小衛星通信系統技術

王富德　沈喆淵　姚佩航

摘 要：小衛星通信系統具有研發費用少，重量輕，性能穩定，信號覆蓋范圍廣以及不受地域條件限制等優點，能夠對當前大型同步軌道的衛星通信進行補充作用，在全球范圍內得到廣泛應用的同時也受到了眾多研究機構的重視，因此對小衛星通信系統的技術進行研究同時具有實踐意義和理論意義。

關鍵詞：小衛星；通信系統；作用；研究；意義

衛星通信技術在軍事、政治、工業、生活等方面均具發揮著重要作用，而相比之下，小衛星則更具有大型同步衛星所無法實現的眾多優勢而受到國內外研究學者的重視，同時，衛星向小型化趨勢發展也是全球衛星產業的主要發展方向。我國從21世紀初期開始著手小衛星的相關研制和發射工作。

1 小衛星的技術優勢

第一，荷載較少小衛星在每次的任務中一般僅需要裝載一種特殊設備，進而很好地避免了大型衛星中出現的荷載間復雜配比問題。

第二，研制時間短、費用低小衛星的研制一般只需經過一到兩年，同時相關的研究經費也相比大型衛星明顯降低，因此更具有經濟性，更體現其實踐意義。

第三，重量輕小衛星的重量一般較小，就當前國際情況來看，最微型的小衛星的質量僅有幾百克，體積也很小，因此功能密度大，模塊可多次利用。

第四，信號覆蓋范圍廣，由于小衛星具有較強的組網能力，因此能夠形成精度較高，功能強大而且信號覆蓋范圍廣的星座系統，進而易于補網和星座功能穩定的優勢。

第五，減緩頻率壓力小衛星的星座中包括多顆衛星，可以頻率復用，因此具有減小空間任務所具有的頻率壓力。

2 小衛星通信系統主要技術簡介

衛星在通信中起著中轉作用，即將地球站傳送來的信號經過變頻和放大轉送到另一端的地球站，地球站是衛星與地面信息系統的鏈接點，用戶通過地球站途徑進入衛星通信系統中，形成鏈接的電路信號鏈；為了確保系統的運行正常，衛星通信系統必須和地面的監測管理系統和測控系統想鏈接，測控系統能夠對通信衛星運行的軌道進行檢測和控制，以保證地面檢測系統能夠對衛星所傳送的通信信息進行有效的監控，保證系統安全與穩定的運行。小衛星通信的關鍵技術主要有通信系統的鏈路預算以及接收機參數估計技術和同步技術等，其中鏈路預算技術是設計小衛星通信系統的主要計算方法和參考依據，精確的鏈路預算能夠確保通信系統的穩定運行。近年來，通信系統接收技術和相應的算法逐漸由信號模擬技術向數字化轉變；由于衛星通信整體碼速率有所提升因此對接收機的信息處理速度以及算法的復雜度、同步速度和穩定性也提出了更高的要求；信息傳輸量的大幅增加使得遙測領域中逐漸采用比特傳輸速率更高的調制方式；由于衛星通信系統在數字通信過程中的發射機和接收機的晶振不同，以及移動平臺引起的多普勒效應，造成發射機和接收機之問會產生相位和頻率的偏移，這種多普勒頻移一般較高，即便在頻偏較大時，接受同步技術也應能夠正常工作，即捕獲帶寬較大。

3 小衛星通信系統關鍵技術簡介

3.1 鏈路預算技術

鏈路預算，即對一通信系統中發射設備，傳送信道以及接收設備的通信鏈路的變化情況進行的全面核算，是對小衛星通信系統性能的評價，具體而言是從發射端的信源起始，通過編碼、調制、變頻等多項操作，將信號通過天線發射出去，再由信道進行傳輸，最后到達接收天線處由接收機進行信息處理，解調所需信息。其重要性在于：

第一，可確定系統工作是否滿足系統實際需要。

第二，通過計算鏈路余量檢查系統能否滿足設計要求。

第三，驗證在部分設備具有硬件限制的情況下鏈路其他部分能否進行彌補。對于模擬電路來說，該性能指標是基帶信道的信噪比；對于數字電路來說，其性能指標是基帶信道上測得的誤碼率；衛星鏈路分為兩種信號路徑：由地面站到衛星的上行鏈路和從衛星到地面站的下行鏈路，其中上行鏈路的信號發射過程包括編碼→調頻→上變頻→放大功率等操作，信號從天線傳送到小衛星的接收端，而下行鏈路則包括低噪聲放大→下變頻→解調→解碼等操作，是地面站對接收信號的處理操作。與通信系統鏈路預算有關的數據因素有天線特性，傳輸距離最大值，信號發射/接受功率，熱噪聲，信噪比以及接收系統的質量。

3.2 同步算法

無論是接受哪種形式的調制信號，接收機同發射機都必須保持同步，對于數字調頻技術而言，有載波同步和碼元同步兩種基本同步模式，前者是對載波頻率以及相位進行估計，后者則是對定時抽樣時鐘進行估計。由于發射信號在衛星通信的傳輸過程中必然存在一定延遲，因此產生了載波相位的偏移，同時由于其在傳播過程中受到噪聲干擾和多普勒效應影響，還會產生頻率偏移，因此同步技術是數字通信中的關鍵技術，研究調制信號的載波同步和碼元同步技術能夠保障衛星通信系統可靠、有效、快速的運行。由于載波同步算法利用的是判決反饋環路的模型，是在時鐘已同步的基礎之上才能進行，因此載波同步應位于碼元同步滯后才可工作。以先碼元同步再載波同步的模式為例，模擬信號被天線接收后，由ADC轉換為數字信號，再將頻帶信號通過下變頻轉變為基帶信號，之后通過碼元同步和載波同步對有載波偏差以及時鐘偏差的信號進行估計，最后解調輸出，碼元同步位于載波同步前，以碼元時間為基本數據處理周期，對相關硬件的要求較低，同步性能較好。

3.3 型號參數

估計衛星通信信號的參數估計是重要的非合作通信接收技術，因為對信號的頻率和調制方法等重要數據進行檢查和估測是保證解調準確和達到監視、截獲信息的目的的重要方法，以便為偵察系統的工作打好基礎。小衛星通信系統的常用解調方式有BPSK解調、QPSK解調、CPM解調、SOQPSK解調等。一般情況下，欲通過衛星通信捕捉信號，接收系統的帶寬需遠大于信號帶寬，應使用寬帶接收機。

4 結語

小衛星通信系統具有的多重優勢使其在當今世界范圍內的衛星通信領域得到廣泛的應用，吸引了眾多研究學者，本文針對其中的幾項關鍵性技術進行了簡單說明。衛星通信的作用范圍廣，涉及的技術種類眾多而且較為復雜，需要我們不斷進行深入研究和實踐，進而推進衛星通信向小型化方向發展。

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作者簡介：王富德（1994—），男，遼寧鞍山人，沈陽理工大學學生。

沈喆淵（1995—），男，江蘇張家港人，沈陽理工大學學生。

姚佩航（1997—），男，遼寧大連人，沈陽理工大學學生。