小卫星通信系统关键技术论文

  小卫星通信系统具有研发费用少,重量轻,性能稳定,信号覆盖范围广以及不受地域条件限制等优点,能够对当前大型同步轨道的卫星通信进行补充作用,在全球范围内得到广泛应用的同时也受到了众多研究机构的重视,因此对小卫星通信系统的技术进行研究同时具有实践意义和理论意义。

  卫星通信技术在军事、政治、工业、生活等方面均具发挥着重要作用,而相比之下,小卫星则更具有大型同步卫星所无法实现的众多优势而受到国内外研究学者的重视,同时,卫星向小型化趋势发展也是全球卫星产业的主要发展方向。我国从本世纪初期开始着手小卫星的相关研制和发射工作。

  1 小卫星的技术优势

  1.1 荷载较少

  小卫星在每次的的任务中一般仅需要装载一种特殊设备,进而很好地避免了大型卫星中出现的荷载间复杂配比问题。

  1.2 研制时间短、费用低

  小卫星的研制一般只需经过一到两年,同时相关的研究经费也相比大型卫星明显降低,因此更具有经济性,更体现其实践意义。

  1.3 重量轻

  小卫星的重量一般较小,就当前国际情况来看,最微型的小卫星的质量仅有几百克,体积也很小,因此功能密度大,模块可多次利用。

  1.4 信号覆盖范围广

  由于小卫星具有较强的组网能力,因此能够形成精度较高,功能强大而且信号覆盖范围广的星座系统,进而具有易于补网和星座功能稳定的优势。

  1.5 减缓频率压力

  小卫星的星座中包括多颗卫星,可以频率复用,因此具有减小空间任务所具有的频率压力。

  2 小卫星通信系统主要技术简介

  卫星在通信中起着中转作用,即将地球站传送来的信号经过变频和放大转送到另一端的地球站,地球站是卫星与地面信息系统的链接点,用户通过地球站途径进入卫星通信系统中,形成链接的电路信号链;为了确保系统的运行正常,卫星通信系统必须和地面的监测管理系统和测控系统想链接,测控系统能够对通信卫星运行的轨道进行检测和控制,以保证地面检测系统能够对卫星所传送的通信信息进行有效的监控,保证系统安全与稳定的运行。

  小卫星通信的关键技术主要有通信系统的链路预算以及接收机参数估计技术和同步技术等,其中链路预算技术是设计小卫星通信系统的主要计算方法和参考依据,精确的链路预算能够确保通信系统的稳定运行。近年来,通信系统接收技术和相应的算法逐渐由信号模拟技术向数字化转变;由于卫星通信整体码速率有所提升因此对接收机的信息处理速度以及算法的复杂度、同步速度和稳定性也提出了更高的要求;信息传输量的大幅增加使得遥测领域中逐渐采用比特传输速率更高的调制方式;由于卫星通信系统在数字通信过程中的发射机和接收机的晶振不同,以及移动平台引起的多普勒效应,造成发射机和接收机之问会产生相位和频率的偏移,这种多普勒频移一般较高,即便在频偏较大时,接受同步技术也应能够正常工作,即捕获带宽较大。

  3 小卫星通信系统关键技术简介

  3.1 链路预算技术

  Link Budget(链路预算),即对一通信系统中发射设备,传送信道以及接收设备的通信链路的变化情况进行的全面核算,是对小卫星通信系统性能的评价,具体而言是从发射端的信源起始,通过编码、调制、变频等多项操作,将信号通过天线发射出去,再由信道进行传输,最后到达接收天线处由接收机进行信息处理,解调所需信息。其重要性在于:

  (1)可确定系统工作是否满足系统实际需要;

  (2)通过计算链路余量检查系统能否满足设计要求;

  (3)验证在部分设备具有硬件限制的情况下链路其他部分能否进行弥补。

  对于模拟电路来说,该性能指标是基带信道的信噪比;对于数字电路来说,其性能指标是基带信道上测得的误码率;卫星链路分为两种信号路径:由地面站到卫星的上行链路和从卫星到地面站的下行链路,其中上行链路的信号发射过程包括编码→调频→上变频→放大功率等操作,信号从天线传送到小卫星的接收端,而下行链路则包括低噪声放大→下变频→解调→解码等操作,是地面站对接收信号的处理操作。与通信系统链路预算有关的数据因素有天线特性,传输距离最大值,信号发射/接受功率,热噪声,信噪比以及接收系统的质量。

  3.2 同步算法

  无论是接受哪种形式的调制信号,接收机同发射机都必须保持同步,对于数字调频技术而言,有载波同步和码元同步两种基本同步模式,前者是对载波频率以及相位进行估计,后者则是对定时抽样时钟进行估计。由于发射信号在卫星通信的传输过程中必然存在一定延迟,因此产生了载波相位的偏移,同时由于其在传播过程中受到噪声干扰和多普勒效应影响,还会产生频率偏移,因此同步技术是数字通信中的关键技术,研究调制信号的载波同步和码元同步技术能够保障卫星通信系统可靠、有效、快速的运行。由于载波同步算法利用的是判决反馈环路的模型,是在时钟已同步的基础之上才能进行,因此载波同步应位于码元同步滞后才可工作。下面以先码元同步再载波同步的模式为例,如图1所示,模拟信号被天线接收后,由ADC(analog-to-digital converter,模数转换器)转换为数字信号,再将频带信号通过下变频转变为基带信号,之后通过码元同步和载波同步对有载波偏差以及时钟偏差的信号进行估计,最后解调输出,码元同步位于载波同步前,以码元时间为基本数据处理周期,对相关硬件的要求较低,同步性能较好。

  3.3 型号参数盲估计

  卫星通信信号的参数估计是重要的非合作通信接收技术,因为对信号的频率和调制方法等重要数据进行检查和估测是保证解调准确和达到监视、截获信息的目的的重要方法,以便为侦察系统的工作打好基础。小卫星通信系统的常用解调方式有BPSK解调,QPSK解调,CPM解调,SOQPSK解调等。一般情况下,欲通过卫星通信捕捉信号,接收系统的带宽需远大于信号带宽,解应使用宽带接收机。

  4 结语

  小卫星通信系统具有的多重优势使其在当今世界范围内的卫星通信领域得到广泛的应用,吸引了众多研究学者,本文针对其中的几项关键性技术进行了简单说明。卫星通信的作用范围广,涉及的技术种类众多而且较为复杂,需要我们不断进行深入研究和实践,进而推进卫星通信向小型化方向发展。

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