朱智宇，孫林歌，汪筱陽(yáng)，朱 琳，田雨雷，劉 偉，陳 濤

(1.空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安，710077；2.中國(guó)西安衛(wèi)星測(cè)控中心，西安，710043； 3.中國(guó)人民解放軍95607部隊(duì))

0 引言

衛(wèi)星作為一種受限能源供電的系統(tǒng)，其所擁有的能量是有限的，所以能源是衛(wèi)星機(jī)器重要的資源，因此節(jié)約能耗變得至關(guān)重要。同時(shí)，星地之間的無(wú)線測(cè)控鏈路具有不確定性和時(shí)變特性，即使不存在其他信號(hào)干擾，接收端也需要保持能夠接收到信號(hào)的最低信噪比。如地面測(cè)控設(shè)備接收到的信號(hào)信噪比需要高于設(shè)備的最低解調(diào)門限，才能保證遙測(cè)信號(hào)的正確接收。此外，高頻段衛(wèi)星通信以其頻段寬、設(shè)備小、抗干擾性強(qiáng)而受到越來(lái)越多用戶的青睞，然而其受大氣環(huán)境的影響較大，特別是降雨衰減(簡(jiǎn)稱雨衰)非常嚴(yán)重，在工程應(yīng)用中受到嚴(yán)重制約[1]。若云層高度8 km，降雨衰減量為10 dB/km，天線仰角為70°時(shí)，Ka頻段下行鏈路降雨衰減可達(dá)85.1 dB。針對(duì)上述問(wèn)題，采取功率控制方法可以有效節(jié)約衛(wèi)星能源，緩解星地測(cè)控鏈路雨衰情況。衛(wèi)星下行功率控制就是根據(jù)地面測(cè)控設(shè)備反饋的信息，周期性的調(diào)整衛(wèi)星發(fā)射機(jī)功率，在保證通信質(zhì)量的情況下，盡量減少衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)的功率，從而降低衛(wèi)星功耗。

近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)無(wú)線通信中的功率控制問(wèn)題進(jìn)行了研究[2-3]。文獻(xiàn)[4]研究了多飛機(jī)著陸測(cè)距信號(hào)的功率控制問(wèn)題，推導(dǎo)了飛機(jī)的發(fā)射功率方程，在無(wú)通信和有通信兩種情況下分析了不同功率控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[5]針對(duì)傳統(tǒng)蜂窩用戶與D2D通信用戶之間的同頻干擾問(wèn)題，提出基于能效的D2D通信干擾協(xié)調(diào)與資源優(yōu)化方案，采用功率控制與資源分配分步進(jìn)行的方式處理，對(duì)于單個(gè)D2D用戶的功率控制，在蜂窩用戶最小速率以及D2D用戶和蜂窩用戶最大功率的限制條件下，通過(guò)優(yōu)化D2D用戶和蜂窩用戶的功率使得D2D用戶的能效最大。文獻(xiàn)[6]研究了基于閾值的車聯(lián)網(wǎng)信標(biāo)傳輸功率控制算法，在保證網(wǎng)絡(luò)最大連通性前提下，通過(guò)預(yù)設(shè)信道負(fù)載閾值，規(guī)定信道負(fù)載的合理區(qū)間，根據(jù)閾值調(diào)整目標(biāo)節(jié)點(diǎn)載波偵測(cè)范圍內(nèi)所有車輛的信標(biāo)傳輸功率，將信道負(fù)載控制在一定范圍內(nèi)，從而避免信道擁塞。文獻(xiàn)[7]研究了D2D信道選擇與功率控制策略，在保證蜂窩用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下，提出了基于啟發(fā)式的D2D信道選擇算法，為系統(tǒng)內(nèi)的D2D用戶找到合適的信道復(fù)用資源。文獻(xiàn)[8]為減小短波信道對(duì)接收機(jī)AD后端信號(hào)輸出功率的影響，提出了對(duì)數(shù)混合的短波信道數(shù)字AGC算法，分析了數(shù)字AGC的線性調(diào)整算法、對(duì)數(shù)調(diào)整算法、自然對(duì)數(shù)調(diào)整算法，采用自然對(duì)數(shù)與對(duì)數(shù)混合式的調(diào)整算法，實(shí)現(xiàn)了短波接收機(jī)AD后端數(shù)字信號(hào)功率穩(wěn)定變化。然而，對(duì)于星地測(cè)控鏈路的功率控制策略研究較少。

不論是高軌衛(wèi)星還是低軌衛(wèi)星，星地之間的測(cè)控鏈路均受到空間距離、大氣環(huán)境、電磁干擾等各種因素的影響，具有不確定性和時(shí)間特性[9]。具有這兩種特性的無(wú)線通信系統(tǒng)的功率控制問(wèn)題也逐漸成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)[10-11]。文獻(xiàn)[12]針對(duì)傳統(tǒng)雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DFIG)的解耦控制無(wú)法響應(yīng)電網(wǎng)的頻率變化的問(wèn)題，研究了含DFIG互聯(lián)系統(tǒng)的AGC優(yōu)化控制，建立了將風(fēng)力作為“負(fù)的負(fù)荷”的兩區(qū)域AGC模型，通過(guò)引入改進(jìn)的虛擬慣性控制使DFIG具有更好的頻率響應(yīng)能力。文獻(xiàn)[13]針對(duì)信道狀態(tài)信息存在時(shí)延和誤差的情況，提出了適用于多校區(qū)MIMO-BC的基于Bayes估計(jì)和數(shù)據(jù)流間功率分配的聯(lián)合干擾相應(yīng)對(duì)齊算法。文獻(xiàn)[14]基于交互多模型數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法和協(xié)方差控制的思想，提出了多目標(biāo)跟蹤時(shí)基于目標(biāo)特征的雷達(dá)跟蹤功率分配算法，根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同，自適應(yīng)的分配雷達(dá)的輻射功率。文獻(xiàn)[15]基于物理層安全技術(shù)，在分析加入了多個(gè)協(xié)作干擾者的MIMO無(wú)線通信系統(tǒng)的系統(tǒng)模型，并同時(shí)考慮信道狀態(tài)信息不確定性的基礎(chǔ)上，提出了安全速率最大化優(yōu)化問(wèn)題以尋找合適的功率分配方案，并進(jìn)一步基于一階泰勒展開和S-程序理論設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的魯棒優(yōu)化算法。

本文將功率控制策略引入星地測(cè)控鏈路中，在考慮地面設(shè)備信號(hào)接收門限的基礎(chǔ)上，提出了一種基于信噪比平衡準(zhǔn)則的閉環(huán)功率控制策略，主要研究單向(衛(wèi)星下行)功率控制策略。首先建立衛(wèi)星下行鏈路信噪比計(jì)算模型，利用模型計(jì)算衛(wèi)星下行信號(hào)到達(dá)地面設(shè)備的鏈路信噪比，在考慮地面設(shè)備最低解調(diào)門限的基礎(chǔ)上，設(shè)置地面設(shè)備解調(diào)閾值，將下行鏈路信噪比與地面設(shè)備解調(diào)閾值相比較，然后將比較結(jié)果通過(guò)設(shè)備上行信號(hào)反饋給衛(wèi)星，最后衛(wèi)星根據(jù)得到的反饋信息調(diào)整下行發(fā)射功率，以達(dá)到功率控制的目的。

1 衛(wèi)星下行鏈路信噪比計(jì)算模型

對(duì)數(shù)字鏈路而言，衛(wèi)星下行鏈路性能指標(biāo)通常指在基帶信道上需要達(dá)到的比特誤碼率(BER)，其表現(xiàn)在衛(wèi)星信道中為衛(wèi)星模擬信號(hào)的鏈路信噪比C/N0的值。而影響衛(wèi)星下行鏈路信噪比的主要指標(biāo)包括衛(wèi)星有效全向輻射功率(SEIRP)、衛(wèi)星天線增益(Gs)、空間損耗(L)、地面天線增益(Ge)、地面系統(tǒng)等效噪聲溫度(T)、地面饋線損耗(Lk)。衛(wèi)星下行信號(hào)鏈路信噪比計(jì)算方程為：

(1)

式(1)中所有參數(shù)單位均為dB，玻爾茲曼常數(shù)K=228.6 dBW/k·Hz。其中空間損耗L主要包括自由空間傳播損耗(Lf)、大氣吸收損耗(Ag)和降雨衰減(Lr)。其中自由空間傳播損耗可通過(guò)式(2)得到：

(2)

其中：R為星地之間的距離，λ為信號(hào)波長(zhǎng)，一般采用通信帶寬的中心頻點(diǎn)的波長(zhǎng)。

大氣吸收引起的損耗主要與電磁波頻率、地面設(shè)備海拔高度、天線仰角及水蒸氣密度(絕對(duì)濕度)有關(guān)。當(dāng)電磁波頻率低于10 GHz時(shí)，該損耗可以忽略不計(jì)[16]。

降雨衰減是指電磁波進(jìn)入雨層中引起的衰減。它包括雨粒吸收引起的衰減和雨粒散射引起的衰減。雨粒吸收引起的衰減是由于雨粒具有介質(zhì)損耗引起的，雨粒散射引起的衰減是由于電磁波碰到雨粒時(shí)被雨粒反射而再反射引起的。這種二次反射的電磁波的入射波與反射波方向無(wú)關(guān)，稱為二次散射。由于二次散射，在原來(lái)的方向上入射的電磁波就被衰減了。雨衰的大小和雨滴直徑與波長(zhǎng)的比值有關(guān)，而降雨率則與雨滴的半徑有關(guān)。

降雨衰減損耗可通過(guò)式(3)得到：

L=h·cscθ·Rp

(3)

其中，h為降雨高度，單位為km；θ為地面設(shè)備天線仰角；Rp為降雨衰減量，單位為dB/km，與雨層結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2 功率控制策略及實(shí)現(xiàn)方法

這里主要研究基于信噪比平衡準(zhǔn)則的閉環(huán)功率控制策略。即通過(guò)地面設(shè)備接收端測(cè)量接收的信噪比，與設(shè)定的信噪比閾值相比較，將比較結(jié)果反饋給衛(wèi)星，然后衛(wèi)星通過(guò)調(diào)整下行EIRP來(lái)達(dá)到功率控制的目的。這樣可以使衛(wèi)星下行信號(hào)到達(dá)地面設(shè)備接收端的信噪比處于一定的范圍內(nèi)，保證了地面設(shè)備能夠正確解析衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)。

2.1 功率控制策略

將固定步進(jìn)功率控制策略引入星地測(cè)控鏈路中，在此策略下，衛(wèi)星接收到地面設(shè)備上行功率控制命令后，按照固定步進(jìn)(step)調(diào)整衛(wèi)星下行EIRP。設(shè)地面設(shè)備接收端設(shè)定的信噪比閾值為(C/N0)tar，固定步進(jìn)的功率控制策略如下：

(4)

為了較快的對(duì)衛(wèi)星功率進(jìn)行控制，步進(jìn)不應(yīng)設(shè)置太小，同時(shí)，為避免地面設(shè)備接收端信噪比大幅振蕩，超設(shè)備最低解調(diào)門限，步進(jìn)亦不能設(shè)置太大，因此，需要選取合適的固定步進(jìn)。

2.2 功率控制實(shí)現(xiàn)方法

由上述可知，功率控制的實(shí)現(xiàn)需要將地面設(shè)備的信噪比比較結(jié)果反饋給衛(wèi)星，因此，必須建立上下行測(cè)控鏈路。根據(jù)固定步進(jìn)功率控制策略，地面測(cè)控設(shè)備僅需將信噪比比較結(jié)果的大小情況反饋給衛(wèi)星，則在上行信號(hào)中增加的字段較小，便于工程實(shí)現(xiàn)。然后衛(wèi)星根據(jù)前一時(shí)刻功率大小情況，調(diào)整下一時(shí)刻功率輸出即可。

鑒于此，可在地面設(shè)備基帶中增加信號(hào)接收的信噪比與設(shè)定的遙測(cè)解調(diào)信噪比閾值比較結(jié)果，并將比較結(jié)果(增加的功率控制字段)添加到設(shè)備上行遙控指令中。當(dāng)衛(wèi)星在解析設(shè)備上行遙控指令后，得到地面比較結(jié)果，根據(jù)比較結(jié)果控制衛(wèi)星下行EIRP。功率控制流程見圖1所示。

圖1 功率控制流程

3 仿真結(jié)果與分析

這里主要分析功率控制對(duì)衛(wèi)星功耗的影響和對(duì)雨衰的抑制。仿真參數(shù)設(shè)置為衛(wèi)星天線增益Gs=-12，地面G/T值為15，地面饋線損耗Lk=2，地面設(shè)備接收端信噪比閾值(C/N0)tar=63。

3.1 對(duì)衛(wèi)星功耗的影響

考慮晴朗天氣，星地測(cè)控鏈路工作在S頻段，假設(shè)閉環(huán)功率控制的周期為1秒，衛(wèi)星進(jìn)站時(shí)的初始有效全向輻射功率SEIRP_inital=17，以地面設(shè)備跟蹤某低軌衛(wèi)星為例，當(dāng)功率控制的固定步進(jìn)變化時(shí)，則衛(wèi)星從進(jìn)站到出站全過(guò)程中，地面設(shè)備接收端信噪比如圖2所示，衛(wèi)星EIRP變化如圖3所示。

圖2 地面設(shè)備接收端信噪比變化圖

圖3 衛(wèi)星EIRP變化圖

從圖2中可以看出，當(dāng)調(diào)整步進(jìn)逐漸增大時(shí)，地面設(shè)備接收端信噪比能更快的收斂到設(shè)定的信噪比閾值，但是當(dāng)收斂到閾值63 dB附近后，隨著步進(jìn)增大會(huì)出現(xiàn)較大振蕩。

從圖3中可以看出，當(dāng)調(diào)整步進(jìn)逐漸增大時(shí)，衛(wèi)星EIRP減少的速率隨之增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定值時(shí)(此時(shí)地面設(shè)備接收端信噪比達(dá)到閾值)，衛(wèi)星EIRP的變化趨勢(shì)不隨步進(jìn)增大而改變，由式(1)和(2)分析可知，此后衛(wèi)星EIRP僅與衛(wèi)星到地面設(shè)備的距離有關(guān)。地面設(shè)備跟蹤衛(wèi)星過(guò)程中，若地面設(shè)備接收端信噪比達(dá)到閾值時(shí)刻在衛(wèi)星過(guò)頂前，則在衛(wèi)星過(guò)頂前，衛(wèi)星EIRP逐漸減小，在衛(wèi)星過(guò)頂后，衛(wèi)星EIRP逐漸增大；若地面設(shè)備接收端信噪比達(dá)到閾值時(shí)刻在衛(wèi)星過(guò)頂后，則在地面設(shè)備接收端信噪比達(dá)到閾值前，衛(wèi)星EIRP逐漸減小，在地面設(shè)備接收端信噪比達(dá)到閾值后，衛(wèi)星EIRP逐漸增大。

當(dāng)步進(jìn)逐漸變化時(shí)，統(tǒng)計(jì)地面設(shè)備跟蹤衛(wèi)星全過(guò)程衛(wèi)星EIRP均值，并計(jì)算衛(wèi)星功耗降低百分比如表1所示。

表1 衛(wèi)星EIRP均值/功耗降低百分比變化

從表1中可知，對(duì)星地測(cè)控鏈路增加功率控制后，能大幅降低衛(wèi)星功耗。當(dāng)衛(wèi)星初始EIRP一定時(shí)，適當(dāng)增大功率控制步進(jìn)，能降低衛(wèi)星功耗，當(dāng)功率控制步進(jìn)一定時(shí)，衛(wèi)星初始EIRP越大，降低功耗百分比越高。該現(xiàn)象表明，功率控制步進(jìn)較大能使衛(wèi)星EIRP迅速降低，達(dá)到收斂閾值，從而降低跟蹤全過(guò)程的EIRP均值，達(dá)到降低功耗的目的。

3.2 對(duì)雨衰的抑制

考慮降雨天氣，在層狀雨時(shí)，假設(shè)融化層高度h=3 km，降雨衰減量Rp=0.35 dB/km，星地測(cè)控鏈路工作在S頻段，閉環(huán)功率控制的周期為1秒，衛(wèi)星進(jìn)站時(shí)的初始有效全向輻射功率，以地面設(shè)備跟蹤某低軌衛(wèi)星為例，衛(wèi)星從進(jìn)站到出站全過(guò)程中，降雨衰減情況如圖4所示。當(dāng)無(wú)功率控制(No Power Control，NPC)時(shí)，地面設(shè)備接收端信噪比變化如圖5所示。當(dāng)進(jìn)行功率控制時(shí)，且功率控制步進(jìn)變化時(shí)，地面設(shè)備接收端信噪比變化如圖6所示，衛(wèi)星EIRP變化如圖7所示。

圖4 跟蹤全過(guò)程的降雨衰減情況

圖5 無(wú)PC時(shí)的地面設(shè)備接收端信噪比

圖6 雨衰對(duì)地面設(shè)備接收端信噪比影響

圖7 雨衰對(duì)衛(wèi)星EIRP影響

從圖4可知，降雨衰減趨勢(shì)與三角函數(shù)csc一致，即在跟蹤剛開始時(shí)降雨衰減迅速增大，然后逐步減緩，在跟蹤后期又迅速增大，在變化速率上存在兩邊快、中間慢的現(xiàn)象。從圖5中可以看出，地面設(shè)備接收端信噪比變化曲線較圖4更尖銳，分析原因?yàn)楫?dāng)不進(jìn)行功率控制時(shí)，即衛(wèi)星一致保持發(fā)送恒定的功率，這時(shí)，鏈路衰減主要由自由空間傳播損耗(Lf)和雨衰(Lr)決定，Lf變化曲線為拋物線，與圖4疊加后呈現(xiàn)為圖5形態(tài)。另外，由圖4可得，地面設(shè)備接收端信噪比在設(shè)定的閾值(誤差在1個(gè)步進(jìn))以下的時(shí)段為T0～T0+87s和T0+676～T0+759 s，共計(jì)170秒。

從圖6中可以看出，當(dāng)步進(jìn)設(shè)為0.05和0.1時(shí)，地面設(shè)備接收端信噪比先增加超過(guò)設(shè)定閾值，后回落接近設(shè)定閾值，在跟蹤后期，又迅速低于設(shè)定閾值。分析原因?yàn)楫?dāng)進(jìn)行功率控制時(shí)，若功率控制步進(jìn)設(shè)置較小，前期控制的功率增加量雖然抵消了前期雨衰，但隨著雨衰在中期變化率迅速降低，功率控制的響應(yīng)速度跟不上雨衰的變化，導(dǎo)致信噪比會(huì)超過(guò)設(shè)定閾值。而在跟蹤后期，隨著雨衰變化率迅速增大，功率控制的響應(yīng)速度又跟不上雨衰的變化，不能迅速的進(jìn)行功率調(diào)整，導(dǎo)致后期信噪比迅速低于設(shè)定閾值。當(dāng)步進(jìn)設(shè)為0.3時(shí)，能較好的響應(yīng)雨衰的變化率，此時(shí)不存在信噪比在跟蹤兩端變化較大的情況。由圖7可得，步進(jìn)為0.05時(shí)，地面設(shè)備接收端信噪比在設(shè)定的閾值(誤差在1個(gè)步進(jìn))以下的時(shí)段為T0～T0+55s和T0+650～T0+759 s，共計(jì)164秒；步進(jìn)為0.1時(shí)，地面設(shè)備接收端信噪比在設(shè)定的閾值(誤差在1個(gè)步進(jìn))以下的時(shí)段為T0～T0+43 s和T0+712～T0+759 s，共計(jì)90秒；步進(jìn)為0.3時(shí)，地面設(shè)備接收端信噪比在設(shè)定的閾值(誤差在1個(gè)步進(jìn))以下的時(shí)段為T0～T0+26 s和T0+752～T0+75 s，共計(jì)33秒。綜上所述，在基于信噪比的閉環(huán)固定步進(jìn)功率控制中，適當(dāng)?shù)牟竭M(jìn)選擇能有效的抑制雨衰，降低雨衰對(duì)設(shè)備跟蹤的影響，同時(shí)可以大幅降低衛(wèi)星功耗。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析星地測(cè)控鏈路之間的衰減因素，建立了衛(wèi)星下行鏈路信噪比計(jì)算模型，在星地測(cè)控鏈路中，提出了一種工程可實(shí)現(xiàn)的基于信噪比均衡準(zhǔn)則的閉環(huán)功率控制策略，利用計(jì)算模型，分析了所提功率控制策略對(duì)衛(wèi)星功耗的影響和對(duì)雨衰的抑制。結(jié)果表明，加入功率控制后，能大幅降低衛(wèi)星功耗，功耗的節(jié)省量受衛(wèi)星初始進(jìn)站時(shí)的EIRP和功率控制步進(jìn)決定，且衛(wèi)星初始進(jìn)站時(shí)的EIRP越大或功率控制步進(jìn)較大能更省功耗。在雨衰抑制方面，選擇合適的功率控制步進(jìn)能有效抑制雨衰對(duì)設(shè)備跟蹤的影響。

本文雖得出了一些有益的結(jié)論，但是，在涉及高頻段(Ku、Ka等)信號(hào)時(shí)，建立的計(jì)算模型還需進(jìn)一步細(xì)化和完善，其中還有許多細(xì)節(jié)值得下一步深入研究。此外，雖然功率控制策略在星地測(cè)控鏈路中有較好的應(yīng)用前景，但是由于衛(wèi)星系統(tǒng)和地面系統(tǒng)分為兩大系統(tǒng)，在體制、接口等設(shè)計(jì)中，還涉及到許多方面需要協(xié)調(diào)和克服。