近日，鵬城實驗室聯合哈爾濱工業(yè)大學（深圳）衛(wèi)星通信研究團隊在面向低軌衛(wèi)星的多天線數字波束合成技術關鍵外場實驗中取得突破性進展。團隊經過數十軌次的反復測試，驗證了多天線數字波束收、發(fā)合成技術在高動態(tài)低軌衛(wèi)星星地通信場景下的技術可行性，其自研的數字波束合成基帶系統發(fā)送信噪比最高可提升5.5dB，接收信噪比最高可提升2.6dB，該研究成果是我國協同通信理論在衛(wèi)星通信領域應用的重要里程碑,可為中國算力網向天基延伸，實現6G天地一體化泛在高速連接提供關鍵技術支撐。部分研究成果已發(fā)表在《中國科學：信息科學》( http://scis.scichina.com/scis-sat6g.html)
圖1 相關論文
低軌衛(wèi)星（LEO）因其更靠近地面且具有低延遲、高帶寬等優(yōu)勢，成為當前衛(wèi)星通信的重要發(fā)展方向，更是實現6G空天地一體化泛在連接愿景的關鍵通信技術之一。如何設計具有低成本、易部署、高可靠等星地通信能力的低軌衛(wèi)星通信系統已成為當前的研究熱點。然而，現階段低軌衛(wèi)星通信系統主要采用單點單天線方案，星地通信容量提升空間有限，且難以實現多星同時對地通信能力，極大限制了星地通信整體系統容量的提升。我國正大力推進低軌衛(wèi)星通信星座的部署，迫切需要新理論和新技術，突破傳統低軌衛(wèi)星通信系統能力瓶頸——既要滿足未來大規(guī)模低軌衛(wèi)星星座場景下同時跟蹤多星的需求，還要在保證通信質量的同時盡可能降低成本。
針對此問題，鵬城實驗室聯合哈爾濱工業(yè)大學（深圳）衛(wèi)星通信研究團隊提出通過部署多個小口徑天線并在數字域進行波束合成（Digital Beamforming, DBF），從而等效大口徑天線的方案。該方案在提高通信可靠性的同時，還兼具成本低、部署靈活等優(yōu)勢。在技術攻關過程中，研究團隊通過反復的理論計算和模擬測試，成功解決了星地高動態(tài)、遠距離通信過程中高精度通道一致性問題，并提出了多波束相差和幅度差動態(tài)補償方法。該方法通過對多天線波束信號的時間、相位與幅度的精確控制，確保了基帶收發(fā)多通道數字信號的方向一致性，并有效消除了由系統引入的相位偏差及其它誤差對波束方向造成的影響。另外，針對低軌衛(wèi)星高速運動的特性，聯合研究團隊提出了一種融合衛(wèi)星星歷和高精度角度估計算法的衛(wèi)星跟蹤算法，利用衛(wèi)星運動方程及實時測角信息，實現了對低軌衛(wèi)星優(yōu)于0.1度高精度跟蹤。
圖2 實驗系統結構
圖3 外場實驗現場圖
多天線數字波束合成技術的成功應用，是發(fā)展大規(guī)模低軌衛(wèi)星通信的一種全新的系統設計思路，標志著衛(wèi)星通信系統在技術路線上的重要突破，能夠為未來大規(guī)模衛(wèi)星組網和高可靠衛(wèi)星通信提供關鍵技術支撐，同時能夠為當前中國算力網的建設、運營、服務提供穩(wěn)定可靠的網絡連接，助力未來6G空天地一體化泛在連接愿景的實現。
