支持航天器全时监控的中继卫星全景波束技术

2020-12-07曹正蕊孙宝升姚艳军

宇航学报 2020年11期

曹正蕊，孙宝升，姚艳军，贺超

(1.北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094；2.北京空间信息中继传输技术研究中心，北京 100094；3.中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230000)

0 引言

我国在轨的中低轨航天器数量急剧增多，全时全域监控对地面测控系统提出了非常高的要求。目前主要采用地基测控和天基测控两种方式对在轨航天器进行测控和管理。地基测控轨道覆盖率较低，基于中继卫星系统的天基测控实现了对低轨航天器的全轨道覆盖，但传统天基测控一般采用单址天线，波束数量有限。有限的地基/天基资源无法满足大量航天器同时服务需求，当航天器位于地基测控不可见区域或天基资源受限不能满足使用需求时，一旦发生在轨故障或者受到敌对攻击，地面将无法实时掌控并做出及时响应。

相控阵天线易实现多波束，能很好地满足同时为多用户目标服务的需求[1-3]。中继卫星安装相控阵天线，可向中低速用户提供SMA(S-band Multiple Access，S频段多址接入)业务，并在美国得到了广泛的应用[4-6]。SMA波束覆盖方式有跟踪和全景两种[7]。对于中继卫星单址天线和多址天线的跟踪波束，国内外已有较多研究[1-6,8,9]，文献[1]设计了预分配、周计划和按需接入应用服务模式，文献[3]描述了对近地卫星的均匀测控、轮询测控和连续测控模式，并已实现工程应用。国内对于全景波束技术研究则比较匮乏。

中继卫星SMA返向波束可地面形成，利用该特点，通过在地面增扩组合SMA返向波束，能够形成蜂窝状的广域覆盖常驻静态波束，从而对中低轨航天器实现全时全域覆盖。联合返向组合全景波束和相扫前向波束，研发新的适用多用户的短报文和连续业务数据传输协议，可以支持数百上千个航天器在中继卫星系统网络中始终在线，实现对它们的全时监控管理。

本文提出了中继卫星多址全景波束支持航天器在轨全时监控的应用模式，设计了其工作流程，对于全景波束形成、构型和协议体制等技术进行了研究，前向链路、返向短报文和连续业务链路预算余量高于3 dB，单颗中继卫星可支持不少于1000个短报文用户。本文的成果可作为全景波束工程应用的参考。

1 航天器全时监控要求

航天器在轨全时监控系统需要能够支持所有航天器连续在线和按需服务。对该监控系统的功能和性能基本要求如下：对低轨航天器全轨道连续覆盖，按照一定频率发送综合监测信息，包括运行状态、故障信息、位置信息等；根据监测信息，快速上注应急响应遥控指令，遥控指令发送速率千比特秒(kbit/s)量级；服务200～2000 km轨道航天器数量不少于1000个。

2 航天器在轨全时监控应用模式及流程

中继卫星多址波束支持中低轨航天器在轨全时监控示意图如图1所示。其中，航天器用户通过系统返向全景波束通道发送短报文消息，周期上报自身的健康(正常OK/异常SOS)和位置等状态信息，从而地面能实时了解航天器状态，必要时对航天器用户进行前向应急管控。

图1 中低轨航天器在轨全时监控示意图

相应的应用流程设计如图2所示。用户以发送间隔为周期，通过中继卫星全景波束系统返向通道，向地面控制中心回传自身的状态信息；地面控制中心接收状态信息，必要时通过前向波束向用户发送遥控指令，进行前向管控。

图2 中低轨航天器在轨全时监控应用流程

3 中继卫星全景波束技术

3.1 全景波束形成技术

有源相控阵波束形成有模拟波束形成(ABF)和数字波束形成(DBF)两种技术体制可以实现。DBF技术成熟，具有波束控制灵活、具备灵活的多任务能力，空间自由度和移相精度高、抗干扰能力强，体系架构简洁、扩展升级能力强等主要优点，如图3所示。返向全景波束需要形成多个，并具备可扩展性，采用地基DBF技术体制对设备的环境适应性要求比星上低，一方面保障对用户的跟踪精度与数传性能，一方面为用户服务数量扩展、地面系统升级预留空间。

图3 数字波束形成

根据对期望区域与SMA系统的相对空间位置分析计算，通过调整多个返向DBF加权系数，形成按一定电平交叠的多个静态子波束，可实现对2000 km 高度全覆盖，如图1所示。全景波束形成方法的关键在于对波束覆盖参数的配置，需要根据SMA相控阵天线相对于单个子波束覆盖区域的中心位置，分析、计算出与每个子波束对应的DBF加权系数，并通过DBF控制单元传送给相应的DBF板，进而实现组合全景波束的覆盖。根据下列公式确定DBF加权系数为

(1)

式中：(xn，yn)为第n个阵元的坐标；λ为波长；(θ，φ)为根据全景波束构型设计确定的每个子波束中心角度，是将通常按经纬高坐标定义的子波束覆盖区域中心映射到SMA相控阵天线坐标系中得到的。SMA天线坐标系定义：原点为阵面与地板安装面的几何中心，各坐标轴与卫星坐标系各轴对应平行，其中，卫星坐标系原点位于星箭分离面的几何中心，X轴与卫星东板垂直且向外为正，Y轴与卫星南板垂直且向外为正，Z轴与卫星对地板垂直且向外为正。

3.2 波束构型选择

分析组合全景波束3 dB和1.5 dB交叠的覆盖性能。单星覆盖200～2000 km的航天器，相邻波束按照3 dB交叠，约需要37个波束，张角为±11.5°；相邻波束按照1.5 dB交叠，约需要75个波束，张角为±11.5°。单星覆盖波束交叠示意图如图4所示。

图4 单星覆盖200～2000 km航天器波束交叠图

按照中继卫星轨道位置77°E，176.8°E，16.8°E，90°W进行仿真得到四星星座对200～2000 km航天器覆盖分析。由于部分区域波束重叠覆盖，为减少地面设备数量，提高效费比，部分波束可以不形成，区域全覆盖所需的最少波束数量如表1和表2所示。

表1 单星最少波束覆盖数量分析

表2 四星最少波束覆盖数量分析

全球覆盖200～2000 km航天器，从波束数量角度来看，1.5 dB交叠的波束数量更多；从信号损失角度来看，1.5 dB交叠带来的用户运动到波束边缘信号电平损失更低。由于返向短报文链路预算(如表4所示)较为紧张，综合处理资源和链路预算余量，选择1.5 dB交叠的波束构型。

3.3 协议体制设计

中继卫星系统空间链路协议分层结构参照空间数据系统咨询委员会(CCSDS)建议的空间链路协议五层结构，即物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。SMA全景波束协议体制对物理层的全部内容和要求以及数据链路层的有关内容和要求进行描述，如图5所示。

图5 系统协议分层架构

SMA全景波束系统物理层分为两个子层，射频子层主要包括射频的频率、带宽、功率、极化以及信道特性要求等，编码调制子层主要包括编码、扩频、载波调制的方法以及性能要求。

SMA全景波束系统数据链路层也分为两个子层，同步子层主要用于对传送帧进行定界和同步，链路协议子层主要用于对来自高层的数据或数据单元进行成帧处理，并执行可能数据分割和重组。

分别针对前返向短报文和连续业务，设计了多址方式、扩频方式、调制解调方式、编码方式等，如表3所示。

表3 协议体制

3.4 链路预算

天基测控前向链路信息速率按照2000 bit/s计算，SMA前向接收的系统余量为9.5 dB。返向短报文业务信息速率按照1318 bit/s，终端EIRP按照9 dBW计算，SMA全景波束系统余量为4.6 dB。返向连续业务信息速率按照2000 bit/s，终端EIRP按照9 dBW计算，SMA跟踪波束系统余量为5.7 dB。可见，前返向链路余量高于3 dB的要求。链路预算分别如表4所示。其中，星间距离和星地距离均取42000 km，波尔兹曼常数-228.6。

表4 链路预算

3.5 单星用户容量分析

为满足大量用户的管理信息传输，在SMA全景波束下，采用短报文形式的业务体制，传输基本的状态与信令。下面进行在短报文业务形式下，SMA全景波束系统单颗中继卫星所能支持的系统容量。

用户容量定义为每个用户按照一定的间隔发送短报文，在保证一定的传输成功率条件下(如99%)，系统所能支持的在线用户数量。而短报文容量定义为一个小时内单星所支持的短报文发送次数，取决于一定发送周期内单星所能够容纳的用户容量。由于返向采用扩频ALOHA方式进行短报文传输，用户容量远高于传统的ALOHA系统。

在扩频ALOHA系统中，多个用户可共用同一个扩频码，而使用同一扩频码的两个或两个以上的数据包在时间轴上可能会有重叠的部分，即在信道中发生碰撞，但这些发生碰撞的数据包不一定全部被毁坏，只要它们到达地面的时间差错开几个chip的时间(扩频CDMA固有的时延捕捉特性)，它们便可以被地面站成功接收，因此，用户容量远高于传统的ALOHA系统。

接下来对系统容量指标进行具体核算分析：(1)首先，分析使用同一个扩频码，仅考虑冲突影响时的用户容量，确定一个公共码道所能支持的最大用户数量；(2)然后，分析多址干扰下的用户容量，确定不考虑冲突时系统所能容纳的最大用户数量；(3)最后，联合考虑冲突和干扰影响，分析系统所支持的用户容量、公共码道数量，论证系统短报文容量。

当所有用户短报文有效信息长度为256 bit时，综合考虑冲突和干扰对系统用户容量的影响，通过仿真分析，得到：

1)单码道用户容量约为4000个，略低于不考虑干扰时单码道用户容量4500，证明用户数量较少时多址干扰可忽略；

2)5个码道用户容量约为13000，单码道容量约为2600。

按照系统用户容量13000计算，每个用户每隔10 s发一次短报文，对应的系统容量为13000(256 bit/10 s=333 kbit/s)，此时每小时支持的短报文容量为13000(3600/10=468万次/h)。用户容量与解调门限、可容忍的信噪比恶化程度密切相关，综合系统所服务的用户类型，建议短报文长度256 bit，报文发送时间间隔不小于10 s，单星可服务不少于1000个用户。