(tǒng)的估計(jì)方法相比，由于載波跟蹤和時(shí)延互相關(guān)估計(jì)都只需要一維搜索，估計(jì)速度比傳統(tǒng)的二維搜索的互相關(guān)方法快得多，同時(shí)不需要探測(cè)器位置、時(shí)延或時(shí)延率的先驗(yàn)知識(shí)。

2.1.1多普勒頻率捕獲

深空探測(cè)具有較大多普勒頻率，對(duì)信號(hào)進(jìn)行載波跟蹤前需要先進(jìn)行載波捕獲。BPSK信號(hào)通常的載波恢復(fù)方式是通過平方處理去除信息調(diào)制，這種方式可以達(dá)到很高的頻率分辨率。通過平方處理，完成載波恢復(fù)，然后進(jìn)行傅里葉變換，通過計(jì)算幅度譜最大值對(duì)應(yīng)的頻率實(shí)現(xiàn)載波頻率的估計(jì)。圖3(a)給出了嫦娥3號(hào)下行信號(hào)的功率譜，圖3(b)為平方譜，可以看出與功率譜相比平方譜具有很高的頻率分辨率。

圖3 嫦娥3號(hào)下行信號(hào)功率譜與平方譜Fig.3 The power spectrum and square spectrum of CE-3 downlink signal

由于平方運(yùn)算的非線性，噪聲自相乘以及噪聲信號(hào)交叉項(xiàng)導(dǎo)致信噪比惡化，尤其是低信噪比條件下，將導(dǎo)致噪聲方差急劇增大。在輸入信噪比小于0 dB以后，隨著信噪比降低，平方后的信噪比急劇惡化。在低信噪比情況，可以采用基于循環(huán)相關(guān)的載波頻率估計(jì)方法。由于調(diào)制信號(hào)是周期平穩(wěn)的，其不同譜分量之間具有相關(guān)性，而這一相關(guān)性是噪聲所沒有的，因此這種處理方式可以有效抑制噪聲的干擾。

2.1.2基于軟件科斯塔斯環(huán)的載波跟蹤

科斯塔斯環(huán)載波跟蹤模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，通過載波跟蹤獲得兩路天線信號(hào)的同相信號(hào)，并分別獲取兩路天線信號(hào)的載波相位。

圖4 基于軟件科斯塔斯環(huán)的載波跟蹤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The diagram of carrier tracking structure based on software Costas ring

軟件科斯塔斯環(huán)由兩個(gè)相正交的環(huán)路構(gòu)成，每個(gè)環(huán)路包括第一乘法器、低通濾波器、第二乘法器、環(huán)路濾波器和數(shù)字控制振蕩器(NCO)，兩路環(huán)路共用一個(gè)環(huán)路濾波器和NCO。NCO分別和兩路互相正交的環(huán)路構(gòu)成鎖相環(huán)；NCO分別向兩個(gè)環(huán)路提供互相正交的正弦載波和余弦載波，并分別輸出至兩個(gè)環(huán)路中的第一乘法器。

2.2 基于互相關(guān)的精確時(shí)延、頻差和相位差估計(jì)

假設(shè)兩路天線信號(hào)之間的時(shí)延、頻差和相位差在短時(shí)間內(nèi)近似為常數(shù)，則它們的最大似然估計(jì)可表示為[14]

(2)

x1(t)=A1a(t)exp[j(2πf1t+φ1)]，x2(t)=A2a(t-τ0)exp[j(2πf2t+φ2)]

式中:A1和A2是信號(hào)幅度；a(t)是調(diào)制信號(hào)；τ0為信號(hào)時(shí)延；f1和f2分別為信號(hào)中心頻率，由于多普勒頻率影響，兩者存在頻差；φ1和φ2為信號(hào)初始相位。則式(2)可近似為

exp[-j(2πΔft+Δφ)]}dt

(3)

式中：Δf為信號(hào)多普勒頻差估計(jì)值。上式的頻域形式可表示為

exp[-j(2πτf+Δφ)]}df

(4)

在時(shí)延、多普勒頻差和相位差經(jīng)過粗修正后，由式(4)可以看出，互相關(guān)函數(shù)的相位譜與時(shí)延值和相位差存在線性關(guān)系，可以通過在頻域下利用互相關(guān)函數(shù)的相位譜進(jìn)行時(shí)延和相位差的最小二乘估計(jì)；由式(3)可以看出，多普勒頻差和相位差與時(shí)域互相關(guān)相位存在線性關(guān)系，可以利用時(shí)域互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行頻差和相位差的最小二乘估計(jì)。

如果來自各天線信號(hào)的信噪比(SNR)足夠高，所有天線對(duì)都可進(jìn)行很強(qiáng)的相關(guān)，則無需特殊處理，直接利用從相關(guān)獲得的相位和延遲偏移來對(duì)齊信號(hào)即可。然而，當(dāng)來自各天線信號(hào)的SNR較低時(shí)，通常必須采用其他方法來進(jìn)行相位估計(jì)。用信號(hào)相關(guān)來確定對(duì)天線信號(hào)的幅度和相位進(jìn)行修正的復(fù)加權(quán)值，主要存在SIMPLE、SUMPLE[15-16]、EIGEN[17-18]和LSFIT[19]等幾種算法。在這些算法中，EIGEN和LSFIT計(jì)算量較大，SIMPLE和SUMPLE計(jì)算量較??；從合成效率和計(jì)算量來說SUMPLE算法具有最好的合成性能。在首次火星探測(cè)任務(wù)中將主要采用SIMPLE和SUMPLE互相關(guān)方法進(jìn)行信號(hào)合成。

2.3 時(shí)延、頻差和相位差補(bǔ)償

2.3.1時(shí)延補(bǔ)償

時(shí)延可以分為整數(shù)部分和小數(shù)部分，整數(shù)部分的對(duì)齊可以通過移動(dòng)數(shù)字信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)時(shí)延值和采樣速率計(jì)算時(shí)延整數(shù)位數(shù)，通過改變數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的指針位置實(shí)現(xiàn)時(shí)延的整數(shù)位補(bǔ)償。

時(shí)延值的小數(shù)部分小于一個(gè)采樣周期，無法直接通過數(shù)字信號(hào)平移實(shí)現(xiàn)，一般采用時(shí)域?yàn)V波或插值、頻域相位調(diào)整的方法實(shí)現(xiàn)。根據(jù)傅里葉變換的平移性質(zhì)，將時(shí)延值小數(shù)部分的補(bǔ)償通過頻域的相位補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)，如下式所示[20]

X′(f)=X(f)exp(-j2πfτf)

(5)

式中：τf為小數(shù)部分時(shí)延。

2.3.2多普勒頻差和相位差補(bǔ)償

由于多普勒頻移的不同，在進(jìn)行相關(guān)時(shí)需要事先進(jìn)行條紋旋轉(zhuǎn)。由于傳輸介質(zhì)和接收設(shè)備的影響，信號(hào)具有不同的初始相位。條紋旋轉(zhuǎn)和相位補(bǔ)償一般采用具有較好精度的時(shí)域補(bǔ)償，并對(duì)信號(hào)波形影響最小。條紋旋轉(zhuǎn)和相位差的時(shí)域補(bǔ)償可表示為[21]

x′(t)=x(t)exp[-j(2πΔft+Δφ)]

(6)

式中:Δf和Δφ分別為信號(hào)間的多普勒頻差和相位差。

3 天線組陣數(shù)據(jù)接收技術(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)嫦娥3號(hào)著陸器X頻段2.5 Mbps的下行數(shù)傳信號(hào)，利用密云站GRAS-1和昆明站GRAS-2天線進(jìn)行了組陣實(shí)驗(yàn)，圖5為GRAS-1和GRAS-2天線照片。天線信號(hào)經(jīng)數(shù)傳通道高頻制冷接收機(jī)、光端機(jī)及光纖傳輸、下變頻器和檢前記錄儀等設(shè)備實(shí)現(xiàn)嫦娥3號(hào)數(shù)據(jù)的采樣和記錄。其中，下變頻器從站內(nèi)時(shí)頻系統(tǒng)輸入10 MHz頻標(biāo)信號(hào)作為外頻標(biāo)，檢前記錄儀輸入10 MHz頻標(biāo)和1PPS信號(hào)作為外頻標(biāo)和時(shí)間同步信號(hào)；時(shí)頻系統(tǒng)采用氫原子鐘作為輸入頻標(biāo)。

圖5 GRAS-1和GRAS-2天線Fig.5 The picture of GRAS-1 and GRAS-2 radio telescope

為檢驗(yàn)低信噪比情況下的信號(hào)合成性能，通過將兩天線指向逐步偏開信號(hào)源，進(jìn)行了低信噪比接收的組陣實(shí)驗(yàn)。2015年4月7日至2016年4月23日，共進(jìn)行了52天的組陣觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，單站觀測(cè)數(shù)據(jù)量超過8TB。

3.1 符號(hào)流合成驗(yàn)證結(jié)果

利用2015年5月2日的觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了符號(hào)流合成實(shí)驗(yàn)。合成流程為通過軟件科斯塔斯環(huán)實(shí)現(xiàn)單路天線信號(hào)的載波鎖定，然后通過同相信號(hào)的互相關(guān)計(jì)算實(shí)現(xiàn)時(shí)延和相位差估計(jì)，在解調(diào)判別前進(jìn)行信號(hào)的時(shí)延和相位修正，最后進(jìn)行信號(hào)合成和數(shù)據(jù)解調(diào)。數(shù)據(jù)采集的參數(shù)設(shè)置為，信號(hào)帶寬10 MHz，采樣頻率12.5 Msps，I、Q正交采樣，量化位數(shù)為16 bit。

GRAS-1和GRAS-2的信噪比分別為15.83 dB和14.31dB，合成后的信噪比為17.61 dB，合成損失0.53 dB，合成效率為88.5%。合成前后的星座圖如圖6所示，可以看出合成后的星座圖更加趨于集中，分布的發(fā)散程度明顯收斂。

圖6 合成前后星座圖示意圖Fig.6 Constellation before and after combining

3.2 全頻譜合成驗(yàn)證結(jié)果

3.2.1時(shí)延、時(shí)延率和相位差估計(jì)與補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

對(duì)2015年5月2日的組陣觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了初始時(shí)延、時(shí)延率和相位差的估計(jì)。圖7(a)為存在時(shí)延殘差的互相關(guān)系數(shù)示意圖，圖8(a)為存在多普勒頻差的互相關(guān)干涉條紋。從互相關(guān)結(jié)果可以看出，在進(jìn)行時(shí)延和頻差精確修正前，相關(guān)系數(shù)和相關(guān)頻譜的相位與理想的自相關(guān)譜存在一定的偏差。通過時(shí)延和時(shí)延率估計(jì)得到時(shí)延為5.0×10-7s，時(shí)延率為4.11×10-11s/s。將殘余時(shí)延和頻差進(jìn)行修正，得互相關(guān)系數(shù)如圖7(b)所示，互相關(guān)條紋如圖8(b)所示。分?jǐn)?shù)時(shí)延修正前后的互相關(guān)相位譜如圖9(a)和9(b)所示。從互相關(guān)結(jié)果可以看出，互相關(guān)系數(shù)、條紋和相位譜與理想的自相關(guān)譜相吻合。

圖7 分?jǐn)?shù)時(shí)延修正前后的互相關(guān)系數(shù)Fig.7 Coefficient of cross-correlation before and after fractional delay correction

圖8 條紋旋轉(zhuǎn)前后的干涉條紋Fig.8 Interference fringes before and after phase rotation

圖9 分?jǐn)?shù)時(shí)延調(diào)整前、后的互相關(guān)相位譜Fig.9 Cross-correlation phase spectrum before and after fractional delay correction

3.2.2全頻譜信號(hào)合成實(shí)驗(yàn)

分別利用2015年5月2日、3日、5日、8日以及9月29日、2016年3月29日、2016年4月19日和2016年4月21日的觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了低信噪比的全頻譜合成實(shí)驗(yàn)。2015年9月29日的觀測(cè)數(shù)據(jù)是逐步以等間隔角度(50 s)偏開天線俯仰，直至解調(diào)機(jī)失鎖不能正常解調(diào)。2016年3月29日的觀測(cè)數(shù)據(jù)是通過逐步偏開天線方位角度，使兩天線的接收信號(hào)信噪比以3dB為間隔下降，直至解調(diào)機(jī)失鎖不能正常解調(diào)。2016年4月19日和2016年4月21日的數(shù)據(jù)是單天線信噪比在0 dB附近以1 dB為間隔下降進(jìn)行的觀測(cè)。數(shù)據(jù)采集時(shí)的參數(shù)設(shè)置為：信號(hào)帶寬10 MHz，采樣頻率12.5 Msps，I、Q采樣，量化位數(shù)16 bit，頻標(biāo)采用外頻標(biāo)。

信號(hào)合成驗(yàn)證結(jié)果如表1所示，合成前后信噪比如圖10所示，合成效率隨信噪比變化曲線如圖11所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，50 m天線信噪比從-15.23～17.43 dB，40 m天線從-14.09～15.40 dB，合成信號(hào)信噪比覆蓋了-11.91 dB～18.86 dB的范圍，合成損失最大為0.45 dB，合成效率不低于90.2%。圖12(a)為合成前后的功率譜(2015年5月2日數(shù)據(jù))示意圖，圖12(b)為合成前后信噪比隨時(shí)間變化曲線；圖13為合成前后解調(diào)判決前的信號(hào)波形示意圖；從中可以看出合成前后的波形一致，且合成后的信號(hào)具有更高的信噪比。

圖10 合成前后信噪比示意圖Fig.10 SNR before and after combining

圖11 合成效率隨信噪比變化曲線Fig.11 Combining efficiency with SNR curve

圖12 合成前后的功率譜和信噪比隨時(shí)間變化曲線Fig.12 Power spectrum and SNR curve before and after combining

圖13 解調(diào)判決前的信號(hào)波形Fig.13 Signal waveform before demodulation decision

表1 合成驗(yàn)證結(jié)果(外頻標(biāo))Table 1 The combining experiment results (External frequency standard)

2015年5月2日的數(shù)據(jù)選取的是與符號(hào)流合成檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)相同時(shí)間的數(shù)據(jù)，符號(hào)流與全頻譜合成效果如表2所示。從中可以看出全頻譜的合成增益比符號(hào)流高0.21 dB，驗(yàn)證了全頻譜合成具有更高的合成性能。

表2 符號(hào)流和全頻譜合成效率對(duì)比Table 2 The combining efficiency comparison of SSC and FSC

為了驗(yàn)證頻標(biāo)誤差對(duì)信號(hào)合成性能的影響，2016年4月21日的數(shù)據(jù)采用了內(nèi)頻標(biāo)。圖14給出了2016年4月19日和21日的數(shù)據(jù)合成損失對(duì)比情況。從中可以看出采用氫鐘作為外頻標(biāo)的觀測(cè)數(shù)據(jù)合成性能明顯優(yōu)于內(nèi)頻標(biāo)數(shù)據(jù)，合成損失平均比內(nèi)頻標(biāo)降低0.07 dB。

圖14 內(nèi)外頻標(biāo)合成損失對(duì)比Fig.14 Comparison of combining loss using internal and external frequency standard

3.2.3月面噪聲對(duì)信號(hào)合成性能的影響

圖15 月面噪聲對(duì)信號(hào)合成損失的影響示意圖Fig.15 Influence of Moon surface noise on combining loss

從圖11中的合成效率變化曲線可以看出，在高信噪比時(shí)合成效率隨著信噪比的降低而增大，在低信噪比時(shí)合成效率隨信噪比降低而減小，這一現(xiàn)象不完全符合全頻譜合成性能隨信噪比降低而下降的規(guī)律。說明兩站接收的噪聲存在一定的相關(guān)性，并且隨著天線逐步指向探測(cè)器，相關(guān)噪聲也逐步增大。產(chǎn)生的主要原因是由于兩天線接收的月面噪聲存在相關(guān)性，Dewey對(duì)背景展源對(duì)信號(hào)合成的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析[22]。當(dāng)天線指向逐步偏離月面時(shí)，月面亮溫度造成的影響也逐步減小。嫦娥1號(hào)微波輻射計(jì)的觀測(cè)結(jié)果，月球白天7.8 GHz的表面亮溫度為60 K～245 K，且赤道亮溫最高，向兩極逐漸降低[23]。另外，由于月面噪聲的存在，一定程度也會(huì)影響探測(cè)器信號(hào)相位差的估計(jì)精度，在低信噪比時(shí)將會(huì)更加明顯[24]。

圖16給出了2015年9月29日的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)合成后噪聲實(shí)際功率與理論噪聲功率的差值、合成后信號(hào)實(shí)際功率與理論功率的差值和信號(hào)合成損耗等與合成后信噪比之間的關(guān)系，可以明顯看出上述規(guī)律；在合成后信噪比為20.6 dB的高信噪比時(shí)，合成后噪聲實(shí)際功率與理論噪聲功率的差值達(dá)到0.44 dB，合成損失達(dá)到0.45 dB，高于低信噪比時(shí)的合成損失。

4 結(jié) 論

通過對(duì)天線組陣的關(guān)鍵技術(shù)，特別是涉及異地組陣的時(shí)延、時(shí)延率和相位差的估計(jì)與補(bǔ)償，以及信號(hào)合成等關(guān)鍵技術(shù)的研究，提出了利用模型計(jì)算和搜索估計(jì)相結(jié)合的初時(shí)延和時(shí)延率快速估計(jì)方法。利用現(xiàn)有的密云站GRAS-1天線和昆明站GRAS-2天線，以嫦娥3號(hào)著陸器數(shù)傳信號(hào)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，開展了天線組陣與數(shù)據(jù)接收信號(hào)合成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，全頻譜合成方法優(yōu)于符號(hào)流合成方法，其合成損耗小于等于0.45dB，可用于我國火星探測(cè)任務(wù)天線組陣的信號(hào)合成；初始時(shí)延和時(shí)延率快速估計(jì)方法可提高廣域組陣信號(hào)互相關(guān)的搜索效率；所確定的信號(hào)合成技術(shù)流程和數(shù)據(jù)處理方法可用于我國首次火星探測(cè)信號(hào)合成接收軟硬件設(shè)備的研制和開發(fā)。

后續(xù)的研究中，將對(duì)月球、火星等展源干擾信號(hào)對(duì)信號(hào)合成性能的影響進(jìn)行進(jìn)一步分析研究，并對(duì)合成流程進(jìn)行優(yōu)化，以期進(jìn)一步提高信號(hào)合成性能。