低轨卫星高动态特性对星地数据传输影响分析研究∗

方 科 刘景元 景新攀

（1.中国电子科技集团公司第十研究所 成都 610036）（2.中国人民解放军61096部队 北京 100094）

1 引言

星地高速数据传输主要通过高速数传接收机对星地间宽带信号进行接收解调与数据处理，实现星地高速数据传输与获取，在遥感、通信等卫星应用中得到广泛应用。然而根据卫星应用的不同领域，各类卫星有不同的轨道高度和动态特性，尤其是低轨卫星由于其在相对低的轨道上绕地球运行，相对于地面站位置有更高的速度以及速度变化特性［1～2］。这种星地相对高速运动的状态（加速度和加加速度）会导致低轨卫星下行信号具有一阶、二阶甚至更高阶的多普勒变化特性，加大了高速数传接收机对卫星信号进行捕获跟踪的难度，甚至造成无法完成同步的问题，这对高速数传接收机提出了更高的动态适应性要求。因此，研究低轨卫星高动态特性（即大频偏及其各阶变化率）对于高速数传的影响分析，对于改进高动态环境下的卫星数传信号载波同步设计、低轨卫星高速数据接收通道的建立至关重要。

2 高动态对高速数传的影响分析

2.1 机理分析

卫星高动态特性主要与卫星和地面站相对运动速度有关，也与卫星的实际轨道高度、地面站位置等物理环境有关［3］。以地面站为第一视角看卫星，最大的正多普勒频移是出现在卫星刚从地平面升起时；最大的负多普勒频移是出现在卫星从地平面消失时。而当卫星过顶，即位于地面站正上方时，高速数传接收机接收信号中带有多普勒动态的一阶加速度和二阶加速度最大。

目前的高速数传接收机大多采用全数字解调技术，从中频信号接收采样到基带数据解调完成同步组帧，需要经历载波环路、位同步、自适应均衡、帧同步等信号处理流程，在高动态场景下，卫星信号高动态特性对于高速数传的影响直接反映到载波环路模块，此时的载波同步可看作是对相位、频率和频率一阶变化率及二阶变化率的联合估计。高速数传接收机通常采用三阶环的载波环路设计［4～5］，具体如图1所示.

图1 载波环路设计

接收到的卫星中频信号采样后先要乘以本地相干载波输出基带数据［6］。鉴相器提取输入信号与本地频率的误差，与载波多普勒跟踪范围相比，鉴相器的工作频率要高得多（一般为600MHz），为了提高信噪比，采用积分时间为256个工作周期的定窗滤波器进行误差信号的积分。

利用拉普拉斯终值定理及环路误差传递函数对环路的跟踪性能进行分析。

拉普拉斯终值定理［7］：

在R固定存在的情况下，调整剩余相差可以通过减小τ1或者增加K进行，但是，三阶环的稳定条件更苛刻，单独修改这两个参数中的一个可能引起环路稳定性的问题。根据环路带宽设计公式：

r>1为稳定条件，可见同时减小τ12及增加K可等效为增大环路带宽BL。

结论：通过增加环路带宽BL，可减小环路对二阶多普勒变化率的剩余相差，提高三阶环对二阶多普勒变化率的适应能力。

2.2 机理验证

为进一步验证机理分析中高动态对于高速数传环路带宽的影响，我们分别做了原有6KHz环路带宽对于多普勒一阶变化率（加速度）和对于多普勒二阶变化率（加加速度）的适应能力测试。

测试结果表明：原有环路带宽对于多普勒一阶动态的适应能力满足要求，对多普勒二阶变化率的适应力偏临界，会随着信噪比降低而下降，当进一步加入信号幅度扫描，原设计环路对多普勒二阶动态适应能力将进一步下降。因此要提高对于低轨卫星高动态条件的适应能力，需要对原有环路做设计改进。

表1 多普勒一阶变化率（加速度）适应能力测试

表2 多普勒二阶变化率（加加速度）适应能力测试

3 设计改进

3.1 载波环路设计改进

环路带宽作为载波环路设计中最为重要的参数值［8～9］，在高动态环境下要求锁相环环路带宽的选择至少要满足二阶多普勒变化率的要求，但是加大环路带宽又会引入带内噪声，星间通信接收信号微弱，到达高速数传接收机的信号信噪比低，因此除了适当增加环路滤波器带宽之外，鉴于高动态环境下输入信号动态的随机性和变化性，载波跟踪环路也需要进行相应调整以适应输入信号动态的变化［10］。锁相环的跟踪性能是与环路带宽参数紧密相关，在一般的低动态或无动态应用环境中，由于输入信号的动态特性在较长时间内基本恒定，环路滤波器系数可预先设计好并且固定不变［11］，而在高动态环境下，要想使环路达到最优的跟踪性能，环路参数需根据输入信号的改变而做相应的调整［12］。

原结构固定了积分清零滤波器的积分时间，限制了环路带宽的灵活性。因此将固定阶数的积分清零滤波器改为可变阶数的滤波器，积分时间由外部参数控制。这样既可通过减小环路积分清零滤波器的积分时间Tu，在满足稳定性前提下（BlTu≤0.05）增加环路带宽Bl，实现对大动态信号的捕获，亦可采用原积分时间，确保环路对低信噪比信号的接收能力。

图2 三阶环路设计改进示意图

3.2 改进效果

通过实施上述增加环路带宽和提高环路参数更新速率的更改措施，在满足原有载波捕获门限的前提下经实际测试，更改后的环路带宽为22KHz（见图3），远大于原有6KHz的环路带宽，对二阶多普勒的动态适应能力最高可达到200Hz/s2。

图3 环路带宽测试

我们在实际收星测试中对更改前后的载波环路设计做了进一步比对验证，高速数传接收机的接收解调通道1保持原有环路设计参数，接收解调通道2采用更改后的环路设计参数。接入同一个卫星下行信号后，对比两个通道的接收看出，修改环路带宽后，帧同步可以锁定，设备正常工作。对比验证结果如图4所示。

图4 实际收星测试的对比验证结果

4 结语

本文通过机理分析和针对性的测试发现，信噪比越高，三阶环带宽越宽，对于低轨卫星接收信号的多普勒动态适应能力越强。通过增大环路带宽和提高环路参数更新速率，来改进高动态环境下的卫星数传信号载波同步设计，可实现稳定接收高动态低轨卫星下行信号，具有一定的工程应用价值。