SDR在小衛星星間通信中的應用

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引言

近年來，小衛星技術是空間科學任務的一個研究熱點。小衛星系統能實現導航、通信、遙測和科學研究等軍民用任務。在傳統衛星架構中，由於單個衛星在執行任務時會受到大小、質量和功率的限制，而利用多顆小衛星組成星座或集群，可以在更大的區域和時域上同時進行科學測量，將為天文、地球觀測和太陽物理學提供新的機遇，完成傳統單體衛星無法完成的任務，將在很多科學任務中起到重要作用。

利用小衛星各種配置包括星群、星座等，能為科學技術任務提供更好的方法，但仍需要解決許多問題，如存在通信窗口增加、必須支持多信號處理、利用可靠星間鏈路提高數據速率等問題。並且隨著軌道上小衛星數量的增加，可用頻率也會缺乏，會進一步導致管理問題。此外，空間環境中的動態特性還會引起節點失效或網路拓撲變化，整個體系結構必須依據系統變化進行調整才能與之相適應。而現有的通信系統和無線電信號處理等無法很好地解決這些問題。利用軟體無線電就是一種可能的解決方法，它便於軟體實現，能實現一種自適應或可重配置通信系統，而無需改變任何硬體設備或特性。以下將介紹小衛星在執行任務時的空間構型方式以及星間通信的特點，並簡要敘述SDR在小衛星星間通信中的應用情況。

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小衛星構型方式及星間通信概述

多顆小衛星相比單顆衛星來說自適應能力、規模可變性和可重配置能力等更強。當多顆小衛星飛行時，需要衛星間保持特定的距離和角度。根據衛星間距離和應用，多顆小衛星在執行空間任務時會有多種構型方式，包括尾隨式、集群式和星座式。

（1）尾隨式

在此類構型中，多個飛行器共用相同軌道，它們以一定距離一個跟一個飛行，如圖1。

圖1 尾隨式

（2）集群式

每組衛星部署在各自軌道上，並保持較近距離，覆蓋地球較小部分，如圖2所示。

圖2 集群式

（3）星座式

此類構型方式通常包括一系列位於不同軌道平面的衛星，能覆蓋整個地球，如圖3所示。每個軌道面通常包括足夠數量的衛星，以便提供服務所需的完全覆蓋。

圖3 星座式

這些多衛星星群配置都屬於分散式空間系統。未來的空間任務將需要更多的小衛星星群來實現，這將需要小衛星具有更多自主性，以一定相對位置飛行，實現精確構型。已有許多機構開始研究多顆小衛星精確構型，以更好地來完成未來空間任務，如ESA的Proba-3任務、愛迪生小衛星網路演示任務（EDSN）、NASA的自主納技術星群（ANTS）以及QB-50任務等。

衛星星群對於未來空間任務來說是非常重要的新興前沿技術。衛星星群由一系列能夠自組織的相同個體組成，它們能直接或間接通信，通過它們的集體作用、精確構型來完成任務，而這就需要實現星間通信鏈路，使這些小衛星能相互協作並協調活動。星間通信鏈路將實現數據的自主傳輸，類似於地面的Internet數據傳輸，需要最小的人為干預。它能輔助完成各種先進功能，如分散式處理、維護或臨近操作以及自主應用等，有助於減少對昂貴的地基中繼系統和全球跟蹤系統的使用，還有助於提供姿態控制和保持小衛星間的相對距離。星間通信鏈路支持高容量和高數據速率傳輸、實時數據傳輸，並使系統中不同飛行器間能互操作。通過星間鏈路交換姿態和位置信息，可實現導航和位置控制，並保持飛行器間的時間同步。利用星間通信鏈路還可實現小衛星與其他衛星的通信和信息交換，允許衛星共享資源，實現性能目標，同時降低地面的業務負擔。

隨著小衛星組網與通信應用越來越多，將需要解決諸如如何有效利用有限帶寬資源之類的問題，需要開發一些新的方法來高效利用帶寬，而軟體定義無線電就是一種可能的解決方法。

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軟體定義無線電在小衛星星間通信中的應用

軟體定義無線電，簡稱軟體無線電（SDR），是一種使用通用硬體通過軟體重配置來支持各種不同種類無線系統和服務的新技術。SDR除了基本的無線通信功能外，還具備以下功能：1）支持不同電台系統互聯互通，使原來獨立運行的不同電台系統間能傳遞信息；2）將通信業務功能從硬體方式解放出來，僅通過載入不同軟體來動態配置系統功能，實現系統硬體平台的通用化、模塊化和軟體的模塊化；3）通過升級系統所裝載的軟體實現系統功能的更新和升級。

將SDR應用於小衛星星間通信將帶來很多優勢，同時也將面臨諸多挑戰。目前許多機構與公司正在對SDR在小衛星星間通信中的應用展開研究。

3.1

軟體定義無線電為小衛星星間通信帶來的優勢

目前，SDR已開始用於小衛星通信應用中，它利用軟體而不是物理硬體完成其所有基帶功能。SDR可通過升級軟體來適應未來頻率分配改變時帶來的挑戰，並能降低收發機和天線的大小與質量，獲得較高帶寬，適於高數據速率應用。SDR讓用戶能夠通過動態修改系統中的軟體，更新設備和網路裝備，從而獲得更好的性能和服務。

小衛星系統中通常包括多個移動節點，將構成動態網路拓撲結構。然而這些系統在發送和接收端有一定局限性，如功率、質量和天線大小限制、星上資源和計算能力有限以及通信斷續等。將SDR用於小衛星星間通信，能有效解決這些問題。SDR星間鏈路能使小衛星保持一定的相對距離並保持時間和頻率同步，能自動在衛星間建立ad hoc星間鏈路和地面鏈路。

已有研究提出一種新的SDR體系結構用於小衛星通信，它利用現場可編程門陣列（FPGA）和現場可編程射頻收發器，解決後端與前端挑戰，實現衛星使用一個用戶設備接收多個信號，並且能充分發揮自適應無線電、認知無線電和智能無線電的優勢，有助於降低成本並提高系統效率結。

3.2

軟體定義無線電在小衛星星間通信應用中面臨的挑戰

在小衛星中應用SDR為認知和自適應操作、多節點操作、無線電重配置、遠程升級提供了機會，且無需改變硬體就能適應新的應用和服務。它們還能在數據速率、波形、調製和糾錯機制方面提供強大的靈活性，能為分散式衛星系統提供更強性能，讓已部署的衛星通信收發機可隨演算法和通信標準的發展進行軟體升級。然而，將SDR用於星間通信應用也會存在很多挑戰。

1）任務星座中的問題：飛行器交叉鏈路會受軌道動態性影響，會帶來如多種星間距離和速度、多種用於分散式操作的星間訪問鏈路等難點和限制，並且數據速率直接取決於選擇哪種星座設計，也就是星間鏈路的距離。

2）信號衰減問題：空間傳輸通信信道主要受到自由空間損耗和電子熱雜訊影響，且移動性、天線指向、相位傳播延遲、電子-中子碰撞引起的衰減以及多徑效應都會造成信號衰減。並且，通過電離層的信號路徑會受到閃爍現象和法拉第旋轉現象等影響。太陽風暴會對UHF、L和S波段所在的300MHz到3GHz間頻段帶來嚴重破壞，會影響星間鏈路通信。

3）重配置時間：軌道周期為98分鐘的LEO衛星平均每天會5~6次訪問地球某一地點，每次約5~15分鐘。因此，應有效利用這一時間來完成不同任務，如下載遙測和有效載荷數據、遠程指揮衛星並按需重配置軟體模塊。

4）臨近信道干擾：臨近信道產生的干擾將造成解碼困難。為了避免干擾，目前已使用了很多技術，如調諧（自適應跳頻、動態頻率選擇和RF頻段切換）、正交頻分復用（OFDM）子信道化、信道聚合、時分多路復用、功率控制、MIMO波束成型和空時編碼等。

5）安全問題：由於有時可能未經授權就將新軟體裝到SDR單元中，也可能有惡意軟體裝到平台中，且信號也可能輕鬆地被未在網路內的其他硬體接收，因此安全性挑戰也是SDR在小衛星應用方面的重要問題。並且，來自外部世界的干擾也是一個問題。網路的安全性問題可通過實施加密演算法解決。另一種解決方法是數字認證，這種方法確保了公鑰的來源正確。數字認證是一種來自可信第三方的數字簽名。

SDR在小衛星有效載荷應用方面也面臨很多挑戰：

（1）小衛星存在質量、功率和體積方面的限制；

（2）為了使SDR可用於任務中可能出現的升級或可為實現其他任務而進行重配置，需預留一定資源；

（3）遠程軟體/固件編碼升級存在帶寬限制；

（4）空間輻射環境影響；

（5）SDR的標準化級別等。

由於存在諸多挑戰和難點，SDR在小衛星星間通信中的應用仍是一個需繼續研究的方向。

3.3

軟體定義無線電在小衛星星間通信中的應用現狀

目前，已有一些公司和機構開始研究SDR在小衛星星間通信中的應用，典型代表有Tethers Unlimited公司的SWIFT-RelNav以及NASA在CLIDE項目中使用的SDR-3000無線電。

（1）Tethers Unlimited公司針對小衛星通信開發SWIFT系列無線電

Tethers Unlimited公司基於SDR開發了SWIFT系列無線電，能為立方體衛星和其他小衛星提供高性能通信能力。SWIFT無線電建於模塊化平台上，使用了通用基帶板，與一個或多個RF前端結合，適於各種應用。這種模塊化設計能實現頻率和帶寬的靈活性，SWIFT模塊與1類加密模塊兼容，並能支持AES-256加密。

其中SWIFT-RelNav是一種基於SDR RF的系統，如圖4所示，能為衛星星群提供相對距離和姿態確定能力，並具有星間通信能力和時間同步能力，而無需外部參考信號。SDR RelNav能感知衛星間距離，精確度優於10厘米，星間鏈路數據速率可達12Mbps，誤碼率為10-6，時間和頻率同步能力優於1納秒和0.1ppb。SDR RelNav的能力已使用ISM S波段頻率經過硬體和軟體驗證，系統的測距和授時/頻率同步能在任意頻率實現。

圖4 SWIFT RelNav SDR系統

這一系統將SDR應用於星間鏈路，可完成10千米星間通信。該基於SDR RF的系統能實現高數據速率，並能運行於Ku和X波段中。

（2）NASA在CLIDE項目中應用SDR實現星間交叉鏈路

SDR-3000軟體無線電系列基於CompactPCI，利用Serial RapidIO提供高速數據吞吐量來匹配高性能信號處理設備如FPGA、數字信號處理器和PowerPC提供的處理能力。SDR-3000中的數據流如圖5所示。

圖5 SDR-3000數據流示意圖

NASA的CLIDE項目將開發星間交叉鏈路或衛星之間的通信鏈路，將SDR用於CLIDE項目有助於實現該目的，並實現了用低成本衛星星座及時提供關鍵的科學數據。這些衛星到衛星的直接鏈路有助於實現mesh連接和ad hoc組網，因此可確保衛星通信網路對地球的完全覆蓋。在CLIDE項目中，在實驗室中使用了多個SDR-3000模擬飛行器，並演示了全部通信組網能力，包括星間交叉鏈路。其中，一個SDR-3000能處理16條類似的接收信道。

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結語

小衛星技術越來越多的用在空間科學任務中，它們大多以不同構型方式來承擔任務，它們之間要協作完成任務，就需要更多的自主性和靈活性，隨著這些分散式空間任務的增加以及帶寬越來越有限，需要一個可重配置的平台來處理來自多顆衛星的多種頻段和數據速率信號，軟體定義無線電就是一種很好的解決方案，它能為小衛星空間應用提供更強靈活性和可重配置能力，提高帶寬利用率，大大降低成本。NASA和一些公司已開始研究將SDR應用於小衛星通信中，並演示實現了星間通信。

電科小氙

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