检前记录设备在天线组阵中的应用比较研究

李臣，苏彦，张治国

(1. 中国科学院国家天文台，北京100012;2. 中国人民解放军63783 部队，新疆 喀什844000)

0 引言

目前，嫦娥一、二号已经顺利完成了探月工程的前期探测任务，这是进行更深更远深空探测的前期探索，同时拉开了深空探测的序幕。展开对火星、小行星和其它太阳系内行星的探测将成为我国未来深空探测的任务［1］。2011 年，萤火一号的发射标志着对火星的探测已经迈出了重要的第一步，实现对火星探测器进行自主测控通信是我国深空探测任务的下一个发展目标。

深空测控通信技术一直处于技术发展的最前沿，为了尽快建成我国的火星测控通信网，还需要对一系列关键技术展开科研攻关，在结合一定的国际技术合作和引进的基础上，研发有中国特色的测控通信技术，提高我国的深空探测任务系统建设的性价比。

美国航空航天局(NASA)将天线组阵技术、深空光通信技术和行星际通信网络技术并列为实现未来深空探测测控通信的三个主要技术途径［2－3］。根据我国测控通信的技术现状，天线组阵技术将是近期完成火星探测任务的主要技术手段。

1 天线组阵技术简介

1.1 天线组阵

天线组阵技术是多个天线同时与同一探测器发送或接收相同信号，实现对探测器进行测控通信的技术。其关键是将天线接收到的信号进行搜集和合成处理，增强接收信号的信噪比，实现正常通信。按照信号发送方向，天线组阵分为上行阵和下行阵，上行阵是为了提高发送遥控指令的成功率，下行阵是为了提高下行数据传输的码速率。因为任务中上行码速率通常比下行低得多，所以下行阵显得尤其必要。

天线组阵技术是提高深空通信下行数据传输速率的重要技术途径，也是探测器高增益天线故障或进入安全模式时进行测控通信的有效解决方案，它是未来深空测控通信技术的一个重要发展方向。天线组阵具有下述几个特点［4］:①可以增加等效天线口径，可为特定任务提供支持，实现资源的更高利用;②使测控通信系统可用性更高、维护灵活且工作可靠;③可以减少用于备件的费用;④可以通过使用更小口径的天线来降低成本;⑤还可以提高系统的可操作性和计划的灵活性。

1.2 信号合成方案

目前有五种方案可以用于组阵天线的信号合成处理［5］:全频谱合成(Full-Spectrum Combining)、复符号合成 (Complex-Symbol Combining)、符号流合成(Symbol-Stream Combining)、基带合成 (Baseband Combining)、载波合成(Carrier Array)。

在这五种天线组阵信号合成方案中，全频谱合成(FSC)方案是在中频进行相关运算与信号合成，由于在信号解调前实现了信号合成，提高了接收信号解调时的信噪比，因此系统具有最佳的数据传输性能［6］。下行阵数据传输的原理见图1。

图1 全频谱合成原理框图

研究结果［7］表明:天线组阵全频谱合成的合成效率主要由天线间的相位差估计精度决定，相位差估计精度越高，合成效率越高。而天线间的相位差估计精度与相关算法、天线数量、单个天线接收信噪比、互相关带宽和相位差闭环带宽等因素有关。

深空任务下行数据传输信号微弱，在中频进行相关的全频谱合成方案是深空通信天线组阵信号合成的最佳方案，合成效率主要由软件对天线间的相位差估计精度决定的。

2 检前记录设备工作原理

检前记录设备是用于记录数据被解调之前无线电信号的设备。目前国内出现的检前记录设备主要对70 MHz 信号进行实时带通采样和数据存储，保证调制信号的完整性。下面就某型号的检前记录设备为例，对其工作原理作简单介绍。

我国通用的检前记录设备可以同时记录2 路70 MHz 中频信号和1 路时码信号，记录带宽分为高、低两种，低带宽大约4.8 MHz，高带宽约20 MHz。任务中设备实时记录与存储70 MHz 中频信号和时码信号，存储数据可通过事后回放，还原输出中频70 MHz 信号和对应时码信号。该设备工作原理如图2 所示。

图2 通用检前记录设备工作原理

图2中，两路输入的70 MHz 中频信号分别经过带通滤波、AGC 放大等处理后变成峰值约为2 V 的恒幅信号送给信号采集电路进行采集，通过采样率16.3 MHz 的中频带通采样，70 MHz 中频信号变成4.8 MHz的数字中频信号，实现中频信号的下变频。采样后的数据与时码同时严格对齐并行存储在高速硬盘中。记录数据以16 进制格式连续存放在硬盘中，每两个字节为从两个数据通道和B 码通道采样的数据，每一个通道数据占7 位，B 码数据占1 位，1 位预留。

由上述数据可知，如果同时记录2 路信号，该设备记录时每秒生成的数据量为32.6 MB。如果实现20 Mb/s 下行码率的信号记录与存储，设备记录时每秒生成的数据量将高得多。

3 检前记录设备应用方案论证

依据天线组阵信号合成技术和检前记录设备的工作原理，结合深空探测任务的特点，我们可以充分挖掘并发挥检前记录设备的作用，探讨在火星探测任务中应用检前记录设备的方案。

3.1 必要性分析

深空任务中，传输距离远，接收的信号微弱，而且可变传播时延很高，通信环境复杂，对天线接收灵敏度要求高。深空通信的这些特点，极大地限制了下行数据接收的码速率。表1 是依据我国未来深空任务设备的技术指标预测值，粗略估算深空探测任务中的数据传输能够达到的码速率数值。

表1 火星探测任务下行数据码速率估算

从表1 可以看出，深空通信系统在不断发展与完善的过程中，探测不同对象所能达到的最大码速率的情况。目前的技术状态下，对于探测火星来说，在远地点最大码速率约为105 kb/s，远不能满足科学应用系统数据传输的需要。因此，我国深空通信技术还需要加快发展，尽可能提高下行数据传输码速率。

地面天线组阵技术的灵活应用将是解决该问题最有效的途径之一。

3.2 适用性分析

1)信号合成适用性分析

全频谱合成方案是深空通信天线组阵信号合成的最佳方案［4］，以前面所述的检前记录设备为例，其输入、输出的信号为中频70 MHz 信号，存储的数据为带宽为4.8 MHz 的低频数字信号。对于深空任务数传信号通常采用的载波调相体制，该检前记录器支持的最大低解调损耗的调制码速率为2.4 Mb/s，满足火星探测任务的码速率预算值。因此，该检前记录设备适用于第一阶段火星探测任务中采用全频谱合成方案。另外，随着组阵接收码速率的提高，可选择更高记录带宽的检前记录设备完成相应工作。

2)任务兼容适用性分析

检前记录设备的本职工作是实时记录存储检前信号。如果赋予组阵信号合成任务，则需要实时或事后共享存储的数据，而这两种任务是不矛盾的。实际上，根据检前记录设备性能，在不影响数据实时记录存储的前提下，可以增加其数据发送功能，以提高信号合成的时间利用效率。

3)数据传输适用性分析

以前面所述检前记录设备为例，在双通道同时记录数据时，产生的数据为32.6 Mb/s。如果网络数据速度低于该值，则不能做到实时传输;如果高于此值，数据接收计算机则需要同时能够接收各组阵天线发送的数据并进行合成处理，该要求比较高。对于在同一地点的不同天线，网络速度问题不大，但是，对于相距千里的异地天线的数据网络传输，其速度稳定性和网络可靠性是主要问题。因此实时传输与数据解调的技术难度比较大。采用非实时数据解调方案，大大增强组阵数据接收系统的可靠性，同时增加效费比，并具有系统可扩展能力。

4)虚拟无线电适用性分析

信号合成是天线组阵技术的核心，虚拟无线电技术非常适用于非实时数据处理，特别是对于数据获取、合成运算实施具有简单方便的优势。对于多种数据源的数据处理，虚拟无线电技术是最优选择。

3.3 检前记录设备应用优势

1)国产检前记录设备已成熟应用，性能优良，研制费用低，服务保障好。目前国产的某型号检前记录设备，记录带宽可满足码速率高达20 Mb/s 信号的数据传输，对于调相体制的误码恶化指标为0.1 dB 上下，可靠性高;

2)利用检前记录设备数据进行天线组阵下行信号合成，组阵方式灵活可变，应用范围广泛。只需通过软件配置即可实现对参与跟踪目标的天线进行组阵取舍，该方式不仅可应用于深空任务下行数据传输，还可应用于近地卫星的数据传输任务，扩展下行数据码速率;

3)检前记录设备是地面站的标准配置设备，对保证数据安全性和系统可靠性起重要作用，它用于天线组阵信号合成，存储数据随时可用，因此事后天线组阵信号合成与数据重检灵活方便，数据接收安全性和可靠性高;

4)检前记录设备具备双通道功能，可同时对下行左、右旋信号进行记录，支持极化分集合成解调，这可以提高接收信道增益大约2.5 dB;

5)采用虚拟无线电技术进行非实时信号合成，设备性能要求低，软件实现简单，合成效率较高，并且可以通过改善合成算法轻易扩展组阵天线数量，提高合成效率，从而有利于降低接收数据的误码率。

4 应用方案设计

4.1 应用方案

检前记录设备为解决火星探测下行数据传输问题提供了一种新的解决途径，在地面接收站现有设备配置的基础上，通过适当建设，可实现两种天线组阵下行数据接收方案，即准实时全频谱信号合成方案和事后全频谱信号合成方案。

4.1.1 准实时全频谱信号合成方案

1)检查并配置各地面站的检前记录设备，保证检前记录设备状态正常，参数设置合理，输入信号配置正确，并且具有足够的数据存储空间;

2)任务开始时，检前记录设备启动70 MHz 中频信号记录功能，同时通过网络以设定的速度向信号合成数据处理计算机发送当前存储数据;

3)数据处理计算机同时接收所有地面站发送来的数据，进行信号合成运算，合成数据按照检前记录数据格式存盘，并使用虚拟无线电技术进行数据解调与处理;

4)任务结束后，各地面站检前记录设备继续发送存盘数据，发完为止，数据处理计算机继续进行数据接收与处理，数据收完为止。

4.1.2 事后全频谱信号合成方案

1)检查并配置各地面站的检前记录设备，保证检前记录设备状态正常，参数设置合理，输入信号配置正确，并且具有足够的数据存储空间;

2)任务开始时，检前记录设备启动70 MHz 中频信号记录功能，并共享存储数据文件，供信号合成处理机进行数据调取，任务结束后，停止记录;

3)信号合成数据处理计算机(可以使用中心地面站的检前记录设备)使用专用软件通过网络读取各数据接收站检前记录设备的存储数据，对获得的数据进行信号合成处理，并且按检前记录设备数据格式存储合成数据。

对于数据解调有两种处理方法:第一，直接使用虚拟无线电技术，对合成数据进行数据解调与处理;第二，使用检前记录设备回放合成数据，输出中频70 MHz 信号，然后使用地面站配置的解调机进行数据解调与处理。

这两种方案都依靠网络传输检前记录设备存储数据，没有严格实时性的限制，有利于提高合成效率，降低误码率，可为提高任务数据传输码速率打下基础。

4.2 方案优缺点分析及应用条件

1)准实时全频谱信号合成方案优缺点及应用条件

优点:能够准实时接收和显示任务数据，充分利用任务执行时间进行信号合成或数据解调，时间利用率高。

缺点:需要改造检前记录设备软件，购置高性能数据处理计算机，并研制比较复杂的数据接收与信号合成软件(力争实现数据解调能力);在完成任务数据解调前，所有地面站不能执行其它任务(如网络和高性能计算机速度足够，可以做到实时接收解调，则不影响其它相邻任务);对网络的可靠性、稳定性和速度要求高，实施技术难度较大。

应用条件:设备和软件研制经费充足，能够购置高性能数据处理计算机，并完成数据接收、信号合成与数据解调软件的研制。

2)事后全频谱信号合成方案优缺点及应用条件

优点:硬件设备可以不变动，只需研发一套功能简易的软件，研制费用相对比较低;信号合成可靠性好;信号合成处理时间灵活，不影响地面站其它任务;实施技术难度小，风险小;对网络的可靠性要求不高。

缺点:数据接收实时性差，不能即时解调显示接收数据;解调数据需要解调机配合。

应用条件:不需实时显示接收数据结果，硬件设备和软件研制经费有限。

5 结束语

检前记录设备在深空任务天线组阵下行数据接收中具有应用可行性。通过应用扩展和软件开发，可应用于火星探测天线组阵下行数据接收任务。文中设计的检前记录设备的应用设计方案，技术实现相对简单，开发成本低，能够以较小的代价实现火星探测任务天线组阵下行数据接收的任务。

在这两种方案的应用中，使用虚拟无线电进行信号合成软件的开发与编制是关键环节，在实际的应用中，可以根据实际情况对软件进行适应性升级改造，扩展参与其中的天线组阵的数量，充分利用闲置的地面站，不断提高组阵天线下行数据接收的性能。这些数据接收方案同样适用于各种卫星通信数据接收站，通过同地和异地的天线组阵，提高下行数据接收能力。

［1］欧阳自远，李春来，邹永廖. 深空探测的进展与我国深空探测的发展战略［J］. 中国航天，2002 (12):28 －32.

［2］王骞，于宏毅. 深空网中的天线组阵技术及其发展［J］.信息工程大学学报，2009，10 (3):365 －368.

［3］李海涛. 深空测控网的大口径天线与天线组阵［J］. 测控与通信，2007 (4):1 －5.

［4］李海涛，李宇华，匡乃雪. 深空探测中的天线组阵技术［J］. 飞行器测控学报，2004，23 (4):57 －60.

［5］Rogstad D H，Mileant A，Pham T T. Antenna Arraying Techniques in the Deep Space Network ［M］. California:Jet Propulsion Laboratory California Institute of Technology，2003:43－72.

［6］钟晓玲，周三文，李海涛. 天线组阵信号合成技术的研究［J］. 遥测遥控，2007，28 (S0):43 －48.

［7］周三文，卢满宏，黄建国. 天线组阵全频谱合成效率分析［J］. 遥测遥控，2009，30 (2):46 －52.