高速率深空通信之天线组阵重要技术研究

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1、高速率深空通信之天线组阵重要技术研究第一章绪论1.1研究背景与意义自从人类文明诞生以来，我们对宇宙的好奇与探索就从未停止过。仰望苍穹，映入眼帘的点点繁星激起了人们对星空的无限渴望。于是，眼睛成为了太空探索最初的工具。古人通过使用肉眼观察星球的位置、运动以及明暗来指导经济、军事等活动。古希腊天文学家Aristarchus通过肉眼对月球的观测提出了最原始的太阳系模型[1]。从公元1609年开始，Galileo使用光学望远镜对星空进行了一系列观测[2]。通过这些观测，他发现了月球表面的凹凸性、木星的卫星、太阳黑子以及银河是由大量恒星组成。这是人类首次将望远

2、镜投入到科学研究中。此后，无线电技术的出现与发展更是使人类具有了一件探索宇宙的超级武器。1931年，美国贝尔实验室的Jansky首次使用天线阵列接收到来自银河系的无线电波，开创了天线技术应用于天文学的先河[3]。随着航空航天技术的发展，人类早已不满足于在地球上观测宇宙。大推力火箭的成功应用，终于使人类迈出了走出地球的第一步。1959年1月2日，苏联成功发射了人类第一个星际探测器月球1号[4]。从此，使用航天器对宇宙及其天体进行探测的时代拉开了序幕。而所有的这些航天器，都通过电磁波与地面站保持联系。这种对航天器进行跟踪测轨、遥测、遥控及通信的活动被称为

3、测控通信（CT）[5]。人类发射的航天器飞的越来越远，其中最具代表的旅行者1号（Voyager1）于1977年9月5日发射，在于1980年完成了木星任务后又进行了其他太阳系行星的任务，并且开始了向太阳系外的银河系空间飞行。1988年之前，世界无线电管理大会（inistrativeRadioConference，es;105公里）作为深空宇宙的分界线[6]。1988年，世界无线电大会明确的将距离地球2106公里以外的宇宙空间称为深空[7]，深空探测的时代终于到来。.1.2国内外研究现状从上世纪50年代末开始，NASA先后在美国加利福尼亚州的戈尔德斯顿、

4、西班牙的马德里和澳大利亚的堪培拉建立了三个深空站。这三个深空站每隔120°均匀分布于地球表面，可以完成对深空探测器24小时全天候的测控通信任务。由于从国际彗星探测器3号任务中获得了良好的实验结果，在20世纪80年代旅行者2号（Voyager2）探测器与海王星相遇时，NASA使用了位于Goldstone的70米大天线和2个34米的天线与射电天文协会的27个天线组成大规模天线阵，并得到了超过预期的数据返回量[24]。于是天线组阵技术开始广泛应用于深空测控通信中。文献[36]中详细介绍并分析了全频谱合成技术的原理、特点及应用，其结构框图如图1.3所

5、示。在全频谱合成技术中，将来自每个天线的接收信号下变频到中频（intermediatefrequency，IF），对中频信号采样后将其传送到信号处理中心进行合成。在信号处理中心，再对中频信号执行时间延迟补偿及相位调整以确保合成的相关性。.第二章深空通信中天线组阵技术的原理及难点2.1引言经过几十年的探索与实践，天线组阵技术在深空通信中逐渐开始发挥越来越重要的作用。但是，目前的通信任务即使是下行链路往往也仅局限于较低的数据速率，极大的限制了科研任务的数据返回量。在此情况下，需要天线组阵技术发挥其应有的作用。但是，将天线组阵应用于高速率深空通信具有大量的

6、技术难题，尤其是在宽带信号合成领域，而信号合成又是天线组阵技术的核心问题。所以，本节以宽带信号合成为重点，系统阐述了天线组阵技术的工作原理，研究并分析了其应用在高速率深空通信中的技术难点，为后文中有针对性的解决这些问题指明了方向。..2.2深空通信中天线组阵技术的概念事实上，在进行相关处理前，通过预测航天器的飞行轨迹以及测量天线相位中心的位置，并且对接收链路进行时延校准，已经去除了大部分波达时延差。但是由于这些预测值的模型存在误差，所以各接收信号依然存在一个微小的时延差τi。对于低数据速率通信系统，其信道往往具有较低的带宽。将天线组阵技术应用

7、于低速率通信系统，以两天线阵在中频进行全频谱合成为例，其操作如图2.6所示[31]。几何时延主要是指深空探测器发射天线相位中心到地面接收站天线相位中心的几何距离引起的时间延迟，其数值是巨大的[119]。表2.2给出了太阳系内主要行星以及月球距地球距离与通信单向时延的具体数值。但通过辅助测量与计算可以较为精确的得到收发天线的坐标，进而计算出几何距离及时间延迟，并且预测模型成熟准确、误差很小，所以几何时延误差并非高速率深空通信技术难点。中性大气层主要包括对流层和平流层。对于电磁波来说，中性大气层不存在色散效应。其对接收信号相位的影响随着信道频率的增加而加

8、剧，并且模型误差随着接收天线站间距离的增加而迅速恶化。文献[67]中给出了基线小于1000米时中性大气层在天