中继卫星系统用户终端关键技术分析*

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

1 引 言

中继卫星系统是一个利用同步卫星和地面终端站对中、低轨飞行器(用户星)进行高覆盖率测控和数据中继的测控通信系统。目前，美国NASA的中继卫星系统——跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)已发展到第二代，第三代系统正在论证之中；欧空局也于2001年发射了第一代数据中继卫星Artemis，并于2003年投入使用， 将于2010年到达寿命期，欧空局正在进行第二代数据中继卫星系统(EDRSS)的方案构想；我国的“天链”一号中继卫星系统也于2008年4月投入使用。中继卫星系统具有跟踪测轨和数据中继两方面的功能，同时具有全轨道跟踪多个用户星以及高速数传的能力，代表了新一代天基测控系统的发展方向[1]。

中继卫星用户终端与中继卫星、地面站构成了跟踪与数据中继卫星系统。中继卫星用户终端安装在中、低轨道的用户航天器(或其它用户平台)上，是外部信号与用户航天器内部设备之间的接口设备。它通过中继卫星与地面站建立前返向链路，完成信号的接收和发送，通过总线接口与用户航天器的指令分系统、数据分系统、遥测分系统相连接，完成对用户航天器的测控和数据传输。中继卫星系统用户终端是中继卫星系统的重要组成部分，它不仅具有遥控、遥测、测距、测速功能，还能进行数据的中继传输，因此，其性能的优劣将直接影响系统对用户航天器测轨跟踪与数据通信质量[2]。

2 对中继卫星系统用户终端的需求

为满足用户平台的载荷、供电和数据传输能力的要求，通常的中继卫星系统用户终端应做到：有足够高的有效全向辐射功率(EIRP)和G/T值；保证稳定可靠地指向中继卫星；实现多功能综合，包括：实现测控信息和应用数据的传输，实现测定轨的各项功能要求；设备体积、重量、功耗应尽量小。除满足以上功能外，中继卫星系统用户终端还面临复杂的电子对抗环境，因此应具有较强的抗干扰能力。

随着航天技术、电子技术的发展，以及应用领域的不断扩展，对中继卫星系统用户终端的需求也在不断增加和提高。

中继卫星系统用户终端最早应用于中、低轨道的卫星、航天飞机等航天器，近几年来，其应用领域不断扩展，已在小卫星、长航气球、运载火箭、飞机(包括无人机)、舰船、海洋浮标，以及地面应用平台等领域获得广泛应用。

用户终端的分类方式有多种，按照使用载体可分为航天器载用户终端、机载用户终端和舰(船)载用户终端等；按照工作频段可分为S频段用户终端、Ku频段用户终端和Ka频段用户终端；按照数据传输速率可分为高速率终端、中速率终端和低速率终端。

针对不同的应用领域和分类方式，对中继卫星系统用户终端的需求也不相同，如：对航天器载用户终端，按照数据传输速率分类，其要求为：

(1)高速率终端：Ku、Ka频段，抛物面或其它智能天线，等效口径为0.8～1 m，发射功率为30 W左右，重量不超过50 kg，功耗为150～200 W，返向速率为45～150 Mbit/s以上；

(2)中速率终端：Ku、Ka频段，抛物面或其它智能天线，等效口径为0.3～0.6 m，发射功率为20 W左右，重量不超过40 kg，功耗为120～150 W，返向速率为2～25 Mbit/s以上；

(3)低速率终端：S频段，用于测控，发射功率为10 W左右，重量不超过10 kg，功耗为50～80 W，采用全向天线，返向速率为2～4 kbit/s,若采用宽波束定向天线，返向速率为每秒几万比特。

由上述分析可知，适应大动态、低信噪比解调、中高速数据传输和相参转发是用户终端需要解决的关键技术。

3 中继卫星系统用户终端的功能和组成

中继卫星系统用户终端的主要功能有：接收解调地面站发来的遥控指令、测距信号和数传信号；相干转发地面站发来的前向测速﹑测距信号；向地面站返向发射用户航天器的数传信号和遥测数据；可接受数据处理等设备的监控。

中继卫星系统用户终端一般由天线、双工器、接收信道、发射信道、本振源、综合基带和数据处理等组成，其功能模块框图如图1所示。

图1 中继卫星系统用户终端功能框图

(1)根据用户的不同要求可采用不同形式的天线，通常有适应传输低速率的低增益全向天线、传输中速率的中增益贴片式阵列天线和传输高速率的波束可控的高增益抛物面天线或相控阵天线；

(2)双工器要保证对发射频率和镜频有足够的抑制和一定的收发隔离；

(3)接收信道包括低噪声放大器、下混频器、放大器、滤波器和AGC电路，完成接收信号的下变频；

(4)发射信道包括上混频器、放大器、滤波器和功放链路，完成转发信号的上变频和功率放大；

(5)本振源由多个锁相环组成，提供接收信道和发射信道所需的多路本振信号；

(6)综合基带包括中频接收和中频发射模块，中频接收模块由A/D变换器、载波恢复及解扩、解调电路、PN码捕获和跟踪环、位同步、帧同步提取电路组成，完成伪码的捕获和跟踪、载波恢复和解调，解调出的前向遥控指令和数传信号经数据存储接口送监控及数据处理设备和卫星平台作相应处理；

(7)中频发射模块由发射信号的扩频和可编程调制器组成，完成频率相关处理、测距信号的转发和返向多种模式信号的调制；

(8)数据处理由用户终端与卫星平台的各种接口电路组成，完成加电、工作模式选择等遥控指令的接收、解调和遥测数据的输出。

4 中继卫星系统用户终端关键技术

4.1 数字化可编程综合基带

中继卫星系统用户终端需要接收和转发复杂的前向和返向信号，前向链路采用UQPSK调制，I、Q两路分别传送扩频指令和测距码[3]。

按照美国TDRSS的划分，返向链路可分为DG1和DG2两个数据组[4-5]。DG1传送的数据率较低，一般为每秒几十万比特以下；DG2数据率较高，一般为每秒几兆比特至每秒几百兆比特。DG1又包括M1、M2和M3 3种数据模式，其中，M1用于双向多普勒测量和距离测量，用户终端以相干转发方式工作；M2用于用户终端非相干转发；M3用于同时进行双向测距和多普勒测量并伴随有高速率的遥测数据的场合，Q通道携带高速数据，不扩频，I通道用于测距，同时传输扩频数据。DG2传送的数据速率较高，不使用扩频，不能进行测距，返向载波与正向载波可以相干也可以不相干，相干时可以测速。

为了适应复杂的前、返向信号形式，用户终端常采用数字化综合基带实现工作频率、调制方式、数据速率、PN码码型和发射功率的可编程，并完成低信噪比解调、中高速数据传输等功能。用FPGA芯片完成前向扩频信号PN码的捕获、跟踪，载波提取、信息解调和返向各种模式信号的产生、数字调制等功能；用DSP芯片完成工作参数的选择和工作模式的切换等，实现基带可编程。其实现方法是：

(1)采用FFT作频率引导。中继卫星系统要求在用户航天器的自由飞行段和动力飞行段用户终端都能跟踪地面站的信号和提取数据。在动力段飞行器加速度很大，使载波多普勒达±1.9 MHz，载波频率捕获是锁相跟踪中信号捕获过程的重要组成部分，只有在载波频率捕获锁定的前提下，距离捕获才能实现。所以进入载波环的信号首先经DSP作FFT运算测出载频的偏移量，并根据FFT的分析值对载波DCO进行频率预置，抵消载波多普勒，使环路进入快捕带；根据载波多普勒换算出码钟多普勒，对码环中码钟DCO频率进行设置，抵消码钟多普勒，使之能够完成PN码的捕获和跟踪；

(2)载波环采用Costas环。根据前向链路信号形式的特点，应答机先捕短码，再捕载波，最后捕长码。通常，QPSK扩频信号由I、Q两路Costas环完成载波跟踪及解调，由于前向UQPSK调制信号I、Q两路功率比为10:1，因此进行数据解调时， Q支路对载波恢复的贡献可忽略不计，仅采用一路Costas环完成载波的跟踪及解调解扩；

(3)短码的捕获采用步进捕获方式；

(4)短码的跟踪采用非相干延迟锁定环；

(5)利用短码辅助长码捕获；

(6)返向调制器的实现。

返向链路要产生多种模式扩频或不扩频的调制信号，数字化综合基带为返向各种模式调制信号的实现提供了高度的可编程性。DG2模式需产生每秒几十甚至上百兆比特的中高速调制信号，调制信号质量的好坏直接影响地面站能否正常解调。根据工程经验，调制信号时钟的频率稳定度和产生方式、发射信道输出端的相位噪声、调制器I、Q两路的幅度和相位的平衡性、PN码的畸变和码片抖动等都是影响调制信号质量的关键因素，是设计和调试时需特别关注的重点。

数字化的综合基带灵活实现了用户终端多功能综合的要求，避免了由于温度、时间、电源、信号电平等变化引起的系统漂移误差，具有稳定度高、精度高、可靠性高和生产性好等优点。

4.2 适应大动态的要求——AGC的使用

系统对用户终端动态范围有不小于50 dB的需求，而为防止强信号引起接收信道过载，保证综合基带在整个动态范围内正常工作，要求综合基带的输入满足一定的条件：保证整个动态范围内信道工作在线性状态；保证弱信号时到A/D输入端的噪声不使A/D限幅；保证强信号时到A/D输入端的信号电平不超过A/D的峰-峰值。使用AGC可以满足以上要求，实现方法有3种：

(1)在接收信道加AGC。接收信道采用AGC，通过控制信道增益，保证整个动态内综合基带都能正常工作；

(2)在综合基带加AGC。综合基带采用AGC，通过载波的锁定与否来控制环路输入端的信号电平，保证在整个动态内送到环路输入端的信号电平保持一个相对稳定的值，使基带环路参数变化不大，稳定工作；

(3)接收信道和综合基带均加AGC。先在接收信道采用非相干AGC，将信道输出信号压缩到一个相对小的范围，再通过综合基带相干AGC把信号电平控制在一个稳定的值上。

比较以上3种方案，方案1由于信道AGC是非相干的，且用户终端接收信号的信噪比很低，弱信号时AGC控制的是信号加噪声的电平，因此基带环路输入端的信号电平仍有一定变化范围，需要综合基带电路能适应这种变化，对综合基带电路的性能要求较高；方案2是可行的，但增加了基带电路调试的难度；方案3是折衷的方案，接收信道非相干AGC的采用，减轻了综合基带的压力，使信道增益分配更合理，调试较容易，尤其适用于有小型化要求的星、弹载设备。

AGC的使用不但是必需的，而且还能提高用户终端的抗干扰性能。

4.3 相参转发

(1)锁相分、倍频的方案

相参工作由相参本振实现，它由综合基带载波环提取的前向信号的载波作本振的参考信号，通过合理选择接收信道和发射信道各路本振的分、倍频关系和混频器的极性满足转发比的要求，从而实现用户终端的相参转发。

(2)上、下变频的方案

在用户终端方案中引入一个非相参的频率分量，并在转发信号中消去该非相参分量，同时使用直接数字频率合成器(DDS)代替晶体压控振荡器，使用户终端转发比仍为常数，灵活地实现相参转发。

方案1由于DDS输出信号经N次倍频后，其相位截断杂散分量按20 lgN(dB)增大，倍乘到S频段其杂散分量增大35 dB以上，在更高的工作频段如Ku、Ka频段，影响更大，使系统难以接受。方案2实现方法很灵活，但需精心设计以抵消引入的非相参分量，是一种较好的方案。

4.4 小型化技术

对星、弹载用户终端，小型化、低功耗和轻重量是基本要求。为实现小型化、轻重量，射频部分采用微波集成电路实现，综合基带部分采用低功耗、超大规模FPGA、高速微处理器芯片和表面贴装小型化元件等数字化技术实现，整机结构采取通用化、系列化、模块化设计，充分考虑收发模块间的电磁隔离及整机散热，并使单元间的内、外接线相对少且短，使各模块组合具有相同的截面尺寸，根据各组合组成模块的数量差异，调整其长度尺寸，以达到灵活多变，又能充分利用尺寸空间和进行总体优化的目的。采用由铝板铣削加工出的模块有利于整机重量的减轻，以及抗振性能、电磁屏蔽及抗辐照能力的提高，并能获得较高的装配精度。

5 结束语

本文对中继卫星系统用户终端的关键技术进行了总结和分析，随着其应用领域的不断拓宽、电子技术的迅速发展，中继卫星系统用户终端技术总的发展趋势是高可靠、长寿命、小型化(体积小、重量轻、低功耗)。应重点研制开发Ka频段相控阵天线，以获得更高的增益和更小的体积、重量，利用FPGA和DSP实现多制式、可编程、全数字化的多功能综合基带；开发低功耗收发信机，以提高中继卫星系统用户终端的可靠性，实现设备通用化、综合化、小型化，满足不同用户的应用需求。

参考文献：

[1] 刘嘉兴.跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)概论[J].电讯技术，1999，39(z3):1-30.

LIU Jia-xing.Tracking and Data Relay Satellite System(TDRSS)[J].Telecommunication Engineering, 1999，39(z3):1-30.(in Chinese)

[2] 何平.美国TDRSS用户终端技术的发展及其应用[J].电讯技术，2004，44(z3):1-6.

HE Ping.Development andApplication of American TDRSS User Terminal Technology [J]. Telecommunication Engineering, 2004，44(z3):1-6. (in Chinese)

[3] 易润堂.TDRSS地面中心站接收终端[J].电讯技术，1999，39(z3):40-55.

YI Run-tang.TDRSSGround Central Station ReceivingTerminal[J]. Telecommunication Engineering, 1999，39(z3):40-55. (in Chinese)

[4] David J Zillig, Kenneth L Perko, Kathryn G Nelson. New TDRSS Communication Options for Small Satllites[C]//Proceedings of the Fourth International Symposium on Space Mission Operations and Ground Data Systems. Munich, Germany:IEEE,1996:1-8.

[5] Brandel D L, Watson W A, Weinberg A.NASA’s advanced tracking and data relay satellite system for the years 2000 and beyond[J]. Proceedings of the IEEE,1990,78(7):1141-1151.