基于轨道角动量的星间激光通信技术

介绍了将轨道角动量（orbital-angular-momentum, OAM)）作为新复用维度的星间激光通信系统设计。轨道角动量理论上具有无限种模态且各模态间两两相互正交,这意味着基于OAM复用的通信系统可大幅度提高频谱效率和信道容量。分别对星间激光链路的发射机和接收机的实现架构进行了介绍,发端采用无衍射贝塞尔-高斯光束进行编码、调制和OAM多路复用;收端利用具有与发端相反的螺旋相位移除OAM光束的方位角相位以恢复光束的平面相位波前,并通过光电探测器、解调器和译码器来恢复数据。此外,还分析了多普勒频率、卫星摆动和背景噪声等因素对于系统的影响。提出的基于OAM技术的星间激光收发系统设计方案对于未来大容量星间通信系统设计与实现具有重要意义。     

一种绕飞编队卫星星间链路系统的总体设计方法

为了建立高精度相对定位编队卫星的星间链路,提出了一种基于GPS的绕飞编队卫星星间链路系统设计方法。针对我国首次以InSAR为背景的任务,以某绕飞编队星座星间链路系统总体方案为例,利用STK/MATLAB分析软件,对天线覆盖区与组阵进行了仿真分析,并根据分析结果做了系统优化,包括星间轨道构型、天线设计组阵图、天线安装位置、链路预算、星间通信措施设计分析以及电磁兼容性分析等。结果表明:基于GPS的编队卫星能够从系统角度优化设计建立星间链路,从而完成编队跟飞、绕飞期间的星间通信与测量任务,为卫星建立星座构型、相对定位测量提供了可靠、稳定的传输通道。该设计方法可为同类卫星或其他类型卫星星间链路系统设计提供参考。     

星间异步通信链路的误码率测试技术

误码率是星间链路通信系统中的一个重要指标。文章提出了适用于星间双向异步通信链路直传、转发模式的误码率测试方法,通过串口一网口转换方案实现了对多节点的星间通信链路进行数据传输误码率检测。设计了双向异步信道传输误码分析算法并利用软件实现,提供对星间链路多种码型、多种传输帧协议的误码率测试功能,能够给出双向异步信道传输误码的详细参数,分析星间双向异步通信链路的误码成因。     

全球导航星座星间链路技术发展建议

美国全球定位系统（GPS）的Block IIR和Block IIF系列导航卫星安装了UHF频段的星间链路收发设备,未来的GPS Ⅲ系列导航卫星将用Ka频段星间链路替代UHF频段星间链路,提高星间数据通信容量,增强抗干扰能力;俄罗斯全球导航卫星系统（GLONASS）的新一代GLONASS-K系列导航卫星开始安装S频段星间链路收发设备;欧洲的伽利略（Galileo）卫星导航系统也在规划全球导航星座的星间链路体系;我国北斗（Compass）卫星导航系统正处在由区域覆盖向全球覆盖的过渡阶段,全球星座的星间链路正处在多种系统体制的抉择中。文章在对国外各种星间链路研究的基础上,从导航星座星间链路需求和特点出发,提出建议：1）建设高频段星间链路;2）加强星间天线与卫星总体的联合设计;3）星间网络协议要具有灵活性;4）尽可能保持每颗卫星的星间链路设备状态一致。文章考虑了现有国内技术储备和国外未来技术发展方向,提出的观点可以作为我国全球卫星导航系统对星间链路选择的参考,对我国Compass系统建设技术先进的星间链路有一定的指导意义。     

双层规划求解兼顾测量与通信的星间链路设计

通过研究当前GPS下时分多址（TDMA）体制星间链路方案,并在分析星间链路测量和通信新需求的基础上,提出改进的分时体制星间链路方案,保证了测距和通信的同时隙执行。针对兼顾星间测量和通信的星间链路设计这一多目标优化问题,考虑测量与通信之间的依赖关系,构建双层规划模型求解,上层对星间测量进行优化,下层对星间通信进行优化,并分别设计上层启发式星间测量链路贪婪搜索分配算法（RL-HGSA）和下层基于全局“邻域”搜索的星间路由优化算法(ROA-SGN)。仿真算例表明,根据本文模型和算法构建的星间链路,星间测量链路利用率达到100%,星间通信采用最短时间最少跳数(MTMJ)的路由策略更优。     

双工作模式空空通信机的设计与实现

空空通信机是飞船交会对接过程中通信链路的关键设备，主要完成两个航天器之间的信息交换。根据任务需求，空空通信机需具备两种工作模式，即扩频模式和非扩频模式。文章首先阐述了空空通信机的基本工作原理和整体结构设计，针对两种工作模式的需求，硬件上采用通用设计，软件上采用分时加载不同软件的设计方案。按照空空通信机的结构模块，顺序介绍了各个模块的设计方法和实现思路。对超外差式接收机的主要指标进行了设计和分析，直接射频调制发射机实现了QPSK和BPSK调制兼容，数字解调部分采用“ADC+FPGA”的设计方案。主工作FPGA芯片完成扩频模式解调和非扩频模式解调，另一片FPGA完成对主FPGA的回读重加载，并根据遥控指令来完成不同程序的加载。文章设计的空空通信机已成功应用于某卫星型号，设计方法对后续其他型号的空空通信机的设计有一定参考价值。     

星间二维光CDMA系统方案及性能分析

为了充分利用星间光通信的丰富带宽，提出并设计了星间二维光CDMA系统方案。考虑背景光、多用户干扰、APD接收机噪声及热噪声，给出了星间二维光CDMA通信系统的系统模型。采用数值分析的方法，分析了该通信系统的误码率性能。结果表明：星间二维光CDMA通信系统易受多用户干扰、码速率以及背景光等因素的影响；通过合理的设计各种参数，在星间二维光CDMA通信系统中可以获得多用户、高数据速率的通信性能。     

一种兼顾卫星导航系统星间观测及通信的链路分配算法

卫星导航系统星间采用点波束建立星间链路时,由于星上波束数量小于可建立星间链路的卫星数量,因此便产生了如何有效分配有限波束来建立星间链路的问题。针对该问题首先利用星座运行的周期性提出了一种适用于星间观测及星间通信的拓扑处理方式,并以该拓扑处理方式为基础提出了一种链路分配算法。算法在保证星间观测数量最大化的前提下,以降低整网通信代价为优化目标,尽管为了保证星间观测数量会不可避免地导致通信性能的部分损失,但是仿真结果表明算法的性能整体上优于铱星系统所采用的网状链路分配方法的性能。     

基于码元同步环路的激光测距通信一体化算法优化研究

精密测距与高速通信一体化技术已发展成为星间激光链路的主要研究方向之一。为了探究基于空间激光通信系统的通信解调算法对测距性能的影响机理，根据现有的激光通信系统架构，分析了测距通信一体化系统的工作原理，搭建了基于码元同步的激光测距通信一体化系统模型，分析了基于Gardner同步环路信号跟踪系统的测距精度，并对鉴相算法进行了优化。理论和仿真证明，优化后的码元同步环能够同时实现码元同步判决和距离解算，并得到了4 dB的噪声容忍度提升，其测距方差主要与基带成型滤波参数、环路带宽、载噪比以及鉴相增益等因素有关。该算法简洁，不受载波相位影响，对高阶调制具有良好的兼容性，适用于空间激光链路系统，丰富了测距通信一体化理论，为后续一体化系统设计提供了仿真依据。     

星间通信技术发展及共性问题研究

本文系统阐述了国外星间通信技术的发展、星间通信的不同类型。结合参加某星间通信方案论证研究，给出了实施星间链路所要解决的几个共性技术问题，并进行了概要分析。     

基于单脉冲跟踪体制的V频段宽带角跟踪 接收机设计与验证

随着高通量通信卫星系统对星间数据传输速率需求的不断提高,星间链路的工作频段将由Ka频段逐渐向频率资源更加丰富的毫米波频段发展。为了满足星间链路对毫米波频段自动角跟踪系统的发展应用需求,给出了一种基于单通道单脉冲角跟踪技术的V频段宽带角跟踪接收机的设计方案。采用LTCC和MCM技术实现了V频段接收组件的集成一体化设计;采用基于IQ正交混频的跟踪调制器结合数字相位补偿的单通道单脉冲角误差信号处理技术完成了宽带输入信号的角误差信号解调。在产品研制基础上,搭建了V频段角跟踪接收机测试系统,测试结果表明该V频段宽带角跟踪接收机可以完成对-95dBm~-55dBm输入信号电平范围内多种宽带数据传输信号的角误差信号解调,角误差信号抖动优于±250mV;表征输入信号电平强弱的AGC遥测电压随输入信号电平的增大而单调递增,各项指标满足V频段星间链路建链需求,为我国后续将要发展的毫米波星间链路系统奠定了扎实的技术基础。     

卫星通信信号识别技术研究

在民用无线电监测、感知无线电、电子对抗等领域,信号调制识别是研究的热点。分析了常用的卫星通信信号调制方式（BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、32QAM、16APSK）,研究了各种调制方式的识别技术,提出了一种易于实现、识别率高的识别算法。理论分析和仿真验证均验证了该算法的有效性。     

星间光通信中振动抑制的研究

星间光通信是极具前景的空基通信方式。通信双方光束的捕获，对准和跟踪为星间光通信必须解决的关键技术之一。光通信终端作为卫星的有效载荷，受到卫星平台及空间环境的影响。本文首先概要地说明了星间光通信对准和跟踪系统的设计要求，分析了卫星平台振动，给出了典型的振动功率谱密度，可行的扰动抑制方法和APT系统的设计。最后设计了跟踪子系统，对其扰动抑制性能进行仿真。仿真结果表明本文设计的有效性。     

一种宽范围非合作目标中频角跟踪接收机的设计与实现

为实现对非合作星间目标信号的捕获跟踪，提出了一种基于单通道单脉冲跟踪技术的非合作目标中频角跟踪接收机软硬件设计方案。硬件平台设计方案结合了FPGA与DSP在算法处理上的优势，涵盖高速ADC设计、系统时钟设计等。针对非合作星间目标信号的特征，提出了不同调制体制、不同码速率的非合作宽带数据传输信号的检测识别、角误差信号提取与分离方案，涵盖数字预处理、数字信道化、信道判决、信号检测估计、角误差信号提取等处理环节。系统捕获跟踪试验结果表明该非合作目标角跟踪接收机可以完成对多种调制体制(BPSK、QPSK、SQPSK等载波相位调制)、不同码速率(1kbps～300Mbps)的非合作宽带数据传输信号的角误差信号提取与分离,载频估计精度优于100kHz，码速率估计精度优于100kbps。本系统可实现对非合作目标信号的有效跟踪，为开展非合作目标角跟踪接收机的工程化研究奠定了扎实基础。     

面向卫星通信系统的低成本超表面相控阵技术

低轨通信卫星系统因其传输延迟小、通信容量大、发射运营成本低等优势,受到了国内外的广泛关注。然而,低轨通信卫星技术的发展对星载天线系统提出了挑战。为提高卫星星座的通信容量以及实现对用户的跟踪覆盖,波束扫描、波束可重构及多波束覆盖不可或缺。在低成本建设运营的背景下,迫切地需要一种低成本的天线系统方案。作为一种低成本新型相控阵技术,综述了超表面相控阵天线技术及其在波束调控中的应用。首先对超表面天线波束形成的方法进行了简单的研究,之后介绍了超表面电磁调控的机理以及实现可重构的手段,最后介绍了超表面相控阵天线在波束形成、波束扫描、多波束产生中的应用。该技术相较于传统相控阵技术,大幅降低了成本,且在电磁波极化、频率调控中展现出巨大的灵活性。通过对该技术的综述,展望了超表面相控阵在低轨通信卫星中的应用。     

VXI总线在FY-2卫星无线测试中的应用

介绍了风云二号(FY-2)气象卫星VXI总线无线测试系统的功能、硬/软件结构.给出了设计中采用的VXI总线技术、硬件配置和在LabWindows/CVI环境中的软件模块化设计方案,以及输出功率限制、微波开关初始化控制、系统安全管理控制和仪器控制顺序正确等软件安全性和可靠性设计.该测试系统的测试能力强、体积小、研制成本低,具有测试结果准确、自动化程度高、工作稳定可靠、操作简便,以及转移和维护容易等优点,在FY-2卫星电性星、正样星和发射星测试中发挥了重要作用.     

基于网络效用的OFDM卫星移动通信系统呼叫接纳控制

在天地一体化网络中,OFDM卫星移动通信系统更有利于与地面无线网络融合。呼叫接纳控制是无线资源管理中的关键问题,本文针对OFDM卫星移动通信系统提出了一种基于网络效用和动态系统资源的星上呼叫接纳控制方法,采用集中式接纳控制,对卫星系统资源的集中管理可有效降低呼叫等待时延。所提出的接纳控制方法基于不同业务的网络效用函数,采用跨层设计思想,根据物理层卫星信道状态变化更新OFDM子载波传输能力,在呼叫接纳控制过程中动态调整分配业务带宽,实现整个网络效用最大化,同时保证业务的QoS要求。仿真结果表明,在系统业务负载饱和的情况下,该方法系统资源利用效率显著优于基于用户端最小阻塞概率的接纳控制方法和基于用户端业务QoS的接纳控制方法,非常适合于资源受限的卫星系统。