基于光纤信道的载人航天发射场微波信号转发系统关键问题研究与试验验证

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1、工程报告载人航天2010年第4期基于光纤信道的载人航天发射场微波信号转发系统关键问题研究与试验验证左超t张永华t丛沛滋2王坚1肖力田1(1北京特种工程设计研究院2中国酒泉卫星发射中心)摘要航天器微波信号转发系统是载人航天测发系统的重要组成部分，航天器上下行微波信号的转发传输质量直接影响到任务实施。从分析转发系统无线转发模式存在的多径干扰等问题入手．采用光纤传输模式消除多个点位间的空间多径干扰，塔架前端通过天线切换技术以及吸波材料的布设，达到良好的,gzd屏蔽效果，大幅度提高了微波信号传输质量，满足了任务需求。关键词载人航天微波信号转发光纤传输分类号V556．1文献标识码A文

2、章编号1674—5825(2010)04-0019--05l引言载人航天发射场航天器微波信号转发系统是航天员、航天器与地面指控中心之间通信链路的重要组成部分。自航天员进入座舱直至发射升空，航天器运行状态、监测信息、航天员体征参数，都需要通过微波信号转发系统传送到地面测控站和指控中心，以便实时监测航天器和航天员的射前状态，确保航天器和航天员在待发段的安全。载人航天工程神舟七号任务之前，测控站、指控中心、测试厂房以及塔架之间的航天器微波信号转发一直采用无线转发模式，但是由于塔架电磁环境复杂、无线转发天线相互干扰等原因，航天器在待发段过程中，出现微波信号不稳、电视图像有马赛克等问

3、题。近年来，随着光纤通信技术的发展，基于光纤信道的同频微波信号转发技术成为模拟信号远距离传输的关键承载技术，并且在航天发射场中得到了应用。该技术结合光纤和高频微波，以光的方式处理微波信号，集中了微波和光纤的优点，光纤提供低损耗宽带有线连接，微波信号可连续覆盖VHF频段至Ka频段，实现了大容量、低成本航天器微波信号的远距离转发。本文简要介绍光纤微波信号转发技术，分析历次载人航天工程任务中微波信号多径干扰问题，以及通过以光纤链路为主的综合技术来解决航天器待发段的转发问题，最后通过现场试验验证该技术的可行性。2载人航天发射场光纤微波信号转发模式和链路特性2．1光纤微波信号转发系统

4、组成图l所示为发射场光纤微波信号转发系统组成。主要包括微波子系统、传输子系统、天线子系统等。在任务中，需要在多个点位之间传送微波信号，因此，实际光纤链路会有多个分支，构成星型或者链型网络，实现微波信号的多点分发。在传输子系统中，光发射机和接收机的关键技术是宽频带模拟微波信号调制，目前的技术水平已经达到低频VHF至高频Ku波段，能够满足任务需求，避免了塔架至各个点位采用无线转发时的同频多径干扰问题，因此，本系统需解决的关键难题是前端转发天线与火箭透波口之间的复杂电磁环境问题。来稿日期：20lO-．-07—19；修回日期：20lO-lO--12。作者简介：左超(1972．03一

5、)，男，博士，高级工程师。主要从事载人航天发射场测发系统理论和工程应用研究工作。19载人航天2010年第4期工程报告图1发射场光纤微波信号转发系统组成2．2链路特性2．2．1噪声特性在计算链路噪声特性时，我们使用了噪声温度模型，微波子系统作为等效放大器，光纤链路为无源光网络，图2所示为链路等效噪声温度模型【l,21。输图2中，输入和输出分别为上下行链路输入和输出，Ta是天线噪声温度。我们首先计算输出等效噪声温度，然后计算噪声功率谱密度，表1所示为L波段的计算结果，Te是相关链路等效温度。相关计算表明，从VHF到Ku波段，噪声功率谱睡÷卜F一?放叫输出增益损耗增益卜《．-——

6、—{引、微波放大二]图2转发链路噪声特性模型表1L波段噪声功率谱密度Ta微波放大器(增益)光纤链路(损耗)微波放大器(增益)馈线损耗天线链路状态Gz=30dBl庐24dBG,=30dBLt=6dBTa--40K链路等效温度1fb#171．4KTe,F291．8Kn栌171．4K'reI=219．4KTa=40K下行链路输出等效温度Te4=ITl400KTe3=l162KTe2--682356K"rel=219400KT串：40000K下行链路等效总温度’I'='re-4-Te2+Te3+Te4+TaT=II14318K噪声功率谱no=KT[nd=[Kl+册md：-168．I

7、dBm／Hz密度在75dB／Hz以上，能够满足航天器微波信号转发要求。2．2．2光纤链路传输特性在光纤传输子系统中，传输容量预算是光纤链路模拟总带宽，它取决于模拟发射器、接收器和光纤链路，DFB发射器和PIN接收器带宽高达15GHz。假设20光纤链路长度为8km，材料色散Dm为3．5ps／nm．km，偏振模色散印为0．2ps／kV'i-。由光纤链路导致的总时延出为【1ltl习：&=蛹：讥i研=2．86ps(1)其中，AA是DFB光源带宽，At。和△‘是端到端工程报告载人航天2010年第4期材料色散和偏振色散。光纤链