《数据中继卫星毕业论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数据中继卫星毕业论文.doc（26页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、摘要跟踪与数据中继卫星以其能较大幅度地覆盖和转发地球站对中、低轨道航天器的跟踪测控信号并对中、低轨道航天器发回地面的数据、图像、话音等信息进行实时、连续的中继等优势，逐渐成为发展航天技术越来越重要的项目。本文对TDRSS的发展概况和基本理论作了研究，并对TDRSS的未来发展趋势做了探讨。本文主要阐述了数据中继卫星的关键技术是高速率数据传输以及美欧日TDRSS的互操作和联网计划。最后对本文进行了总结，并且对TDRSS的未来发展进行了简单的展望。关键词：TDRSS, 高速数据传输，跟踪与数据中继卫星，天基测控Abstract Follow with data after the satellite
2、 with it can a little bit significantly overlay and forward the Earth station to measure to control signal to the medium and low orbit aerospace machines following and send back a ground to the medium and low orbit aerospace machine of the informations, such as data, picture and words sound.etc. car
3、ry on solid, continuous of medium after etc. advantage, Be gradually come developing an aerospace technique more and more important item.This text made a research to TDRSS development general situation and basic theories, and did a study to the TDRSS future development trend. This text mainly elabor
4、ated a data in is a high speed rate after the key technique of satellite the data deliver and the West day TDRSS of with each other operation and unite a net plan. Finally carried on to tally up to this text, and carried on a simple outlook to the TDRSS future development.Key words: TDRSS, high rate
5、 data transmission, space-based observe & control目录摘要IAbstractII目录III第一章 绪论11.1 数据中继卫星的发展概况11.1.1 美国跟踪与数据中继卫星系统11.1.2 欧空局的数据中继卫星系统21.1.3日本的数据中继卫星系统31.1.4 我国的数据中继卫星系统41.2 TDRSS的研究现状及课题意义51.2.1 跟踪与数据中继卫星系统的优点51.2.2 数据中继卫星系统的缺点61.2.3 数据中继卫星系统的未来发展趋势6第二章 数据中继卫星系统的基础理论研究72.1 数据中继卫星系统的组成72.2 数据中继卫星系统的链路72
6、.3 数据中继卫星系统的性能参数与微波频段82.3.1 TDRSS的性能参数82.4 TDRSS的技术体制82.4.1 频段分配82.4.2 调制方式和多址联接方式82.4.3 用户数据实时分发技术102.5 甚小天线地球站（VSAT）卫星网络系统10第三章 美欧日TDRSS的互操作与联网计划12第四章 星间链路的高速率数据传输144.1 引言144.2 定时恢复算法及实现144.2.1 定时相位误差的影响144.2.2 包络平方DFT定时恢复算法154.2.3 包络平方定时算法的FPGA实现164.3 计算机仿真结果184.4 结 语19第五章 总结与展望205.1 总结205.2 展望20
7、参考文献21致谢22第一章 绪论 1.1 数据中继卫星的发展概况跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS），以其能较大幅度地覆盖和转发地球站对中低轨道航天器的跟踪测控信号并对中低轨道航天器发回地面的数据、图像、话音等信息进行实时、连续的中继等优势，逐渐成为发展通信技术越来越重要的项目。1.1.1 美国跟踪与数据中继卫星系统第一代系统1983年4月4日，美国挑战者号航天飞机发射了第一颗“跟踪与数据中继”(TDRS)卫星，直至1993年1月第6颗TDRS卫星发射后，该系统具备了在轨运行和轨道备份能力，这才真正完成了其组网过程。由于发射失败和卫星本身故障，直到1991年发射第5颗TDRS时，美国一直只能保
8、证一颗完好的卫星在轨，虽然其间也曾有过两颗工作卫星在轨的情况，但没有足够的轨道备份。尽管如此，这种卫星系统已发挥了很大作用，曾为12种以上各种中低轨道航天器提供跟踪与数据中继业务。2第二代系统根据中低轨道航天器，特别是当时自由号空间站发展的需要，美国航宇局计划发展新一代系统，称为“高级跟踪与数据中继卫星”。2000年6月30日，一枚宇宙神2A火箭在卡纳维拉尔角成功地发射了数据中继卫星TDRSH。该卫星是由休斯公司制造的3颗卫星（TDRSH,I和J）中的第一颗。这3颗卫星将用来补充和增强现有TDRS系统的功能，并将提供带宽更宽、调频更灵活的空间数据和图像的中继。现有的TDRS已经为航天飞机和其它
9、在轨航天器提供了近20年的通信服务。TDRS系统将作为美国空间通信的枢纽。第二代TDRS卫星将具有数据传输和为地面和空间提供近似连续的通信联系的双重能力。这种新卫星将增加TDRS卫星系列Ka波段通信 能力，其数据传输速率可达800Mb/s，并使之不受日益增强的无线电信号的影响。同时S波段的相控阵天线可以一次接收5个航天器的信号，并同时向1个航天器传输数据。TDRS卫星具有国际兼容性，可通过Ka波段与日本和欧空局的中继卫星相兼容，以便在紧急情况下相互支持。美国航宇局计划分别在2002年9月和2003年3月发射TDRSI和TDRSJ卫星。为保证上述工作能力，美国还建立了完善的地面支持系统。第一个白
10、沙站配置了3副18.3m的天线，用于向TDRS馈送数据；一副6m S频段天线,用于紧急情况下的遥测信号接收和遥控指令发射；1副4.5m Ku频段天线和1副3m S频段天线用于用户航天器的模拟。第二个白沙站于1995年春投入使用，将为美国航宇局的天基网用户提供高可用性指令和控制能力及更高级的服务。TDRS系统这一天基网将是国际空间站和其它用户航天器及其地面支持部分的主要通信关口。3第一、二代TDRS卫星所能提供的跟踪与数据中继能力比较（见表）从表中可以看出，第二代卫星的S、Ku、Ka频段单址能力没有变化，而多址能力，返回与前向链路则分别提高了60倍和30倍。1.1.2 欧空局的数据中继卫星系统1
11、989年，欧空局（ESA）制定了分两步走的数据中继卫星发展计划，即“数据中继和技术任务”（DRTM）计划。DRTM包括两部分：“高级中继和技术任务”（Artemis，简称阿蒂米斯）和“数据中继卫星”（DRS）。2001年7月12日，阿蒂米斯卫星发射升空。由于火箭故障，阿蒂米斯卫星没有进入预定轨道，只到达了一条较低的轨道。经过18个月的努力，ESA于2003年1月31日成功地使该卫星进入了正确的轨道。考虑到日本数据中继的需要，阿蒂米斯卫星的轨道位置由最初的东经16.5改为东经21.5。由于技术难度较大，DRTM计划进展缓慢。到目前为止，欧洲只有一颗在轨运行的阿蒂米斯试验型中继卫星。虽然阿蒂米斯卫
12、星只是一颗演示验证星，但它对于欧洲的空间任务来说却是至关重要的。阿蒂米斯将在下个年代前半期到达寿命期限，到时欧洲空间任务的通信能力将出现一个相当大的缺口。随着欧洲“全球环境和安全监视”（GMES）计划的实现，预计欧洲空间通信基础设施每天将需要从空间到地面传输6TB的数据。在较短的时间延迟内交付如此大的数据量，给当前的通信基础设施带来了挑战，因为常规的通信手段可能不足以满足地球观测数据用户的需要。另外，当前欧洲依赖非欧洲地面站的可用性来接收地球观测卫星的数据。因为这些至关重要的空间资产可能不在欧洲的控制之下，所以给欧洲的战略独立性带来了潜在的威胁。因此，出于战略目的，2008年6月27日，欧空局
13、发布了新的中继卫星“欧洲数据中继卫星”（EDRS）系统计划。2008年11月，欧空局部长会议批准了该计划，投资经费约为1.542亿欧元。2009年2月17日，EDRS计划正式启动。EDRS计划旨在进行欧洲数据中继卫星系统的开发和运行，提供了应对上述挑战的一个解决方案。1DRS的有效载荷DRS卫星的S、Ka频段单址业务使用一副可同时工作在S和Ka频段的反射器天线。DRS与“阿蒂米斯”相比，增加了S频段多址业务，使用相控阵天线，多址阵元前向链路为24个，返回链路为48个。增加S频段多址天线后，DRS可提供多个数据信道，至少在前向链路中可增加一个以上用户，返回链路可增加两个以上用户，而“阿蒂米斯”在
14、某一时刻只能处理一个用户航天器的信息。2DRS主要承担的任务（1）为欧洲、北非和大西洋地区的汽车、卡车、火车和轮船提供声音和数据通信服务；（2）与美国的GPS导航系统和俄罗斯的GLONASS导航系统的导航信号具有兼容性；（3）为在轨卫星提供高速的数据传输链路。EDRS的任务目标EDRS计划包括EDRS的研制、发射和运行，其主要目标是： （1）根据达成的针对卫星标称寿命（15年）的服务级协议（SLA），通过卫星为 ESA提供必要的数据中继和相关服务。假定 GMES和国际空间站（ ISS）用户的需求比较成熟，且已确定了其时间范围，则优先向这两个用户提供服务。但是， EDRS计划的远期目标是向整个
15、ESA用户部门（包括运载火箭和伽利略导航系统）提供充足的全球数据中继卫星服务。 （2）通过和 ESA之外的商业/政府用户共同使用该卫星，促进卫星数据中继服务市场的发展。 （3）借助于 EDRS和用户部门（地球观测卫星、无人机等）技术方案的可用性，支持光学数据中继卫星技术的标准化和使用。 （4）通过与运营商/服务提供商之间的公私合作关系，实现一个经济有效的计划来开发 EDRS。1.1.3日本的数据中继卫星系统日本十分重视数据中继与跟踪卫星的发展，其发展分四步走：第一步是利用工程试验卫星6号进行试验；第二步是利用通信工程试验卫星进行试验；第三步是利用光学轨道间通信工程试验卫星进行试验；第四步是发射
16、两颗实用型数据中继技术卫星。日本工程试验卫星6号于1994年8月发射，但是未进入预定轨道，不过仍进行了S波段中继链路、Ka波段中继链路、激光通信链路数据中继试验。日本通信工程试验卫星原计划与日本先进地球观测卫星进行数据中继试验，并与美国航宇局、欧洲空间局的卫星进行系统互操作试验，但因为火箭故障使该星受损而无法使用。2002年9月10日，日本成功发射了数据中继试验卫星-W，该卫星主要用来试验数据中继技术。2005年8月23日，日本发射了光学轨道间通信工程试验卫星。该卫星为600千克（发射质量）的三轴稳定卫星，运行在550千米高度的圆轨道，设计寿命为年。该卫星的使命是通过与“阿蒂米斯”进行光通信试
17、验，验证卫星之间的大容量光通信功能，为未来空间活动做准备，包括用地球观测卫星进行全球性数据采集和为载人航天任务提供稳定的通信，因为光通信可提供带宽比较宽的射频和比较轻的空间设备。光学轨道间通信工程试验卫星与阿蒂米斯卫星之间的光学链路试验持续到2006年，并在不同的环境条件下建立几种光学链路，以完全证明光学轨道间通信工程试验卫星技术。光学技术用于数据中继具有几种优点：提供高数据率的能力、低功率终端、实现安全且抗干扰的通信。地球观测、电信业务、科学应用及太空运行能够真正地受益于这种数据传输的新方法。2006年3月22日31日，日本国家信息通信技术研究所光学地面站与光学轨道间通信工程试验卫星之间成功
18、地进行了光学通信试验。这是世界首度成功进行的低地球轨道卫星与地面站间的光学通信试验。2006年6月7日，日本利用激光束成功进行了光学轨道间通信工程试验卫星与德国宇航中心移动地面站之间的光学通信试验，这次试验成功意味着利用一颗卫星与移动光学地面站建立灵活的光学通信网络的可能性。在积累一定的经验后，日本最终将发射两颗实用型数据中继技术卫星。另外美国航宇局、欧洲空间局和日本宇宙探索局都在发展S、Ka波段的数据中继与跟踪系统，三方拟建立互操作系统，以实现三方联网。但极力追求某项功能的先进性使得日本在航天活动中屡屡失败，这是其硬伤。1.1.4 我国的数据中继卫星系统 2008年4月25日23时35分，中
19、国首颗数据中继卫星“天链一号01星”在西昌卫星发射中心由“长征三号丙”运载火箭成功发射升空。“天链一号”由中国空间技术研究院为主研制，采用成熟的“东方红三号”通用平台并突破多项关键技术，在轨寿命8年，有效载荷302kg，513所为中继卫星提供测控、供配电等共计13太设备。其中，遥测视频调制器等设备为该卫星起到举足轻重的作用，其发射成功填补了中国中继卫星领域的空白。除了正在运行的天链一号01星之外，中国下一代数据中继卫星系统正在紧锣密鼓的推进之中。其将采用东方红四号平台。东四平台是我国近年来在成功开发东三平台基础上，航天科技者通过技术升级和科学探索推出的新一代航天卫星平台，将会成为中国今后十几年
20、内各类大卫星的主要载荷平台。东四平台能力大幅度提高：平台设计寿命达15年，采用全三轴稳定控制方式，输出总功率为10.5千瓦，并具有扩展到10千瓦以上的能力，可为有效载荷提供功率约68千瓦，整星最大发射重量可达5200千克，并且在姿态控制和在轨定点控制达到了国际先进水平。此外中国还在研究对月球轨道进行中继卫星测控的方案，为未来的中国载人登月计划做充足的准备。中国航天将逐步完善天链系统和光学，红外等多线以及SAR雷达成像和合成孔雷达卫星的预警体系，建立属于中国自己的天基系统平台 。1.2 TDRSS的研究现状及课题意义1.2.1 跟踪与数据中继卫星系统的优点高频段电波的直线传播特性和地球曲率的影响
21、，使测控站跟踪中低轨道航天器的轨道弧段和通信时间受到限制，跟踪与数据中继卫星相当于把地面上的测控站升高到了地球静止轨道的高度，一颗卫星就能观测到大部分在近地空域内飞行的航天器，两颗卫星组网就能基本上覆盖整个中低轨道的空域。因此由两颗卫星和一个测控站所组成的跟踪与数据中继卫星系统，可以取代配置在世界各地由许多测控站构成的航天测控网。TDRSS是充分利用太空的高空资源，把地面的测控及通信站搬到空间地球静止轨道的卫星上去。只要发射两颗星，空间角位置上间距130度，便对所有轨道高度约1200公里至12000公里近地轨道飞行器可实现100的连续跟踪覆盖，对轨道高度约200公里的飞行器，也可实现85覆盖。
22、所有用户飞行器、空间站核心站，可利用TDRSS中的任一颗进行双工通信。TDRSS星收集所有用户星的数据，编排成帧后，再与单一地球站建立通信链路，TDRSS和地球终端站就成为太空和地球之间建立通信联系的唯一信息港。地球站通过TDRSS可间接与用户星建立通信链路，借助TDRSS的中继，地球站可对各用户星测轨定位跟踪与数据中继卫星可以摆脱对绝大多数地球站的依赖，而自成一独立的专用系统，更有效地为军事服务。能大量减少地面站的数目，节省经费。只需保留用于5000km以上的航天器的地面站；所有中、低轨道航天器都集中控制，使设备和人员得以充分利用，同时使通信业务的调动十分方便；强大的跟踪和数据传输能力。TD
23、RSS的多址勤务能同时跟踪20个低速用户航天器，单址勤务可同时跟踪2-4个高速率用户航天器，最高数传能力达300Mb/s。1.2.2 数据中继卫星系统的缺点不能跟踪高轨道和高椭圆轨道的卫星，这是由于中继卫星的跟踪视场造成的，其多址勤务的视场为26，单址勤务的视场稍微大一些，其天线波束的可控范围为45。提高了对用户的要求。用户航天器与中继卫星的距离为42000km，远大于用户航天器与地面的距离。要求用户航天器加大发射功率，采用高增益的窄波束天线。TDRSS位置固定，而且所有中、低轨道用户都由该系统控制，因此一旦TDRSS受到干扰或者破坏，整个系统将陷于瘫痪状态1.2.3 数据中继卫星系统的未来发
24、展趋势（1）由于系统技术复杂，各国在正式组网前均在关键技术进行了卫星塔载实验，各系统运行方式上有相互组网的要求。（2）随着信息流量的爆炸性增长，目前以微波为载体的空间卫星通信技术逐渐暴露出其自身的弱点，即随着通信数据率的提高，作为传统手段的微波开始逐渐接近其最高传输率的理论瓶颈。在此背景下，人们自然把目光转移到了以激光作为信号载体的光通信，期待依靠激光通信的高数据传输率来解决问题。（3）跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)是在航天技术领域实现天地一体化综合信息网的重要组成部分，他在军事战略、战术和民用方面均具有重要地位和广阔的发展前景。就其高速数据传输业务来讲，天上中、低轨道用户航天器和数据中
25、继同步卫星与地面上终端站构成一个实时的、宽带的大地数据传输链，其数据速率从40 Mb/s到几百Mb/s，甚至将来更高的Gb/s水平。这就需要一个高速数据的宽带传输的调制解调信道。（4）通信数据率越来越高，通信频段向更高频段发展；第二章 数据中继卫星系统的基础理论研究2.1 数据中继卫星系统的组成中继卫星系统一般由3 个部分组成。（1）空间段中继卫星系统的空间段为配置于静止轨道上的两颗或多颗中继卫星，它们对中低轨道航天器的覆盖情况可以通过简单的几何关系求得。当两颗中继卫星经度差为160o 时，对轨道高度400km 以上的航天器可以实现100%的覆盖。考虑地面终端站对两颗卫星的仰角过小时，大气和路
26、径的衰减会严重干扰链路的性能，一般要使天线仰角大于10o，因此经度差一般选择130o左右，此时对600km轨道的覆盖率可达到94%，对1200km 以上的轨道可以实现100%的覆盖。（2）用户航天器中继卫星系统的主要用户是进入中低轨道的各类航天器，尤其是要求高轨道覆盖率的载人航天器和高数传速率用户星。该系统还能用于高动态运载火箭的全程遥测数据传递，长航时无人机、长期高空气球、海上浮标探测数据的传输，极区站高速接收数据的实时转发，甚至还可为运载火箭或导弹发送遥控指令。（3）地面段地面段主要指中继卫星系统的地面测控终端站。地面测控终端站向用户航天器发送遥测遥控、跟踪信号，其指令通过中继卫星转发，在
27、中继卫星与用户航天器之间建立通信链路，发送给用户航天器。用户航天器要发向地面的遥测数据、探测数据、语音和电视等信息，经星间链路发向中继卫星，中继卫星接收后，经变频、编码、调制等处理，转发到地面测控站。 2.2 数据中继卫星系统的链路前向通信链路（Forward Link, FWL） 由地面站中继星用户星的通信链路，前向链路中分为前向轨道间链路（星-星）和前向馈电链路（地-星）。返向通信链路(Return Link, RL) 由用户星中继星地面站的链路，同样分为返向轨道间链路和返向馈电链路。 轨道间链路（星间链路IOL）是指用户星和中继星之间的通信链路，采用S/Ka双频段工作，S频段主要用于对用
28、户星测控和传输低速数据，Ka频段用于高速数据传输。馈电链路 指中继星与地面站的通信链路，工作在Ka频段。2.3 数据中继卫星系统的性能参数与微波频段2.3.1 TDRSS的性能参数品质因数G/T （G为天线增益，T为放大器的等效噪声温度）等效全向辐射功率（EIRP）：地球站天线增益与馈入功率之积称为EIRP2.4 TDRSS的技术体制2.4.1 频段分配国际电联对卫星通信应用的各个频段有详尽建议。我国选用如下：6/4GHz频段：上行5.9256.425GHz,下行3.74.2GHz。2.4.2 调制方式和多址联接方式 中继星通信系统应采取怎样的调制方式与解调方式，应综合考虑多方面的因素来定，包
29、括卫星功率与频带的有效利用，带限与迟延失真，热噪声、干扰等的影响，行波管功率放大器等器件相位和幅度非线性的影响等。 由于中继星信道是频带、功率都受限的非线性信道，要求已调信号具有恒包络，以便提高射频高功放的利用率，故各种幅度调制不适用于中继星信道。卫星通信的技术体制涉及以下几方面的问题：基带信号和多路信号的复用方式、调制方式、多址连接方式及信道分配技术。1. 频分多址（FDMA）方式FDMA方式是网内各地球站共用一个转发器，将卫星转发器的可用带宽分割成若干互不重叠的部分，分配给各个地球站使用。（1） 频分多路/调频/频分多址（FDM/FM/FDMA）这种方式有两种不同的构成方法：第一种方法：每
30、个地球站对其他地球站的通信分别使用不同频率的载波，即与几个站通信就发几个载波。第二种方法：每个地球站把发送到其他地球站的电话信号分别复用到基带的某一指定频段上，而后调制到一个载频上，每个地球站只发射一个载波，这个载波包含了其余地球站的全部信息，因而接收端要接收整个频带的信息，再从中取出与本站有关的信息。（2） 单路单载波/频分多址（SCPC/FDMA） 当传输电话路数较多，但每个话路业务量较少时，可以采用一个载波上只传送一路电话，按照FDMA方式送往卫星转发器。（3） 按需分配频分多址（SPADE）方式 SPADE实际上就是按需分配的SCPC系统。2. 时分多址（TDMA）方式在TDMA方式中
31、，分配给各地球站的是一个特定的时隙，各地球站在基准站发出的定时同步信号的控制下，只在指定的时隙内向卫星发射信号（称为射频突发信号），这些射频信号通过卫星转发器时，在时间上是严格依次排列、互不重叠的。3.码分多址（CDMA）方式CDMA 是码分多址(Code-Division Multiple Access)技术的英文缩写，它是在数字扩频技术的分支扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。CDMA 技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码
32、，与接收的带宽信号作相关处理把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。2.4.3 用户数据实时分发技术1.数据传输模式中继卫星地面设备对于用户数据流而言是透明传输通道，不对用户数据做任何处理，不负责用户航天器自身的控制，用户数据加密/解密由用户自行完成。中继卫星管理部门接收到由用户生成的前向数据，根据标志实时向地面终端站传送，进行编码、调制并发送至中继卫星。地面终端站接收到反向数据后，对数据进行必要的标注后，实时向卫星管理部门传输，卫星管理部门根据数据的标志，分类转发至用户部门。2.数据传输信息流程反向数据中继的原则是保证反向数传链路数据的信息熵最大化。地面终端站接收到的空间反
33、向数据在本地封装为“反向用户数据”格式，采取数据驱动方式传送至卫星管理部门，卫星管理部门负责将反向数据分发至各用户部门。前向数据中继对于不同用户部门使用同一空间链路进行的前向数据中继业务，地面站遵循“先到先服务”的服务原则。空间前向链路在地面封装于“前向用户数据”帧中，卫星管理部门至地面终端站的传输采用数据驱动的方式2.5 甚小天线地球站（VSAT）卫星网络系统VSAT系统指由天线口径小，G/T值低于19.7dB/K，并用软件控制的大量地数据构成的卫星传输系统。一个VSAT系统可以包括几百个甚至几千个终端小站。VSAT网由中心站、小型站和微型站三种地球站组成（后两种站也称远端站）。VSAT网的
34、构成形式可以有单跳、双跳、单双跳混合以及全连接网等，单跳网络又称星形网络，它将多个远端VSAT站与中心站连接起来。在双跳形式的VSAT网络中，各远端站可以通过中心站进行通信。单双跳混合形式的中心站和远端站之间可以通电话和数据；各远端站之间可以通数据和录音电话。全连接网络需设一个枢纽站（控制站），以根据各站的业务需求分配信道。VSAT网以SCPC/FDMA方式工作。 第三章 美欧日TDRSS的互操作与联网计划美国航宇局、欧空局和日本都在发展S、Ka频段的数据中继与跟踪系统，1985年三方成立了空间网互操作委员会，随后达成建立互操作系统的协议，以实现三方联网。天基网互操作计划的基本目的是实现国际合
35、作并节省开支。所有成员都将在通信和数据传递中相互得益，特别是在空间计划中，现已开始互操作设计。研究工作大体上分两个阶段，第一阶段主要解决S频段的互操作问题；第二阶段解决 Ka频段的互操作问题。为了建立互操作系统，三方对轨道间信号的跟踪与捕获方法、通信链路分析和使用频率进行了长时间的广泛协调，从技术上已基本达成协议。S频段互操作技术问题和建议的链路参数解决较早；关于Ka频段空间网互操作问题，协调较为复杂，最后三方都同意前向链路使用23GHz，返回链路使用2527GHz。1S波段相互支援三个航天局都同意在各自的数据中继卫星上装频率可调的S波段用户业务转发器。这些转发器的频率调整范围是2025211
36、0MHz（前向）和22002290MHz（返回方向）。当系统设计方案确定之后，将采纳现有航天局间频率协调方法。下面两条明确了三个航天局间选用S波段工作频率的有关问题。（1）各航天局都需要保护其在S波段中的指定频率，以为其用户星服务。这些用户频率的分配将根据不同的情况逐个进行。（2）2106.4/2287.5MHz频率将留给TDRS的多址业务，但也可供采取极化(或码分)的、需要至少一种多址兼容模式工作的用户星所共享。为了使经直接馈入链路或经中频工作的特殊设备能互连各航天局的数据中继卫星系统，必须解决接口兼容问题。为了使互操作的基带信号兼容，必须规定一种信号构造原则。在空间站时代采用高级数据系统的
37、CCSDS标准后，各航天局很容易解决这种兼容性问题。2Ka波段现状虽然S波段频率较低，使用方便，灵活性好，可是地面固定链路和无线移动业务也用该频段，从而给空间业务使用造成威胁，带来了干扰的风险。Ka波段与其它业务的争用问题较小，能传递高达数百兆比/秒的数据。欧空局率先在轨道间链路上采用23/26GHz频段（Ka波段）。这些频段可为21世纪的多实验平台、空间站和高级对地观测成像系统提供所需的宽带链路。美国航宇局的第二代TDRS也选用了同一频段。1989年底，日本宇宙开发事业团宣布改变其早先频率规划，日本DRTS及实验型中继星COMETS都使用23/32GHz频段。空间网互操作委员会很快意识到这为
38、Ka波段互操作创造了良好的开端，随即对其进行研究。目前，实现Ka波段互操作已取得明显进展。因为某些Ka波段卫星的数传速率可高达数百兆比/秒，因而该数据的地面传输就显得格外困难。其它国际组织正在研究高速数传问题，空间网互操作委员会将密切与其配合，以便需要时可利用这种高速数传技术。第四章 星间链路的高速率数据传输4.1 引言跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)是在航天技术领域实现天地一体化综合信息网的重要组成部分，他在军事战略、战术和民用方面均具有重要地位和广阔的发展前景。就其高速数据传输业务来讲，天上中、低轨道用户航天器和数据中继同步卫星与地面上终端站构成一个实时的、宽带的大地数据传输链，其数据
39、速率从40 Mb/s到几百Mb/s，甚至将来更高的Gb/s水平。这就需要一个高速数据的宽带传输的调制解调信道。在数字接收系统中，为了正确恢复出发送端的符号信息，必须做到定时同步。定时同步恢复技术是无线通信的关键技术之一，对接收机的整体性能有直接影响。定时误差的提取方法有很多，大体可以分为两种：数据辅助(DA)和非数据辅助(NDA)。在高速数传系统中，一般都采用的是非数据辅助算法，他具有快速捕获定时误差的优点，而且不需要插入额外的定时信息，增加了实际传输数据信息速率。针对800 Mb/s 8PSK高速调制信号，本文采用MartinOer-der包络平方DFT定时恢复算法，并通过仿真和FPGA实现
40、验证了其有效性。4.2 定时恢复算法及实现4.2.1 定时相位误差的影响当高速数传系统存在定时相位偏差时，ADC模块对输入信号进行定时采样的时刻将会偏离期望的最大信噪比采样点。对于升余弦特性的匹配滤波信道，波形成型的符号峰值点就是所期望的最大信噪比采样点，这种定时采样时刻的偏离称为定时相位误差。当存在定时相位误差时，由于ADC定时采样不在符号峰值点上，一方面信号幅度的减小使得采样点数据的信噪比变差，另一方面码间干扰的增加也使得采样点数据的信噪比恶化，从而导致系统性能的信噪比实现损耗。这里，将符号周期划分为32等份，即将定时相位误差刻度划分为(-16，+16)范围。通过计算机仿真，对于滚降系数a
41、=0.6的升余弦特性信道，在不同的定时相位偏差时8PSK调制解凋通道的符号误码率与输入端比特信噪比关系曲线如图1所示。在输入比特信噪比8 dB工作点上，定时相位偏差刻度在1，2，3时，其信噪比实现损耗分别为：0.4 dB，1.2 dB，2.2 dB左右。这表明当系统信噪比实现损耗要求小于0.4 dB时，则相对应地要求符号同步的定时相位偏差或者定时相位抖动小于符号周期的3.125(1/32)。这就是定时恢复环路实现的定时相位误差精度要求。4.2.2 包络平方DFT定时恢复算法对于线性调制(如MPSK，MQAM等)的数字信号，接收机收到的等效低通信号可以表示为： （1）其中an是每符号能量Es的符
42、号信息正交矢量复数表示，g(t)=gT(t)*gR(t)(*为卷积符号)是发射端与接收端合成的升余弦频率特性波形成型单位冲击响应脉冲，T是符号周期，z(t)是功率密度为N0的加性白高斯噪声(AWGN)，(t)是未知的相对时间延迟(即定时相位误差=(t)T)。由于(t)是慢变化的，在定时相位误差估计时进行分段处理，而在每一段可以认为(t)=，是一常数，将这一段时间内的采样数据联合起来获得此定时相位误差估计值。包络平方定时恢复算法先对输入复包络信号取平方(即非线性变换处理)，然后通过DFT变换，提取符号周期的频率谱线，再统计地估计出其频谱矢量的相位角。对接收机匹配滤波后的信号以采样速率fs=4/T
43、(即每符号4倍采样)进行采样，并计算其包络平方，得到的序列为： (2)设L符号分为一段，则通过离散傅里叶变换(DFT)可得到其第m段序列的在符号速率频谱线上的频谱分量为： (3)可以证明此频谱分量的归一化相角位：相对符号周围的延迟比例系数的一个无偏估计观测。即：。由公式（3）得： (4) (5)则有： (6)其中实部对应着偶数采样点，而虚部对应着奇数采样点。其矢量的归一化相位角为： （7）4.2.3 包络平方定时算法的FPGA实现针对该高速数传卫星解调器的高速数据处理情况，在这里导出高速数据的定时相位误差估计的并行结构实现算法。该高速解调器的匹配滤波部分采用并行结构，并行输出4个符号，即16个
44、采样点(ADC采样为4倍采样)。因此，例如取L=128个符号为一段进行积累运算，再将他划分为32个小段，每小段为L1=4个符号。对于8PSK正交接收信号可以表示为： (8)由式（5），对于每一个小段有：应该注意，第一种平方的和差运算实现中需要4个平方运算和2次加法运算；而第二种是变系数乘法运算，实现中需要2个双变量乘法运算和5次加法运算。在FPGA实现时，需要比较这两种方式的资源利用特点。在这里选择第一种方式实现。其特点是，可以利用单变量的ROM查表法实现平方运算，这样能够得到较好的计算精度。可见这种定时相位估计的包络平方算法很适合采用并行结构的流水线方式FPGA电路实现。其次，定时相位误差估
45、计算法采用符号积累方式求得其估计值，其估汁精度与符号积累长度L、输入端比特信噪比有关。因此，对于不同的输入比特信噪比，计算机仿真分析此定时相位误差估计精度(在这里以100次估计值的估计偏差均方根衡星)，如图2所示。设有L=64，L=128，L=256，L=512和L=1 024五种情况，L256时其估计精度达到10-2量级；L512时其什计精度达到10-3量级。估计精度量级的选择受FPGA实现资源、系统指标的制约，也受定时恢复环路参数设计的制约，实际上102量级足够。因此该系统实现时取L=512个符号进行积累运算处理是比较恰当的，而且考虑到实际非理想信道因素后他也能满足性能要求。包络平方定时相
46、位误差估计的高速数据并行结构算法方框图如图3所示。4.3 计算机仿真结果本文给出基于高速卫星解调器并行定时估计结构的计算机仿真结果。计算机仿真验证表明，在输入端比特信噪比10 dB工作点上，对于不同的输入端定时相位误差，其相对定时相位误差估计值表现为以(-0.5，0.5)为线性关系，如图4所示。由此可见，定时相位误差估计值与输入端实际定时相位误差构成直线的线性控制关系。这表明包络平方定时相位误差估计算法对定时恢复的校正控制是可行的。4.4 结 语定时同步问题是卫星解调器中的关键问题，对于8PSK高速卫星解调器系统，本文提出了包络平方定时相位误差估计算法的并行结构，实现了800 Mb/s高速数据
47、定时相位估计。定性分析和计算机仿真结果证明了该算法结构可以高效地对定时偏差进行准确估计。第五章 总结与展望5.1 总结随着航天技术的不断发展,星际航天器的数量和种类将会不断增加,如果依然采用地基测控网络,即使投入巨资兴建陆基测控站和海基测控船,也难以解决航天器测控全轨道覆盖问题,以及不能满足未来航天测控高数据传输率的要求,因此世界各国都在努力发展自己的跟踪与数据中继卫星系统。本文首先介绍美国，欧盟，日本以及我国的TDRSS发展现状。虽然跟踪与数据中继卫星系统构成的天基测控网络相比较地基测控网络有很大优势，但不可否认其仍旧有不足。因此绪论中也较少了TDRSS的未来发展趋势。然后又介绍了数据中继卫星系统的基础理论研究，包括数据中继卫星系统的组成，卫星链路，卫星性能参数与微波频段以及TDRSS的技术体制和用户数据实时分发技术，在技术体制中介绍了数据中继卫星系统的频段分配、调制方式和多址连接方式。针对数据中继卫星系统的未来发展趋势，本文介绍了高速
