檢前記錄設備在天線組陣中的應用比較研究

李臣，蘇彥，張治國

(1. 中國科學院國家天文臺，北京100012;2. 中國人民解放軍63783 部隊，新疆 喀什844000)

0 引言

目前，嫦娥一、二號已經順利完成了探月工程的前期探測任務，這是進行更深更遠深空探測的前期探索，同時拉開了深空探測的序幕。展開對火星、小行星和其它太陽系內行星的探測將成為我國未來深空探測的任務［1］。2011 年，螢火一號的發射標志著對火星的探測已經邁出了重要的第一步，實現對火星探測器進行自主測控通信是我國深空探測任務的下一個發展目標。

深空測控通信技術一直處于技術發展的最前沿，為了盡快建成我國的火星測控通信網，還需要對一系列關鍵技術展開科研攻關，在結合一定的國際技術合作和引進的基礎上，研發有中國特色的測控通信技術，提高我國的深空探測任務系統建設的性價比。

美國航空航天局(NASA)將天線組陣技術、深空光通信技術和行星際通信網絡技術并列為實現未來深空探測測控通信的三個主要技術途徑［2－3］。根據我國測控通信的技術現狀，天線組陣技術將是近期完成火星探測任務的主要技術手段。

1 天線組陣技術簡介

1.1 天線組陣

天線組陣技術是多個天線同時與同一探測器發送或接收相同信號，實現對探測器進行測控通信的技術。其關鍵是將天線接收到的信號進行搜集和合成處理，增強接收信號的信噪比，實現正常通信。按照信號發送方向，天線組陣分為上行陣和下行陣，上行陣是為了提高發送遙控指令的成功率，下行陣是為了提高下行數據傳輸的碼速率。因為任務中上行碼速率通常比下行低得多，所以下行陣顯得尤其必要。

天線組陣技術是提高深空通信下行數據傳輸速率的重要技術途徑，也是探測器高增益天線故障或進入安全模式時進行測控通信的有效解決方案，它是未來深空測控通信技術的一個重要發展方向。天線組陣具有下述幾個特點［4］:①可以增加等效天線口徑，可為特定任務提供支持，實現資源的更高利用;②使測控通信系統可用性更高、維護靈活且工作可靠;③可以減少用于備件的費用;④可以通過使用更小口徑的天線來降低成本;⑤還可以提高系統的可操作性和計劃的靈活性。

1.2 信號合成方案

目前有五種方案可以用于組陣天線的信號合成處理［5］:全頻譜合成(Full-Spectrum Combining)、復符號合成 (Complex-Symbol Combining)、符號流合成(Symbol-Stream Combining)、基帶合成 (Baseband Combining)、載波合成(Carrier Array)。

在這五種天線組陣信號合成方案中，全頻譜合成(FSC)方案是在中頻進行相關運算與信號合成，由于在信號解調前實現了信號合成，提高了接收信號解調時的信噪比，因此系統具有最佳的數據傳輸性能［6］。下行陣數據傳輸的原理見圖1。

圖1 全頻譜合成原理框圖

研究結果［7］表明:天線組陣全頻譜合成的合成效率主要由天線間的相位差估計精度決定，相位差估計精度越高，合成效率越高。而天線間的相位差估計精度與相關算法、天線數量、單個天線接收信噪比、互相關帶寬和相位差閉環帶寬等因素有關。

深空任務下行數據傳輸信號微弱，在中頻進行相關的全頻譜合成方案是深空通信天線組陣信號合成的最佳方案，合成效率主要由軟件對天線間的相位差估計精度決定的。

2 檢前記錄設備工作原理

檢前記錄設備是用于記錄數據被解調之前無線電信號的設備。目前國內出現的檢前記錄設備主要對70 MHz 信號進行實時帶通采樣和數據存儲，保證調制信號的完整性。下面就某型號的檢前記錄設備為例，對其工作原理作簡單介紹。

我國通用的檢前記錄設備可以同時記錄2 路70 MHz 中頻信號和1 路時碼信號，記錄帶寬分為高、低兩種，低帶寬大約4.8 MHz，高帶寬約20 MHz。任務中設備實時記錄與存儲70 MHz 中頻信號和時碼信號，存儲數據可通過事后回放，還原輸出中頻70 MHz 信號和對應時碼信號。該設備工作原理如圖2 所示。

圖2 通用檢前記錄設備工作原理

圖2中，兩路輸入的70 MHz 中頻信號分別經過帶通濾波、AGC 放大等處理后變成峰值約為2 V 的恒幅信號送給信號采集電路進行采集，通過采樣率16.3 MHz 的中頻帶通采樣，70 MHz 中頻信號變成4.8 MHz的數字中頻信號，實現中頻信號的下變頻。采樣后的數據與時碼同時嚴格對齊并行存儲在高速硬盤中。記錄數據以16 進制格式連續存放在硬盤中，每兩個字節為從兩個數據通道和B 碼通道采樣的數據，每一個通道數據占7 位，B 碼數據占1 位，1 位預留。

由上述數據可知，如果同時記錄2 路信號，該設備記錄時每秒生成的數據量為32.6 MB。如果實現20 Mb/s 下行碼率的信號記錄與存儲，設備記錄時每秒生成的數據量將高得多。

3 檢前記錄設備應用方案論證

依據天線組陣信號合成技術和檢前記錄設備的工作原理，結合深空探測任務的特點，我們可以充分挖掘并發揮檢前記錄設備的作用，探討在火星探測任務中應用檢前記錄設備的方案。

3.1 必要性分析

深空任務中，傳輸距離遠，接收的信號微弱，而且可變傳播時延很高，通信環境復雜，對天線接收靈敏度要求高。深空通信的這些特點，極大地限制了下行數據接收的碼速率。表1 是依據我國未來深空任務設備的技術指標預測值，粗略估算深空探測任務中的數據傳輸能夠達到的碼速率數值。

表1 火星探測任務下行數據碼速率估算

從表1 可以看出，深空通信系統在不斷發展與完善的過程中，探測不同對象所能達到的最大碼速率的情況。目前的技術狀態下，對于探測火星來說，在遠地點最大碼速率約為105 kb/s，遠不能滿足科學應用系統數據傳輸的需要。因此，我國深空通信技術還需要加快發展，盡可能提高下行數據傳輸碼速率。

地面天線組陣技術的靈活應用將是解決該問題最有效的途徑之一。

3.2 適用性分析

1)信號合成適用性分析

全頻譜合成方案是深空通信天線組陣信號合成的最佳方案［4］，以前面所述的檢前記錄設備為例，其輸入、輸出的信號為中頻70 MHz 信號，存儲的數據為帶寬為4.8 MHz 的低頻數字信號。對于深空任務數傳信號通常采用的載波調相體制，該檢前記錄器支持的最大低解調損耗的調制碼速率為2.4 Mb/s，滿足火星探測任務的碼速率預算值。因此，該檢前記錄設備適用于第一階段火星探測任務中采用全頻譜合成方案。另外，隨著組陣接收碼速率的提高，可選擇更高記錄帶寬的檢前記錄設備完成相應工作。

2)任務兼容適用性分析

檢前記錄設備的本職工作是實時記錄存儲檢前信號。如果賦予組陣信號合成任務，則需要實時或事后共享存儲的數據，而這兩種任務是不矛盾的。實際上，根據檢前記錄設備性能，在不影響數據實時記錄存儲的前提下，可以增加其數據發送功能，以提高信號合成的時間利用效率。

3)數據傳輸適用性分析

以前面所述檢前記錄設備為例，在雙通道同時記錄數據時，產生的數據為32.6 Mb/s。如果網絡數據速度低于該值，則不能做到實時傳輸;如果高于此值，數據接收計算機則需要同時能夠接收各組陣天線發送的數據并進行合成處理，該要求比較高。對于在同一地點的不同天線，網絡速度問題不大，但是，對于相距千里的異地天線的數據網絡傳輸，其速度穩定性和網絡可靠性是主要問題。因此實時傳輸與數據解調的技術難度比較大。采用非實時數據解調方案，大大增強組陣數據接收系統的可靠性，同時增加效費比，并具有系統可擴展能力。

4)虛擬無線電適用性分析

信號合成是天線組陣技術的核心，虛擬無線電技術非常適用于非實時數據處理，特別是對于數據獲取、合成運算實施具有簡單方便的優勢。對于多種數據源的數據處理，虛擬無線電技術是最優選擇。

3.3 檢前記錄設備應用優勢

1)國產檢前記錄設備已成熟應用，性能優良，研制費用低，服務保障好。目前國產的某型號檢前記錄設備，記錄帶寬可滿足碼速率高達20 Mb/s 信號的數據傳輸，對于調相體制的誤碼惡化指標為0.1 dB 上下，可靠性高;

2)利用檢前記錄設備數據進行天線組陣下行信號合成，組陣方式靈活可變，應用范圍廣泛。只需通過軟件配置即可實現對參與跟蹤目標的天線進行組陣取舍，該方式不僅可應用于深空任務下行數據傳輸，還可應用于近地衛星的數據傳輸任務，擴展下行數據碼速率;

3)檢前記錄設備是地面站的標準配置設備，對保證數據安全性和系統可靠性起重要作用，它用于天線組陣信號合成，存儲數據隨時可用，因此事后天線組陣信號合成與數據重檢靈活方便，數據接收安全性和可靠性高;

4)檢前記錄設備具備雙通道功能，可同時對下行左、右旋信號進行記錄，支持極化分集合成解調，這可以提高接收信道增益大約2.5 dB;

5)采用虛擬無線電技術進行非實時信號合成，設備性能要求低，軟件實現簡單，合成效率較高，并且可以通過改善合成算法輕易擴展組陣天線數量，提高合成效率，從而有利于降低接收數據的誤碼率。

4 應用方案設計

4.1 應用方案

檢前記錄設備為解決火星探測下行數據傳輸問題提供了一種新的解決途徑，在地面接收站現有設備配置的基礎上，通過適當建設，可實現兩種天線組陣下行數據接收方案，即準實時全頻譜信號合成方案和事后全頻譜信號合成方案。

4.1.1 準實時全頻譜信號合成方案

1)檢查并配置各地面站的檢前記錄設備，保證檢前記錄設備狀態正常，參數設置合理，輸入信號配置正確，并且具有足夠的數據存儲空間;

2)任務開始時，檢前記錄設備啟動70 MHz 中頻信號記錄功能，同時通過網絡以設定的速度向信號合成數據處理計算機發送當前存儲數據;

3)數據處理計算機同時接收所有地面站發送來的數據，進行信號合成運算，合成數據按照檢前記錄數據格式存盤，并使用虛擬無線電技術進行數據解調與處理;

4)任務結束后，各地面站檢前記錄設備繼續發送存盤數據，發完為止，數據處理計算機繼續進行數據接收與處理，數據收完為止。

4.1.2 事后全頻譜信號合成方案

1)檢查并配置各地面站的檢前記錄設備，保證檢前記錄設備狀態正常，參數設置合理，輸入信號配置正確，并且具有足夠的數據存儲空間;

2)任務開始時，檢前記錄設備啟動70 MHz 中頻信號記錄功能，并共享存儲數據文件，供信號合成處理機進行數據調取，任務結束后，停止記錄;

3)信號合成數據處理計算機(可以使用中心地面站的檢前記錄設備)使用專用軟件通過網絡讀取各數據接收站檢前記錄設備的存儲數據，對獲得的數據進行信號合成處理，并且按檢前記錄設備數據格式存儲合成數據。

對于數據解調有兩種處理方法:第一，直接使用虛擬無線電技術，對合成數據進行數據解調與處理;第二，使用檢前記錄設備回放合成數據，輸出中頻70 MHz 信號，然后使用地面站配置的解調機進行數據解調與處理。

這兩種方案都依靠網絡傳輸檢前記錄設備存儲數據，沒有嚴格實時性的限制，有利于提高合成效率，降低誤碼率，可為提高任務數據傳輸碼速率打下基礎。

4.2 方案優缺點分析及應用條件

1)準實時全頻譜信號合成方案優缺點及應用條件

優點:能夠準實時接收和顯示任務數據，充分利用任務執行時間進行信號合成或數據解調，時間利用率高。

缺點:需要改造檢前記錄設備軟件，購置高性能數據處理計算機，并研制比較復雜的數據接收與信號合成軟件(力爭實現數據解調能力);在完成任務數據解調前，所有地面站不能執行其它任務(如網絡和高性能計算機速度足夠，可以做到實時接收解調，則不影響其它相鄰任務);對網絡的可靠性、穩定性和速度要求高，實施技術難度較大。

應用條件:設備和軟件研制經費充足，能夠購置高性能數據處理計算機，并完成數據接收、信號合成與數據解調軟件的研制。

2)事后全頻譜信號合成方案優缺點及應用條件

優點:硬件設備可以不變動，只需研發一套功能簡易的軟件，研制費用相對比較低;信號合成可靠性好;信號合成處理時間靈活，不影響地面站其它任務;實施技術難度小，風險小;對網絡的可靠性要求不高。

缺點:數據接收實時性差，不能即時解調顯示接收數據;解調數據需要解調機配合。

應用條件:不需實時顯示接收數據結果，硬件設備和軟件研制經費有限。

5 結束語

檢前記錄設備在深空任務天線組陣下行數據接收中具有應用可行性。通過應用擴展和軟件開發，可應用于火星探測天線組陣下行數據接收任務。文中設計的檢前記錄設備的應用設計方案，技術實現相對簡單，開發成本低，能夠以較小的代價實現火星探測任務天線組陣下行數據接收的任務。

在這兩種方案的應用中，使用虛擬無線電進行信號合成軟件的開發與編制是關鍵環節，在實際的應用中，可以根據實際情況對軟件進行適應性升級改造，擴展參與其中的天線組陣的數量，充分利用閑置的地面站，不斷提高組陣天線下行數據接收的性能。這些數據接收方案同樣適用于各種衛星通信數據接收站，通過同地和異地的天線組陣，提高下行數據接收能力。

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