可扩充深空天线组阵技术研究与试验验证*

于志坚 李海涛 李小梅

(1太原卫星发射中心 太原 030027 2北京跟踪与通信技术研究所 北京 100094 3北京遥测技术研究所 北京 100076)

前 言

遥远距离的深空测控通信始终是深空探测活动面临的重大挑战。随着探测能力的不断增强，数据传输速率需求越来越高;随着探测距离的持续增大，接收信号强度越来越微弱，单纯依靠地面大口径天线解决上述问题越来越困难［1］。

天线组阵技术是利用多个天线组成天线阵列，通过时延对齐、相位修正和权值估计将各个天线接收的信号进行叠加合成，提高信噪比(SNR)，达到增大天线口径的效果，实现遥远距离微弱信号的有效接收。一个理想阵(即无合成损失)的最大品质因数(G/T)是各单元G/T值之和［2］。

天线组阵技术已经得到了国际主流航天机构的广泛关注，是国际深空测控技术的发展趋势之一。2003年美国国家航空航天局(NASA)分别在戈尔德斯顿、马德里和堪培拉建成了支持3～4个34m天线的组阵系统，并计划在2020年建成多达400个12m天线的大规模天线阵，最终实现等效240m口径天线的接收能力［1］。目前，我国也开展了天线组阵技术研究工作，构建了原理性验证系统，并且利用嫦娥二号(CE-2)卫星的下行信号开展了验证试验。

考虑到深空测控一般采用调相副载波调制体制，可行的组阵合成技术有符号流合成(SSC)、复符号合成(CSC)、载波组阵(CA)、基带合成(BC)和全频谱合成(FSC)等［3］。其中前四种技术均需要在载波或是副载波锁定的前提下完成合成。而FSC技术在解调前就进行信号合成，提高了解调时的SNR，能在较低SNR条件下实现最佳的系统性能，是目前主流的合成技术。表1给出了五种方案的合成技术要求［3］。

表1 合成技术要求Table 1 Combining techniques requests

本文研究基于Sumple算法的FSC技术，构建了4×12m天线组阵试验系统，并成功利用CE-2卫星开展了天线组阵技术验证试验。

1 全频谱合成(FSC)

FSC是一种在中频合成信号的组阵技术，如图1和图2所示［4］。它利用一个包括载波环、副载波环和符号同步环的接收机来解调合成的信号。中频信号合成是二维的，首先根据预测或者延迟估计环路输出的延迟量，进行延迟对齐;然后通过相位差估计器估计相位差，完成相位修正。

图1 FSC原理Fig.1 The schematic diagram of FSC

1.1 延迟对齐

图3所示是地球表面的两个天线，同时接收来自一个遥远航天器的下行信号［5］。

图2 双天线阵的FSC对齐与合成Fig.2 Delaying and combining of two antennas’signals using FSC technique

图3 两天线接收延迟示意图Fig.3 The schematic diagram of receiving delay between two antennas

无线电波的到达时间差τg可以简单地表示为

其中，D是从1号天线轴交点延伸到2号天线轴交点的基线矢量，i是指向航天器的单位矢量，c是光速。每个天线的输出通过等长度电缆连接到一个乘法器上，在时间t的输出为τg))，通过一个低通滤波器，我们得到的结果是得到τg后通过增加延迟补偿，可使总的电缆延迟和几何延迟完全抵消。此时，乘法器的Vout最大，且电压是同相的。

1.2 相位修正

其中，τi表示第1个天线和第i个天线接收信号之间的延迟，为相对多普勒相移差和振荡器相位噪声差之和，一般为“极小量”。

将每个si(t)信号下变频至中频，其复信号表达式为其中ωI表示中频频率。根据时延预测或估计的结果，对每个xi(t)信号延迟τi，则每路中频信号为

信号间相对相位差可以通过时间上已经对齐的各路信号的复相关处理和估计得到。为了便于计算，将天线1作为参考。在相关器的输入端，来自第1个和第i个天线的两路信号，通过带宽为B的滤波器，然后以每秒2B采样的奈奎斯特速率进行采样。复采样信号如式(5)。

其中，τ1=0，ni(tk)是独立的系统噪声复高斯随机变量，方差为

接下来对两路信号作相关处理(即相乘和低通滤波)，得到

相关之后，在T秒时间上作平均，利用N=2BT独立采样将公式(7)的方差减小N倍。在图2中的累加器输出端得到它的信噪比为

当相关带宽B非常大时(在兆赫兹量级)，信号噪声乘积项可以忽略，等效噪声方差主要受噪声乘积项的支配。此时，SNRi1可以近似为

φi1的估计可以通过的实部和虚部得到，即

2 迭代算法

如果各个天线收到信号的SNR足够高，所有天线对都可以进行很强的相关，不需要特殊处理，那么直接利用相关获得的相位和延迟偏移来对齐信号。然而，当各天线接收信号的SNR较低时，需要采用合适的算法充分利用所有可能的天线对。天线组阵信号合成的相关算法主要有Simple算法、Sumple算法、Eigen算法和最小二乘算法等。其中Eigen算法和最小二乘算法需要的相关运算量与天线数量的平方成正比，运算量大，不利于实现。Simple算法和Sumple算法成为常用的迭代算法［6］。

2.1 Simple算法

Simple算法主要是在L个天线中选择一个G/T值最大的天线作为参考天线，将其余L-1个天线接收到的信号均与参考天线接收到的信号进行相关运算，利用运算结果修正各个天线信号的延迟和相位偏移，最后对修正后的各路信号进行加权求和。

合成效率为

2.2 Sumple算法

Sumple算法是在Simple基础上发展起来的一种算法，它与Simple算法的区别在于:相关运算中的参考天线不是某一个特定的天线，而是其他所有天线加权求和后组成的“天线”。Sumple算法是一种迭代算法，每流转过L个天线中的一个，并与参考天线相关加权求和后就完成一次迭代。由于选择不同天线时，参考天线总是在变化的，加权值也是变化的，因此Sumple算法的处理过程要比Simple算法复杂，但Sumple算法可以用于处理更微弱的信号。

合成效率为

Simple与Sumple算法的实现原理如图4、图5所示。

图4 Simple算法原理Fig.4 Principle block diagram of Simple algorithm

图5 Sumple算法原理Fig.5 Principle block diagram of Sumple algorithm

3 天线组阵技术验证试验

为了验证基于Sumple算法的FSC合成技术在工程应用上的可行性，在国家高新技术发展计划支持下，我们构建了4×12m天线组阵试验系统，并成功利用CE-2卫星任务开展天线组阵技术验证试验。

3.1 试验系统组成

试验验证系统工作原理如图6所示。

图6 试验系统工作原理Fig.6 Principle block diagram of experiment system

4个天线接收CE-2卫星发送的射频信号，经过场放大器(LNA)放大后下变频到70MHz中频，4路中频信号同时送入合成器。合成器对4路中频信号进行合成处理，并将合成后的信号变换为70MHz中频输出。采用测控体制时，可用频谱仪观测直通信号(通过开关选择1路、2路、3路、4路信号)以及合成信号的SNR。采用数传体制时，可用综合基带分别对单路信号和合成后的信号进行解调，观测单路信号与4路合成信号的误码率，并反推SNR。

3.2 合成前后的数据图像比较

图7是CE-2卫星在距离地球14万公里处下传的监视相机图像。图8是CE-2卫星在环月轨道上拍摄的虹湾地区照片。从对比图中可以看出，由单个12m天线接收的CE-2卫星数传数据生成的图像存在很多马赛克，甚至无法辨别，而4个12m天线接收并合成所得到的图像清晰、分辨率高，明显优于单天线接收信号生成的图像。

图7 距离地球14万公里处拍摄的太阳帆板与地球的照片Fig.7 Solar panel and earth pictures by CE-2 satellite which is 140，000km far away from the earth

图8 环月轨道拍摄的虹湾照片Fig.8 Sinus iridium pictures by CE-2 satellite which is on the lunar orbit

3.3 试验数据分析

①CE-2卫星测控信号

试验中，对于测控信号主要比较合成前后载噪谱密度比(C/N0)，结果示于表2。CE-2卫星测控信号合成信号比四路信号中最强的一路高出了5.00dB，与理论计算值相比损失了0.14dB，合成效率为96.8%。

表2 CE-2卫星测控信号C/N0对比Table 2 Comparison of C/N0 of CE-2 TT&C signal

②CE-2卫星数传信号

数传信号的数据分析采用统计误码率反算的方法。由于综合基带数传解调损失在各个SNR下不尽相同，因此需要进行基带解调损耗测试。图9为码率为6Mb/s情况下实测误码率与Eb/N0的关系曲线。相比于理论BPSK解调曲线，综合基带在误码率高的情况下，解调损失较小;在误码率低的情况下，解调损失较大。在单路10-3量级、合路10-6量级的情况下，解调损失的差异大约为0.4dB，计算合成效率时需要将其补偿进去。

BPSK信号合成，帧头误码率为1.4×10-6。CE-2卫星数传信号Eb/N0对比结果示于表3，经计算合成信号比四路信号中最强的一路高出了5.09dB，与理论计算值相比损失了0.27dB，合成效率为93.9%。

图9 码率6Mb/s时，实测误码率与Eb/N0的关系曲线Fig.9 Relationship between themeasured bit error rat and Eb/N0 with the rate of 6Mb/s

表3 CE-2卫星数传信号Eb/N0对比Table 3 Comparison of Eb/N0 of CE-2 data signal

4 结束语

天线组阵技术可以通过组合多个天线实现单一天线难以达到的接收能力，是在射频范围解决深空测控通信问题的重要途径。基于Sumple算法的FSC合成方案将合成后的强信号作为参考，在解调前完成信号合成，可以在低SNR条件下实现高效合成。通过构建的4×12m天线组阵系统接收并合成空间飞行的CE-2卫星下行信号，合成效率优于90%，证明该技术已经初步具备了工程应用的可行性，可以为我国未来深空网建设大规模可扩充天线组阵提供技术储备，同时也将作为未来深空探测任务高速数据传输的重要技术途径。

［1］于志坚 深空测控通信系统 ［M］.北京:国防工业出版社，2009:291.Yu Zhijian.Deep Space TT&C System［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2009:291.

［2］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，2004，12(4):57～60.Li Haitao， Li Yuhua， Kuang Naixue.Antenna Array Forming Technology in Deep Space Exploration［J］.Journal of Spacecraft TT&C Technology，2004，12(4):57～60.

［3］Mileant A， Hinedi S.Overview of Arraying Techniques in the Deep Space Network， The Telecommunications and Data Acquisition Progress Report 42-104［R/OL］.1990，10-12 Jet Propulsion Laboratory， Pasadena， California， 109 ～139，February 15，1991.http://ipnpr.jpl.nasa.gov/progress_report/

［4］Rogstad D H.Suppressed Carrier Full-Spectrum Combining， The Telecommunications and Data Acquisition Progress Report 42-107［R/OL］.July-September1991， Jet Propulsion Laboratory， Pasadena， California，12 ～20， November15，1991.http://ipnpr.jpl.nasa.gov/progress_report/

［5］Thompson A R， Moran JM， and Swenson GW.Interferometry and Synthesis in Radio Astronomy［M］.New York:Wiley，1986.

［6］Rogstad H， Mileant Alexander， Pham T.Antenna Arraying Techniques in the Deep Space Network［M］.JPL Publication 03-001，Jan 2003.