飞行器卫星通信链路设计与分析✴

黄爱军（中国西南电子技术研究所，成都610036）

飞行器卫星通信链路设计与分析✴

黄爱军
（中国西南电子技术研究所，成都610036）

介绍了飞行器与卫星间通信链路的组成、工作原理和系统设计考虑，讨论了系统信息传输体制和飞行器载设备的实现。通过理论计算及仿真，进行了系统关键技术及主要性能指标的可实现性分析，对工程应用具有一定参考价值。

卫星通信；相控阵天线；软件无线电；直接系列扩频；抗干扰；链路性能

1 引言

随着航天技术的快速发展，卫星资源不断增加，功能越来越强大，利用卫星通信实现跨区域的超视距数据传输技术越来越受到重视，已成为各种信息实时、有效传输的关键途径。

对于各种中低轨飞行器，受地球曲率影响，平台信息很难直接空地传输。卫星通信因其具有覆盖范围广、传输距离远、传输媒介稳定、通信容量大等优势，是飞行器信息传输的重要保障。

本文主要介绍一种基于飞行器平台的卫星链路设计，并从系统传输体制、设备实现及链路性能多方面分析，提出了适应小型化、高动态、实时传输要求的设计思路。

2 系统组成及功能

飞行器卫星通信系统组成框图如图1所示。

飞行器卫星通信系统主要由飞行器载分系统相关设备、地面分系统相关设备及卫星中继平台组成。

地面→卫星→飞行器的通信链路称为前向链路，主要完成对飞行器飞行的指挥控制；飞行器→卫星→地面的通信链路称为返向链路，主要完成飞行器获取信息的回传。

飞行器卫星通信系统支持飞行器在飞行过程中与地面指控中心连通，前向传输控制指令，返向回传平台信息。前向低速指令传输及返向高速信息传输，都应具有抗干扰以及多目标支持能力。

为提高系统工作的灵活性、可靠性，应进行多卫星中继平台设计考虑，终端设备应具有易重构、可扩展的功能，以适应不同的传输体制。

合理配置系统参数（如发射功率、天线增益等），以弥补卫星中继传输路径远带来的链路损耗，满足系统信息传输的需要。

3 系统设计考虑

3.1 工作频段

飞行器卫星通信系统工作频段的选择必须考虑作用距离、信道带宽、设备可实现性、安装平台以及相关标准的要求。

飞行器平台空间及载荷能力有限，要求天线及终端设备体积小、重量轻，加上较高的数传速率要求，决定了系统只能工作于微波以上频段。

毫米波频段作为发展趋势，具有较强的数传能力和抗干扰性能，在链路电平允许的情况下，支持数百兆甚至更高速率的数据传输。但是，由于飞行器平台的特殊性，信号功率及天线增益不可能太高，这种情况下，微波频段会表现出较毫米波频段更优越的性能。此外，系统频段的选择还必须与卫星中继平台兼容。

3.2 传输体制

3.2.1 调制方式

根据设计目的不同，调制可分为两种类型：功率有效方式和频谱有效方式。

飞行器平台设备体积、重量、功耗严格受限，其应用模式决定了信号格式应为功率有效方式。一般来说，二、四进制调制方式如BPSK／QPSK的功率效率比多进制调制方式的高。

为提高设备效率，飞行器载通信终端的功放应尽量工作于非线性饱和状态。为使信号不失真，不增加系统误码率，发射信号要求恒包络调制，较为成熟的恒包络调制方式有MSK、GMSK、FQPSK-B、CPM等。在传输信道非带限或弱带限的情况下，一个信号的频谱不受信道带宽的限制，可全部通过，这时BPSK、QPSK等调制方式也可认为是恒包络调制。

为提高系统抗干扰能力，采用直接序列扩频方式。考虑数传速率与转发器带宽因素，系统前向链路选择直接序列扩频BPSK调制方式，返向链路选择直接序列扩频BPSK或QPSK调制方式。

3.2.2 伪码信号格式

伪码信号设计应考虑码形选择、码长选择和码速率选择。

扩频系统伪码选择遵循以下原则：要有尖锐的自相关特性；互相关值尽可能小；足够多的序列数；序列平衡；工程上易于生产、加工、复制和控制；尽可能序列复杂，以防止敌方截获、破译。常用的扩频序列有m序列、M序列、Gold序列、Walsh码序列等，其中平衡Gold码具有调制特性好、载波抑制度好、可以提供良好多址能力等优点，因此系统采用平衡Gold码作为扩频码。

Gold码码长决定CDMA系统的多址性能。码长越长，系统地址数越多，但相应的硬件复杂度会成倍增加，同时，接收机对PN码的捕获时间也加长。折衷考虑系统性能及设计的复杂程度，根据具体情况选择合适位数的系统扩频码。

码速率的选择主要考虑所需的扩频处理增益、信号带宽等因素。通常把接收机相关器输出的干扰电平降至热噪声时的码速率称为最佳码速率。同时还要注意码序列的重复率（即码的时钟率／码的长度）不落在信息频带之外，以免有害噪声通过信息解调器，因此，实际的码长和码速率的选择需要综合考虑［1］。

3.2.3 通信帧格式

系统应用模式决定着前向链路数传速率低，实时性要求高，数据传输具有突发特性；返向链路数传速率高，信息量大，数据传输连续。应根据前返向链路的不同特点，进行合理可行的前返向通信帧格式设计［2］。

3.2.4 编译码选择

为降低误比特率，改善信道传输性能，降低对飞行器载终端的要求，飞行器卫星通信系统应考虑高效的纠错编译码技术。

RS码+卷积码级联可以很好地纠正突发错误和随机错误，具有较好的编码增益与相对较低的实现复杂度，该方式技术成熟，已在多个领域广泛应用。Turbo码是目前通信系统中性能非常优异一种FEC码，码长可以配合交织深度灵活选择，在低误码率条件下，可以通过串行级联方式改善性能，特别适合于功率极端受限的信道。LDPC码是一种基于稀疏图构造的逼近香农限的线性分组码，它解决了长码译码问题，可以对抗随机错误和一定的突发信道错误，具有良好的纠错性能。相比Turbo码，LDPC码具有复杂度低、译码延迟小、误码平层小、支持高速并行译码、吞吐量大等优点，更适合高码率应用，其帧长越长，性能越优。

单纯从性能上讲，上述3种编码方式均能较好地满足系统要求。综合考虑使用环境及要求、可实现性、抗突发错误、译码延迟、技术先进性以及发展趋势等因素，系统前向链路实时性要求高，选择RS +卷积级联编码方式；返向链路电平紧张，选择Turbo或LDPC编码方式。这样，在系统最低信噪比条件下，可以达到前向链路1×10-7、返向链路1× 10-6的误码率要求。

3.3 多址方式

选择码分多址方式，为同一卫星波束范围内的多个飞行器提供数据传输服务。多址工作时，为充分利用转发器带宽，提高系统抗干扰性能，采用给定转发器带宽允许的尽量高的扩频码率。

根据前向链路接收信号电平变化或飞行器姿态信息，形成必要的功率控制措施，使飞行器平台的发射信号功率相对于卫星而言近似相等，以避免远近效应带来的不利影响，使系统处于较为理想的工作状态。

4 关键技术及性能分析

4.1 飞行器载设备实现

飞行器卫星通信系统地面设备技术成熟，系统的关键是飞行器载设备的实现。飞行器载设备包括天线和通信终端两部分。受飞行器平台安装限制，飞行器载设备应进行小型化和电磁兼容设计。

飞行器平台设备组成如图2所示。

4.1.1 天线技术

飞行器载天线精确指向卫星是通信链路建立的关键。考虑到飞行器飞行速度快、姿态变化大的特点，平台上的卫星通信天线应精确设计，在轻便、共形的基础上，适应有限安装空间，克服飞行器结构对天线辐射方向性图的影响，满足对卫星中继平台的有效覆盖，并尽可能提高增益，满足系统对数传速率的要求。

随着技术的发展，共形相控阵天线技术日益成熟。相控阵天线具有高增益、高指向精度、实时切换、无惯性快速跟踪等优点，通过相位控制波束扫描，确保飞行器上的天线波束始终准确指向卫星中继平台，实现信息的有效传输。

4.1.2 通信终端技术

通信终端是飞行器平台卫星通信的核心，它通过数据接口接收前返向各种数据，与指控和飞行器系统进行信息交换，通信规程、报文协议都在这里实现。

为便于功能综合化及可扩展的设计需求，飞行器载通信终端采用软件无线电设计思想，通过开放式的软、硬件体系结构构建通用平台，采用可编程方式动态配置设备参数，满足不同任务功能需求。

飞行器载通信终端通用硬件平台结构、通用软件体系结构分别如图3和图4所示。

4.2 通信终端抗干扰性能分析

不考虑上行链路及卫星的抗干扰问题，仅讨论卫通终端对下行链路的抗干扰接收。

系统采用直接序列扩频方式，飞行器载卫通终端抗干扰模型如图5所示。

当干扰信号（含多址干扰）进入接收机后，包括接收机热噪声，扩频系统接收信号比特能量-干扰噪声谱比值为［3］

式中，Eb为比特能量，nj为干扰功率单边谱密度，n0为接收机热噪声单边功率谱密度，W为扩频带宽，Ps为接收系统接收的单个用户功率（设各用户功率相等），Pj为干扰功率，Rb为信息速率，N为多址数，GP=W／Rb为扩频处理增益。

表示系统正常工作的接收门限信噪比，改写式（1），得到包括接收机热噪声的干扰容限为

设PN码钟8 Mchip／s，数传速率1 kbit／s，单用户工作和多用户工作时（设多用户数为12）卫通终端接收干扰容限仿真结果如图6和图7所示。

由图可见，若取卫通终端解调门限7.5 dB，接收G／T=-24 dB／K，则前向链路单用户工作，数传速率1 kbit／s时，卫通终端接收的干扰容限大于29 dB；12用户工作、数传速率1 kbit／s时，干扰容限大于27 dB。4.3链路性能分析根据基本通信公式：

前返向链路性能及多址干扰影响分析分别如图8和图9所示。当飞行器载设备G／T优于-24 dB／K、前向链路数传速率为1 kbit／s时，系统链路余量充裕（误码率1×10-7）。由于扩频增益较高（GP=（8 Mchip／s）／（1 kbit／s）=8 000），多址干扰影响较小。单用户／多用户解调性能仿真如图8所示。

当飞行器载设备EIRP优于22 dBW，返向链路支持128 kbit／s数传速率，链路余量足够（误码率1× 10-5）。由于扩频增益有限（GP=（8 Mchip／s）／（128kbit／s）=62.5），返向链路多址干扰对解调性能的影响较大，因此飞行器卫星通信的返向链路应尽量减少多址数。返向链路多址数为6时，单用户／多用户解调性能仿真如图9所示。

此外，系统链路性能分析时还应考虑CDMA工作时发射机功率均分问题。

5 结束语

本文研究了基于卫星中继的飞行器信息传输体制，通过理论计算及仿真，进行了系统关键技术及主要性能指标的可实现分析。在共形相控阵天线和小型化终端设备的实现基础上，给出了链路数传速率与抗干扰性能及多址干扰间的对应关系。

随着技术的发展，飞行器对信息化需求越来越高。基于卫星中继的飞行器信息传输系统支持飞行器和地面指控系统间超视距实时数据传输，高效、可靠的卫星双向数据传输链路，能把飞行器融入自动化信息系统，有效发挥其效能。

［1］张邦宁，魏安全，郭道省，等.通信抗干扰技术［M］.北京：机械工业出版社，2006. ZHANG Bang-ning，WEI An-quan，GUO Dao-xing，et al.Communication Anti-interference Technology［M］.Beijing：Machine Press，2006.（in Chinese）

［2］刘蕴才.无线电遥测遥控［M］.北京：国防工业出版社，2001. LIU Yun-cai.Wireless Radio Telemetry，Tracking and Command［M］.Beijing：The National Defense Industry Press，2001.（in Chinese）

［3］Kaplan E D.GPS原理与应用［M］.2版.邱致和，王万义，译.北京：电子工业出版社，2002：140-141. Kaplan E D.Understanding GPS：Principles and Applications［M］.2nd ed.Tranlslated by QIU Zhi-he，WANG Wan-yi. Beijing：Publishing House of Electronic Industry，2002：140-141.（in Chinese）

［4］蔡剑铭，吕海寰，甘仲民，等.卫星通信系统［M］.2版.北京：人民邮电出版社，1994. CAIJian-ming，LV Hai-huan，GAN Zhong-min，et al. Satellite Communication System［M］.2nd ed.Beijing：People′s Posts and Telecomm Press，1994.（in Chinese）

［5］朱近康.CDMA通信技术［M］.北京：人民邮电出版社，2001：26-32. ZHU Jin-kang.CDMA Communication Technology［M］.Beijing：People′s Posts and Telecomm Press，2001：26-32.（in Chinese）

［6］曹志刚，钱亚生.现代通信原理［M］.北京：清华大学出版社，1992. CAO Zhi-gang，QIAN Ya-sheng.Modern Communication Principle［M］.Beijing：Tsinghua University Press，1992.（in Chinese）

Design and Analysis of Satellite Communication Link Onboard Aerial Vehicle

HUANG Ai-jun
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

The satellite communication link onboard aerialvehicle is introduced，including its composition，operation principle and system design.Information transmission system and onboard equipment implementation are discussed.Realizability analysis of key technologies and main performance characteristics is made through theoretical calculation and simulation，which has reference value for engineering application.

satellite communication；phased array antenna；software defined radio；DSSS；anti-jamming；link performance

TN927；TN802；V243

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.02.001

黄爱军（1968—），女，四川眉山人，高级工程师，主要研究方向为卫星通信。

1001-893X（2012）02-0125-05

2011-12-20；

2012-02-08

HUANG Ai-jun was born in Meishan，Sichuan Province，in 1968.She is now a senior engineer.Her research concerns satellite communication.

Email：huangaijx＠sina.com