S/Ka频段测控通信系统设计及应用

刘云阁，胡建平

（中国电子科技集团公司第十研究所，成都610036）

1 引言

随着我国航天技术及其应用的蓬勃发展，载人空间站、高分辨率对地观测等计划已陆续启动，这些工程的建设和应用对测控通信系统的数据传输速率、测轨精度、可靠性等提出了更高的要求，我国现有测控手段已难以满足需求。

Ka频段以其良好的资源优势和应用前景成为研究热点。美国空军测控网早就提出了Ka频段测控网的设想[1]，NASA为了提高对中低轨航天器的测控通信支持能力，制定了Ka频段转移计划[2]，建立了Ka频段地面站进行相关的演示验证试验。又加之利用USB地面测控网和TDRSS系统进行测控存在一定的限制，发展新型S/Ka频段测控通信网将是未来测控通信系统一种必然的选择。其原因如下：

①频带宽，国际电联规定Ka下行频段为25.5GHz～27GHz，具备1Gbps以上的高速数传能力；

②频段高，可提高测轨精度[2]；

③工作频段与中继卫星的星间链路频段相兼容，有利于实现测控通信系统天地一体化设计。

我国已逐步开始进行Ka频段测控通信系统的研究。系统面临的技术难题包括：天地基测控体制兼容性设计；窄波束天线对高动态目标的角捕获与跟踪；高速数据解调；Ka频段信道及功放等。

2 系统总体设计

2.1 系统组成及工作模式

S/Ka频段测控通信系统由S/Ka频段测控通信地面站、S/Ka频段用户终端以及相应的地面网络组成，基本组成如图1所示。

在实际应用中可以建设多个S/Ka频段地面站，实现组网应用。S/Ka频段测控设备与其它地基S频段设备及中继卫星系统一起均是天地一体化测控通信网的测控通信资源，由全网统一的运行管理系统统一调度，航天器按使用优先级共同使用天地基资源。

S/Ka频段测控通信系统地面站由S/Ka双频段天线、S频段上下行链路、Ka频段上下行链路、数传基带、测控基带、监控、时频及测试标校等设备组成，组成示意图见图2所示。

S/Ka频段用户终端包括天馈分机、多模双频段应答机、高速数传模块三大部份，其组成原理框图如图3。用户终端采用对地及对星两付天线，在频段及信号体制、波形上兼容地基及天基系统，可以工作于地基及天基系统，用户终端将是实现天地一体化的关键环节。

系统在工作频段允许的情况下，其工作模式应尽量适应现有的测控体制，并满足日益增长的测控任务需求。工作模式包括：标准TT&C、扩频TT&C、跳扩结合TT&C、S频段数传、Ka频段数传。

图1 S/Ka频段测控通信系统及天地一体化应用示意图

图2 S/Ka频段测控通信网地面站设备组成示意图

2.2 天/地基测控体制兼容性设计

（1）地面站部分功能与指标的兼容

S/Ka频段测控通信系统地面站和天基中继卫星系统及现有地基测控通信系统实现部分功能与指标的兼容，如上、下行的工作频段、测控体制、数传调制体制、数传码速率等方面的兼容性。S/Ka频段测控通信系统地面站工作频段兼容中继卫星系统星间链路工作频段；其工作体制与地基测控系统标准TT&C和扩频TT&C测控体制相同，通过终端的设置兼容中继卫星系统的测距体制；其数传调制体制兼容中继卫星系统和地基地面站的调制体制，支持高于中继卫星系统的数传码速率。

（2）系统传输协议的兼容

传输协议的标准化是实现天/地基测控网兼容的核心，其中包括地面段以及空间段的协议。地面段的信息传输采用TCP/IP协议已成为各国航天机构的首选。在空间段的信息传输方面可供选择的协议有多种：基于CCSDS的协议体系；基于地面商业标准的协议体系；将CCSDS与商业标准结合的协议体系；支持未来行星际互联网的协议体系。IP over CCSDS Space Links协议是目前研究的热点。这些协议在实现的功能、效率和互操作等方面各有其特点，而最终实现的端到端信息传输质量则是各层协议综合作用的结果。

（3）航天器用户终端的兼容

除将航天器用户终端设计为与天基系统应用相同工作频率外，还要求天线兼容“向上对中继卫星”和“向下对地面测控站”两种工作模式，可以采用切换天线分时工作或配置上、下天线、频分或码分等方式实现同时与地基和天基系统建立链路等方案。航天器用户终端的兼容是实现天地一体化的关键环节。

航天器用户终端的兼容包含了频段的兼容和信号体制的兼容两个方面的内容。频段的兼容可以在频段上与系统要求保持一致，但终端的频点需要具有一定的可设置能力，以满足天基与地基不同频点的应用模式，即具有射频可重组功能；用户终端适应的信号体制要与天地基系统保持一定的兼容性，但由于不同任务的需要，对于同一个用户终端对天基或对地基系统的帧格式等可能会有所变化，可通过终端软件的动态加载方式来适应天地基的应用，这一技术已是可实现的。

图3 S/Ka频段用户终端组成框图

2.3 天地链路能力分析

考虑用户航天器的轨道高度约为400km，地面站天线仰角3°时，空地链路最大径向距离约为2000km。用户航天器S频段对地天线采用赋形天线，用于中低速数据速率（150kbps及1Mbps）收发，增益大于0dBi。

用户航天器Ka频段高速数传对地天线采用相控阵或自跟踪定向天线用于高中低速数据速率（返向最高速率1.2Gbps）收发，其发射增益假设为大于30dBi，接收增益暂考虑为10dBi。初步考虑用户航天器Ka频段发射功率为20W（13dBW），S频段发射功率为1W，低噪声场放噪声系数3dB。

在给定用户航天器对地天线的假设参数下，地面测控设备采用15m天线以及相应的场放和功放时，经分析计算G/T和ERIP设计值满足用户要求的上、下行链路电平需求。Ka频段上行链路的余量可以有效地克服这一上行频率范围在天地链路中较大的大气及水蒸汽损耗。

对于工作于其它轨道高度的用户航天器，可以通过增加用户终端发射功率、采用高效编译码技术、提高天线增益等方式来满足传输链路的需求。

3 关键技术及解决措施

3.1 窄波束天线的角捕获与跟踪技术

解决窄波束天线的捕获可采取S频段引导或Ka频段直接捕获两种方案。

（1）S频段引导

用户终端和地面站均采用双频段天线，每一个航天器上需配置S/Ka双频段用户终端，并提供相应的S频段信标，地面天线用低频段进行引导，然后再进行Ka频段天线的跟踪。根据文献[5]所述的分析计算方法，以S频段天线将目标引导至Ka频段半功率波束宽度以内的三次引导成功概率优于99.6%，满足测控系统角度引导需求，因此，当航天器同时发射S频段、Ka频段信号时，以S频段宽波束引导Ka频段窄波束天线实现角度捕获不失为一种稳妥可行的实现方案。

（2）Ka频段直接捕获

在系统设计上，还需要考虑到一旦S频段信标出现故障或其它因素造成S频段信号不可用时，将导致地面天线无法实现捕获的可能性，因此地面系统还需要具有Ka频段直接捕获的手段。

其一是利用小口径Ka引导天线引导主天线跟踪的方式，利用较宽波束的Ka引导天线加窄带环的方式，实现低信噪比状态下先期捕获跟踪目标，再将天线指向引入主天线波束范围内，该方案的难点在于低信噪比高动态信号的角误差信号提取。跟踪接收机设计时采用相干检波的方法提取角误差信号，载波环选用三阶环，引导信号为单频信号且引导天线接收S/Φ大于等于25dBHz，捕获及角误差提取时间总时间约为1.85s，通过计算，经过两次引导可达到99%的引导概率，满足测控系统角度引导需求。

其二是地面站天线可设计为具有Ka馈源多波束的S/Ka双频段天线，利用多波束天线空间扫描方式捕获跟踪目标，将天线指向引导入Ka频段的窄波束中，该方案设备原理框图如图4所示；

图4 多波束引导接收机设备原理框图

为了验证其正确性，进行了初步的试验验证。该试验采用3.8m口径的天线，利用方位和俯仰个排列7个阵元的方式，实现了在1°范围的引导。试验系统组成框图如图5所示。

图5 馈源多波束试验设备组成框图

试验时，天线偏离零点一定的角度，利用馈源多波束引导系统提供的角度偏差信息引导天线指向主波束，在主跟踪接收机锁定并达到一定的AGC设定门限条件下，转入自跟踪状态。图6为信噪比为55dBHz下多波束引导系统闭环试验特性曲线。

图6中，系列1为天线角度指向信息曲线，系列2为主跟踪接收机在试验过程中的角误差信息，系列3为主跟踪接收机的AGC电压曲线，系列4为主跟踪接收机的锁定指示状态，系列5为天线指向工作状态；0表示馈源多波束引导状态，1表示自跟踪状态。

图6 55dBHz条件下的多波束引导系统闭环试验特性曲线

试验中我们进行了多次引导跟踪试验，均成功引导，引导概率100%。

影响大天线目标跟踪性能的重要因素是天线的动态滞后问题。由于目标运动角加速度引起的动态滞后误差由下式计算：

可见，在其它因素不变的前提下，加速度常数越大，动态滞后就越小。采用复合控制技术可有效地提高系统的加速度常数。伺服控制系统原理框图如图7所示，采用复合控制技术的原理框图如图8所示。图中 W1（S）是控制器的传递函数，W2（S）表示包括速度环、电流环、天线结构在内的控制对象的传递函数，Wb（S）*W2（S）为前馈补偿传递函数。系统的误差传递函数为

若选择前馈补偿传递函数 Wb（S）*W2（S）接近于1，可以有效地减小跟踪误差。以15m转台式方位俯仰型天线座伺服系统为例，未采用复合控制技术时加速度常数只能达到8、采用复合控制技术后其加速度常数可达到40左右，工程计算时取值为40。

图7 伺服控制系统原理框图

图8 复合控制原理框图

在天线跟踪轨道高度400km、目标线速度为12km/s条件下，根据文献[6]，可计算出目标的最大加速度。考虑目标变轨等因素，在进行误差分析计算时，我们选取最大加速度为1°/s2，按照加速度常数40计算，伺服系统在方位最大加速度及俯仰最大加速度时的动态滞后误差分别为0.025°，天线可以可靠跟踪目标。

3.2 高速数据调制解调技术

建立Ka频段地面测控网重要目的之一是适应用户航天器大数据容量和高实时性的数据传输要求，后续航天器可能有更高的数据传输速率要求（未来对地观测要求达到2Gbps）。要在目前的器件技术水平上，实现如此高速数据的处理是一项技术挑战。

对于1.2Gbps甚至2.4Gbps以上的高数数据传输，在系统设计上，要解决传输带宽，高性能Ka频段宽带信道，以及极化复用技术的应用等；在设备的设计上关键在于高速A/D、并行处理和信道均衡。高速数据接收处理原理框图如图9所示。

图9 高速数据接收处理原理框图

其中信道均衡分为时域均衡和频域均衡两种，时域均衡原理框图如图10所示，均衡器采用LMS算法的判决反馈结构（DFE）、分数间隔盲均衡结构，其主要功能模块包括：正向滤波器、逆向滤波器、判决器、和抽头系数更新的自适应算法模块。

图10 时域均衡原理框图

实测结果表明该方案可实现1.2Gbps高速数据的接收解调。

3.3 Ka频段信道及功放技术

地面测控站和用户终端均需进行Ka频段的信道设计，其信道设计质量直接影响到地面测控站和用户终端的工作性能，同时能否提供系统所需的Ka频段功率决定了系统能否建立正常的空间链路，因此，Ka频段的信道设计以及大功率功放技术至关重要。Ka频段固态功放的研制采取的技术措施包括：功率合成幅相一致性控制、散热仿真设计等。

Ka频段信道带宽将达到1GHz以上，如何在如此宽的带宽下保证信道特性满足系统跳频测控及高速数据传输的需求，是其设计和研制的关键。减小Ka频段信号的传输路径是重要措施，地面测控站和用户终端的接收信道设计中将LNA和D/C两个模块合二为一，设计成一个LNB组件模式。LNB原理电路图如图11所示，在低噪放前加一级隔离器，有效改善输入驻波；下变频器选用谐波混频器，采用低本振，降低了本振的实现难度，并且对本振的偶次谐波输出有很好的抑制作用。

LNB实测指标如表1所示。

图11 LNB原理电路图

表1 LNB实测指标

4 系统应用

4.1 在空间站工程中的应用

空间站需要借助测控通信系统下传多路高质量图像信号、高保真话音信号、工程遥测数据，更重要的是随着空间站的逐步建设及应用，将有大批量民用科学实验数据和对地观测数据对地传输，采用Ka频段测控通信系统后，可用频带扩宽，达到1.5GHz，较易满足这一要求。

另外，采用Ka频段后，为提高系统测速和测角的精度提供了有利条件。我国首次空间站交会对接任务已完成，本系统建成后将为载人航天交会对接远距离导引及近距离第一次导引的实时高精度测定轨提供另一种有效手段。

4.2 在对地观测中的应用

对地观测也是我国科技发展的方向之一。按照当前的需求分析，数传速率可达到2Gbps，这样高的数传速率在今后升级的中继系统中也是无法完全满足的，需要采用天-地“直达”传输的Ka频段测控通信系统。

5 结束语

S/Ka频段测控通信系统设计兼容天/地基测控通信体制，具有标准TT&C、扩频TT&C、跳频TT&C、高速数传等工作模式，其数传速率高、抗干扰能力强、测量精度高，可支持中低轨的测控通信。随着各种航天应用的蓬勃发展、系统研究的深入、关键技术的突破，我国S/Ka测控通信系统的建设已提上议事日程，并将在空间站、对地观测等工程中大有作为。

［1］A direct-to-ground Architecture for Supporting Commercial Communication from the International Space Station.IEEE 2002.

［2］哥达德航天中心.天基、地基测控网的Ka频段过渡计划.张纪生，译.《飞行器测控学报》2003，22（1）:81-87.

［3］刘嘉兴.再论发展Ka频段测控通信网的思考［J］.《电讯技术》，2008，12.

［4］胡建平等.Ka频段宽带测控通信与抗干扰技术探讨.《飞行器测控学报》2009，28（2）：27-30.

［5］统一载波测控系统讲义［V］.电子工业部第十研究所.1997（6）：53-54.

［6］陈芳允.卫星测控手册［V］.北京科学出版社.1992年6月第1版：232-317.