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摘 要：本文從小衛(wèi)星、星座飛速發(fā)展以及對(duì)測(cè)控通信系統(tǒng)新的要求出發(fā)，介紹了綜合基帶、連續(xù)波多波束相控陣天線的功能、特點(diǎn)及工作原理，提出了建立新型多功能智能化測(cè)控通信站的設(shè)想。
關(guān)鍵詞：測(cè)控通信；小衛(wèi)星；星座；綜合基帶；相控陣天線
一、前 言
自上世紀(jì)90年代以來，微電子技術(shù)、納米技術(shù)的迅猛發(fā)展，為現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。具有體積小、重量輕、效費(fèi)比高、研制周期短、發(fā)射布軌靈活、低軌運(yùn)行等特點(diǎn)的小衛(wèi)星、星座在軍民等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也對(duì)小衛(wèi)星的測(cè)控通信技術(shù)提出了新的要求：
�。�1）多星同時(shí)測(cè)控和大量衛(wèi)星長(zhǎng)期在軌運(yùn)行管理
地面測(cè)控站應(yīng)能夠提供入軌段和運(yùn)行期間多顆衛(wèi)星的同時(shí)測(cè)控支持，以及地面測(cè)控站網(wǎng)能夠?qū)Υ罅啃l(wèi)星的長(zhǎng)期在軌運(yùn)行管理。
�。�2）保證必需的可靠性和服務(wù)質(zhì)量條件下的低費(fèi)用測(cè)控服務(wù)用于小衛(wèi)星發(fā)射和運(yùn)行管理的費(fèi)用應(yīng)從以往占整個(gè)衛(wèi)星工程總費(fèi)用的20％～30％降低到10％以內(nèi)，而且費(fèi)用的降低仍應(yīng)保證必需的可靠性和服務(wù)質(zhì)量。同時(shí)也允許在跟蹤過程中偶爾丟失軌道圈次或少量數(shù)據(jù)，以及部分一般數(shù)據(jù)的非實(shí)時(shí)返回，以減少設(shè)備的冗余配置。
�。�3）合理布站與國(guó)際聯(lián)網(wǎng)
合理布站和實(shí)現(xiàn)國(guó)際聯(lián)網(wǎng)，可以進(jìn)一步提高地面站的使用率，從另一方面提高測(cè)控質(zhì)量和降低測(cè)控費(fèi)用。許多小衛(wèi)星、星座為了實(shí)現(xiàn)全球覆蓋的目的，都運(yùn)行在極地軌道或高傾角軌道，因此在高緯度地區(qū)布站可以擴(kuò)大測(cè)控通信的軌道覆蓋率。例如，建在北緯78°的挪威斯瓦爾巴地面站能覆蓋極軌衛(wèi)星每天全部14次過頂，位于北緯67．86°的瑞典基律納地面站對(duì)于極軌衛(wèi)星每天14圈有11圈可見。另一方面，一個(gè)國(guó)家的測(cè)控資源總是有限的，因此國(guó)際上廣泛采用聯(lián)網(wǎng)的方式來擴(kuò)大測(cè)控通信的軌道覆蓋率。
�。�4）高性能、智能化的測(cè)控站設(shè)備
為了滿足對(duì)測(cè)控通信提出的新要求，一是研制生產(chǎn)高性能的小型化測(cè)控站設(shè)備，其天線口徑一般只有3～5 m，具有TT＆C和遙感圖像、遙測(cè)數(shù)據(jù)接收等功能，滿足CCSDS標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)國(guó)際聯(lián)網(wǎng)。整個(gè)地面站只需一人值班，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控可實(shí)現(xiàn)無人值守。另一方面，近年來迅速發(fā)展并相繼應(yīng)用的綜合基帶與軟件可重組技術(shù)、連續(xù)波多波束相控陣天線技術(shù)為新型多功能智能化測(cè)控通信系統(tǒng)提供了全新的設(shè)計(jì)思路。
二、綜合基帶與軟件可重組技術(shù)
測(cè)控通信系統(tǒng)核心設(shè)備之一的基帶設(shè)備已經(jīng)有了幾代產(chǎn)品。正如測(cè)控系統(tǒng)本身一樣，對(duì)基帶設(shè)備尚無統(tǒng)一的嚴(yán)格劃代標(biāo)準(zhǔn)。一般認(rèn)為，第一代基帶設(shè)備只包括相互獨(dú)立的測(cè)距、測(cè)速、遙測(cè)（編碼遙測(cè)、模擬遙測(cè)）、遙控（含同步控制器）等視頻終端設(shè)備。主要為分立元件模擬電路，設(shè)備復(fù)雜龐大，各終端設(shè)備功能單一，可擴(kuò)展性差，參數(shù)調(diào)整困難。第二代基帶設(shè)備在技術(shù)上跨度較大，中間還有不同的過渡產(chǎn)品。特點(diǎn)是將70 MHz中頻接收機(jī)上行調(diào)制器等劃在基帶設(shè)備之內(nèi)，同時(shí)在原有測(cè)距、測(cè)速、遙測(cè)、遙控等功能外，后來還增加了數(shù)傳、話音通信和時(shí)頻信號(hào)產(chǎn)生等功能。為此，測(cè)控系統(tǒng)又稱作為測(cè)控通信系統(tǒng)。典型的第二代基帶設(shè)備各視頻終端實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化和軟件化，接收機(jī)數(shù)字載波鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)了載波鎖相、解調(diào)、快速頻率引導(dǎo)（FFT）、測(cè)速等多功能綜合。同第一代基帶設(shè)備相比，后期二代基帶的設(shè)備量大大減少（只占1～2個(gè)機(jī)箱），并實(shí)現(xiàn)了模塊化，一個(gè)模塊占用一塊形式一致的電路板，通過編程設(shè)置實(shí)現(xiàn)一種終端功能。各模塊上均有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)和控制接口，掛在計(jì)算機(jī)總線上，工作方式和工作參數(shù)由統(tǒng)一的監(jiān)控與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)通過總線操控。根據(jù)不同用戶需求可靈活配置功能模塊，構(gòu)成系列化產(chǎn)品。第二代基帶設(shè)備同樣可以在70 MHz上采樣即全數(shù)字化，體積、重量完全滿足陸�；鶞y(cè)控通信站要求。雖然一種終端功能使用了一塊電路板，但這樣可以使用相對(duì)規(guī)模小的可編程門陣列（FPGA）和較低速的DSP芯片，使用維修特別是更換模塊方便，因此仍應(yīng)算是一種好的產(chǎn)品。
第三代基帶設(shè)備可以稱作為通用型70 MHz綜合基帶設(shè)備，屬當(dāng)前國(guó)際先進(jìn)水平的產(chǎn)品。綜合基帶設(shè)備采用了軟件無線電技術(shù)，各功能模塊電路由大規(guī)模FPGA和高速DSP芯片構(gòu)成，電路形式由現(xiàn)場(chǎng)加載軟件確定。通過電路軟件清單對(duì)電路庫加載不同軟件，即可完成所需的不同功能，從而實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的通用化和系列化。為了實(shí)現(xiàn)國(guó)際聯(lián)網(wǎng)，該產(chǎn)品可滿足CCSDS標(biāo)準(zhǔn)。
第三代基帶設(shè)備在70 MHz上直接數(shù)字采樣，所有功能均集成在多通道接收板、多功能綜合板上。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)TT＆C站的綜合基帶設(shè)備由一塊多通道接收板和一塊多功能綜合板組成。采用更先進(jìn)的FP－GA、DSP芯片或增加接收板，以增加通道數(shù)，即可滿足同時(shí)多星測(cè)控和大量衛(wèi)星長(zhǎng)期在軌運(yùn)行的管理。
典型的多通道接收板含有主接收機(jī)、角跟蹤接收機(jī)、引導(dǎo)接收機(jī)、數(shù)傳接收和調(diào)頻信號(hào)接收等功能模塊；多功能綜合板則包含了中頻調(diào)制、遙控、遙測(cè)、側(cè)音測(cè)距、偽碼測(cè)距、自定位、時(shí)頻信號(hào)產(chǎn)生等功能模塊。各功能模塊內(nèi)功能完整。如主接收模塊就具有接收70 MHz信號(hào)、完成信號(hào)放大、自動(dòng)增益控制（AGC）、頻率引導(dǎo)、邊帶防錯(cuò)鎖、載波捕獲跟蹤、遙測(cè)、測(cè)距信號(hào)解調(diào)、測(cè)速等功能。而上行載波調(diào)制、載波掃描、多普勒頻率預(yù)置等均在中頻調(diào)制模塊中完成。由于采用了軟件無線電技術(shù)，各功能模塊以及功能模塊內(nèi)的具體內(nèi)容可根據(jù)需要十分方便地進(jìn)行調(diào)整，具有真正意義上的軟件可重組能力。
綜合基帶采用性能好、可靠性高的PCI總線，F(xiàn)PGA和DSP通過總線受計(jì)算機(jī)控制，監(jiān)控指令和上下行數(shù)據(jù)流通過總線與計(jì)算機(jī)交換。監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理統(tǒng)一由一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)完成，選用WindowsNT操作系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)的主要功能是完成數(shù)據(jù)發(fā)送接收、數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)測(cè)試、工作方式控制、參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)視、提供詳細(xì)菜單和必要的圖形顯示。與外界采用透明傳輸方式，接收站監(jiān)控臺(tái)或衛(wèi)星控制中心發(fā)來的各種操控命令，上報(bào)設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過以太網(wǎng)與中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
三、連續(xù)波多波束相控陣天線技術(shù)
地面測(cè)控通信站為了實(shí)現(xiàn)同時(shí)多星跟蹤和大量衛(wèi)星長(zhǎng)期在軌運(yùn)行管理，一般可以采用寬波束天線，即用一個(gè)天線跟蹤其波束覆蓋范圍內(nèi)的多顆衛(wèi)星；或者采用多天線，各天線分別覆蓋一定的空域；更有前景的方法是采用連續(xù)波多波束相控陣天線。
由于相控陣天線具有多波束、實(shí)時(shí)切換、無慣性跟蹤等功能及特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信等領(lǐng)域。在測(cè)控通信領(lǐng)域最早應(yīng)用相控陣天線的是TDRSS，美國(guó)于1983年、1988年分別發(fā)射了2顆TDR衛(wèi)星，其星上就裝有由30個(gè)螺旋天線元及波束形成網(wǎng)絡(luò)組成的相控陣天線。接收時(shí)，由位于白沙靶場(chǎng)的地面站指令控制30個(gè)元形成20個(gè)波束，波束增益可達(dá)27．8 dB。發(fā)射時(shí)只用12個(gè)元形成一個(gè)波束，增益為23 dB。
在航天領(lǐng)域，用于多目標(biāo)測(cè)控和信息傳輸?shù)亩嗖ㄊ到y(tǒng)可同時(shí)采用空分多址（SDMA）和碼分多址（CDMA），因此是一種連續(xù)波復(fù)合多址新型多波束系統(tǒng)，其特點(diǎn)是在測(cè)軌的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)遙控、遙測(cè)和信息傳輸?shù)榷喙δ芫C合。由于采用碼分多址和擴(kuò)頻技術(shù)，可提高多目標(biāo)的分辨能力和抗擾能力；而多波束空分多址的應(yīng)用可減少碼分多址時(shí)的碼間干擾，且具有較強(qiáng)的抗多徑干擾能力。
綜合基帶和軟件可重組技術(shù)的成熟為多波束系統(tǒng)迅速應(yīng)用于航天測(cè)控通信領(lǐng)域創(chuàng)造了條件，在綜合基帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)碼分多址和形成數(shù)字多波束，從而構(gòu)筑成一個(gè)由智能化天線、數(shù)字化軟件化綜合基帶組成的新型多功能智能化測(cè)控通信系統(tǒng)。接收時(shí)，綜合基帶內(nèi)的數(shù)字波束處理器形成多個(gè)波束覆蓋不同空域，自動(dòng)掃描捕獲跟蹤多個(gè)目標(biāo)。對(duì)位于同一波束內(nèi)的多個(gè)目標(biāo)，可用CDMA區(qū)分并自動(dòng)識(shí)別和跟蹤所關(guān)心的目標(biāo)。發(fā)射時(shí)利用接收波束和碼的信息，由數(shù)字波束處理器產(chǎn)生正交碼，調(diào)制同一頻率信號(hào)，并同時(shí)形成多個(gè)發(fā)射波束對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)天地大回路閉環(huán)。
一般相控陣天線的空域覆蓋張角為90°，所以若要覆蓋整個(gè)半球空域，地面站需在方位上每相隔90°對(duì)稱安裝4個(gè)相控陣天線。另一方面若要達(dá)到與5m拋物面天線相似的增益（如38 dB），經(jīng)計(jì)算每個(gè)天線需要1 460個(gè)陣元，4個(gè)天線共有5 840個(gè)陣元。一個(gè)陣元對(duì)應(yīng)一個(gè)信號(hào)通道，最后在綜合基帶內(nèi)形成數(shù)字多波束。這將是一個(gè)十分龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，但它實(shí)現(xiàn)了整個(gè)半球空域內(nèi)同時(shí)多目標(biāo)測(cè)控與信息傳輸?shù)墓δ�。但是，若將要求作適當(dāng)調(diào)整，設(shè)備量可急劇減少。如空域范圍縮小為俯仰張角65°，方位張角90°，仍用4臺(tái)相控陣天線覆蓋小半球空間，同時(shí)跟蹤5～6顆衛(wèi)星，增益調(diào)整為25 dB，計(jì)算得出單臺(tái)相控陣天線只要84個(gè)陣元，總陣元數(shù)336個(gè)。另一種方案是把單臺(tái)（或2臺(tái)）相控陣天線安裝在方位轉(zhuǎn)臺(tái)上，以相控陣天線加機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)半球空域覆蓋。
四、結(jié)束語
航天技術(shù)的發(fā)展，要求測(cè)控通信系統(tǒng)滿足同時(shí)多星測(cè)控和大量衛(wèi)星長(zhǎng)期在軌運(yùn)行管理的要求。綜合基帶和軟件可重組技術(shù)、連續(xù)波多波束相控陣天線系統(tǒng)的成熟和相繼投入使用，為建立新型多功能智能化測(cè)控通信系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。
摘自 電訊技術(shù)
