1.3 天基协同传输系统概述

传统的天基传输系统是以卫星为转发中心的通信系统。由于卫星通常位于远离地面的高空，就覆盖范围而言，天基系统具有无可比拟的优势。卫星通信系统在数据传输和全球信息交互的过程中，尤其是在海事、对地观测、全天候监视等方面起到了至关重要的作用。随着人们对带宽日益增长的需求，服务商和有关机构不得不设法增加卫星数量、带宽和功率。然而，地球同步轨道卫星轨位的缺少和可利用频谱资源的匮乏，以及提高功率引起的复杂程度和运行成本的增加，使得这些针对卫星的改进措施难以实现。天基协同传输系统正是在这种背景下提出的，使用多星共轨协同和多天线技术。多星共轨技术可将多个功能相同或相似的卫星保持在同一轨位内，通过星间链路实现同步并交换数据，形成具有协同传输及转发能力的卫星星群，从而有效提高卫星轨道资源的使用率，弥补单星平台载荷与功率受限的短板。多天线技术则体现在通过配置有源天线阵列，共轨多星不仅可以实现协同多波束的高效传输机制，获得信道容量增益，而且能够根据自身结构的不断变化，自适应地优化传输模式，提高能量效率。

1.3.1 天基协同传输系统的现状及发展趋势

随着航空航天技术的发展，以卫星为骨干网的空间平台种类和功能日趋完善。天基传输技术把空间中用于信息获取、传输、处理等功能的不同卫星系统有机地连接起来，从而建立起了以卫星为核心的空间信息网络。其组网灵活、覆盖面广、建网快、不受地理环境限制等优点，使卫星网络在远距离无线通信方面具有十分显著的优势。许多国家开展了相关研究项目，例如，美国航空航天局和美国空军的先进极高频（Advanced Extremely High Frequency，AEHF）军用通信卫星和转型卫星通信系统（Transformational Satellite Communications System，TSAT）项目[18]可以实现全球范围内的快速信息获取；此外，德国宇航中心提出了TanDEM-X计划[19]；法国空间局提出了干涉车轮计划（CartWheel）[20]；意大利提出了BISSAT计划[21]；加拿大提出了RadarSat-2/3计划[22]。

AEHF 项目[23,24]是美国国防部的项目，其目标是为美国及其同盟国提供可用于所有级别军事冲突中准全球、高保密性、高通信容量和高生存能力的新一代战略和战术通信卫星以及地面匹配系统。AEHF 空间段卫星除采用“军事星”上已有的扩频、调频、星间链路和星上处理等技术外，还采用了相控阵天线技术和波束成形网络技术[25]。相控阵天线技术可通过电子手段改变射频波束的指向，使用户之间的波束可瞬时跳变，从而提升传输效率和灵活性；波束成形网络则可在为合法用户提供服务的同时利用自动调零的方法抑制干扰信号。

2010年6月21日，德国雷达卫星TanDEM-X的成功发射，象征着全球数字高程模型（WordDEM）开始了一个新的时代。TanDEM-X与TerraSAR-X共同组成了一个高精度的雷达干涉仪，能够为全球同源数字高程模型获取基础数据。两颗卫星组成一个独特的卫星编队，以精密控制的螺旋式编队飞行，距离很近，最小相对距离只有几百米。其主要任务是制作一个质量好、精度高、覆盖范围广的全球 WorldDEM。该 WorldDEM 的精确性将高于任何现有的基于卫星拍摄的WorldDEM，并具有以下独特的优势：2 m的相对垂直精度和10 m的绝对垂直精度；12 m×12 m的扫描光栅；全球同源性；不需要任何地面控制信息。由德国宇航中心研发的 TerraSAR-X/TanDEM-X 双星系统同样通过主动相控阵天线技术形成灵活的波束指向，以提供阵列增益。其虽然一定程度上提升了信号功率和传输效率，但并不能大幅度增加信道容量，很大程度上受制于卫星的载荷和功率[26]。

TSAT 计划[27]则由美国空军提出，其核心任务是由编队卫星群协同通信组成的虚拟雷达阵列，完成被动无线电辐射测量、导航、通信（移动战术通信）等任务，借此验证编队卫星群具备通过协作通信实现有效多任务的能力[28]。该卫星能实现大容量全球通信；利用激光链路和互联网协议（IP）等新技术向成千上万用户提供高机动、超视距和受保护的通信；向战术用户提供中速率通信能力，向机载的情报、监视和侦察平台提供更强大的连通能力。由于经费等原因，TSAT 计划于2009年暂时搁置，但其全球化组网、构建空间信息网络的理念并没有消失，前期研发积累的空间路由器等技术仍在继续发展。

在TSAT计划开展的同时，针对目前装载多种有效载荷的复杂大卫星的质量大、技术复杂、成本高、研制周期长、不可维护等缺点，美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室和美国国家安全空间办公室提出了以分离模块方式在地球静止轨道（GEO）执行军事任务的设想，即天基群组[29]。天基群组是利用一颗主卫星为群组提供天地链路等核心服务，利用其他低成本、低技术复杂度、任务专用的子卫星与主卫星组成星群，执行通信、遥感等任务，并且群组中还包含在轨服务卫星，为卫星延寿和系统重构提供支持保障。其关键技术包含高速低功率无线网络技术，由于作用距离只有几千米，无线网络设备的尺寸、质量、功耗比传统星地链路呈数量级降低；IP路由技术与无线网络结合，带有即插即用接口，需要进行在轨演示验证。在轨服务技术方面，美国国防部先进研究项目局（DARPA）已经利用“轨道快车”项目进行了诸如燃料加注、更换设备等试验。日前，DARPA又推出一项代号为“Phoneix”的研究项目，又称“僵尸卫星”计划。该项目旨在将成为太空垃圾的报废卫星进行回收，将太空垃圾的零部件，特别是天线等元器件进行整合，形成一个天线阵列，最终成为一个低成本“通信中心”，为地面美军提供信息服务，实现太空资源再利用，降低太空开发成本。该计划首先发射一颗地球同步卫星（GEO），再发射一系列小型卫星，利用发射的GEO所搭载的机械手臂将回收来的天线安装在发射的小型卫星上。小型卫星可作为指定移动位置的控制器进行工作。最终，从太空垃圾上拆除下来的可回收零部件可构成一个“僵尸天线阵列”。

为建立起面向未来的、灵活高效的航天器体系结构，美国国防部先进研究项目局提出了 F6 计划[30]，其思路是将传统的整体航天器分解成多个可组合的分离模块，不同的模块具有不同的任务和功能。这些互相分离的航天器模块在地面上可以批量制造并独立发射，于卫星轨道上正常运行时则通过编队飞行、无线数据传输和无线能量传输的方式协同工作，从而将分散的模块组合成为一个完整的虚拟航天系统。这种基于分离模块的方式协同工作、完成任务的“天基群组”传输技术，为卫星通信系统的发展提供了新的思路。

通过上述分析，可以将国外天基传输系统发展趋势的特点总结如下。

①由单颗卫星向空间信息网络方向发展。

②由单颗卫星完成复杂功能，向多颗功能单一的卫星构成星群，并协同完成复杂功能的方向发展。

③由采用相控阵天线以提高接收信噪比，向采用有源天线阵列以提升信道容量与传输效率、实现空间复用增益的方向发展。

1.3.2 天基协同传输系统的基本原理

我们将介绍天基协同传输系统获得空间复用增益的基本原理。基于有源天线阵列，我们以建立在一个由ME根接收天线构成的地面接收端和一个由MS颗卫星构成的协同星群之间的下行链路为例，如图1-3所示。其中，每颗卫星上搭载有ML根发射天线阵列。

频选多输入多输出卫星通信信道可以由它的信道矩阵H(f)来描述。由于卫星通信系统的特性，该链路实际上是一个无衰落、无阴影的LOS信道。在地面无线通信系统中，我们已经证明了LOS信道中正交信道可以提供最优的信道容量[33]，这需要收、发天线之间的信道响应满足特殊的要求且是准静态的。由于地面无线系统终端几乎都是移动的，准静态信道的假设在地面蜂窝移动系统中不成立。

幸运的是，在卫星通信系统中，多数情况下地面站相对于卫星端的移动速率极低，短时间内收、发天线阵列的几何排布几乎是恒定不变的，因此LOS信道可以近似为静态的。可见，卫星信道在实现信道容量优化方面具有得天独厚的优势。通过星群协同多波束传输技术，我们可以实现理论上的天线最优化配置，从而提高卫星通信系统的容量增益。

不考虑信号传播过程中产生的噪声，从卫星星群发射出来的频率平稳信号在MIMO信道中的传播过程可以表示为

y=Hx　　　　　　　　　　（1-2）

其中，地面接收信号矢量，星群发射信号矢量 。信道矩阵，记发射天线数目MT=MSML，接收天线数目MR=ME。

对一个MIMO系统而言，信道的最高频谱效率可由Telatar的著名公式

来计算[34]。其中，(·)H指矩阵的转置运算，ρ 为信道的线性信噪比。定义信道的信噪比SNR=10lg(ρ)=EIRP+(G-T)-κ-β[dB]，其中 EIRP、（G-T）、κ 和 β分别为有效全向辐射功率、品质因数、玻尔兹曼常数和下行链路带宽的对数值。由于星地间距远大于阵列天线之间的间距，传递矩阵H中的每一个元素可以认为是幅度相同的。因此，满足最大复用增益的 MIMO 信道的传递矩阵H是一个正交矩阵。通过调整天线间距与星群间距，可以达到理论上的最优信道容量。最优信道容量的可达性及条件将在第8章进行详细讨论。