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北京跟蹤與通信技術(shù)研究所
摘 要：本文介紹了小衛(wèi)星及星座的一些基本情況，分析了CDMA技術(shù)的優(yōu)勢，初步探討了CDMA技術(shù)在小衛(wèi)星測控方面的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：測控技術(shù)；小衛(wèi)星；星座；移動通信；碼分多址技術(shù)
一、概 述
近年來，大規(guī)模集成電路、計算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)飛速發(fā)展，推動了小型化、智能化的現(xiàn)代小衛(wèi)星的出現(xiàn)。小衛(wèi)星由于具有體積小、重量輕、研制周期短、系統(tǒng)投資少、發(fā)射成本低、風(fēng)險小、專用性強(qiáng)、技術(shù)性能先進(jìn)等特點(diǎn)，已經(jīng)在空間通信、導(dǎo)航、衛(wèi)星定位等方面得到了廣泛應(yīng)用，在國民經(jīng)濟(jì)以及軍事安全等方面有著不可估量的用途和重要性。20世紀(jì)90年代以后，小衛(wèi)星的發(fā)展更加趨于多樣化，小衛(wèi)星的應(yīng)用領(lǐng)域也更加廣泛。小衛(wèi)星編隊飛行、小衛(wèi)星組網(wǎng)、一箭多星的具體實現(xiàn)，對小衛(wèi)星以及小衛(wèi)星星座測控技術(shù)提出了新的要求。
小衛(wèi)星編隊飛行、小衛(wèi)星星座組網(wǎng)等需要我們現(xiàn)有的測控網(wǎng)能夠提供對多星同時測控的技術(shù)支持。根據(jù)碼分多址（CDMA）特有的機(jī)制，可以比較方便地實現(xiàn)我們對多星同時測控的技術(shù)要求，它可以利用不同的碼序列，可同時支持多星測控與通信。而我國目前尚無星座測控的經(jīng)驗，測控方法和體制的研究還在進(jìn)一步的研究中。本文先分析CDMA的一些基本知識，同時從它的體制和特點(diǎn)出發(fā)具體分析它對多星同時測控技術(shù)的具體支持，然后分析和探討它在小衛(wèi)星星座測控中應(yīng)用。
二、CDMA的基本概念
目前，第三代移動通信系統(tǒng)（簡稱3G）正處于深入的研究和熱烈的討論階段。在國際電信聯(lián)盟中，稱第三代網(wǎng)絡(luò)為國際移動通信－2000（IMT－2000），在歐洲稱其為個人移動通信系統(tǒng)（UMTS）。IMT－2000將提供多種業(yè)務(wù)，尤其是多媒體和高比特率分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。第三代網(wǎng)絡(luò)的主流空中接口解決方案寬帶碼分多址（WCDMA）已經(jīng)形成。目前，在歐洲、日本、韓國和美國，寬帶CDMA系統(tǒng)正在標(biāo)準(zhǔn)化。CDMA是基于擴(kuò)頻通信的一種多址方式，它是在通信中用不同的地址碼來區(qū)分不同地址目標(biāo)的信號。其基本原理是：利用自相關(guān)性比較弱的周期性碼序列作為地址信息（稱為地址碼），用它對用戶信息擴(kuò)頻。經(jīng)過反向信道傳輸后，在接收端以本地產(chǎn)生的已知的前述地址碼為參考，根據(jù)相關(guān)性的差異對收到的所有信號進(jìn)行鑒別，從中將地址碼與本地碼完全一致的寬帶信號解擴(kuò)還原為窄帶而選出，其他與本地碼無關(guān)的信號則仍保持或被擴(kuò)展為寬帶信號而濾去。
CDMA以擴(kuò)頻技術(shù)為基礎(chǔ)，因此它具有擴(kuò)頻通信所固有的優(yōu)點(diǎn)：
�。�1）抗干擾能力強(qiáng)
CDMA采用寬帶傳輸，將有用信號和干擾信號頻譜能量都加以擴(kuò)散，在接收端利用PN序列的相關(guān)特性進(jìn)行相關(guān)處理，對有用信號頻譜能量壓縮集中。干擾和噪聲因與PN碼不匹配而被抑制，因此大大提高了信噪比，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。
�。�2）抗多徑衰落
CDMA可提供多種形式的分集接收時間分集、頻率分集、空間（路徑）分集等，大大降低了多徑衰落。CDMA將信號能量擴(kuò)展到很寬的頻帶中，從而得到頻率分集；時間分集可通過使用交織和糾錯編碼來達(dá)到最大效果；空間（路徑）分集可通過軟切換、Rake接收機(jī)等來實現(xiàn)。
�。�3）安全保密性高
CDMA在低功率譜密度下傳輸，有用信號功率比干擾信號功率低得多，信號仿佛淹沒在噪聲之中，具有較強(qiáng)的防截獲能力。另外，CDMA采用PN碼調(diào)制，不掌握發(fā)射信號的PN碼規(guī)律，要進(jìn)行解擴(kuò)是很困難的。這些都體現(xiàn)了CDMA安全、保密的特點(diǎn)。
衛(wèi)星通信中的地址碼擴(kuò)頻調(diào)制通常采用直接序列調(diào)相擴(kuò)頻（DS）方式，它屬于直接型的PSK調(diào)制，地址碼用偽隨機(jī)序列，通常記為CDMA／DS或CDMA／PSK／DS，只有當(dāng)?shù)刂反a速率遠(yuǎn)大于信碼速率時，直接序列擴(kuò)頻調(diào)制后的頻譜寬度才會極大地展寬。
三、CDMA技術(shù)應(yīng)用于小衛(wèi)星星座的測控與通信
同地面蜂窩移動通信的情況一樣，衛(wèi)星通信的多址技術(shù)也有頻分、時分、碼分等幾種形式。使用FDMA技術(shù)，由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的非線性而形成的交調(diào)干擾，就要避開一部分頻帶不用，還要用衛(wèi)星功率進(jìn)行“補(bǔ)償”以進(jìn)一步降低交調(diào)干擾，這樣就浪費(fèi)了衛(wèi)星功率和頻帶等寶貴資源；TDMA可以克服交調(diào)現(xiàn)象，但又面臨著同步問題。由于衛(wèi)星地面通信站安裝在運(yùn)動物體上，運(yùn)動物體迅速移動，要實現(xiàn)移動地面站往衛(wèi)星同步地發(fā)射信號顯然很困難。CDMA使用不同的擴(kuò)頻序列，相互間影響較小，頻帶重復(fù)利用率高。與傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)定向傳輸?shù)男l(wèi)星通信不一樣，衛(wèi)星移動通信是一點(diǎn)對多點(diǎn)的全向性傳輸，必須采用擴(kuò)頻技術(shù)提高抗多徑干擾能力。在CDMA中還可采用諸如話音激活、頻率復(fù)用、扇區(qū)劃分等技術(shù)來增加系統(tǒng)容量，而在FDMA和TDMA中擴(kuò)容技術(shù)實現(xiàn)起來難度較大。在全球衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，若采用CDMA技術(shù)，則具有組網(wǎng)簡單、靈活、抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)容量潛力大、成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)。所以，在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中采用CDMA技術(shù)是適宜的。
1．目前國外小衛(wèi)星及小衛(wèi)星星座測控的趨勢
目前，國外小衛(wèi)星在發(fā)展上更加追求小衛(wèi)星的自主性，對地面系統(tǒng)的需求和依賴也在盡量減少。同時，小衛(wèi)星的應(yīng)用和操作也力求簡潔和方便，要求通用性增加；不同的應(yīng)用需求也不斷推進(jìn)了小衛(wèi)星的應(yīng)用領(lǐng)域，這樣小衛(wèi)星編隊飛行、小衛(wèi)星組網(wǎng)、小衛(wèi)星星座組網(wǎng)技術(shù)不斷在相關(guān)需求的推動下產(chǎn)生，同時為了盡可能地減少發(fā)射費(fèi)用，一箭雙星，一箭三星甚至一箭多星等紛紛在具體發(fā)射中出現(xiàn)。傳統(tǒng)的地面測控系統(tǒng)為了滿足多星同時測控的要求，需要做大的改動，同時要花費(fèi)大量的成本，另外也會給本來已經(jīng)很緊張的測控頻率資源提出許多可能滿足不了的要求。在這樣的情況下，在小衛(wèi)星測控領(lǐng)域，新的測控體制和通信制式就顯得越來越重要。目前，國際上在星座測控上越來越多地應(yīng)用了擴(kuò)頻技術(shù)和CDMA技術(shù)。
國外報道較多的小衛(wèi)星系統(tǒng)多為民用移動通信系統(tǒng)，已完成從單星到星座系統(tǒng)的發(fā)展，如美國軍方接管的“銥系統(tǒng)”（Iridium，66顆星，原來屬于Motoro－la）、Bill Gates參與投資的Teledesic（288顆星）、Globalstar（52顆星）、ORBCOMM、Odyssey、Aries、Ellip－so、Calling等系統(tǒng)都屬于該類應(yīng)用系統(tǒng)，主要業(yè)務(wù)涉及語音、數(shù)據(jù)通信等領(lǐng)域，其中Globalstar、Aries和Odyssey采用了CDMA技術(shù)。
隨著軍事的需要和航天技術(shù)的發(fā)展，載人航天、中低軌航天器測控的要求，測控體制的發(fā)展趨勢必為從地基向天基過渡，以提高測控覆蓋率。美國已建成跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS），完成跟蹤測軌和數(shù)據(jù)中繼，實現(xiàn)了天基測控。CDMA應(yīng)用在TDRSS的MA反向通信業(yè)務(wù)中，各用戶星使用不同的地址碼和同一載波頻率，同時和中繼星進(jìn)行通信，傳送低速數(shù)據(jù)并完成對用戶星的測距功能。
2．CDMA技術(shù)在我國的應(yīng)用背景
我國現(xiàn)有的航天測控通信網(wǎng)是隨著航天器的研制逐步建設(shè)起來的，頻段、體制繁多，已先后建成了超短波近地衛(wèi)星測控網(wǎng)、C頻段衛(wèi)星測控網(wǎng)和S頻段航天測控網(wǎng)。
隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)有的C、S兩大骨干測控網(wǎng)面臨著新的挑戰(zhàn)，對測控網(wǎng)精度、測控網(wǎng)的覆蓋能力、高數(shù)據(jù)率提出了更高的要求。我國重點(diǎn)發(fā)展應(yīng)用的一類航天器小衛(wèi)星、衛(wèi)星星座及編隊組網(wǎng)，要求測控網(wǎng)具有對多星發(fā)射任務(wù)的業(yè)務(wù)支持能力，能夠?qū)Χ囝w衛(wèi)星提供入軌段和早期軌道段的測控和通信支持，具備在軌運(yùn)行段對較多衛(wèi)星的綜合管理能力；針對數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，JKI技術(shù)的應(yīng)用與實現(xiàn)也是很重要的，我們可以給中繼星跟蹤的一個波束內(nèi)的多顆衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)服務(wù)和測控支持，也可以反向接收多顆衛(wèi)星的數(shù)傳業(yè)務(wù)需求。
低軌通信小衛(wèi)星星座系統(tǒng)的測控與同步衛(wèi)星、單顆中低軌衛(wèi)星測控相比有如下特點(diǎn)：
�。�1）多目標(biāo)同時測控
星座系統(tǒng)通常采用一箭多星發(fā)射技術(shù)，星箭分離后的入軌段需要在短時間內(nèi)將多顆星部署到各自的指定位置，而運(yùn)行段同時過境的衛(wèi)星往往不止一顆，因此要求地面必須有多站分別對多星同時測控或由一站同時對多星進(jìn)行測控。
�。�2）傳輸鏈路要求較低
對于低軌通信小衛(wèi)星星座，由于無高速數(shù)據(jù)傳輸要求，采用小型天線即可滿足上下行鏈路傳輸要求。
（3）低成本管理
一般小衛(wèi)星運(yùn)行管理費(fèi)為整個系統(tǒng)十分之一以下，要求測控系統(tǒng)自動化程度較高。
（4）測控數(shù)據(jù)量較低
作為短數(shù)據(jù)通信星座系統(tǒng)，與對地觀察衛(wèi)星系統(tǒng)相比，衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳量較低。
�。�5）測控系統(tǒng)獨(dú)立于GPS
要求能完成獨(dú)立于GPS等定位系統(tǒng)的衛(wèi)星定軌，平時可利用星載GPS輔助完成星上測軌，提高測軌定位精度。由此可見，同單星測控相比，星座測控主要不同之處在于多星同時測控的要求，同時還要考慮星座系統(tǒng)的測控站必須建在境內(nèi)的限制條件。采用CD－MA測控技術(shù)，不同衛(wèi)星采用不同擴(kuò)頻碼字進(jìn)行區(qū)分，可以實現(xiàn)多星同時測控。
3．CDMA機(jī)制在我國航天測控系統(tǒng)中的可能應(yīng)用分析
�。�1）第一種需求分析
作為小衛(wèi)星星座發(fā)射任務(wù)，一般采用一箭多星技術(shù)。衛(wèi)星在空中的星箭分離一般采用兩兩分離技術(shù)或者一顆一顆逐步分離技術(shù)，然后讓其利用星箭分離時火箭提供的離心力逐步自旋分離開。作為小衛(wèi)星進(jìn)行星座組網(wǎng)，一般要求小衛(wèi)星的自主能力比較強(qiáng)，根據(jù)我國的疆域覆蓋情況，我們不可能實現(xiàn)全球布站對小衛(wèi)星進(jìn)行觀測控制，因此，只能是在關(guān)鍵弧段布站進(jìn)行測控，星箭分離點(diǎn)是我們進(jìn)行控制的一個關(guān)鍵弧段，但此時，天線波束內(nèi)會有多個目標(biāo)，怎樣實現(xiàn)控制是一個重要的問題�；蛘�，我們的小衛(wèi)星有比較強(qiáng)的自主能力，按照慣例，小衛(wèi)星在我國境內(nèi)發(fā)射，一般要在我國臺灣島的東南上空至南太平洋上空的空域內(nèi)實施星箭分離；我們可以讓衛(wèi)星自主漂移到國內(nèi)上空時再實施衛(wèi)星控制，根據(jù)衛(wèi)星自旋離心的估算，在國內(nèi)衛(wèi)星地面測控站的天線波束內(nèi)還是可以同時觀測到多個目標(biāo)，根據(jù)CDMA的體制，我們在天地（衛(wèi)星－地面測控站）之間采用一種新的測控機(jī)制，利用CDMA的地址碼，區(qū)分不同的用戶，這樣就可以方便實現(xiàn)衛(wèi)星控制了，而且采用這種機(jī)制，利用擴(kuò)頻技術(shù)和加密技術(shù)結(jié)合，還能根據(jù)實際需要實現(xiàn)衛(wèi)星通信的通信保密和安全性控制。
�。�2）第二種需求分析
作為我國載人航天工程的后續(xù)工程，空間交會對接的任務(wù)也可以根據(jù)CDMA測控體制進(jìn)行交會對接過程的具體控制。作為交會對接，一般過程是利用一個主動飛行器追另一個被動飛行器的過程，我們通過控制主動飛行器的姿態(tài)和軌道，不斷接近待對接的被動飛行器；在對接的實施關(guān)鍵時候，一般通過飛行器上的自主設(shè)備和地面的精確控制，實施2個飛行器的對接。但目前國內(nèi)在衛(wèi)星定軌精度上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能達(dá)到空間飛行器的對接精度要求（0．01 m數(shù)量級），更多的靠空間飛行器的自主控制。作為整個對接過程，我們一般要在一個站內(nèi)，有可能是一個天線波束內(nèi)同時可見2個飛行器，關(guān)鍵時候需要我們對2個飛行器分別或同時實施控制，這利用常規(guī) 的測控體制已經(jīng)很難達(dá)到我們的同時測控要求，利用CDMA＋TDMA技術(shù)，我們可以完成這個任務(wù)。
4．利用CDMA體制進(jìn)行衛(wèi)星控制和通信的初步想法
下面針對我國現(xiàn)狀，探討在我國利用CDMA技術(shù)實現(xiàn)小衛(wèi)星星座組網(wǎng)的應(yīng)用實現(xiàn)問題。
衛(wèi)星的遙測、遙控以及衛(wèi)星測距綜合到一個信道上完成，在對單一衛(wèi)星進(jìn)行控制時，利用地址碼的不同，區(qū)分不同用戶。上行的測距、遙控信號到達(dá)星上的CDMA應(yīng)答機(jī)，分配給不同用戶（測距終端、遙測終端），測距終端把測距信號轉(zhuǎn)發(fā)到下行編排計算機(jī)，遙控終端再執(zhí)行遙控指令，同時把執(zhí)行結(jié)果發(fā)送到遙測采編單元，與其他遙測信號一塊經(jīng)過星上遙測信號采編單元統(tǒng)一采編之后，發(fā)送到下行編排計算機(jī)；所有下行信號經(jīng)下行編排計算機(jī)統(tǒng)一編排，再由發(fā)射機(jī)發(fā)射到地面。如果天上是多用戶（即多個衛(wèi)星），天上衛(wèi)星的CDMA應(yīng)答機(jī)根據(jù)地址碼的不同，只接收發(fā)送給自己信號，而不接收其他用戶信號，就可以區(qū)分不同用戶了。
衛(wèi)星測距采用偽碼序列（如小m碼、Gold碼序列實現(xiàn)），遙測與遙控調(diào)制方式采用DQPSK，信道編碼采用卷積編碼，多址方式為CDMA，其他的具體參數(shù)可以根據(jù)實際情況進(jìn)行設(shè)計與控制。
四、結(jié)束語
采用CDMA體制進(jìn)行小衛(wèi)星的控制與通信是一個全新的概念，在我國的航天測控通信領(lǐng)域還從來沒有實施過，具體實現(xiàn)起來肯定會有許多困難，如功率控制問題、多衛(wèi)星、多任務(wù)、多站可見的情況下地面控制中心的實現(xiàn)難度比較大等。但總的來說，在技術(shù)發(fā)展日新月異的今天，我們應(yīng)該嘗試很多新的思路和技術(shù)。同時，CDMA技術(shù)也是國際航天領(lǐng)域發(fā)展的新動向，國際上的航天測控標(biāo)準(zhǔn)CCSDS標(biāo)準(zhǔn)體制就參考了CDMA體制的技術(shù)實現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
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摘自 北極星電技術(shù)網(wǎng)
