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北京跟蹤與通信技術(shù)研究所
摘 要：本文介紹了小衛(wèi)星及星座的一些基本情況，分析了CDMA技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，初步探討了CDMA技術(shù)在小衛(wèi)星測(cè)控方面的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：測(cè)控技術(shù)；小衛(wèi)星；星座；移動(dòng)通信；碼分多址技術(shù)
一、概 述
近年來(lái)，大規(guī)模集成電路、計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)飛速發(fā)展，推動(dòng)了小型化、智能化的現(xiàn)代小衛(wèi)星的出現(xiàn)。小衛(wèi)星由于具有體積小、重量輕、研制周期短、系統(tǒng)投資少、發(fā)射成本低、風(fēng)險(xiǎn)小、專用性強(qiáng)、技術(shù)性能先進(jìn)等特點(diǎn)，已經(jīng)在空間通信、導(dǎo)航、衛(wèi)星定位等方面得到了廣泛應(yīng)用，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)以及軍事安全等方面有著不可估量的用途和重要性。20世紀(jì)90年代以后，小衛(wèi)星的發(fā)展更加趨于多樣化，小衛(wèi)星的應(yīng)用領(lǐng)域也更加廣泛。小衛(wèi)星編隊(duì)飛行、小衛(wèi)星組網(wǎng)、一箭多星的具體實(shí)現(xiàn)，對(duì)小衛(wèi)星以及小衛(wèi)星星座測(cè)控技術(shù)提出了新的要求。
小衛(wèi)星編隊(duì)飛行、小衛(wèi)星星座組網(wǎng)等需要我們現(xiàn)有的測(cè)控網(wǎng)能夠提供對(duì)多星同時(shí)測(cè)控的技術(shù)支持。根據(jù)碼分多址（CDMA）特有的機(jī)制，可以比較方便地實(shí)現(xiàn)我們對(duì)多星同時(shí)測(cè)控的技術(shù)要求，它可以利用不同的碼序列，可同時(shí)支持多星測(cè)控與通信。而我國(guó)目前尚無(wú)星座測(cè)控的經(jīng)驗(yàn)，測(cè)控方法和體制的研究還在進(jìn)一步的研究中。本文先分析CDMA的一些基本知識(shí)，同時(shí)從它的體制和特點(diǎn)出發(fā)具體分析它對(duì)多星同時(shí)測(cè)控技術(shù)的具體支持，然后分析和探討它在小衛(wèi)星星座測(cè)控中應(yīng)用。
二、CDMA的基本概念
目前，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱3G）正處于深入的研究和熱烈的討論階段。在國(guó)際電信聯(lián)盟中，稱第三代網(wǎng)絡(luò)為國(guó)際移動(dòng)通信－2000（IMT－2000），在歐洲稱其為個(gè)人移動(dòng)通信系統(tǒng)（UMTS）。IMT－2000將提供多種業(yè)務(wù)，尤其是多媒體和高比特率分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。第三代網(wǎng)絡(luò)的主流空中接口解決方案寬帶碼分多址（WCDMA）已經(jīng)形成。目前，在歐洲、日本、韓國(guó)和美國(guó)，寬帶CDMA系統(tǒng)正在標(biāo)準(zhǔn)化。CDMA是基于擴(kuò)頻通信的一種多址方式，它是在通信中用不同的地址碼來(lái)區(qū)分不同地址目標(biāo)的信號(hào)。其基本原理是：利用自相關(guān)性比較弱的周期性碼序列作為地址信息（稱為地址碼），用它對(duì)用戶信息擴(kuò)頻。經(jīng)過(guò)反向信道傳輸后，在接收端以本地產(chǎn)生的已知的前述地址碼為參考，根據(jù)相關(guān)性的差異對(duì)收到的所有信號(hào)進(jìn)行鑒別，從中將地址碼與本地碼完全一致的寬帶信號(hào)解擴(kuò)還原為窄帶而選出，其他與本地碼無(wú)關(guān)的信號(hào)則仍保持或被擴(kuò)展為寬帶信號(hào)而濾去。
CDMA以擴(kuò)頻技術(shù)為基礎(chǔ)，因此它具有擴(kuò)頻通信所固有的優(yōu)點(diǎn)：
�。�1）抗干擾能力強(qiáng)
CDMA采用寬帶傳輸，將有用信號(hào)和干擾信號(hào)頻譜能量都加以擴(kuò)散，在接收端利用PN序列的相關(guān)特性進(jìn)行相關(guān)處理，對(duì)有用信號(hào)頻譜能量壓縮集中。干擾和噪聲因與PN碼不匹配而被抑制，因此大大提高了信噪比，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。
�。�2）抗多徑衰落
CDMA可提供多種形式的分集接收時(shí)間分集、頻率分集、空間（路徑）分集等，大大降低了多徑衰落。CDMA將信號(hào)能量擴(kuò)展到很寬的頻帶中，從而得到頻率分集；時(shí)間分集可通過(guò)使用交織和糾錯(cuò)編碼來(lái)達(dá)到最大效果；空間（路徑）分集可通過(guò)軟切換、Rake接收機(jī)等來(lái)實(shí)現(xiàn)。
�。�3）安全保密性高
CDMA在低功率譜密度下傳輸，有用信號(hào)功率比干擾信號(hào)功率低得多，信號(hào)仿佛淹沒(méi)在噪聲之中，具有較強(qiáng)的防截獲能力。另外，CDMA采用PN碼調(diào)制，不掌握發(fā)射信號(hào)的PN碼規(guī)律，要進(jìn)行解擴(kuò)是很困難的。這些都體現(xiàn)了CDMA安全、保密的特點(diǎn)。
衛(wèi)星通信中的地址碼擴(kuò)頻調(diào)制通常采用直接序列調(diào)相擴(kuò)頻（DS）方式，它屬于直接型的PSK調(diào)制，地址碼用偽隨機(jī)序列，通常記為CDMA／DS或CDMA／PSK／DS，只有當(dāng)?shù)刂反a速率遠(yuǎn)大于信碼速率時(shí)，直接序列擴(kuò)頻調(diào)制后的頻譜寬度才會(huì)極大地展寬。
三、CDMA技術(shù)應(yīng)用于小衛(wèi)星星座的測(cè)控與通信
同地面蜂窩移動(dòng)通信的情況一樣，衛(wèi)星通信的多址技術(shù)也有頻分、時(shí)分、碼分等幾種形式。使用FDMA技術(shù)，由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的非線性而形成的交調(diào)干擾，就要避開(kāi)一部分頻帶不用，還要用衛(wèi)星功率進(jìn)行“補(bǔ)償”以進(jìn)一步降低交調(diào)干擾，這樣就浪費(fèi)了衛(wèi)星功率和頻帶等寶貴資源；TDMA可以克服交調(diào)現(xiàn)象，但又面臨著同步問(wèn)題。由于衛(wèi)星地面通信站安裝在運(yùn)動(dòng)物體上，運(yùn)動(dòng)物體迅速移動(dòng)，要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)地面站往衛(wèi)星同步地發(fā)射信號(hào)顯然很困難。CDMA使用不同的擴(kuò)頻序列，相互間影響較小，頻帶重復(fù)利用率高。與傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定向傳輸?shù)男l(wèi)星通信不一樣，衛(wèi)星移動(dòng)通信是一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的全向性傳輸，必須采用擴(kuò)頻技術(shù)提高抗多徑干擾能力。在CDMA中還可采用諸如話音激活、頻率復(fù)用、扇區(qū)劃分等技術(shù)來(lái)增加系統(tǒng)容量，而在FDMA和TDMA中擴(kuò)容技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度較大。在全球衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，若采用CDMA技術(shù)，則具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、靈活、抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)容量潛力大、成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)。所以，在衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中采用CDMA技術(shù)是適宜的。
1．目前國(guó)外小衛(wèi)星及小衛(wèi)星星座測(cè)控的趨勢(shì)
目前，國(guó)外小衛(wèi)星在發(fā)展上更加追求小衛(wèi)星的自主性，對(duì)地面系統(tǒng)的需求和依賴也在盡量減少。同時(shí)，小衛(wèi)星的應(yīng)用和操作也力求簡(jiǎn)潔和方便，要求通用性增加；不同的應(yīng)用需求也不斷推進(jìn)了小衛(wèi)星的應(yīng)用領(lǐng)域，這樣小衛(wèi)星編隊(duì)飛行、小衛(wèi)星組網(wǎng)、小衛(wèi)星星座組網(wǎng)技術(shù)不斷在相關(guān)需求的推動(dòng)下產(chǎn)生，同時(shí)為了盡可能地減少發(fā)射費(fèi)用，一箭雙星，一箭三星甚至一箭多星等紛紛在具體發(fā)射中出現(xiàn)。傳統(tǒng)的地面測(cè)控系統(tǒng)為了滿足多星同時(shí)測(cè)控的要求，需要做大的改動(dòng)，同時(shí)要花費(fèi)大量的成本，另外也會(huì)給本來(lái)已經(jīng)很緊張的測(cè)控頻率資源提出許多可能滿足不了的要求。在這樣的情況下，在小衛(wèi)星測(cè)控領(lǐng)域，新的測(cè)控體制和通信制式就顯得越來(lái)越重要。目前，國(guó)際上在星座測(cè)控上越來(lái)越多地應(yīng)用了擴(kuò)頻技術(shù)和CDMA技術(shù)。
國(guó)外報(bào)道較多的小衛(wèi)星系統(tǒng)多為民用移動(dòng)通信系統(tǒng)，已完成從單星到星座系統(tǒng)的發(fā)展，如美國(guó)軍方接管的“銥系統(tǒng)”（Iridium，66顆星，原來(lái)屬于Motoro－la）、Bill Gates參與投資的Teledesic（288顆星）、Globalstar（52顆星）、ORBCOMM、Odyssey、Aries、Ellip－so、Calling等系統(tǒng)都屬于該類應(yīng)用系統(tǒng)，主要業(yè)務(wù)涉及語(yǔ)音、數(shù)據(jù)通信等領(lǐng)域，其中Globalstar、Aries和Odyssey采用了CDMA技術(shù)。
隨著軍事的需要和航天技術(shù)的發(fā)展，載人航天、中低軌航天器測(cè)控的要求，測(cè)控體制的發(fā)展趨勢(shì)必為從地基向天基過(guò)渡，以提高測(cè)控覆蓋率。美國(guó)已建成跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS），完成跟蹤測(cè)軌和數(shù)據(jù)中繼，實(shí)現(xiàn)了天基測(cè)控。CDMA應(yīng)用在TDRSS的MA反向通信業(yè)務(wù)中，各用戶星使用不同的地址碼和同一載波頻率，同時(shí)和中繼星進(jìn)行通信，傳送低速數(shù)據(jù)并完成對(duì)用戶星的測(cè)距功能。
2．CDMA技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用背景
我國(guó)現(xiàn)有的航天測(cè)控通信網(wǎng)是隨著航天器的研制逐步建設(shè)起來(lái)的，頻段、體制繁多，已先后建成了超短波近地衛(wèi)星測(cè)控網(wǎng)、C頻段衛(wèi)星測(cè)控網(wǎng)和S頻段航天測(cè)控網(wǎng)。
隨著我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)有的C、S兩大骨干測(cè)控網(wǎng)面臨著新的挑戰(zhàn)，對(duì)測(cè)控網(wǎng)精度、測(cè)控網(wǎng)的覆蓋能力、高數(shù)據(jù)率提出了更高的要求。我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展應(yīng)用的一類航天器小衛(wèi)星、衛(wèi)星星座及編隊(duì)組網(wǎng)，要求測(cè)控網(wǎng)具有對(duì)多星發(fā)射任務(wù)的業(yè)務(wù)支持能力，能夠?qū)Χ囝w衛(wèi)星提供入軌段和早期軌道段的測(cè)控和通信支持，具備在軌運(yùn)行段對(duì)較多衛(wèi)星的綜合管理能力；針對(duì)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，JKI技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)也是很重要的，我們可以給中繼星跟蹤的一個(gè)波束內(nèi)的多顆衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)服務(wù)和測(cè)控支持，也可以反向接收多顆衛(wèi)星的數(shù)傳業(yè)務(wù)需求。
低軌通信小衛(wèi)星星座系統(tǒng)的測(cè)控與同步衛(wèi)星、單顆中低軌衛(wèi)星測(cè)控相比有如下特點(diǎn)：
�。�1）多目標(biāo)同時(shí)測(cè)控
星座系統(tǒng)通常采用一箭多星發(fā)射技術(shù)，星箭分離后的入軌段需要在短時(shí)間內(nèi)將多顆星部署到各自的指定位置，而運(yùn)行段同時(shí)過(guò)境的衛(wèi)星往往不止一顆，因此要求地面必須有多站分別對(duì)多星同時(shí)測(cè)控或由一站同時(shí)對(duì)多星進(jìn)行測(cè)控。
�。�2）傳輸鏈路要求較低
對(duì)于低軌通信小衛(wèi)星星座，由于無(wú)高速數(shù)據(jù)傳輸要求，采用小型天線即可滿足上下行鏈路傳輸要求。
�。�3）低成本管理
一般小衛(wèi)星運(yùn)行管理費(fèi)為整個(gè)系統(tǒng)十分之一以下，要求測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高。
�。�4）測(cè)控?cái)?shù)據(jù)量較低
作為短數(shù)據(jù)通信星座系統(tǒng)，與對(duì)地觀察衛(wèi)星系統(tǒng)相比，衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳量較低。
�。�5）測(cè)控系統(tǒng)獨(dú)立于GPS
要求能完成獨(dú)立于GPS等定位系統(tǒng)的衛(wèi)星定軌，平時(shí)可利用星載GPS輔助完成星上測(cè)軌，提高測(cè)軌定位精度。由此可見(jiàn)，同單星測(cè)控相比，星座測(cè)控主要不同之處在于多星同時(shí)測(cè)控的要求，同時(shí)還要考慮星座系統(tǒng)的測(cè)控站必須建在境內(nèi)的限制條件。采用CD－MA測(cè)控技術(shù)，不同衛(wèi)星采用不同擴(kuò)頻碼字進(jìn)行區(qū)分，可以實(shí)現(xiàn)多星同時(shí)測(cè)控。
3．CDMA機(jī)制在我國(guó)航天測(cè)控系統(tǒng)中的可能應(yīng)用分析
�。�1）第一種需求分析
作為小衛(wèi)星星座發(fā)射任務(wù)，一般采用一箭多星技術(shù)。衛(wèi)星在空中的星箭分離一般采用兩兩分離技術(shù)或者一顆一顆逐步分離技術(shù)，然后讓其利用星箭分離時(shí)火箭提供的離心力逐步自旋分離開(kāi)。作為小衛(wèi)星進(jìn)行星座組網(wǎng)，一般要求小衛(wèi)星的自主能力比較強(qiáng)，根據(jù)我國(guó)的疆域覆蓋情況，我們不可能實(shí)現(xiàn)全球布站對(duì)小衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)控制，因此，只能是在關(guān)鍵弧段布站進(jìn)行測(cè)控，星箭分離點(diǎn)是我們進(jìn)行控制的一個(gè)關(guān)鍵弧段，但此時(shí)，天線波束內(nèi)會(huì)有多個(gè)目標(biāo)，怎樣實(shí)現(xiàn)控制是一個(gè)重要的問(wèn)題�；蛘�，我們的小衛(wèi)星有比較強(qiáng)的自主能力，按照慣例，小衛(wèi)星在我國(guó)境內(nèi)發(fā)射，一般要在我國(guó)臺(tái)灣島的東南上空至南太平洋上空的空域內(nèi)實(shí)施星箭分離；我們可以讓衛(wèi)星自主漂移到國(guó)內(nèi)上空時(shí)再實(shí)施衛(wèi)星控制，根據(jù)衛(wèi)星自旋離心的估算，在國(guó)內(nèi)衛(wèi)星地面測(cè)控站的天線波束內(nèi)還是可以同時(shí)觀測(cè)到多個(gè)目標(biāo)，根據(jù)CDMA的體制，我們?cè)谔斓兀ㄐl(wèi)星－地面測(cè)控站）之間采用一種新的測(cè)控機(jī)制，利用CDMA的地址碼，區(qū)分不同的用戶，這樣就可以方便實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星控制了，而且采用這種機(jī)制，利用擴(kuò)頻技術(shù)和加密技術(shù)結(jié)合，還能根據(jù)實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信的通信保密和安全性控制。
（2）第二種需求分析
作為我國(guó)載人航天工程的后續(xù)工程，空間交會(huì)對(duì)接的任務(wù)也可以根據(jù)CDMA測(cè)控體制進(jìn)行交會(huì)對(duì)接過(guò)程的具體控制。作為交會(huì)對(duì)接，一般過(guò)程是利用一個(gè)主動(dòng)飛行器追另一個(gè)被動(dòng)飛行器的過(guò)程，我們通過(guò)控制主動(dòng)飛行器的姿態(tài)和軌道，不斷接近待對(duì)接的被動(dòng)飛行器；在對(duì)接的實(shí)施關(guān)鍵時(shí)候，一般通過(guò)飛行器上的自主設(shè)備和地面的精確控制，實(shí)施2個(gè)飛行器的對(duì)接。但目前國(guó)內(nèi)在衛(wèi)星定軌精度上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能達(dá)到空間飛行器的對(duì)接精度要求（0．01 m數(shù)量級(jí)），更多的靠空間飛行器的自主控制。作為整個(gè)對(duì)接過(guò)程，我們一般要在一個(gè)站內(nèi)，有可能是一個(gè)天線波束內(nèi)同時(shí)可見(jiàn)2個(gè)飛行器，關(guān)鍵時(shí)候需要我們對(duì)2個(gè)飛行器分別或同時(shí)實(shí)施控制，這利用常規(guī) 的測(cè)控體制已經(jīng)很難達(dá)到我們的同時(shí)測(cè)控要求，利用CDMA＋TDMA技術(shù)，我們可以完成這個(gè)任務(wù)。
4．利用CDMA體制進(jìn)行衛(wèi)星控制和通信的初步想法
下面針對(duì)我國(guó)現(xiàn)狀，探討在我國(guó)利用CDMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)小衛(wèi)星星座組網(wǎng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。
衛(wèi)星的遙測(cè)、遙控以及衛(wèi)星測(cè)距綜合到一個(gè)信道上完成，在對(duì)單一衛(wèi)星進(jìn)行控制時(shí)，利用地址碼的不同，區(qū)分不同用戶。上行的測(cè)距、遙控信號(hào)到達(dá)星上的CDMA應(yīng)答機(jī)，分配給不同用戶（測(cè)距終端、遙測(cè)終端），測(cè)距終端把測(cè)距信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到下行編排計(jì)算機(jī)，遙控終端再執(zhí)行遙控指令，同時(shí)把執(zhí)行結(jié)果發(fā)送到遙測(cè)采編單元，與其他遙測(cè)信號(hào)一塊經(jīng)過(guò)星上遙測(cè)信號(hào)采編單元統(tǒng)一采編之后，發(fā)送到下行編排計(jì)算機(jī)；所有下行信號(hào)經(jīng)下行編排計(jì)算機(jī)統(tǒng)一編排，再由發(fā)射機(jī)發(fā)射到地面。如果天上是多用戶（即多個(gè)衛(wèi)星），天上衛(wèi)星的CDMA應(yīng)答機(jī)根據(jù)地址碼的不同，只接收發(fā)送給自己信號(hào)，而不接收其他用戶信號(hào)，就可以區(qū)分不同用戶了。
衛(wèi)星測(cè)距采用偽碼序列（如小m碼、Gold碼序列實(shí)現(xiàn)），遙測(cè)與遙控調(diào)制方式采用DQPSK，信道編碼采用卷積編碼，多址方式為CDMA，其他的具體參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)與控制。
四、結(jié)束語(yǔ)
采用CDMA體制進(jìn)行小衛(wèi)星的控制與通信是一個(gè)全新的概念，在我國(guó)的航天測(cè)控通信領(lǐng)域還從來(lái)沒(méi)有實(shí)施過(guò)，具體實(shí)現(xiàn)起來(lái)肯定會(huì)有許多困難，如功率控制問(wèn)題、多衛(wèi)星、多任務(wù)、多站可見(jiàn)的情況下地面控制中心的實(shí)現(xiàn)難度比較大等。但總的來(lái)說(shuō)，在技術(shù)發(fā)展日新月異的今天，我們應(yīng)該嘗試很多新的思路和技術(shù)。同時(shí)，CDMA技術(shù)也是國(guó)際航天領(lǐng)域發(fā)展的新動(dòng)向，國(guó)際上的航天測(cè)控標(biāo)準(zhǔn)CCSDS標(biāo)準(zhǔn)體制就參考了CDMA體制的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
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摘自 北極星電技術(shù)網(wǎng)
