天基VDES载荷技术研究_杨树树.pdf

技术前沿航天电子对抗2023年第 1期天基 VDES载荷技术研究杨树树，徐宁，侯文栋，宋海伟，田达，冀贞海（中国航天科工集团 8511研究所，江苏 南京 210007）摘要：卫星 VDES 是一项正在发展中的技术，国内外都在积极参与和推动天基 VDES系统的建设。对天基 VDES 载荷技术进行了研究，介绍了 VDES 的系统原理，对卫星环境下VDES载荷面临的特殊问题进行了分析，提出了天基 VDES载荷的初步设想。关键词：卫星；VDES；载荷中图分类号:TN914 文献标志码:AResearch on spacebased VDES payload technologyYang Shushu，Xu Ning，Hou Wendong，Song Haiwei，Tian Da，Ji Zhenhai(No.8511 Research Institute of CASIC,Nanjing 210007，China)Abstract：Satellite VDES is a developing technology.Many organizations at home and abroad are actively participating in and promoting the construction of space-based VDES system.The space-based VDES payload technology is studied，the system principle of VDES is introduced，and the special problems faced by VDES pay-load in space environment are analyzed.The preliminarily ideas of the space-based VDES payload are put forward.Key words：satellite；VDES；payload0 引言随着全球经济一体化的进程，航运业蓬勃发展，在航海安全、航海自动化、海洋环境监测、海洋科学研究以及航海通信等领域对高可靠性海上无线通信的需求愈加强烈。船舶自动识别系统（AIS）是国际海事组织大力推广的一种海事交通管制系统，用于实现船岸间以及船舶之间的交管通信。随着近年 AIS 设备的广泛应用和航海自动化、智能化的推进，现有的 AIS系统信道带宽窄、信息传输可靠性低、通信距离有限等应用瓶颈日益显现1。针对上述问题，国际电信联盟（ITU）、国际航标协会（IALA）和国际海事组织（IMO）分别从频点、应用和规则层面对现有 AIS 系统进行“升级”的可行性研究。2013 年，IALA 首次提出下一代的海事通信系统VDES 发 展 建 议，作 为 AIS 的 全 面 升 级 系 统，VDES将引入卫星海事移动通信技术实现通信距离拓展，有望解决现有系统存在的各方面问题2。相比于AIS系统，VDES系统的通信业务种类更加丰富，在原来广播信道基础上增加了特殊应用报文（ASM）和宽带甚高频数据交换（VDE）的通信信道，三者共同配合来提高海事船舶通信的数据传输能力3。VDES 是一项正在发展中的技术，国内外都在积极参与和推动相关技术标准制定和系统技术研发工作；开展天基 VDES 载荷技术研究对保障海上航行安全、全球航海信息资源利用与共享、海上经济发展、国防建设服务等方面具有重要的意义。本文主要对天基 VDES 载荷技术进行研究，简要介绍了 VDES 的系统主要特点，对卫星环境下 VDES 载荷面临的特殊问题进行分析，在此基础上提出了小卫星 VDES 载荷系统初步方案。1 VDES系统概述1.1系统架构VDES 主要实现天基、地（岸）基、船舶 3大部分之间的信息传输与交换，极大地拓展了海事通信信息传输能力。VDES 采用了“天地海”一体化的系统架构，如图 1 所示。其中，“天”指由卫星空间段作为主要节点的天基网络；“地”是指由地面基站、卫星地面站、信息服务中心等节点组成的岸基网络；“海”是指船舶和浮标等各类终端节点组成的海上网络4。收稿日期：20220930；20230130修回。作者简介：杨树树（1986-），男，高工，硕士，主要从事卫星有效载荷、信号处理技术研究。-6DOI:10.16328/j.htdz8511.2023.01.005技术前沿杨树树，等：天基 VDES载荷技术研究2023，39（1）在此系统架构下，船舶可以广播自身位置信息，并与在通信范围内的其他船舶交换数据信息。此外，船舶还可通过与附近的浮标通信，获取直接通联范围之外的船舶分布情况。当船舶距陆地较远时，可以通过卫星来实现与岸站之间或远距离船间的通信。1.2功能和频率规划ITU 根据 IALA 在 2013 年提出发展 VDES 建议的基础上，于 2015 年 10 月正式发布了 VDES 推荐标准 ITU-R M.2092-0 建议书 VHF 水上移动频段中 VDES的技术特性，提出了如图 2所示的 VDES系统功能和频率使用规划5。VDES划分了 18个海上通信信道：2个 AIS信道、2个 ASM 信道、12个 VDE信道和 2个卫星监测 AIS信道。AIS 信道继续承担与航行安全相关的消息的传输；ASM 信道用于传输特殊应用报文，诸如水纹、天气和危险货物指示等；VDE信道按照链路方向可分为上行链路和下行链路，其中每个方向链路又分为 4 个25 kHz（可 合 并 为 100 kHz）的 VDE1 信 道 和 2 个25 kHz（可合并为 50 kHz）的 VDE2 信道；卫星监测AIS信道主要用于传输远距离的 AIS报文。为了提高单位频带的通信传输速率并适应不同业务特点，VDES 采用 GMSK、QPSK、8PSK、16QAM等相结合的调制方式，在不显著增加信道带宽的情况下，实现了 9.6307.2 kbps的通信速率，最高通信速率为 AIS系统的 32倍，可而满足海上用户的不同需求。VDES频率使用和相关技术特性如表 1所示。2 天基 VDES系统面临的特殊问题天基 VDES载荷主要实现地/海面 AIS（包括远距离 AIS）、ASM、VDE 上行信号接收以及 VDE 下行信号发射。与地面 VDES 系统处理不同，天基 VDES 系统必须考虑同信道干扰、多普勒效应、传输延时、极化旋转、地面无线电干扰、发射干扰抑制等特殊问题。2.1同信道干扰VDES是一种采用 TDMA 现代通讯技术的系统，该系统采用 UTC 时间同步，将每分钟划分为 2 250 个图 1VDES系统架构图 2VDES系统功能和频率使用规划-72023，39（1）航天电子对抗时隙，每个时隙为 26.67 ms，不同船舶占据不同时隙进行通信（TDMA），如图 3所示。卫星 VDES 系统覆盖范围广，通常包含多个 TD-MA 子网络，来自不同子网络的多个信号有可能在同一时隙到达卫星接收机，从而产生信号碰撞现象；船舶密度越高、卫星接收天线波束越宽，发生碰撞的概率越高，这些时隙碰撞信号形成了同信道干扰，导致接收机解调时的帧错误率大大增加，以致丢失船舶信息。2.2多普勒效应在 VDES 的卫星链路中，船舶与卫星之间的高速相对运动使得卫星接收信号产生较为显著的多普勒频移，从而给接收机带来载频同步问题。对于典型LEO 轨道，VDES 信号的多普勒频偏在4 kHz以内，远远超出地面接收的频偏范围，这意味着在卫星接收VDES 信号必须具有较大的频偏适应能力。图 4为典型 LEO轨道不同仰角时的频偏曲线。2.3传输延时卫星轨道高度决定了地面信号的传输距离，对一个 600 km 轨道高度的 LEO 而言，最小距离等于轨道高度，即最小距离为 600 km，最大距离为卫星与地球的切线方向，最大距离为 2 830 km；传输距离决定了信号的传输延时，对于典型 600 km 轨道高度的卫星，VDES信号的传输延时范围为 29.4 ms，如图 5所示。与地面应用相比，卫星接收系统的突发捕获窗时间会更长。2.4极化旋转由于 VHF频段星地链路传输的法拉第效应显著，表 1VDES频率使用和技术特性信号类型AIS远距离 AISASMVDEAIS1AIS2ASM1ASM2VDE1上行VDE2上行VDE1下行VDE2下行信道号2 0872 08875762 0272 0281 0241 0841 0251 0851 0261 0862 0242 0842 0252 0852 0262 086频率/MHz161.975162.025156.775156.825161.950162.000157.200157.225157.250157.275157.300157.325161.800161.825161.850161.875161.900161.925调制方式GMSKGMSKQPSKQPSK8PSK16QAMQPSK8PSK16QAM速率/kbps9.69.619.2最高307.2最高307.2图 4典型 LEO轨道多普勒效应图 5传输延时图 3VDES系统的 TDMA数据帧时序关系-8技术前沿杨树树，等：天基 VDES载荷技术研究2023，39（1）法 拉 第 旋 转 角 度 与 频 率 的 关 系 如 表 2 所 示。地 面VDES系统发射线极化信号经电离层传播至卫星接收天线，极化方向偏转产生较大的不确定性，因此难以实现极化匹配接收，卫星接收系统的灵敏度设计必须考虑极化损耗。2.5地面无线电干扰VDES 信号到达卫星接收机时，容易受到地面 VHF 频 段 无 线 电 的 干 扰，如 海 事 移 动 业 务VHF公用通信站、陆基移动电台等邻近信道的大功率辐射的能量综合叠加，要求卫星接收系统具有更好的线性和频率选择性。2.6发射干扰抑制卫 星 VDES 系 统 的 VDE 下 行 发 射 信 道 与AIS/ASM 上行接收信道相邻，VDES 具体信道分配见表 1。如果 VDE 下行发射的带外抑制不达标，杂散电平不能得到有效控制，就容易造成接收通道的阻塞，使得 AIS/ASM 接收通道不能正常工作，发射机邻信道干扰抑制及杂散要求如表 3所示，因此卫星 VDES 系统必须考虑邻近信道发射干扰抑制的问题。3 天基 VDES载荷系统初步设想小卫星平台对有效载荷技术提出了较高的要求，在确保系统总体性能指标的前提下，尽可能采用小型化、轻型化设计，提高电路设备集成度以及模块的复用 性，减 小 有 效 载 荷 的 体 积、质 量，以 满 足 平 台 的需要。针对天基 VDES 系统面临的特殊问题以及载荷轻小型的设计要求，载荷样机采用软件无线电设计思路，采用射频直接带通采样方案，减少变频环节及由此带来的非线性效应，降低射频前端复杂度，进而降低载荷的体积、质量。天基 VDES 载荷组成如图 6 所示，主要包括 AIS/ASM 宽波束接收天线、VDE 高增益 收/发 天 线、射 频 前 端、多 功 能 VDES 收/发 处 理单元。3.1天线为了保证 AIS/ASM 上行接收与 VDE 通信同时工作，载荷采用 2副天线。AIS/ASM 天线采用常规的鞭状天线，VDE 天线采用圆极化八木天线。VDE 天线指向地球切线方向，如图 7 所示，可实现低仰角覆盖，同时降低了对星上发射功率的需求。3.2射频前端射频前端提供 2 路的接收通道以及 1 路发射通道，实现对上行接收信号的滤波、放大等调理，以及对下行发射信号的滤波、功率放大。射频前端设计中需要重点关注系统噪声系数、收发通道隔离度、带外干扰信号抑制、电路的小型化设计等方面。3.3多功能 VDES收/发处理单元多 功 能 VDES 收/发 处 理 单 元表 2法拉第旋转角度与频率的关系频率/GHz0.100.25法拉第旋转303604.8360频率/GHz0.501.00法拉第旋转1.2360108表 3发射机邻信道干扰抑制及杂散要求参数25 kHz信道邻信道抑制50 kHz信道邻信道抑制100 kHz信道邻