康國(guó)棟寧金枝李琪蔡亞星李紅寶

（1航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

（2中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）

中繼測(cè)控鏈路動(dòng)態(tài)分析與計(jì)算方法研究

康國(guó)棟1寧金枝1李琪1蔡亞星2李紅寶1

（1航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

（2中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）

中繼測(cè)控鏈路計(jì)算是進(jìn)行中繼測(cè)控鏈路性能分析的重要手段。就任意可視弧段而言，中繼終端和中繼衛(wèi)星之間的相對(duì)位置都是不斷變化的，這就引起部分鏈路參數(shù)隨著時(shí)間和位置動(dòng)態(tài)變化。文章提出了一種中繼鏈路動(dòng)態(tài)分析與計(jì)算的方法，建立了中繼鏈路動(dòng)態(tài)通信方程，最后以中繼終端和天鏈一號(hào)01星某仿真可視弧段為例，進(jìn)行了中繼鏈路的動(dòng)態(tài)分析與計(jì)算。結(jié)果表明，文章的鏈路計(jì)算與分析方法實(shí)際可行，對(duì)于中繼終端實(shí)際工程應(yīng)用和在軌試驗(yàn)具有參考價(jià)值。

中繼測(cè)控；中繼鏈路動(dòng)態(tài)通信方程；中繼鏈路分析

1 引言

隨著中低軌道衛(wèi)星數(shù)據(jù)的快速增長(zhǎng)，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)中低軌飛行器進(jìn)行長(zhǎng)弧段高覆蓋率的實(shí)時(shí)跟蹤與數(shù)據(jù)中繼的要求已經(jīng)越來(lái)越迫切。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，美國(guó)航空航天局（NASA）、俄羅斯聯(lián)邦航天局、歐洲航天局（ESA）和日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）等空間組織都在積極研制自己的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。隨著我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，我國(guó)的天基測(cè)控能力也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。2008年4月我國(guó)發(fā)射了中繼衛(wèi)星天鏈一號(hào)01星，此后相繼發(fā)射了天鏈一號(hào)02星和03星，實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，大大提高了我國(guó)對(duì)中低軌衛(wèi)星的天基測(cè)控能力［1-4］。

與此同時(shí)，中繼衛(wèi)星的應(yīng)用研究也得到了快速發(fā)展，為了在地面站無(wú)法覆蓋的境外區(qū)域進(jìn)行應(yīng)急通信、實(shí)時(shí)回傳等任務(wù)，在中繼衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星中繼終端之間建立中繼測(cè)控鏈路至關(guān)重要。目前的一些中繼測(cè)控方面的研究主要是關(guān)于中繼衛(wèi)星對(duì)中繼終端天線的可見(jiàn)時(shí)間及覆蓋性情況的分析［5-6］，沒(méi)有進(jìn)行具體的中繼鏈路計(jì)算的討論。鏈路計(jì)算是進(jìn)行鏈路分析和掌握系統(tǒng)整體性能的一個(gè)重要工具。它一般用來(lái)預(yù)測(cè)通信鏈路在給定設(shè)計(jì)指標(biāo)下的平均性能。鏈路計(jì)算給出的鏈路余量是關(guān)于系統(tǒng)整體性、宏觀方面的確定性指標(biāo)。在中繼地面測(cè)控站、中繼衛(wèi)星和中繼測(cè)控終端之間建立的前向/返向鏈路中，中繼測(cè)控鏈路的余量是衡量能否建立滿足一定信號(hào)質(zhì)量要求的中繼測(cè)控鏈路的重要參考因素。

在進(jìn)行中繼鏈路的計(jì)算與分析時(shí)，因?yàn)橹欣^衛(wèi)星和地面站之間的位置相對(duì)固定，它們之間的各種鏈路參數(shù)一般相對(duì)保持不變，所以這部分鏈路的性能可以靜態(tài)地進(jìn)行分析計(jì)算。而中繼終端和中繼衛(wèi)星之間的相對(duì)位置就任意一個(gè)可視弧段而言都是不斷變化的，這就引起部分鏈路參數(shù)，如在鏈路方向上的中繼終端天線增益值、中繼終端的等效全向輻射功率、中繼終端接收天線增益與噪聲溫度的比值（G/T）等，隨著時(shí)間和位置動(dòng)態(tài)變化。本文將中繼鏈路分為靜態(tài)鏈路（中繼衛(wèi)星和地面站之間）和動(dòng)態(tài)鏈路（中繼衛(wèi)星和中繼終端之間）兩部分分別建立鏈路通信方程，提出了一種動(dòng)態(tài)分析與計(jì)算中繼鏈路的方法，計(jì)算出了整個(gè)鏈路總的前向返向動(dòng)態(tài)載噪比，并以中繼終端和天鏈一號(hào)01星某仿真可視弧段為例，進(jìn)一步分析了中繼全程鏈路的前向返向鏈路余量的動(dòng)態(tài)變化情況。

2 中繼測(cè)控鏈路分析

2.1 中繼測(cè)控鏈路的組成

中繼天基測(cè)控任務(wù)是通過(guò)中繼測(cè)控鏈路來(lái)完成的。中繼測(cè)控鏈路是由中繼衛(wèi)星、中繼測(cè)控終端（本文以下簡(jiǎn)稱中繼終端）和地面測(cè)控站構(gòu)成的通信鏈路。通過(guò)中繼測(cè)控鏈路，中繼終端可以接收中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的來(lái)自地面站的遙控指令或數(shù)據(jù)，也可以由中繼衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)用戶衛(wèi)星的遙測(cè)數(shù)據(jù)至地面站。圖1給出了中繼測(cè)控鏈路的兩條通信鏈路的示意圖：一條為前向鏈路，由地面站經(jīng)中繼衛(wèi)星到達(dá)中繼終端；另一條為返向鏈路，由中繼終端經(jīng)中繼衛(wèi)星到達(dá)地面站。

圖1 中繼測(cè)控鏈路示意圖Eig.1 Illustration of DRS TT&C link

2.2 中繼測(cè)控鏈路的建立、保持與釋放

每次中繼業(yè)務(wù)都有從鏈路建立到鏈路保持再到最后釋放鏈路的一個(gè)過(guò)程。中繼測(cè)控鏈路建立時(shí)，由地面站天線跟蹤指向中繼衛(wèi)星，指令控制調(diào)節(jié)中繼衛(wèi)星對(duì)地天線指向地面測(cè)控站，保證建立起地面站和中繼衛(wèi)星之間的饋電鏈路。中繼衛(wèi)星天線受指令控制指向用戶衛(wèi)星，以實(shí)現(xiàn)中繼衛(wèi)星天線對(duì)用戶衛(wèi)星的跟蹤指向。圖2給出了中繼鏈路建立、保持與釋放的過(guò)程。

圖2 中繼測(cè)控鏈路建立、保持與釋放過(guò)程Eig.2 Procedure of DRS TT&C link construction，maintenance and release

2.3 中繼測(cè)控鏈路參數(shù)動(dòng)態(tài)變化分析

在執(zhí)行中繼業(yè)務(wù)時(shí)，中繼終端的在軌運(yùn)動(dòng)會(huì)引起中繼衛(wèi)星和中繼終端之間鏈路的俯仰角和方位角相應(yīng)變化，從而導(dǎo)致中繼鏈路參數(shù)動(dòng)態(tài)變化。

2.3.1 中繼衛(wèi)星俯仰角、方位角與中繼終端天線波束角之間的關(guān)系分析

1）坐標(biāo)系定義

地心慣性坐標(biāo)系是以地球球心為原點(diǎn)，以赤道面為基準(zhǔn)面的坐標(biāo)系；衛(wèi)星本體坐標(biāo)系是以衛(wèi)星質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)，以軌道面內(nèi)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閄軸，以指向地心方向?yàn)閆軸的坐標(biāo)系；衛(wèi)星天線坐標(biāo)系原點(diǎn)與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，X軸與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系X軸重合，Z軸為衛(wèi)星天線視軸指向方向［7-8］。文章中的中繼終端天線固定安裝在低軌衛(wèi)星的對(duì)天面上，即天線坐標(biāo)系的Z軸與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的-Z軸重合。

2）中繼衛(wèi)星俯仰角、方位角與中繼終端天線波束角之間的關(guān)系

中繼衛(wèi)星在中繼終端天線坐標(biāo)系下的俯仰角、方位角和中繼終端天線波束角之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 中繼衛(wèi)星俯仰角、方位角和中繼終端天線波束角之間的關(guān)系（中繼終端天線坐標(biāo)系）Eig.3 Illustration of the relation among DRS antenna elevation，azimuth and DRT antenna beam angle（DRT antenna body coordinate system.）

方位角α可表示為

假設(shè)中繼終端天線在方位角α的切面上的波束角為θ，由圖3中關(guān)系可知：

式中：β（t）為中繼衛(wèi)星在中繼終端天線坐標(biāo)系中的俯仰角；（XTD（t），YTD（t），ZTD（t））和（XTU（t），YTU（t），ZTU（t））分別為t時(shí)刻中繼衛(wèi)星天線質(zhì)心和中繼終端天線質(zhì)心在地心慣性坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，可由該時(shí)刻衛(wèi)星的經(jīng)緯度和衛(wèi)星高度計(jì)算得到，本文在此不進(jìn)行詳細(xì)敘述。由于中繼衛(wèi)星和中繼終端距離遙遠(yuǎn)，常常相距數(shù)萬(wàn)千米，故本文近似認(rèn)為天線質(zhì)心和衛(wèi)星質(zhì)心重合。

2.3.2 中繼鏈路參數(shù)動(dòng)態(tài)變化分析

中繼終端天線一般是固定安裝在衛(wèi)星上的，不具備轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，故中繼衛(wèi)星和中繼終端之間的鏈路方向一般并不是中繼終端天線的最大增益方向，并且隨著中繼終端的在軌運(yùn)動(dòng)，中繼衛(wèi)星相對(duì)于中繼終端的俯仰角和方位角也在不斷發(fā)生著變化，從而影響到中繼終端天線的波束角，進(jìn)一步影響到用于鏈路計(jì)算的中繼終端天線增益G的大小和中繼終端等效全向輻射功率（EIRP）的大小。

本文討論的中繼終端天線固定安裝在衛(wèi)星的-Z面，其用于中繼鏈路計(jì)算的天線增益值是天線波束角和方位角的函數(shù)，換句話說(shuō)，也是中繼衛(wèi)星在中繼終端天線坐標(biāo)系中的俯仰角和方位角的函數(shù)，本文表示為G（α，β）。

EIRP表示在所討論方向上等效于一個(gè)各向同性輻射的設(shè)備所能發(fā)出的功率。本文將中繼終端的EIRP考慮為中繼衛(wèi)星在中繼終端天線坐標(biāo)系中的方位角和俯仰角的函數(shù)。

式中：EB為中繼終端發(fā)出的等效全向輻射功率；PUT為中繼終端發(fā)射功率；G（α，β）為中繼終端發(fā)射天線在鏈路方向上的增益值；LUTC為中繼終端發(fā)射天線與中繼終端發(fā)射機(jī)之間的饋線損耗。

2.4 中繼動(dòng)態(tài)鏈路方程

通信鏈路是指從信源到信宿的整個(gè)通信路徑：從信源開始通過(guò)編碼和調(diào)制由發(fā)射機(jī)經(jīng)由信道到達(dá)接收機(jī)結(jié)束于信宿。圖4給出了一個(gè)典型的由發(fā)射端到接收端的通信鏈路模型圖。

就中繼鏈路而言，其鏈路通信方程可以分兩部分建立：一部分是中繼衛(wèi)星和地面站之間的鏈路。由于中繼衛(wèi)星和地面站之間的位置相對(duì)固定，這部分鏈路的各種參數(shù)均可認(rèn)為保持不變，故這部分鏈路的通信方程為靜態(tài)的；另一部分是中繼衛(wèi)星和中繼終端之間的鏈路，由于中繼終端的位置變化導(dǎo)致鏈路參數(shù)動(dòng)態(tài)變化，文章將這部分鏈路的通信方程視為動(dòng)態(tài)的。兩部分鏈路的通信方程分別建立如下。

圖4 典型通信鏈路模型圖Eig.4 Illustration of typical communication link model

1）中繼衛(wèi)星和地面站之間的鏈路方程

中繼衛(wèi)星和地面站之間的前向鏈路、返向鏈路的靜態(tài)通信方程可表示為

2）中繼衛(wèi)星和中繼終端之間的鏈路方程

中繼衛(wèi)星和中繼終端之間的前向鏈路、返向鏈路的動(dòng)態(tài)通信方程可表示為

式中：（C/N0）ESG和（C/N0）ESS分別是前向鏈路中繼衛(wèi)星和地面站之間以及中繼衛(wèi)星和中繼終端之間的載波信號(hào)與噪聲功率譜密度之比（dB·Hz-1）；（C/N0）BSG和（C/N0）BSS分別是返向鏈路中繼衛(wèi)星和地面站之間以及中繼衛(wèi)星和中繼終端之間的載波信號(hào)與噪聲功率譜密度之比（d B·Hz-1）；EESG和EESS分別是前向鏈路中繼衛(wèi)星和地面站之間以及中繼衛(wèi)星和中繼終端之間的等效全向輻射功率（dBW）；EBSG和EBSS分別是返向鏈路中繼衛(wèi)星和地面站之間以及中繼衛(wèi)星和中繼終端之間的等效全向輻射功率（d BW）；（G/T）ESG和（G/T）ESS分別是前向鏈路中繼衛(wèi)星和地面站之間以及中繼衛(wèi)星和中繼終端之間的接收天線鏈路方向增益與接收系統(tǒng)等效噪聲溫度之比（dB·K-1）；（G/T）BSG和（G/T）BSS分別是返向鏈路中繼衛(wèi)星和地面站之間以及中繼衛(wèi)星和中繼終端之間的接收天線鏈路方向增益與接收系統(tǒng)等效噪聲溫度之比（dB·K-1）；k為玻爾茲曼常數(shù)，單位為（d BW·Hz-1·K-1）；LESG和LESS分別是中繼衛(wèi)星和地面站之間以及中繼衛(wèi)星和中繼終端之間的前向鏈路空間傳播損耗（dB）；LBSG和LBSS分別是中繼衛(wèi)星和地面站之間以及中繼衛(wèi)星和中繼終端之間的返向鏈路空間傳播損耗（dB）；∑Li和∑Lj為模型中其它各種損耗（dB）。另外需要說(shuō)明的是，在中繼衛(wèi)星和地面站之間的鏈路需要考慮大氣損耗和雨衰損耗，在中繼衛(wèi)星和中繼終端之間的鏈路沒(méi)有此種損耗；r為中繼衛(wèi)星和中繼終端的空間距離（km）。

2.5 中繼鏈路余量計(jì)算

在中繼系統(tǒng)中，整個(gè)鏈路總的前向或者返向的（C/N0）C與兩部分鏈路（C/N0）SS和（C/N0）SG之間，符合如下關(guān)系（非dB運(yùn)算）：

采用對(duì)數(shù)（dB）運(yùn)算，并結(jié)合式（4）和式（5），即可計(jì)算出前向鏈路總（C/N0）E（dB）和反向鏈路總（C/N0）B（dB），如下：

從而計(jì)算中繼前向鏈路和返向鏈路的余量，如下：

式中：ME和MB分別為中繼前向鏈路和返向鏈路的余量（dB）；RbE和RbB分別為中繼前向鏈路和返向鏈路的信息速率（bit/s）；GcE和GcB分別為前向鏈路和返向鏈路的編碼增益（dB）；LDemE和LDemB分別為前向鏈路和返向鏈路的解調(diào)解擴(kuò)損失（dB）；（Eb/N0）ERequire和（Eb/N0）BRequire分別為前向鏈路和返向鏈路的理論要求值（dB）；Eb為每比特能量，等于信號(hào)能量S與每比特持續(xù)時(shí)間的乘積（dBW·Hz-1）；N0為噪聲功率譜密度（dBW·Hz-1）。

3 中繼鏈路動(dòng)態(tài)計(jì)算

鏈路計(jì)算是一種評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)性能的重要方法。鏈路計(jì)算中的鏈路余量代表了系統(tǒng)性能的“底線”，可以反映系統(tǒng)性能是否滿足要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)中繼鏈路余量的情況可以權(quán)衡優(yōu)化中繼終端的設(shè)計(jì)，如發(fā)射機(jī)功率、調(diào)制方式、天線增益等；在軌管理或試驗(yàn)時(shí)，也可依據(jù)中繼鏈路余量分析中繼終端可視弧段的哪些位置滿足中繼前返向鏈路的建立要求，確定試驗(yàn)時(shí)機(jī)，驗(yàn)證天線性能等。本節(jié)以中繼終端和天鏈一號(hào)01星的某仿真可視弧段為例說(shuō)明中繼鏈路動(dòng)態(tài)計(jì)算的方法。

3.1 天鏈一號(hào)01星某可視弧段仿真

本節(jié)以中繼終端對(duì)天鏈一號(hào)01星的某仿真可見(jiàn)弧段為例進(jìn)行中繼鏈路動(dòng)態(tài)計(jì)算。圖5所示為該弧段二維仿真示意圖。

圖5 某衛(wèi)星和天鏈一號(hào)01星某仿真可見(jiàn)弧段（高亮黃色部分）Eig.5 One satellite DRT simulation visible arc with TL-1

3.2 中繼終端天線輻射模型建立

在中繼鏈路計(jì)算時(shí)，中繼終端天線鏈路方向上的增益值是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。低軌衛(wèi)星的中繼終端天線一般采取錐形波束或環(huán)錐形波束［5］，且波束一般關(guān)于天線視軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱［6］。考慮到單根天線仿真結(jié)果和單根天線實(shí)測(cè)結(jié)果都與天線裝在星體以后的實(shí)測(cè)方向圖存在一定程度的差異。故文章選擇某衛(wèi)星的中繼天線輻射數(shù)據(jù)用于鏈路計(jì)算。星體上的中繼天線輻射數(shù)據(jù)并不是嚴(yán)格關(guān)于天線本體坐標(biāo)系的Z軸對(duì)稱，鏈路計(jì)算分析時(shí)，這就給天線數(shù)據(jù)的處理帶來(lái)了不便。同時(shí)，從第2.2節(jié)中的角度關(guān)系可以看出，當(dāng)中繼終端天線的輻射方向圖繞Z軸對(duì)稱時(shí)，中繼終端天線的波束角和中繼衛(wèi)星在中繼終端天線坐標(biāo)系中的俯仰角成余弦關(guān)系，且與方位角無(wú)關(guān)。

因此，為既使天線輻射數(shù)據(jù)盡量接近真實(shí)值，又便于鏈路計(jì)算，本文把某衛(wèi)星天線的輻射數(shù)據(jù)按照旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的特點(diǎn)加以處理并建模，使得天線輻射模型只和波束角有關(guān)，而與方位角無(wú)關(guān)。建模方法和建模結(jié)果如下。

將某衛(wèi)星中繼終端天線在方位角0°切面、45°切面、90°切面和135°切面的增益數(shù)據(jù)取平均值后繞Z軸旋轉(zhuǎn)360°［9-10］，得到各方位角切面繞Z軸對(duì)稱且天線增益值不隨方位角的改變而發(fā)生變化的中繼終端天線增益方向圖。中繼終端發(fā)射天線和中繼終端接收天線建立的三維輻射模型加載進(jìn)STK軟件后進(jìn)行視覺(jué)化顯示的結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖6 中繼終端發(fā)射天線三維輻射模型（中繼終端天線本體坐標(biāo)系）Eig.6 DRT transmitting antenna 3D radiation model（antenna body coordinate system）

圖7 中繼終端接收天線三維輻射模型（中繼終端天線本體坐標(biāo)系）Eig.7 DRT receiving antenna 3D radiation model（antenna body coordinate system）

3.3 中繼鏈路動(dòng)態(tài)計(jì)算過(guò)程

（1）由STK軌道預(yù)報(bào)得到中繼終端某可見(jiàn)弧段不同位置對(duì)應(yīng)的軌道瞬根及經(jīng)緯度；

（2）計(jì)算中繼衛(wèi)星和中繼終端之間的作用距離r及中繼衛(wèi)星相對(duì)于中繼終端的方位角α和俯仰角β；

（3）計(jì)算中繼衛(wèi)星和中繼終端之間自由空間傳播損耗LSS（r）；

（4）根據(jù)第3.2節(jié)中建立的中繼天線輻射模型以及第2.3.1節(jié)中波束角和俯仰角的關(guān)系，得到該弧段不同位置時(shí)中繼衛(wèi)星和中繼終端在鏈路方向上的中繼天線增益值，進(jìn)一步得到（G（α，β）/T）ESS和EBSS（α，β）；

（5）結(jié)合中繼衛(wèi)星和中繼終端之間的前向返向動(dòng)態(tài)鏈路方程計(jì)算得到（C/N0）ESS（α，β，r）和（C/N0）BSS（α，β，r）。

（6）結(jié)合中繼衛(wèi)星和地面站之間的前向返向靜態(tài)鏈路方程計(jì)算得到（C/N0）ESG和（C/N0）BSG；

（7）由第2.5節(jié)中公式計(jì)算出地面站、中繼衛(wèi)星和中繼終端的總的前向（C/N0）E和返向（C/N0）B，并計(jì)算出整個(gè)中繼鏈路的前向返向余量。

4 中繼鏈路結(jié)果分析

4.1 弧段起始位置的中繼鏈路余量計(jì)算結(jié)果分析

仿真弧段起始位置的前向返向全程鏈路余量計(jì)算結(jié)果如表1和表2所示。中繼前向鏈路返向鏈路采用二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）調(diào)制和卷積編碼方式。前向鏈路在滿足誤碼率要求Pe=10-6時(shí)的Eb/N0的理論要求值為10.5 dB；返向鏈路在滿足誤碼率要求Pe=10-5時(shí)的Eb/N0的理論要求值為9.4 dB。

表1 前向中繼測(cè)控鏈路余量計(jì)算Table 1 Calculation of a forward DRT TT&C link budget margin

表1和表2給出了中繼衛(wèi)星和中繼終端之間鏈路的主要?jiǎng)討B(tài)參數(shù)和靜態(tài)參數(shù)。中繼衛(wèi)星和地面站之間鏈路的各種靜態(tài)參數(shù)在此不贅述，只給出中繼衛(wèi)星和地面站之間鏈路的前向（C/N0）ESG和返向（C/N0）BSG最終計(jì)算結(jié)果。經(jīng)計(jì)算中繼衛(wèi)星和地面站之間的前向（C/N0）ESG和返向（C/N0）BSG的大小分別為108 dB·Hz-1和100 dB·Hz-1，遠(yuǎn)大于中繼衛(wèi)星和中繼終端之間的前向（C/N0）ESS和返向（C/N0）BSS，經(jīng)式（7）計(jì)算可知，中繼全程鏈路的前向（C/N0）E和返向（C/N0）B近似等于中繼衛(wèi)星和中繼終端之間的前向（C/N0）ESS和返向（C/N0）BSS。

表2 返向中繼測(cè)控鏈路計(jì)算Table 2 Calculation of one backward DRT TT&C link budget margin

4.2 可見(jiàn)弧段動(dòng)態(tài)鏈路參數(shù)及結(jié)果分析

圖8給出了某可見(jiàn)弧段中繼鏈路動(dòng)態(tài)分析的結(jié)果。圖8（a）給出了該弧段前返向全程鏈路余量的動(dòng)態(tài)變化情況?？梢钥闯鲈?8°S至65°N的弧段，前返向全程鏈路余量充足，均大于3 dB，可以建立具有較好通信質(zhì)量的中繼測(cè)控鏈路，需要注意的是該范圍比可見(jiàn)弧段的緯度范圍（80°S至70°N）稍短。圖8（b）～圖8（f）給出該弧段中繼鏈路參數(shù)動(dòng)態(tài)變化的情況。圖8（b）給出了天鏈一號(hào)01星在該可見(jiàn)弧段相對(duì)于中繼終端的俯仰角的變化情況，同時(shí)給出了中繼衛(wèi)星和中繼終端鏈路方向上對(duì)應(yīng)的中繼天線波束角的變化情況，從圖中可以明顯看出，在緯度較高地區(qū)天鏈一號(hào)01星相對(duì)于中繼終端的俯仰角較小，而此時(shí)中繼天線在鏈路方向上的波束角較大。圖8（c）和圖8（d）分別給出了中繼全程鏈路的前向總（C/N0）E和返向總（C/N0）B在該可見(jiàn)弧段的動(dòng)態(tài)變化情況。其中，中繼衛(wèi)星和地面站之間的前向（C/N0）ESG和返向（C/N0）BSG的大小分別為108 d B·Hz-1和100 d B·Hz-1，如圖中紅色直線所示。它們遠(yuǎn)大于中繼衛(wèi)星和中繼終端之間的前向（C/N0）ESS和返向（C/N0）BSS，由式（6）計(jì)算得到的前向總（C/N0）E和返向總（C/N0）B曲線幾乎分別完全與中繼衛(wèi)星和中繼終端之間的前向（C/N0）ESG和返向（C/N0）BSG曲線重合，說(shuō)明全鏈路性能主要取決于中繼衛(wèi)星和中繼終端之間的鏈路性能。圖8（e）和圖8（f）給出了該可見(jiàn)弧段中繼終端的G/T值和EIRP值的動(dòng)態(tài)變化情況，中繼終端和中繼衛(wèi)星不同鏈路方向?qū)?yīng)著不同大小的中繼天線增益值，從而引起中繼終端的G/T值和EIRP值動(dòng)態(tài)變化。

圖8 某仿真可見(jiàn)弧段中繼鏈路動(dòng)態(tài)分析結(jié)果Eig.8 Dynamic analysis results of one DRT simulation visible arc

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)以其高覆蓋率、高數(shù)據(jù)率和多目標(biāo)測(cè)控的能力在空間技術(shù)的發(fā)展，特別是在低軌航天器的天基測(cè)控應(yīng)用中起到了極其重要的作用。作為衡量中繼鏈路性能的重要手段，中繼鏈路的分析與計(jì)算顯得尤為必要。鏈路的分析與計(jì)算可以使設(shè)計(jì)師清楚地了解系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)性能，并可為系統(tǒng)分析與權(quán)衡提供依據(jù)。本文分析了中繼鏈路參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，建立了中繼前向、返向動(dòng)態(tài)鏈路方程，中繼鏈路計(jì)算結(jié)果表明，中繼鏈路余量大于3 d B的弧段較仿真可視弧段稍短。為保證建立的中繼鏈路具有較好的通信質(zhì)量，中繼業(yè)務(wù)應(yīng)盡可能選擇在鏈路余量大于3 dB的弧段內(nèi)進(jìn)行。本文中的動(dòng)態(tài)鏈路計(jì)算方法實(shí)際可行，有助于確定中繼業(yè)務(wù)開展的時(shí)機(jī)，對(duì)于中繼終端實(shí)際工程應(yīng)用和在軌試驗(yàn)具有參考價(jià)值。

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（編輯：張小琳）

Research on Dynamic Analysis and Calculation Method of Data Relay Terminal TT&C Link

KANG Guodong1NING Jinzhi1LI Qi1CAI Yaxing2LI Hongbao1
（1 DEH Satellite Co.Ltd.，Beijing 100094，China）
（2 Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

Link budget of data relay terminal（DRT）TT&C link is one of the most important methods for DRT link performance analysis.In terms of any visible in-orbit arc of DRT，the relative positions between it and data relay satellite（DRS）are keeping on changing.This leads some link parameters to vary with time and positions dynamically.This paper proposes a dynamic analysis and calculation method of DRT TT&C link，constructs dynamic link communication equations.Einally，the paper adopts a DRT TT&C visible simulation arc with TL-1 as an example for performing dynamic analysis and computation of DRT TT&C link.The results demonstrate that the link calculation and analysis method in this paper is practical and valuable for DRT engineer application and in-orbit test.

DRT TT&C；DRT dynamic link communication equation；DRT link analysis

V556.1；V556.8

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.03.002

2015-03-17；

2015-05-08

康國(guó)棟，男，工程師，從事小衛(wèi)星測(cè)控分系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。Email：kongton584@163.com。