抗多径效应的全范围多员出舱通信方法

龙吟 王岩 王悦 黄克武 崔久鹏 刘超 程伟

(1 中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094)(2 山东航天电子技术研究所，山东烟台 264670)

随着载人航天任务的蓬勃发展，出舱活动成为人类零距离探索太空的支撑技术。其中，出舱通信技术，即航天员进行出舱活动时与载人航天器之间进行信息交互的技术[1]，是关键技术之一。随着航天技术的发展和航天任务复杂度的不断提高，未来空间站任务、载人登月任务涉及的出舱活动，面临多人出舱、活动范围广、通信带宽增加的需求，以及由于载人航天器体积与造型复杂度的增加导致的信号遮蔽、反射、绕射带来的多径效应、通信“死角”问题。

目前，只有美国、俄罗斯和中国掌握了出舱通信技术。由美国和俄罗斯参与建造的“国际空间站”，采用时分多址(TDMA)的通信体制率先实现了多人出舱通信[2]，具有抗多径效应、通信速率高的优点，但同时具有发射功率高、通信效率低的缺点。国内的神舟七号任务[3-7]，通过采用脐带通信的有线通信方法和基于频分多址(FDMA)通信体制的无线通信方法，分别实现了单人出舱的通信任务。脐带通信虽然具有可靠性高、抗干扰能力强的优点，但由于长度的限制，不适用于大范围的出舱活动任务。采用FDMA通信体制的通信方法，具有可靠性高的优点，但是在频率资源有限的前提下，一般仅支持点对点的全双工实时通信，不适用于多人出舱的任务需求。

为满足我国未来出舱活动任务的需求，本文提出一种全范围多员出舱通信方法，以解决传统出舱通信方法带来的仅支持点对点、抗多径性能差、通信效率低的问题，可实现多人出舱通信和出舱活动的大范围测控覆盖、通信链路高稳定性。

1 出舱通信方法

一般，出舱通信系统包括出舱通信处理器、出舱通信天线、舱外服天线和无线通信机。航天员通过无线通信机和舱外服天线，以无线的方式与位于载人航天器内部的出舱通信处理器进行双向通信，通信的内容涵盖语音、遥测、控制等信息。

传统的出舱通信方法，主要包括单天线出舱通信方法和多天线出舱通信方法。其中：单天线出舱通信方法仅通过单副出舱通信天线完成出舱通信，通信的角度范围受天线主瓣的限制，通信体制一般采用FDMA。多天线出舱通信方法通过多副出舱通信天线完成出舱通信，通信的角度范围大大增加，根据配置天线的数量一般可以实现360°全范围覆盖，但是仍然存在通信质量受多径效应影响的问题；通信体制一般采用频分双工体制(FDD)和直扩码分多址(DS-CDMA)体制。

本文提出的出舱通信方法可解决上述问题，其具体步骤为：

(1)系统配置，包括出舱通信天线组阵设计，以及沿用多天线出舱通信方法的FDD和DS-CDMA通信体制。

(2)前向链路通信，采用时间分集技术。载人航天器利用多副天线错时发送前向链路数据，出舱航天员通过在相关长度范围内进行滑窗相关寻找前向信号功率的相关峰值，并且在峰值前后的错时时间范围内找到剩余峰值，根据峰值判决门限完成前向链路信号的最大比合并。

(3)返向链路通信，采用空间分集技术。载人航天器利用多副天线同时接收出舱航天员的返向链路数据，通过滑窗相关找到所有天线接收的返向信号功率的相关峰值，并且根据峰值判决门限进行最大比合并。

系统配置首先执行，然后，前向链路通信和返向链路通信并行执行。前向链路通信和返向链路通信的流程如图1所示。

图1 出舱通信流程Fig.1 Flow of extravehicular communications

1.1 系统配置

1)出舱通信天线组阵设计

由于舱壁遮挡、天线方向图的主瓣带宽等限制，单副出舱通信天线无法与来自后方的无线通信机实现出舱通信，也就无法实现出舱活动相对于载人航天器360°范围的全覆盖。本文方法对出舱通信天线进行组阵设计，在载人航天器舱壁一周等间隔安装k副出舱通信天线。k副天线彼此间隔360°/k，每副天线分别通过穿舱高频电缆连接到位于载人航天器内部的出舱通信处理器，均能实现收发共用。通过这种设计，能实现360°范围的通信覆盖，可大大提升出舱通信的活动范围。出舱通信天线布局如图2所示，出舱通信天线连接如图3所示。

2)FDD和DS-CDMA通信体制

出舱任务要求支持多名航天员出舱活动，出舱通信系统通过FDD体制实现前向和返向链路的双向实时通信，通过DS-CDMA体制[8]实现频域及时域共享，解决多名航天员同时通信的需求。以3人出舱任务为例，前向链路采用3组扩频码，实现载人航天器与3名航天员的前向链路同时通信。返向链路采用3组扩频码，实现3名航天员与载人航天器的返向链路同时通信。出舱通信系统总计使用6套扩频码组。物理层数据帧结构如图4所示。

图2 出舱通信天线布局示意

图3 出舱通信天线连接示意

图4 数据帧结构Fig.4 Data frame format

从图4可以看出：卷积前帧格式，包含帧同步字、话音数据、业务数据、帧计数、帧尾、预留等字段；卷积后扩频前帧格式，包括卷积前帧数据以及循环冗余码校验(CRC)数据。相对于多天线出舱通信方法，本文出舱通信方法增加了业务信道，包括传输用户数据、导频符号和功率控制符号。

1.2 采用时间分集技术的前向链路通信

出舱通信采用多天线组阵布局方案，保证360°全覆盖。前向链路通信过程中，如果采用多天线同时发送，无线通信机由于接收的多信号相移不同，导致信号非正向叠加，造成无线通信机的接收性能下降，严重影响出舱通信的质量。采用扩频码用于区分射频通道1～k，可以避免上述问题，但会使无线通信机复杂度成倍增加，无线通信机必须具备进行k路射频通道信号解析的能力。由于前向链路信号经过扩频后，码片之间具有非相关性，即经过固定码片间隔延迟的前向扩频信号的衰落互不相关，利用这一特性，可以构成时间分集[9-10]。因此，本文在前向链路通信中采用时间分集技术。

载人航天器采用错时发送体制，即将同一个扩频调制后的射频信号S(t)，分别通过k路射频通道(出舱通信天线1，2，…，k)错时发送，每个射频通道相差n个码片时间，k个射频通道彼此之间最大相差(k-1)n个码片时间。无线通信机对接收的k路信号通过滑窗相关寻找峰值。设置相关长度为帧长L的整数倍b，采用逐比特的滑位相关，找到大于门限值的峰值a1。然后，在峰值相邻的前后(k-1)n个码片之间，找到另外(k-1)个峰值a2，a3，…，ak。无线通信机根据功率相关峰值是否通过门限，决定前向链路信号的合并路数，产生合并增益，提升前向链路通信的可靠性，见图5，其中，S(t)表示扩频调制后的射频信号。通过采用时间分集技术，航天员出舱活动的任何位置均可以稳定建立通信链路，并且保证移动过程中通信不会中断，解决通信死角问题。

图5 时间分集技术Fig.5 Technology of time diversity

1.3 采用空间分集技术的返向链路通信

在返向链路通信的过程中，采用空间分集技术，如图6所示。

图6 空间分集技术Fig.6 Technology of space diversity

载人航天器的多副天线分别接收到无线通信机的返向链路信号。利用出舱通信天线不同布局收到的返向链路信号衰落的独立性，实现抗衰落的功能。出舱通信处理器存储各用户的返向同步码，分别在接收序列中滑窗相关，获取峰值。①利用3个用户规定帧长的窗口，在接收信号序列中滑动。②在指定相关时间内获取峰值，并根据相关序列摆放的位置获取数据信息。③将不同天线数据根据同步序列峰值进行最大比合并[11]。

2 仿真分析

仿真场景设计为：出舱通信天线选用准全向天线，天线主瓣覆盖范围为±80°，出舱通信天线的数量设置为3，按照120°等间隔分布。通信体制为DS-CDMA，扩频因子设置为16，发射信号通过3副天线依次错时发送，每条路径延迟1个码元。分别对本文出舱通信方法，以及传统的三天线、单天线出舱通信方法进行仿真验证，仿真结果见图7。仿真结果表明：采用本文出舱通信方法的误码率为10-5时，对应的信噪比(Eb/N0)为8.7 dB；误码率相同时，三天线出舱通信方法对应的信噪比为9.8 dB，单天线出舱通信方法对应的信噪比13.2 dB。可见，本文出舱通信方法比三天线出舱通信方法的性能优化1.1 dB，比单天线出舱通信方法的性能优化4.5 dB。

对出舱通信的覆盖范围进行分析，覆盖范围分为角度覆盖范围和距离覆盖范围。使用相同的出舱通信天线，分别对上述3种出舱通信方法的覆盖范围进行分析，如表1所示。单天线出舱通信方法的角度覆盖范围为160°，三天线出舱通信方法和本文出舱通信方法的角度覆盖范围均为360°。在发射功率、接收灵敏度和误码率指标一致的前提下，单天线出舱通信方法的距离覆盖范围均为50 m，三天线出舱通信方法的距离覆盖范围为74 m，本文出舱通信方法的距离覆盖范围为84 m。可见，全范围多员出舱通信方法比传统的单天线及三天线出舱通信方法扩大了通信覆盖范围。

图7 仿真结果Fig.7 Simulation results

出舱通信方法角度覆盖范围/(°)距离覆盖范围/m单天线出舱通信方法16050三天线出舱通信方法36074本文出舱通信方法36084

3 结束语

本文提出一种全范围多员出舱通信方法，通过在载人航天器舱壁均匀布置多副收发一体的出舱通信天线，实现载人航天器与多名出舱航天员的实时双工通信。全范围多员出舱通信方法利用多天线组阵设计，实现出舱通信的全范围覆盖。前向链路通信采用错时发送的时间分集技术，出舱航天员通过分集接收再合并的方式，能显著提高接收增益。返向链路通信采用多天线的空间分集技术，通过相关再合并的方式，获得合并增益。与传统出舱通信方法相比，本文出舱通信方法具有高测控覆盖率、高效率、高信噪比的优势，能解决多径效应带来的信道恶化问题，可为未来出舱通信任务设计提供参考。

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