小卫星及多星测控的技术发展

石书济　喻光正　中国西南电子技术研究所

　　摘　要：本文从小卫星、星座飞速发展以及对测控通信系统新的要求出发，介绍了综合基带、连续波多波束相控阵天线的功能、特点及工作原理，提出了建立新型多功能智能化测控通信站的设想。

　　关键词：测控通信；小卫星；星座；综合基带；相控阵天线

一、前　　言

　　自上世纪90年代以来，微电子技术、纳米技术的迅猛发展，为现代小卫星技术的发展提供了技术和物质基础。具有体积小、重量轻、效费比高、研制周期短、发射布轨灵活、低轨运行等特点的小卫星、星座在军民等领域得到了广泛的应用，同时也对小卫星的测控通信技术提出了新的要求：

　　（1）多星同时测控和大量卫星长期在轨运行管理

　　地面测控站应能够提供入轨段和运行期间多颗卫星的同时测控支持，以及地面测控站网能够对大量卫星的长期在轨运行管理。

　　（2）保证必需的可靠性和服务质量条件下的低费用测控服务用于小卫星发射和运行管理的费用应从以往占整个卫星工程总费用的20％～30％降低到10％以内，而且费用的降低仍应保证必需的可靠性和服务质量。同时也允许在跟踪过程中偶尔丢失轨道圈次或少量数据，以及部分一般数据的非实时返回，以减少设备的冗余配置。

　　（3）合理布站与国际联网

　　合理布站和实现国际联网，可以进一步提高地面站的使用率，从另一方面提高测控质量和降低测控费用。许多小卫星、星座为了实现全球覆盖的目的，都运行在极地轨道或高倾角轨道，因此在高纬度地区布站可以扩大测控通信的轨道覆盖率。例如，建在北纬78°的挪威斯瓦尔巴地面站能覆盖极轨卫星每天全部14次过顶，位于北纬67．86°的瑞典基律纳地面站对于极轨卫星每天14圈有11圈可见。另一方面，一个国家的测控资源总是有限的，因此国际上广泛采用联网的方式来扩大测控通信的轨道覆盖率。

　　（4）高性能、智能化的测控站设备

　　为了满足对测控通信提出的新要求，一是研制生产高性能的小型化测控站设备，其天线口径一般只有3～5 m，具有TT＆C和遥感图像、遥测数据接收等功能，满足CCSDS标准，可实现国际联网。整个地面站只需一人值班，通过远程监控可实现无人值守。另一方面，近年来迅速发展并相继应用的综合基带与软件可重组技术、连续波多波束相控阵天线技术为新型多功能智能化测控通信系统提供了全新的设计思路。

二、综合基带与软件可重组技术

　　测控通信系统核心设备之一的基带设备已经有了几代产品。正如测控系统本身一样，对基带设备尚无统一的严格划代标准。一般认为，第一代基带设备只包括相互独立的测距、测速、遥测（编码遥测、模拟遥测）、遥控（含同步控制器）等视频终端设备。主要为分立元件模拟电路，设备复杂庞大，各终端设备功能单一，可扩展性差，参数调整困难。第二代基带设备在技术上跨度较大，中间还有不同的过渡产品。特点是将70 MHz中频接收机上行调制器等划在基带设备之内，同时在原有测距、测速、遥测、遥控等功能外，后来还增加了数传、话音通信和时频信号产生等功能。为此，测控系统又称作为测控通信系统。典型的第二代基带设备各视频终端实现了数字化和软件化，接收机数字载波锁相环实现了载波锁相、解调、快速频率引导（FFT）、测速等多功能综合。同第一代基带设备相比，后期二代基带的设备量大大减少（只占1～2个机箱），并实现了模块化，一个模块占用一块形式一致的电路板，通过编程设置实现一种终端功能。各模块上均有计算机数据和控制接口，挂在计算机总线上，工作方式和工作参数由统一的监控与数据处理计算机通过总线操控。根据不同用户需求可灵活配置功能模块，构成系列化产品。第二代基带设备同样可以在70 MHz上采样即全数字化，体积、重量完全满足陆海基测控通信站要求。虽然一种终端功能使用了一块电路板，但这样可以使用相对规模小的可编程门阵列（FPGA）和较低速的DSP芯片，使用维修特别是更换模块方便，因此仍应算是一种好的产品。

　　第三代基带设备可以称作为通用型70 MHz综合基带设备，属当前国际先进水平的产品。综合基带设备采用了软件无线电技术，各功能模块电路由大规模FPGA和高速DSP芯片构成，电路形式由现场加载软件确定。通过电路软件清单对电路库加载不同软件，即可完成所需的不同功能，从而实现了设备的通用化和系列化。为了实现国际联网，该产品可满足CCSDS标准。

　　第三代基带设备在70 MHz上直接数字采样，所有功能均集成在多通道接收板、多功能综合板上。一个标准TT＆C站的综合基带设备由一块多通道接收板和一块多功能综合板组成。采用更先进的FP－GA、DSP芯片或增加接收板，以增加通道数，即可满足同时多星测控和大量卫星长期在轨运行的管理。

　　典型的多通道接收板含有主接收机、角跟踪接收机、引导接收机、数传接收和调频信号接收等功能模块；多功能综合板则包含了中频调制、遥控、遥测、侧音测距、伪码测距、自定位、时频信号产生等功能模块。各功能模块内功能完整。如主接收模块就具有接收70 MHz信号、完成信号放大、自动增益控制（AGC）、频率引导、边带防错锁、载波捕获跟踪、遥测、测距信号解调、测速等功能。而上行载波调制、载波扫描、多普勒频率预置等均在中频调制模块中完成。由于采用了软件无线电技术，各功能模块以及功能模块内的具体内容可根据需要十分方便地进行调整，具有真正意义上的软件可重组能力。

　　综合基带采用性能好、可靠性高的PCI总线，FPGA和DSP通过总线受计算机控制，监控指令和上下行数据流通过总线与计算机交换。监控、数据处理统一由一台高性能计算机完成，选用WindowsNT操作系统。计算机的主要功能是完成数据发送接收、数据处理、自动测试、工作方式控制、参数设置、状态监视、提供详细菜单和必要的图形显示。与外界采用透明传输方式，接收站监控台或卫星控制中心发来的各种操控命令，上报设备状态，实现远程监控，通过以太网与中心进行数据交换。

三、连续波多波束相控阵天线技术

　　地面测控通信站为了实现同时多星跟踪和大量卫星长期在轨运行管理，一般可以采用宽波束天线，即用一个天线跟踪其波束覆盖范围内的多颗卫星；或者采用多天线，各天线分别覆盖一定的空域；更有前景的方法是采用连续波多波束相控阵天线。

　　由于相控阵天线具有多波束、实时切换、无惯性跟踪等功能及特点，因此广泛应用于雷达、通信等领域。在测控通信领域最早应用相控阵天线的是TDRSS，美国于1983年、1988年分别发射了2颗TDR卫星，其星上就装有由30个螺旋天线元及波束形成网络组成的相控阵天线。接收时，由位于白沙靶场的地面站指令控制30个元形成20个波束，波束增益可达27．8 dB。发射时只用12个元形成一个波束，增益为23 dB。

　　在航天领域，用于多目标测控和信息传输的多波束系统可同时采用空分多址（SDMA）和码分多址（CDMA），因此是一种连续波复合多址新型多波束系统，其特点是在测轨的同时，可实现遥控、遥测和信息传输等多功能综合。由于采用码分多址和扩频技术，可提高多目标的分辨能力和抗扰能力；而多波束空分多址的应用可减少码分多址时的码间干扰，且具有较强的抗多径干扰能力。

　　综合基带和软件可重组技术的成熟为多波束系统迅速应用于航天测控通信领域创造了条件，在综合基带内实现码分多址和形成数字多波束，从而构筑成一个由智能化天线、数字化软件化综合基带组成的新型多功能智能化测控通信系统。接收时，综合基带内的数字波束处理器形成多个波束覆盖不同空域，自动扫描捕获跟踪多个目标。对位于同一波束内的多个目标，可用CDMA区分并自动识别和跟踪所关心的目标。发射时利用接收波束和码的信息，由数字波束处理器产生正交码，调制同一频率信号，并同时形成多个发射波束对准相应目标，以实现多个目标天地大回路闭环。

　　一般相控阵天线的空域覆盖张角为90°，所以若要覆盖整个半球空域，地面站需在方位上每相隔90°对称安装4个相控阵天线。另一方面若要达到与5m抛物面天线相似的增益（如38 dB），经计算每个天线需要1 460个阵元，4个天线共有5 840个阵元。一个阵元对应一个信号通道，最后在综合基带内形成数字多波束。这将是一个十分庞大而复杂的系统，但它实现了整个半球空域内同时多目标测控与信息传输的功能。但是，若将要求作适当调整，设备量可急剧减少。如空域范围缩小为俯仰张角65°，方位张角90°，仍用4台相控阵天线覆盖小半球空间，同时跟踪5～6颗卫星，增益调整为25 dB，计算得出单台相控阵天线只要84个阵元，总阵元数336个。另一种方案是把单台（或2台）相控阵天线安装在方位转台上，以相控阵天线加机械转动实现半球空域覆盖。

四、结束语

　　航天技术的发展，要求测控通信系统满足同时多星测控和大量卫星长期在轨运行管理的要求。综合基带和软件可重组技术、连续波多波束相控阵天线系统的成熟和相继投入使用，为建立新型多功能智能化测控通信系统创造了条件。

摘自　电讯技术