长基线天线组阵及其在深空遥测中的应用

舒逢春 江 悟 张秀忠

（中国科学院上海天文台，上海 200030）

引 言

随着深空探测器远离地球，到达越来越远的星际空间，在地面接收到的探测器发射的信号将会因为超远距离的衰减变得越来越弱。通过增大天线口径提高天线的增益或降低接收机系统噪声温度有利于对微弱信号的接收，但是这两者已经接近其极限。另一种途径就是对来自几个天线的信号进行加权合成，使其等效成一个大口径的天线，可以提高接收信号的信噪比。这种被称为天线组阵的技术在20世纪80年代末期就开始用于增强地面天线的接收能力，获得更多深空探测器返回的科学数据。美国深空网已经在其三个深空测控站部署了全频谱合成系统，用来支持他们的行星探测任务［1］。同时，他们也在开展上行天线组阵的研究来提升地面测控系统的整体性能［2］。

我国已经在21世纪初开始了深空探测计划，在探月工程中成功发射了两颗月球轨道卫星，获得了大量有价值的科学数据。由于燃料充足，嫦娥二号甚至有机会调整轨道，探测太阳和地球之间的第二个拉格朗日点，使我国成为世界上少数几个成功到达该区域的国家之一。月球着陆器嫦娥三号的发射也排上了日程，随后还会有火星、小行星甚至太阳系外星球的探测。随着深空探测的深入，对地面的测控能力提出越来越高的要求。我国已经把对天线组阵技术的研究列入了深空探测任务的支撑课题。文献［3］［4］研究了深空探测中的天线组阵技术，并分析了其可行性；文献［5］［6］也对天线组阵中的信号合成算法开展了研究，文献［7］则利用4个12m的小天线进行了短基线天线组阵实验，获得了较好的信号合成效果。文中的主要工作是针对长基线天线阵的信号合成，根据遥测信号的特点，研究了全频谱合成（FSC），基带合成（BC）和符号流合成（SSC）三种信号合成方式，介绍了其信号处理流程，并利用嫦娥二号的遥测信号验证了长基线天线组阵的可行性。实测数据结果表明：来自各天线单元的信号能够得到精确的时延补偿和相位对齐，信号合成的效率均超过90%，充分验证了长基线天线组阵技术的有效性和可行性。

1 基本原理

1.1 长基线天线组阵概述

由于长基线天线阵各阵元之间的距离也就是基线长度一般在1 000千米量级，信号到达各天线的延迟受到探测器运动和地球自转的影响，相对时延变化较快。在所有天线阵阵元都能与卫星共视的情况下，如果不考虑数据传输的问题，长基线天线组阵不受阵元的地理位置、基线长短的限制，甚至能够临时“借”天线口径来增强接收性能。与短基线天线阵不同，一方面长基线天线阵中各天线接收的信号都是在本地下变频并通过高精度时钟同步系统记录再传送到相关中心处理；另一方面通过探测器轨迹和各天线的位置信息预报的各天线间的相对时延往往不够准确，同时，电波相位受电离层、大气层的动态扰动［8－9］，残留的时延仍然较大，需要先得到精确的时延变化量，再来获取不同信号之间的相位差。为此，我们在相关处理之后增加了二维条纹搜索［10－11］，用来获得精确的残留时延和时延率。随着工作频率搬移到更高频段，长基线组阵中全频谱合成对时延精度的要求将更加严格。长基线天线阵的信号处理流程如图1所示。

图1 长基线天线阵信号接收和处理框图

式中：P是总的信号接收功率，残留载波和副载波的功率记为P1和P2，分别约等于Pcos2ξ和Psin2ξ；ξ是调相指数；ωc和θc是载波频率和相位；ωsc和θsc为副载波频率和相位；d（t）是NRZ数据流；n（t）是加性带限高斯白噪声。

根据遥测信号的特点，信号合成有三种基本方式，分别是符号流合成、基带合成和全频谱合成。其中，全频谱合成是对未经过解调的信号进行合成，合成的信号是包括主载波在内的中频数字信号，合成时需要对来自各个天线的信号中主载波相位对齐，

1.2 遥测信号合成的三种基本方式

目前卫星遥测信号大多采用脉冲编码调制／相移键控／调相（PCM／PSK／PM）的调制方式，遥测码型多为非归零（NRZ）码［12］。地面接收到的遥测信号可以用数学表达式简单表示成在时延补偿时，不仅要进行整数时延补偿，而且还需补偿时延的小数部分，所以对时延精度要求较高，同时必须有相位旋转算法来对齐各路主载波的相位差。基带合成的是调制在主载波上的信号，需要先解调出主载波，只对副载波及其携带的信息进行合成；但是，因为相对时延的测量精度一般在ns量级，加上模数转换（A／D）采样频率相对于副载波频率较高，可以直接通过对时间序列的平移达到信号对齐的目的，无需小数时延补偿和相位旋转。符号流合成的是经过主载波解调和副载波解调以后的信号，一般是脉冲编码调制（PCM）信号，该信号的周期更长，同样可以直接通过时间序列的平移实现信号对齐。关于这三种基本的遥测信号合成方式的对比见表1.

表1 全频谱合成、基带合成和符号流合成对比

注意到在表1中，基带合成和符号流合成的传输带宽并不如部分资料所述，信号在天线处先进行载波解调后再进行传输来降低对网络传输带宽的要求。这应归功于网络的发展，利用网络进行高速数据传输的成本已经明显减少，同时带宽越宽，相关处理得到的时延精度越高，所以这里不再考虑这种只需要MHz量级的传输带宽所带来的影响。在接收机单元，全频谱合成时一个天线阵只需要1套接收机系统，基带合成和符号流合成时，来自不同天线的信号每个都需要一个载波环或者载波环和副载波环，而接收机的计算量大部分集中在载波解调模块，所以在这里就认为其接收机的数目近似于每个天线需要配备一套。另外，在全频谱合成中，载波环的输入信噪比经过信号合成得到增强，相对于基带合成和符号流合成可以适应更低信噪比的信号接收环境。

1.3 合成效率分析

合成效率定义为天线阵实际增益与理论增益之比，文中天线阵的理论增益用各天线相对于参考天线的实际增益之和表示［1］。增益在这里一般用符号信噪比（RSN，单位dB）计算，也可以用各天线接收信号的载波功率与噪声功率谱密度之比估算。若选择天线阵中第k个天线作为参考天线，各天线接收信号的符号信噪比为RSN，i，合成信号的符号信噪比为RSN，C，相对于参考天线的天线阵增益等于RSN，C与RSN，k之差，合成效率η可以表示成

和载噪比相比，符号信噪比与误码率直接相关，更能全面评价接收系统的性能，故在数据处理过程中选用符号信噪比计算天线阵增益。符号信噪比定义为一个周期内符号的功率与噪声功率之比，对于方波信号则可以用信号的均值和均方差之比的平方估计得到。

2 信号合成实验

2.1 信号接收和处理系统说明

嫦娥二号探月卫星于2010年10月1日18时59分57秒发射升空，经过5天的奔月之旅直接由地月转移轨道进入椭圆环月轨道，在月球轨道完成工作任务后，由于剩余燃料充足并且卫星性能稳定，嫦娥二号卫星飞离月球轨道，于2011年8月25日到达距地球150万千米的日地拉格朗日L2点的环绕轨道，目前正在执行飞越小行星的拓展任务。我们采集的数据为嫦娥二号奔月弧段S波段下行遥测信号，通过我国甚长基线干涉测量（VLBI）网四个台站的天线接收系统接收和记录［13］，并传送到位于上海的VLBI中心处理［14］，关于各台站天线的配置和说明如表2所述，嫦娥二号卫星的遥测信号采用

表2 实验数据接收系统说明

PCM／BPSK／PM 调制，符号率1 024bit／s，可以用相干接收机解调。文章中的遥测接收机采用虚拟无线电技术通过软件实现［10］，载波环和副载波环的等效噪声带宽分别约为800Hz和160Hz.

因为嫦娥二号卫星距离地球较近，地面单站接收到的遥测信号可以实现载波跟踪，所以三种基本的信号合成方式都进行了实验。在条纹搜索模块中，我们采用了5次多项式时延拟合模型，并考虑了大气时延，大气时延由预报的天顶方向大气延迟和Niell影射函数的乘积得到［15］。全频谱合成的是来自各天线的2MHz带宽的中频信号；在基带合成过程中，我们将载波环模块提到时延补偿单元之前，对齐和合成的是各路信号经过载波环解调后的输出；在符号流合成过程中，各路信号经过副载波解调以后才进行时延补偿并加权合成。

2.2 实验结果和讨论

本次实验中应用了条纹搜索功能模块实现对残余时延和时延率的获取，并计算出了各路信号之间的初始相位差。这一分钟数据的条纹搜索结果如表3所示。

表3 条纹搜索结果

从表中的结果可以看出：这一分钟内台站的相对时延精度达到1ns以内，相位差的估算精度也在1°范围内。相位差的估计可以认为是在完全补偿总时延和时延率后获得的，采用了类似于Simple算法的原理，以上海站作为参考，通过相关获得与其他各站的相位差。当然，也可以采用Sumple等算法［5－6］来获取相位差。

信号合成以后，将各路信号解调得到PCM符号流，通过计算信号在一个符号周期内的均值和均方差估算出符号信噪比。为了提高估计值的准确度，在实验数据处理过程中，一秒钟内估计256次然后取平均值，每秒钟给出一个符号信噪比估计值。信号合成效率在这里用合成信号的符号信噪比与四个天线的符号信噪比之和的比值表示。一分钟内三种合成方式的天线阵增益如图2所示。

这一分钟内全频谱合成、基带合成和符号流合成的天线阵增益相对于上海站天线分别为4.07±0.24dB、4.12±0.21dB和4.22±0.18dB，理论增益应为6.47dB，合成效率偏低是由于各天线的基带信号经过了1比特量化记录后处理，1比特量化使得信号信噪比降低到原来的2／π.信噪比降低主要由量化噪声引起，虽然量化噪声近似于高斯白噪声，但不同天线之间的量化噪声彼此相关，不能通过累加消除。可以在合成信号的符号信噪比加上1.96dB，计算出消除1比特量化影响后的等效合成效率，最后得到实验中长基线天线阵的全频谱合成、基带合成和符号流合成三种合成方式在这一分钟的平均等效合成效率分别是91.2%、91.6%和93.9%.这三种组阵方式的效率都在90%以上，在实际操作中，如果接收信号较强，天线阵中单个天线都能实现载波跟踪和解调，可以运用较简单的基带合成和符号流合成；但对于微弱信号，单天线无法提取出载波，则必须通过全频谱合成提高接收链路的余量。从结果中还可以看到：北京和昆明站的符号信噪比相对于上海和乌鲁木齐站，并未和它们的天线口径的平方成正比，主要原因是当时北京和昆明站的接收系统都采用常温接收机，系统的噪声温度较高，故四站的G／T值相差不大，这说明北京和昆明站的接收性能都有提升的空间。

图2 全频谱合成、基带合成和符号流合成的嫦娥二号遥测信号合成结果

3 结 论

文中针对深空遥测信号的长基线信号合成，采用全频谱合成、基带合成和符号流合成三种基本信号合成方式，对嫦娥二号卫星的实测信号进行合成，在1比特量化的情况下，以上海站天线接收信号的实际符号信噪比作为参考，四个天线组成的阵的实际增益达到了4.0dB以上，消除1比特量化影响的等效天线合成效率均在90%以上，充分说明了长基线天线阵的可行性。

目前我国VLBI网对深空探测器的相对时延测量精度达到了ns量级，在探测器信号能够获得相干条纹的情况下，时延的测量精度不会随探测器的距离远近发生变化；由上海天文台开发的数字基带转换器可以支持4比特量化，极大地减少了量化噪声对合成效率的影响，这些都为长基线信号合成提供了有利条件。利用长基线信号合成技术组成的天线阵不仅可以单独作为地面接收系统，它的优势还在于可以在任务需要时临时“借”大口径天线甚至短基线天线阵，获得更好的增益。这为将来的深空探测任务提供了一种提高科学数据返回量的有效途径。

致谢：作者特别感谢中国科学院上海天文台VLBI中心提供嫦娥二号观测数据和上海市空间导航与定位技术重点实验室基金的资助。

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