李 博，葉 暉，2，張宏偉，顧桂華，魏致坤，王金華，2

(1.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109；2.上海市深空探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201109)

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基于STK/Matlab接口的衛(wèi)星通信鏈路研究

李 博1，葉 暉1，2，張宏偉1，顧桂華1，魏致坤1，王金華1，2

(1.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109；2.上海市深空探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201109)

以星地通信鏈路為例闡述了利用STK/Matlab接口與Matlab程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)鏈路數(shù)據(jù)交互的聯(lián)合仿真方法，通過大氣吸收模型和雨衰模型等逼真星地信道的衰落情況，適當(dāng)選擇鏈路的約束參數(shù)，從而計(jì)算確定滿足鏈路約束的衛(wèi)星天線增益等關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)門限，可用于指導(dǎo)星上通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，解決了傳統(tǒng)鏈路計(jì)算只能用于通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證的局限，為衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)高效的輔助手段。

星地通信鏈路；動(dòng)態(tài)鏈路；STK與Matlab聯(lián)合仿真；通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

衛(wèi)星鏈路計(jì)算為保證衛(wèi)星在所有狀態(tài)下均有足夠的鏈路余量，一般選擇最壞情況估算單一鏈路。這種方法在鏈路計(jì)算前已確定鏈路中涉及星上的各項(xiàng)參數(shù)值，只能用于衛(wèi)星設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性驗(yàn)證，對(duì)衛(wèi)星設(shè)計(jì)過程提供的數(shù)據(jù)參考較少，同時(shí)，星間鏈路和深空通信等復(fù)雜場(chǎng)景的最壞情況難以確定。

STK作為航天領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的系統(tǒng)分析軟件，其包含的模型能夠用于精確的分析。同時(shí)，STK通過Connect模塊，提供了超過150個(gè)Matlab格式化過的命令，使Matlab用戶能夠像使用Matlab自身工具包一樣使用STK進(jìn)行分析、處理和計(jì)算[1]。本文以星地鏈路為例提供了一種基于STK與Matlab聯(lián)合的仿真方法，通過該方法可計(jì)算得到星上所有情況下的EIRP門限等參數(shù)，從而為星上通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供直接參考。

根據(jù)星地通信鏈路的特性，衛(wèi)星與地面站相對(duì)位置變化迅速，星地鏈路涉及的自由空間損耗、雨衰、大氣吸收損耗等諸多參數(shù)也隨著衛(wèi)星與地面站相對(duì)位置的變化而變化[2-3]。如果能夠獲取衛(wèi)星在所有狀態(tài)下自由空間損耗、雨衰和大氣吸收損耗等參數(shù)的變化情況，再對(duì)鏈路的余量等參數(shù)進(jìn)行約束，就能分析計(jì)算出滿足鏈路約束的星上等效全向輻射功率(Effective Isotropically Radiated Power，EIRP)等參數(shù)的范圍或者門限值，從而直接指導(dǎo)星上通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 星地鏈路模型

星地通信鏈路主要涉及三部分參數(shù)，星上部分、信道部分和地面接收部分。星上部分主要包含編碼后的數(shù)據(jù)速率、所選糾錯(cuò)碼的碼率、星上發(fā)射功率、星上損耗和天線增益等參數(shù)；信道部分主要包含自由空間傳播損耗、大氣吸收損耗和雨衰等參數(shù)；地面接收部分主要包含接收天線指向損耗、饋線損耗、地面站品質(zhì)因數(shù)、設(shè)備損耗和編碼增益等參數(shù)[4-5]。圖1給出了一個(gè)典型的星地通信鏈路模型。

圖1 典型星地通信鏈路模型

一般的鏈路計(jì)算如下[6]。

(1)

(2)

根據(jù)式(1)，采用一般的方法計(jì)算星地不同相對(duì)位置下的鏈路余量，需要計(jì)算各種星地相對(duì)位置下的自由空間損耗、雨衰和大氣吸收損耗等，這將占用設(shè)計(jì)人員大量的時(shí)間[8-9]。STK軟件是衛(wèi)星軌道計(jì)算時(shí)的常用軟件，它可以對(duì)不同軌道類型、高度的衛(wèi)星進(jìn)行高精度軌道計(jì)算，并可以加載典型或自定義衛(wèi)星姿態(tài)、天線波束、雨衰模型和大氣吸收模型等，計(jì)算星地或星間訪問情況。為了能夠充分利用STK的精確模型的優(yōu)勢(shì)，本文利用STK與Matlab的接口，獲取STK中自由空間損耗、雨衰模型和大氣吸收模型的數(shù)據(jù)并在Matlab中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而確定滿足鏈路約束的衛(wèi)星EIRP門限曲線。

2 仿真參數(shù)的設(shè)置

以一顆軌道高度1 000 km的衛(wèi)星為仿真對(duì)象，要實(shí)現(xiàn)星地通信，衛(wèi)星必須在地面站上空，并且地面站仰角不能太小。因?yàn)樵诘脱鼋菚r(shí)，地面站天線接收的地面噪聲和大氣噪聲隨著仰角的減少而急劇增加，使G/T值下降，大氣吸收損耗也隨之增大。為此，通常規(guī)定地面站天線的仰角不小于5°。

衛(wèi)星與地面站相對(duì)位置變化迅速，為了保證數(shù)據(jù)傳輸，衛(wèi)星上通常采用具有跟蹤指向機(jī)構(gòu)的點(diǎn)波束天線或?qū)Φ刭x型天線。本文以對(duì)地賦型天線為例進(jìn)行說明。衛(wèi)星采用賦型天線，能夠保證衛(wèi)星與地面站之間距離變化，即自由空間損耗變化的情況下，地面站接收的信號(hào)強(qiáng)度保持穩(wěn)定。定義θ為星地連線偏離波束中心的角度，如圖2所示。

圖2 θ角定義示意圖

(3)

另外，為了確定星上賦型天線的增益曲線，可先計(jì)算星上EIRP的門限，再選定發(fā)射功率Pt及確定星上損耗Lt，根據(jù)式(2)可計(jì)算得到天線增益Gt的門限。

3 仿真及結(jié)果分析

根據(jù)鏈路模型和仿真參數(shù)的設(shè)置，通過運(yùn)行Matlab程序向STK發(fā)送一系列格式化過的命令，依次建立場(chǎng)景、設(shè)置衛(wèi)星和地面站和獲取STK報(bào)告，最終完成對(duì)通信鏈路的計(jì)算分析。

3.1 建立場(chǎng)景

首先獲得STK的地址，示例中采用默認(rèn)地址stkDefaultHost。得到地址后，利用語(yǔ)句stkOpen打開默認(rèn)地址，建立Matlab與STK的連接。具體語(yǔ)句如下：

remMachine=stkDefaultHost;

delete(get(0,′children′));

conid=stkOpen(remMachine);

建立場(chǎng)景并設(shè)置參數(shù)的語(yǔ)句如下：

① stkExec(conid,′New/Scenario LinkBudgets′);

② stkExec(conid,′SetTimePeriod */Scenario/LinkBudgets″1 Jul 2014 12:00:00.00″ ″21 Jul 2014 12:00:00.00?);

③ stkExec(conid,′SetEpoch * ″1 Jul 2014 12:00:00.00?);

④ stkExec(conid,′SetAnimation * StartTime ″1 Jul 2014 12:00:00.00″ TimeStep1.0 RefreshDelta 0.1 RefreshMode RefreshDelta′);

⑤ stkExec(conid,′Environment */ RainModel On ITU_P618_5 20′);

⑥ stkExec(conid,′Environment * Absorption On ″ITU-R P.676-3″ UseFastOn UseSeasonOff 300.0′);

上述代碼中，① 創(chuàng)建場(chǎng)景LinBudgets，②、③和④設(shè)置場(chǎng)景的起始和結(jié)束時(shí)刻，同時(shí)將仿真步長(zhǎng)設(shè)置為1 s，⑤和⑥設(shè)置場(chǎng)景的雨衰模型和大氣吸收模型。

3.2 設(shè)置衛(wèi)星和地面站

添加衛(wèi)星、設(shè)置衛(wèi)星參數(shù)、添加衛(wèi)星發(fā)射端并設(shè)置參數(shù)的語(yǔ)句如下。

⑦ stkExec(conid,′New /*/SatelliteLEOSat′);

⑧ stkSetPropClassical(′*/Satellite/CommSat′,′J2Perturbation′,′J2000′,0.0,20*86400.0,1.0,0,7378140,0.0,1.7363,0.0,4.3507,0);

⑨ stkExec(conid,′New /*/Satellite/LEOSat/Transmitter SatTrans′);

⑩ stkExec(conid,′Comm*/Satellite/LEOSat/Transmitter/SatTrans Define XmtrModel Source Complex Frequency 10.00′);

上述代碼中，⑦ 添加一顆衛(wèi)星LEOSat，⑧ 設(shè)置衛(wèi)星的參數(shù)，⑨ 為衛(wèi)星添加發(fā)射機(jī)，⑩ 設(shè)置發(fā)射頻率10 GHz。

添加地面站、設(shè)置地面站經(jīng)緯度，添加接收機(jī)的語(yǔ)句如下。

3.3 獲取STK報(bào)告

Elevation_deg=stkFindData(secData{1},′Elevation′);

3.4 仿真結(jié)果

從STK報(bào)告中得到的雨衰、大氣吸收損耗和自由空間損耗數(shù)據(jù)如圖3、圖4和圖5所示，依據(jù)計(jì)算式在Matlab中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到EIRP值，如圖6所示。

圖3 雨衰的仿真結(jié)果

圖4 大氣吸收損耗的仿真結(jié)果

圖5 自由空間損耗的仿真結(jié)果

圖6 EIRP門限的仿真結(jié)果

從圖6可以看出，在滿足鏈路約束的條件下，星上EIRP門限隨星地相對(duì)位置的變化而變化。假設(shè)星上功放輸出功率Pt為10 W(10 dBW)，Lt為2 dB，則根據(jù)式(2)計(jì)算可得賦型天線的增益門限，如圖7所示。為了保證地面接收信號(hào)強(qiáng)度的一致性，星上賦型天線的增益曲線需要與EIRP門限趨勢(shì)上一致。圖7中所示的一種可實(shí)現(xiàn)的賦型天線增益曲線,在滿足衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸鏈路余量3 dB的需求基礎(chǔ)上，還有一定的余量。

圖7 賦型天線增益門限的仿真結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的仿真模型將STK的軌道計(jì)算與Matlab數(shù)據(jù)處理能力結(jié)合起來(lái)，對(duì)星地全過程進(jìn)行仿真，最終得到滿足鏈路約束條件的星上EIRP門限，據(jù)此可為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的功放選型和天線設(shè)計(jì)等工作提供直接參考。這種方法也可解決星間及深空通信等復(fù)雜鏈路計(jì)算的難題。

[1] 楊 穎,王 琦.STK在計(jì)算機(jī)仿真中的應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2005.

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Dynamical Satellite Link Budget Analysis Based on STK/Matlab Interface

LI Bo1，YE Hui1,2，ZHANG Hong-wei1，GU Gui-hua1，WEI Zhi-kun1，WANG Jin-hua1,2

(1.Shanghai Institute of Satellite Engineering,Shanghai 201109,China;2.Shanghai Key Laboratory of Deep Space Exploration Technology,Shanghai 201109,China)

In order to analyze satellite communication link budgets dynamically,an accurate calculation method based on STK (Satellite Tool Kit)/Matlab interface is presented.By this method,atmospheric absorption model and rain attenuation model integrated in STK are considered through data exchange between STK and Matlab program,then key parameters involved in link design,such as minimum satellite antenna gain,are determined to meet the threshold constraint at the first try.It also provides an efficient means of satellite communication system design.

satellite-ground communication link;dynamical link;joint simulation based on STK/Matlab;communication system design

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.06.09

李 博，葉 暉，張宏偉，等.基于STK/Matlab接口的衛(wèi)星通信鏈路研究[J].無(wú)線電通信技術(shù),2016,42(6):37-40.

2016-07-15

民用航天“十二五”技術(shù)預(yù)先研究項(xiàng)目

李 博(1986—)，男，工程師,碩士，主要研究方向：衛(wèi)星通信和數(shù)據(jù)處理。張宏偉(1975—)，男，研究員，主要研究方向：衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)和衛(wèi)星通信。

TN927

A

1003-3114(2016)06-37-4