1.3 天基協同傳輸系統概述

傳統的天基傳輸系統是以衛星為轉發中心的通信系統。由于衛星通常位于遠離地面的高空，就覆蓋范圍而言，天基系統具有無可比擬的優勢。衛星通信系統在數據傳輸和全球信息交互的過程中，尤其是在海事、對地觀測、全天候監視等方面起到了至關重要的作用。隨著人們對帶寬日益增長的需求，服務商和有關機構不得不設法增加衛星數量、帶寬和功率。然而，地球同步軌道衛星軌位的缺少和可利用頻譜資源的匱乏，以及提高功率引起的復雜程度和運行成本的增加，使得這些針對衛星的改進措施難以實現。天基協同傳輸系統正是在這種背景下提出的，使用多星共軌協同和多天線技術。多星共軌技術可將多個功能相同或相似的衛星保持在同一軌位內，通過星間鏈路實現同步并交換數據，形成具有協同傳輸及轉發能力的衛星星群，從而有效提高衛星軌道資源的使用率，彌補單星平臺載荷與功率受限的短板。多天線技術則體現在通過配置有源天線陣列，共軌多星不僅可以實現協同多波束的高效傳輸機制，獲得信道容量增益，而且能夠根據自身結構的不斷變化，自適應地優化傳輸模式，提高能量效率。

1.3.1 天基協同傳輸系統的現狀及發展趨勢

隨著航空航天技術的發展，以衛星為骨干網的空間平臺種類和功能日趨完善。天基傳輸技術把空間中用于信息獲取、傳輸、處理等功能的不同衛星系統有機地連接起來，從而建立起了以衛星為核心的空間信息網絡。其組網靈活、覆蓋面廣、建網快、不受地理環境限制等優點，使衛星網絡在遠距離無線通信方面具有十分顯著的優勢。許多國家開展了相關研究項目，例如，美國航空航天局和美國空軍的先進極高頻（Advanced Extremely High Frequency，AEHF）軍用通信衛星和轉型衛星通信系統（Transformational Satellite Communications System，TSAT）項目[18]可以實現全球范圍內的快速信息獲取；此外，德國宇航中心提出了TanDEM-X計劃[19]；法國空間局提出了干涉車輪計劃（CartWheel）[20]；意大利提出了BISSAT計劃[21]；加拿大提出了RadarSat-2/3計劃[22]。

AEHF 項目[23,24]是美國國防部的項目，其目標是為美國及其同盟國提供可用于所有級別軍事沖突中準全球、高保密性、高通信容量和高生存能力的新一代戰略和戰術通信衛星以及地面匹配系統。AEHF 空間段衛星除采用“軍事星”上已有的擴頻、調頻、星間鏈路和星上處理等技術外，還采用了相控陣天線技術和波束成形網絡技術[25]。相控陣天線技術可通過電子手段改變射頻波束的指向，使用戶之間的波束可瞬時跳變，從而提升傳輸效率和靈活性；波束成形網絡則可在為合法用戶提供服務的同時利用自動調零的方法抑制干擾信號。

2010年6月21日，德國雷達衛星TanDEM-X的成功發射，象征著全球數字高程模型（WordDEM）開始了一個新的時代。TanDEM-X與TerraSAR-X共同組成了一個高精度的雷達干涉儀，能夠為全球同源數字高程模型獲取基礎數據。兩顆衛星組成一個獨特的衛星編隊，以精密控制的螺旋式編隊飛行，距離很近，最小相對距離只有幾百米。其主要任務是制作一個質量好、精度高、覆蓋范圍廣的全球 WorldDEM。該 WorldDEM 的精確性將高于任何現有的基于衛星拍攝的WorldDEM，并具有以下獨特的優勢：2 m的相對垂直精度和10 m的絕對垂直精度；12 m×12 m的掃描光柵；全球同源性；不需要任何地面控制信息。由德國宇航中心研發的 TerraSAR-X/TanDEM-X 雙星系統同樣通過主動相控陣天線技術形成靈活的波束指向，以提供陣列增益。其雖然一定程度上提升了信號功率和傳輸效率，但并不能大幅度增加信道容量，很大程度上受制于衛星的載荷和功率[26]。

TSAT 計劃[27]則由美國空軍提出，其核心任務是由編隊衛星群協同通信組成的虛擬雷達陣列，完成被動無線電輻射測量、導航、通信（移動戰術通信）等任務，借此驗證編隊衛星群具備通過協作通信實現有效多任務的能力[28]。該衛星能實現大容量全球通信；利用激光鏈路和互聯網協議（IP）等新技術向成千上萬用戶提供高機動、超視距和受保護的通信；向戰術用戶提供中速率通信能力，向機載的情報、監視和偵察平臺提供更強大的連通能力。由于經費等原因，TSAT 計劃于2009年暫時擱置，但其全球化組網、構建空間信息網絡的理念并沒有消失，前期研發積累的空間路由器等技術仍在繼續發展。

在TSAT計劃開展的同時，針對目前裝載多種有效載荷的復雜大衛星的質量大、技術復雜、成本高、研制周期長、不可維護等缺點，美國約翰霍普金斯大學應用物理實驗室和美國國家安全空間辦公室提出了以分離模塊方式在地球靜止軌道（GEO）執行軍事任務的設想，即天基群組[29]。天基群組是利用一顆主衛星為群組提供天地鏈路等核心服務，利用其他低成本、低技術復雜度、任務專用的子衛星與主衛星組成星群，執行通信、遙感等任務，并且群組中還包含在軌服務衛星，為衛星延壽和系統重構提供支持保障。其關鍵技術包含高速低功率無線網絡技術，由于作用距離只有幾千米，無線網絡設備的尺寸、質量、功耗比傳統星地鏈路呈數量級降低；IP路由技術與無線網絡結合，帶有即插即用接口，需要進行在軌演示驗證。在軌服務技術方面，美國國防部先進研究項目局（DARPA）已經利用“軌道快車”項目進行了諸如燃料加注、更換設備等試驗。日前，DARPA又推出一項代號為“Phoneix”的研究項目，又稱“僵尸衛星”計劃。該項目旨在將成為太空垃圾的報廢衛星進行回收，將太空垃圾的零部件，特別是天線等元器件進行整合，形成一個天線陣列，最終成為一個低成本“通信中心”，為地面美軍提供信息服務，實現太空資源再利用，降低太空開發成本。該計劃首先發射一顆地球同步衛星（GEO），再發射一系列小型衛星，利用發射的GEO所搭載的機械手臂將回收來的天線安裝在發射的小型衛星上。小型衛星可作為指定移動位置的控制器進行工作。最終，從太空垃圾上拆除下來的可回收零部件可構成一個“僵尸天線陣列”。

為建立起面向未來的、靈活高效的航天器體系結構，美國國防部先進研究項目局提出了 F6 計劃[30]，其思路是將傳統的整體航天器分解成多個可組合的分離模塊，不同的模塊具有不同的任務和功能。這些互相分離的航天器模塊在地面上可以批量制造并獨立發射，于衛星軌道上正常運行時則通過編隊飛行、無線數據傳輸和無線能量傳輸的方式協同工作，從而將分散的模塊組合成為一個完整的虛擬航天系統。這種基于分離模塊的方式協同工作、完成任務的“天基群組”傳輸技術，為衛星通信系統的發展提供了新的思路。

通過上述分析，可以將國外天基傳輸系統發展趨勢的特點總結如下。

①由單顆衛星向空間信息網絡方向發展。

②由單顆衛星完成復雜功能，向多顆功能單一的衛星構成星群，并協同完成復雜功能的方向發展。

③由采用相控陣天線以提高接收信噪比，向采用有源天線陣列以提升信道容量與傳輸效率、實現空間復用增益的方向發展。

1.3.2 天基協同傳輸系統的基本原理

我們將介紹天基協同傳輸系統獲得空間復用增益的基本原理。基于有源天線陣列，我們以建立在一個由ME根接收天線構成的地面接收端和一個由MS顆衛星構成的協同星群之間的下行鏈路為例，如圖1-3所示。其中，每顆衛星上搭載有ML根發射天線陣列。

頻選多輸入多輸出衛星通信信道可以由它的信道矩陣H(f)來描述。由于衛星通信系統的特性，該鏈路實際上是一個無衰落、無陰影的LOS信道。在地面無線通信系統中，我們已經證明了LOS信道中正交信道可以提供最優的信道容量[33]，這需要收、發天線之間的信道響應滿足特殊的要求且是準靜態的。由于地面無線系統終端幾乎都是移動的，準靜態信道的假設在地面蜂窩移動系統中不成立。

幸運的是，在衛星通信系統中，多數情況下地面站相對于衛星端的移動速率極低，短時間內收、發天線陣列的幾何排布幾乎是恒定不變的，因此LOS信道可以近似為靜態的。可見，衛星信道在實現信道容量優化方面具有得天獨厚的優勢。通過星群協同多波束傳輸技術，我們可以實現理論上的天線最優化配置，從而提高衛星通信系統的容量增益。

不考慮信號傳播過程中產生的噪聲，從衛星星群發射出來的頻率平穩信號在MIMO信道中的傳播過程可以表示為

y=Hx　　　　　　　　　　（1-2）

其中，地面接收信號矢量，星群發射信號矢量 。信道矩陣，記發射天線數目MT=MSML，接收天線數目MR=ME。

對一個MIMO系統而言，信道的最高頻譜效率可由Telatar的著名公式

來計算[34]。其中，(·)H指矩陣的轉置運算，ρ 為信道的線性信噪比。定義信道的信噪比SNR=10lg(ρ)=EIRP+(G-T)-κ-β[dB]，其中 EIRP、（G-T）、κ 和 β分別為有效全向輻射功率、品質因數、玻爾茲曼常數和下行鏈路帶寬的對數值。由于星地間距遠大于陣列天線之間的間距，傳遞矩陣H中的每一個元素可以認為是幅度相同的。因此，滿足最大復用增益的 MIMO 信道的傳遞矩陣H是一個正交矩陣。通過調整天線間距與星群間距，可以達到理論上的最優信道容量。最優信道容量的可達性及條件將在第8章進行詳細討論。