利用CDMA机制实现小卫星控制与通信

赖顺香　罗伦

北京跟踪与通信技术研究所

　　摘　要：本文介绍了小卫星及星座的一些基本情况，分析了CDMA技术的优势，初步探讨了CDMA技术在小卫星测控方面的应用。

　　关键词：测控技术；小卫星；星座；移动通信；码分多址技术

一、概　述

　　近年来，大规模集成电路、计算机和数字通信技术飞速发展，推动了小型化、智能化的现代小卫星的出现。小卫星由于具有体积小、重量轻、研制周期短、系统投资少、发射成本低、风险小、专用性强、技术性能先进等特点，已经在空间通信、导航、卫星定位等方面得到了广泛应用，在国民经济以及军事安全等方面有着不可估量的用途和重要性。20世纪90年代以后，小卫星的发展更加趋于多样化，小卫星的应用领域也更加广泛。小卫星编队飞行、小卫星组网、一箭多星的具体实现，对小卫星以及小卫星星座测控技术提出了新的要求。

　　小卫星编队飞行、小卫星星座组网等需要我们现有的测控网能够提供对多星同时测控的技术支持。根据码分多址（CDMA）特有的机制，可以比较方便地实现我们对多星同时测控的技术要求，它可以利用不同的码序列，可同时支持多星测控与通信。而我国目前尚无星座测控的经验，测控方法和体制的研究还在进一步的研究中。本文先分析CDMA的一些基本知识，同时从它的体制和特点出发具体分析它对多星同时测控技术的具体支持，然后分析和探讨它在小卫星星座测控中应用。

二、CDMA的基本概念

　　目前，第三代移动通信系统（简称3G）正处于深入的研究和热烈的讨论阶段。在国际电信联盟中，称第三代网络为国际移动通信－2000（IMT－2000），在欧洲称其为个人移动通信系统（UMTS）。IMT－2000将提供多种业务，尤其是多媒体和高比特率分组数据业务。第三代网络的主流空中接口解决方案宽带码分多址（WCDMA）已经形成。目前，在欧洲、日本、韩国和美国，宽带CDMA系统正在标准化。CDMA是基于扩频通信的一种多址方式，它是在通信中用不同的地址码来区分不同地址目标的信号。其基本原理是：利用自相关性比较弱的周期性码序列作为地址信息（称为地址码），用它对用户信息扩频。经过反向信道传输后，在接收端以本地产生的已知的前述地址码为参考，根据相关性的差异对收到的所有信号进行鉴别，从中将地址码与本地码完全一致的宽带信号解扩还原为窄带而选出，其他与本地码无关的信号则仍保持或被扩展为宽带信号而滤去。

　　CDMA以扩频技术为基础，因此它具有扩频通信所固有的优点：

　　（1）抗干扰能力强

　　CDMA采用宽带传输，将有用信号和干扰信号频谱能量都加以扩散，在接收端利用PN序列的相关特性进行相关处理，对有用信号频谱能量压缩集中。干扰和噪声因与PN码不匹配而被抑制，因此大大提高了信噪比，具有很强的抗干扰能力。

　　（2）抗多径衰落

　　CDMA可提供多种形式的分集接收时间分集、频率分集、空间（路径）分集等，大大降低了多径衰落。CDMA将信号能量扩展到很宽的频带中，从而得到频率分集；时间分集可通过使用交织和纠错编码来达到最大效果；空间（路径）分集可通过软切换、Rake接收机等来实现。

　　（3）安全保密性高

　　CDMA在低功率谱密度下传输，有用信号功率比干扰信号功率低得多，信号仿佛淹没在噪声之中，具有较强的防截获能力。另外，CDMA采用PN码调制，不掌握发射信号的PN码规律，要进行解扩是很困难的。这些都体现了CDMA安全、保密的特点。

　　卫星通信中的地址码扩频调制通常采用直接序列调相扩频（DS）方式，它属于直接型的PSK调制，地址码用伪随机序列，通常记为CDMA／DS或CDMA／PSK／DS，只有当地址码速率远大于信码速率时，直接序列扩频调制后的频谱宽度才会极大地展宽。

三、CDMA技术应用于小卫星星座的测控与通信

　　同地面蜂窝移动通信的情况一样，卫星通信的多址技术也有频分、时分、码分等几种形式。使用FDMA技术，由于卫星转发器的非线性而形成的交调干扰，就要避开一部分频带不用，还要用卫星功率进行“补偿”以进一步降低交调干扰，这样就浪费了卫星功率和频带等宝贵资源；TDMA可以克服交调现象，但又面临着同步问题。由于卫星地面通信站安装在运动物体上，运动物体迅速移动，要实现移动地面站往卫星同步地发射信号显然很困难。CDMA使用不同的扩频序列，相互间影响较小，频带重复利用率高。与传统的点对点定向传输的卫星通信不一样，卫星移动通信是一点对多点的全向性传输，必须采用扩频技术提高抗多径干扰能力。在CDMA中还可采用诸如话音激活、频率复用、扇区划分等技术来增加系统容量，而在FDMA和TDMA中扩容技术实现起来难度较大。在全球卫星移动通信系统中，若采用CDMA技术，则具有组网简单、灵活、抗干扰能力强、系统容量潜力大、成本低等一系列优点。所以，在卫星移动通信系统中采用CDMA技术是适宜的。

　　1．目前国外小卫星及小卫星星座测控的趋势

　　目前，国外小卫星在发展上更加追求小卫星的自主性，对地面系统的需求和依赖也在尽量减少。同时，小卫星的应用和操作也力求简洁和方便，要求通用性增加；不同的应用需求也不断推进了小卫星的应用领域，这样小卫星编队飞行、小卫星组网、小卫星星座组网技术不断在相关需求的推动下产生，同时为了尽可能地减少发射费用，一箭双星，一箭三星甚至一箭多星等纷纷在具体发射中出现。传统的地面测控系统为了满足多星同时测控的要求，需要做大的改动，同时要花费大量的成本，另外也会给本来已经很紧张的测控频率资源提出许多可能满足不了的要求。在这样的情况下，在小卫星测控领域，新的测控体制和通信制式就显得越来越重要。目前，国际上在星座测控上越来越多地应用了扩频技术和CDMA技术。

　　国外报道较多的小卫星系统多为民用移动通信系统，已完成从单星到星座系统的发展，如美国军方接管的“铱系统”（Iridium，66颗星，原来属于Motoro－la）、Bill Gates参与投资的Teledesic（288颗星）、Globalstar（52颗星）、ORBCOMM、Odyssey、Aries、Ellip－so、Calling等系统都属于该类应用系统，主要业务涉及语音、数据通信等领域，其中Globalstar、Aries和Odyssey采用了CDMA技术。

　　随着军事的需要和航天技术的发展，载人航天、中低轨航天器测控的要求，测控体制的发展趋势必为从地基向天基过渡，以提高测控覆盖率。美国已建成跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS），完成跟踪测轨和数据中继，实现了天基测控。CDMA应用在TDRSS的MA反向通信业务中，各用户星使用不同的地址码和同一载波频率，同时和中继星进行通信，传送低速数据并完成对用户星的测距功能。

　　2．CDMA技术在我国的应用背景

　　我国现有的航天测控通信网是随着航天器的研制逐步建设起来的，频段、体制繁多，已先后建成了超短波近地卫星测控网、C频段卫星测控网和S频段航天测控网。

　　随着我国航天事业的发展，现有的C、S两大骨干测控网面临着新的挑战，对测控网精度、测控网的覆盖能力、高数据率提出了更高的要求。我国重点发展应用的一类航天器小卫星、卫星星座及编队组网，要求测控网具有对多星发射任务的业务支持能力，能够对多颗卫星提供入轨段和早期轨道段的测控和通信支持，具备在轨运行段对较多卫星的综合管理能力；针对数据中继卫星系统，JKI技术的应用与实现也是很重要的，我们可以给中继星跟踪的一个波束内的多颗卫星提供数据服务和测控支持，也可以反向接收多颗卫星的数传业务需求。

　　低轨通信小卫星星座系统的测控与同步卫星、单颗中低轨卫星测控相比有如下特点：

　　（1）多目标同时测控

　　星座系统通常采用一箭多星发射技术，星箭分离后的入轨段需要在短时间内将多颗星部署到各自的指定位置，而运行段同时过境的卫星往往不止一颗，因此要求地面必须有多站分别对多星同时测控或由一站同时对多星进行测控。

　　（2）传输链路要求较低

　　对于低轨通信小卫星星座，由于无高速数据传输要求，采用小型天线即可满足上下行链路传输要求。

　　（3）低成本管理

　　一般小卫星运行管理费为整个系统十分之一以下，要求测控系统自动化程度较高。
　　（4）测控数据量较低

　　作为短数据通信星座系统，与对地观察卫星系统相比，卫星数据下传量较低。

　　（5）测控系统独立于GPS

　　要求能完成独立于GPS等定位系统的卫星定轨，平时可利用星载GPS辅助完成星上测轨，提高测轨定位精度。由此可见，同单星测控相比，星座测控主要不同之处在于多星同时测控的要求，同时还要考虑星座系统的测控站必须建在境内的限制条件。采用CD－MA测控技术，不同卫星采用不同扩频码字进行区分，可以实现多星同时测控。

　　3．CDMA机制在我国航天测控系统中的可能应用分析

　　（1）第一种需求分析

　　作为小卫星星座发射任务，一般采用一箭多星技术。卫星在空中的星箭分离一般采用两两分离技术或者一颗一颗逐步分离技术，然后让其利用星箭分离时火箭提供的离心力逐步自旋分离开。作为小卫星进行星座组网，一般要求小卫星的自主能力比较强，根据我国的疆域覆盖情况，我们不可能实现全球布站对小卫星进行观测控制，因此，只能是在关键弧段布站进行测控，星箭分离点是我们进行控制的一个关键弧段，但此时，天线波束内会有多个目标，怎样实现控制是一个重要的问题。或者，我们的小卫星有比较强的自主能力，按照惯例，小卫星在我国境内发射，一般要在我国台湾岛的东南上空至南太平洋上空的空域内实施星箭分离；我们可以让卫星自主漂移到国内上空时再实施卫星控制，根据卫星自旋离心的估算，在国内卫星地面测控站的天线波束内还是可以同时观测到多个目标，根据CDMA的体制，我们在天地（卫星－地面测控站）之间采用一种新的测控机制，利用CDMA的地址码，区分不同的用户，这样就可以方便实现卫星控制了，而且采用这种机制，利用扩频技术和加密技术结合，还能根据实际需要实现卫星通信的通信保密和安全性控制。

　　（2）第二种需求分析

　　作为我国载人航天工程的后续工程，空间交会对接的任务也可以根据CDMA测控体制进行交会对接过程的具体控制。作为交会对接，一般过程是利用一个主动飞行器追另一个被动飞行器的过程，我们通过控制主动飞行器的姿态和轨道，不断接近待对接的被动飞行器；在对接的实施关键时候，一般通过飞行器上的自主设备和地面的精确控制，实施2个飞行器的对接。但目前国内在卫星定轨精度上还远远未能达到空间飞行器的对接精度要求（0．01 m数量级），更多的靠空间飞行器的自主控制。作为整个对接过程，我们一般要在一个站内，有可能是一个天线波束内同时可见2个飞行器，关键时候需要我们对2个飞行器分别或同时实施控制，这利用常规　　的测控体制已经很难达到我们的同时测控要求，利用CDMA＋TDMA技术，我们可以完成这个任务。

　　4．利用CDMA体制进行卫星控制和通信的初步想法

　　下面针对我国现状，探讨在我国利用CDMA技术实现小卫星星座组网的应用实现问题。

　　卫星的遥测、遥控以及卫星测距综合到一个信道上完成，在对单一卫星进行控制时，利用地址码的不同，区分不同用户。上行的测距、遥控信号到达星上的CDMA应答机，分配给不同用户（测距终端、遥测终端），测距终端把测距信号转发到下行编排计算机，遥控终端再执行遥控指令，同时把执行结果发送到遥测采编单元，与其他遥测信号一块经过星上遥测信号采编单元统一采编之后，发送到下行编排计算机；所有下行信号经下行编排计算机统一编排，再由发射机发射到地面。如果天上是多用户（即多个卫星），天上卫星的CDMA应答机根据地址码的不同，只接收发送给自己信号，而不接收其他用户信号，就可以区分不同用户了。

　　卫星测距采用伪码序列（如小m码、Gold码序列实现），遥测与遥控调制方式采用DQPSK，信道编码采用卷积编码，多址方式为CDMA，其他的具体参数可以根据实际情况进行设计与控制。

四、结束语

　　采用CDMA体制进行小卫星的控制与通信是一个全新的概念，在我国的航天测控通信领域还从来没有实施过，具体实现起来肯定会有许多困难，如功率控制问题、多卫星、多任务、多站可见的情况下地面控制中心的实现难度比较大等。但总的来说，在技术发展日新月异的今天，我们应该尝试很多新的思路和技术。同时，CDMA技术也是国际航天领域发展的新动向，国际上的航天测控标准CCSDS标准体制就参考了CDMA体制的技术实现。

参考文献

［1］　石书济，等．飞行器测控系统［M］．北京：国防工业出版社，1999．

［2］　汤申生．CDMA在卫星移动通信中的应用［J］．电信技术，1996，（8）：12～13．

摘自　北极星电技术网