支持航天器全時(shí)監(jiān)控的中繼衛(wèi)星全景波束技術(shù)

曹正蕊，孫寶升，姚艷軍，賀 超

(1.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094；2.北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心，北京 100094；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230000)

0 引 言

我國(guó)在軌的中低軌航天器數(shù)量急劇增多，全時(shí)全域監(jiān)控對(duì)地面測(cè)控系統(tǒng)提出了非常高的要求。目前主要采用地基測(cè)控和天基測(cè)控兩種方式對(duì)在軌航天器進(jìn)行測(cè)控和管理。地基測(cè)控軌道覆蓋率較低，基于中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的天基測(cè)控實(shí)現(xiàn)了對(duì)低軌航天器的全軌道覆蓋，但傳統(tǒng)天基測(cè)控一般采用單址天線，波束數(shù)量有限。有限的地基/天基資源無(wú)法滿足大量航天器同時(shí)服務(wù)需求，當(dāng)航天器位于地基測(cè)控不可見區(qū)域或天基資源受限不能滿足使用需求時(shí)，一旦發(fā)生在軌故障或者受到敵對(duì)攻擊，地面將無(wú)法實(shí)時(shí)掌控并做出及時(shí)響應(yīng)。

相控陣天線易實(shí)現(xiàn)多波束，能很好地滿足同時(shí)為多用戶目標(biāo)服務(wù)的需求[1-3]。中繼衛(wèi)星安裝相控陣天線，可向中低速用戶提供SMA(S-band Multiple Access，S頻段多址接入)業(yè)務(wù)，并在美國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用[4-6]。SMA波束覆蓋方式有跟蹤和全景兩種[7]。對(duì)于中繼衛(wèi)星單址天線和多址天線的跟蹤波束，國(guó)內(nèi)外已有較多研究[1-6,8,9]，文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了預(yù)分配、周計(jì)劃和按需接入應(yīng)用服務(wù)模式，文獻(xiàn)[3]描述了對(duì)近地衛(wèi)星的均勻測(cè)控、輪詢測(cè)控和連續(xù)測(cè)控模式，并已實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。國(guó)內(nèi)對(duì)于全景波束技術(shù)研究則比較匱乏。

中繼衛(wèi)星SMA返向波束可地面形成，利用該特點(diǎn)，通過(guò)在地面增擴(kuò)組合SMA返向波束，能夠形成蜂窩狀的廣域覆蓋常駐靜態(tài)波束，從而對(duì)中低軌航天器實(shí)現(xiàn)全時(shí)全域覆蓋。聯(lián)合返向組合全景波束和相掃前向波束，研發(fā)新的適用多用戶的短報(bào)文和連續(xù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，可以支持?jǐn)?shù)百上千個(gè)航天器在中繼衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中始終在線，實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的全時(shí)監(jiān)控管理。

本文提出了中繼衛(wèi)星多址全景波束支持航天器在軌全時(shí)監(jiān)控的應(yīng)用模式，設(shè)計(jì)了其工作流程，對(duì)于全景波束形成、構(gòu)型和協(xié)議體制等技術(shù)進(jìn)行了研究，前向鏈路、返向短報(bào)文和連續(xù)業(yè)務(wù)鏈路預(yù)算余量高于3 dB，單顆中繼衛(wèi)星可支持不少于1000個(gè)短報(bào)文用戶。本文的成果可作為全景波束工程應(yīng)用的參考。

1 航天器全時(shí)監(jiān)控要求

航天器在軌全時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)需要能夠支持所有航天器連續(xù)在線和按需服務(wù)。對(duì)該監(jiān)控系統(tǒng)的功能和性能基本要求如下：對(duì)低軌航天器全軌道連續(xù)覆蓋，按照一定頻率發(fā)送綜合監(jiān)測(cè)信息，包括運(yùn)行狀態(tài)、故障信息、位置信息等；根據(jù)監(jiān)測(cè)信息，快速上注應(yīng)急響應(yīng)遙控指令，遙控指令發(fā)送速率千比特秒(kbit/s)量級(jí)；服務(wù)200～2000 km軌道航天器數(shù)量不少于1000個(gè)。

2 航天器在軌全時(shí)監(jiān)控應(yīng)用模式及流程

中繼衛(wèi)星多址波束支持中低軌航天器在軌全時(shí)監(jiān)控示意圖如圖1所示。其中，航天器用戶通過(guò)系統(tǒng)返向全景波束通道發(fā)送短報(bào)文消息，周期上報(bào)自身的健康(正常OK/異常SOS)和位置等狀態(tài)信息，從而地面能實(shí)時(shí)了解航天器狀態(tài)，必要時(shí)對(duì)航天器用戶進(jìn)行前向應(yīng)急管控。

圖1 中低軌航天器在軌全時(shí)監(jiān)控示意圖

相應(yīng)的應(yīng)用流程設(shè)計(jì)如圖2所示。用戶以發(fā)送間隔為周期，通過(guò)中繼衛(wèi)星全景波束系統(tǒng)返向通道，向地面控制中心回傳自身的狀態(tài)信息；地面控制中心接收狀態(tài)信息，必要時(shí)通過(guò)前向波束向用戶發(fā)送遙控指令，進(jìn)行前向管控。

圖2 中低軌航天器在軌全時(shí)監(jiān)控應(yīng)用流程

3 中繼衛(wèi)星全景波束技術(shù)

3.1 全景波束形成技術(shù)

有源相控陣波束形成有模擬波束形成(ABF)和數(shù)字波束形成(DBF)兩種技術(shù)體制可以實(shí)現(xiàn)。DBF技術(shù)成熟，具有波束控制靈活、具備靈活的多任務(wù)能力，空間自由度和移相精度高、抗干擾能力強(qiáng)，體系架構(gòu)簡(jiǎn)潔、擴(kuò)展升級(jí)能力強(qiáng)等主要優(yōu)點(diǎn)，如圖3所示。返向全景波束需要形成多個(gè)，并具備可擴(kuò)展性，采用地基DBF技術(shù)體制對(duì)設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性要求比星上低，一方面保障對(duì)用戶的跟蹤精度與數(shù)傳性能，一方面為用戶服務(wù)數(shù)量擴(kuò)展、地面系統(tǒng)升級(jí)預(yù)留空間。

圖3 數(shù)字波束形成

根據(jù)對(duì)期望區(qū)域與SMA系統(tǒng)的相對(duì)空間位置分析計(jì)算，通過(guò)調(diào)整多個(gè)返向DBF加權(quán)系數(shù)，形成按一定電平交疊的多個(gè)靜態(tài)子波束，可實(shí)現(xiàn)對(duì)2000 km 高度全覆蓋，如圖1所示。全景波束形成方法的關(guān)鍵在于對(duì)波束覆蓋參數(shù)的配置，需要根據(jù)SMA相控陣天線相對(duì)于單個(gè)子波束覆蓋區(qū)域的中心位置，分析、計(jì)算出與每個(gè)子波束對(duì)應(yīng)的DBF加權(quán)系數(shù)，并通過(guò)DBF控制單元傳送給相應(yīng)的DBF板，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)組合全景波束的覆蓋。根據(jù)下列公式確定DBF加權(quán)系數(shù)為

(1)

式中：(xn，yn)為第n個(gè)陣元的坐標(biāo)；λ為波長(zhǎng)；(θ，φ)為根據(jù)全景波束構(gòu)型設(shè)計(jì)確定的每個(gè)子波束中心角度，是將通常按經(jīng)緯高坐標(biāo)定義的子波束覆蓋區(qū)域中心映射到SMA相控陣天線坐標(biāo)系中得到的。SMA天線坐標(biāo)系定義：原點(diǎn)為陣面與地板安裝面的幾何中心，各坐標(biāo)軸與衛(wèi)星坐標(biāo)系各軸對(duì)應(yīng)平行，其中，衛(wèi)星坐標(biāo)系原點(diǎn)位于星箭分離面的幾何中心，X軸與衛(wèi)星東板垂直且向外為正，Y軸與衛(wèi)星南板垂直且向外為正，Z軸與衛(wèi)星對(duì)地板垂直且向外為正。

3.2 波束構(gòu)型選擇

分析組合全景波束3 dB和1.5 dB交疊的覆蓋性能。單星覆蓋200～2000 km的航天器，相鄰波束按照3 dB交疊，約需要37個(gè)波束，張角為±11.5°；相鄰波束按照1.5 dB交疊，約需要75個(gè)波束，張角為±11.5°。單星覆蓋波束交疊示意圖如圖4所示。

圖4 單星覆蓋200～2000 km航天器波束交疊圖

按照中繼衛(wèi)星軌道位置77°E，176.8°E，16.8°E，90°W進(jìn)行仿真得到四星星座對(duì)200～2000 km航天器覆蓋分析。由于部分區(qū)域波束重疊覆蓋，為減少地面設(shè)備數(shù)量，提高效費(fèi)比，部分波束可以不形成，區(qū)域全覆蓋所需的最少波束數(shù)量如表1和表2所示。

表1 單星最少波束覆蓋數(shù)量分析

表2 四星最少波束覆蓋數(shù)量分析

全球覆蓋200～2000 km航天器，從波束數(shù)量角度來(lái)看，1.5 dB交疊的波束數(shù)量更多；從信號(hào)損失角度來(lái)看，1.5 dB交疊帶來(lái)的用戶運(yùn)動(dòng)到波束邊緣信號(hào)電平損失更低。由于返向短報(bào)文鏈路預(yù)算(如表4所示)較為緊張，綜合處理資源和鏈路預(yù)算余量，選擇1.5 dB交疊的波束構(gòu)型。

3.3 協(xié)議體制設(shè)計(jì)

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)空間鏈路協(xié)議分層結(jié)構(gòu)參照空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)建議的空間鏈路協(xié)議五層結(jié)構(gòu)，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。SMA全景波束協(xié)議體制對(duì)物理層的全部?jī)?nèi)容和要求以及數(shù)據(jù)鏈路層的有關(guān)內(nèi)容和要求進(jìn)行描述，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)協(xié)議分層架構(gòu)

SMA全景波束系統(tǒng)物理層分為兩個(gè)子層，射頻子層主要包括射頻的頻率、帶寬、功率、極化以及信道特性要求等，編碼調(diào)制子層主要包括編碼、擴(kuò)頻、載波調(diào)制的方法以及性能要求。

SMA全景波束系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路層也分為兩個(gè)子層，同步子層主要用于對(duì)傳送幀進(jìn)行定界和同步，鏈路協(xié)議子層主要用于對(duì)來(lái)自高層的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)單元進(jìn)行成幀處理，并執(zhí)行可能數(shù)據(jù)分割和重組。

分別針對(duì)前返向短報(bào)文和連續(xù)業(yè)務(wù)，設(shè)計(jì)了多址方式、擴(kuò)頻方式、調(diào)制解調(diào)方式、編碼方式等，如表3所示。

表3 協(xié)議體制

3.4 鏈路預(yù)算

天基測(cè)控前向鏈路信息速率按照2000 bit/s計(jì)算，SMA前向接收的系統(tǒng)余量為9.5 dB。返向短報(bào)文業(yè)務(wù)信息速率按照1318 bit/s，終端EIRP按照9 dBW計(jì)算，SMA全景波束系統(tǒng)余量為4.6 dB。返向連續(xù)業(yè)務(wù)信息速率按照2000 bit/s，終端EIRP按照9 dBW計(jì)算，SMA跟蹤波束系統(tǒng)余量為5.7 dB。可見，前返向鏈路余量高于3 dB的要求。鏈路預(yù)算分別如表4所示。其中，星間距離和星地距離均取42000 km，波爾茲曼常數(shù)-228.6。

表4 鏈路預(yù)算

3.5 單星用戶容量分析

為滿足大量用戶的管理信息傳輸，在SMA全景波束下，采用短報(bào)文形式的業(yè)務(wù)體制，傳輸基本的狀態(tài)與信令。下面進(jìn)行在短報(bào)文業(yè)務(wù)形式下，SMA全景波束系統(tǒng)單顆中繼衛(wèi)星所能支持的系統(tǒng)容量。

用戶容量定義為每個(gè)用戶按照一定的間隔發(fā)送短報(bào)文，在保證一定的傳輸成功率條件下(如99%)，系統(tǒng)所能支持的在線用戶數(shù)量。而短報(bào)文容量定義為一個(gè)小時(shí)內(nèi)單星所支持的短報(bào)文發(fā)送次數(shù)，取決于一定發(fā)送周期內(nèi)單星所能夠容納的用戶容量。由于返向采用擴(kuò)頻ALOHA方式進(jìn)行短報(bào)文傳輸，用戶容量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的ALOHA系統(tǒng)。

在擴(kuò)頻ALOHA系統(tǒng)中，多個(gè)用戶可共用同一個(gè)擴(kuò)頻碼，而使用同一擴(kuò)頻碼的兩個(gè)或兩個(gè)以上的數(shù)據(jù)包在時(shí)間軸上可能會(huì)有重疊的部分，即在信道中發(fā)生碰撞，但這些發(fā)生碰撞的數(shù)據(jù)包不一定全部被毀壞，只要它們到達(dá)地面的時(shí)間差錯(cuò)開幾個(gè)chip的時(shí)間(擴(kuò)頻CDMA固有的時(shí)延捕捉特性)，它們便可以被地面站成功接收，因此，用戶容量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的ALOHA系統(tǒng)。

接下來(lái)對(duì)系統(tǒng)容量指標(biāo)進(jìn)行具體核算分析：(1)首先，分析使用同一個(gè)擴(kuò)頻碼，僅考慮沖突影響時(shí)的用戶容量，確定一個(gè)公共碼道所能支持的最大用戶數(shù)量；(2)然后，分析多址干擾下的用戶容量，確定不考慮沖突時(shí)系統(tǒng)所能容納的最大用戶數(shù)量；(3)最后，聯(lián)合考慮沖突和干擾影響，分析系統(tǒng)所支持的用戶容量、公共碼道數(shù)量，論證系統(tǒng)短報(bào)文容量。

當(dāng)所有用戶短報(bào)文有效信息長(zhǎng)度為256 bit時(shí)，綜合考慮沖突和干擾對(duì)系統(tǒng)用戶容量的影響，通過(guò)仿真分析，得到：

1)單碼道用戶容量約為4000個(gè)，略低于不考慮干擾時(shí)單碼道用戶容量4500，證明用戶數(shù)量較少時(shí)多址干擾可忽略；

2)5個(gè)碼道用戶容量約為13000，單碼道容量約為2600。

按照系統(tǒng)用戶容量13000計(jì)算，每個(gè)用戶每隔10 s發(fā)一次短報(bào)文，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)容量為13000(256 bit/10 s=333 kbit/s)，此時(shí)每小時(shí)支持的短報(bào)文容量為13000(3600/10=468萬(wàn)次/h)。用戶容量與解調(diào)門限、可容忍的信噪比惡化程度密切相關(guān)，綜合系統(tǒng)所服務(wù)的用戶類型，建議短報(bào)文長(zhǎng)度256 bit，報(bào)文發(fā)送時(shí)間間隔不小于10 s，單星可服務(wù)不少于1000個(gè)用戶。

4 結(jié) 論

中繼衛(wèi)星SMA系統(tǒng)能夠?yàn)橹械蛙壓教炱魈峁┰谲壢珪r(shí)監(jiān)控服務(wù)，其返向組合全景波束全球靜態(tài)覆蓋特性可以提高航天器在軌監(jiān)控效率與按需響應(yīng)能力，分析的波束形成及構(gòu)型能夠從數(shù)量上完全滿足在軌衛(wèi)星監(jiān)控需求，設(shè)計(jì)的通信協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)短報(bào)文及連續(xù)業(yè)務(wù)傳輸，單顆中繼衛(wèi)星可服務(wù)不少于1000個(gè)短報(bào)文航天器用戶。

結(jié)合全景波束抗干擾技術(shù)等系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的攻克，中繼衛(wèi)星多址返向全景波束系統(tǒng)支持航天器在軌全時(shí)監(jiān)控具有現(xiàn)實(shí)的可行性。