徐曼睿，張雅聲

（航天工程大學(xué) 研究生院，北京 101416）

0 引 言

信息化的急速發(fā)展使海上作戰(zhàn)任務(wù)面臨節(jié)奏快、覆蓋空間大、情況復(fù)雜的情況，對(duì)海上戰(zhàn)場通信傳輸可靠性和時(shí)效性提出更高要求。衛(wèi)星和船舶的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得星地鏈路自由空間損耗、雨衰、大氣吸收損耗等諸多參數(shù)也隨之變化。為確保海上衛(wèi)星通信鏈路暢通，前期需對(duì)發(fā)射功率等參數(shù)進(jìn)行規(guī)劃，面對(duì)受擾或中斷情況時(shí)，可及時(shí)根據(jù)鏈路性能給出應(yīng)對(duì)措施。

STK（System Tool Kit）由美國分析圖形有限公司研制，在復(fù)雜航空、航天任務(wù)及陸海等環(huán)境進(jìn)行分析中得到廣泛應(yīng)用。它提供二維和三維可視化演示圖形仿真，可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意對(duì)象及對(duì)象間復(fù)雜計(jì)算分析。本文基于STK 搭建復(fù)雜海上衛(wèi)星通信場景，建立逼真可視化動(dòng)態(tài)場景仿真，實(shí)現(xiàn)鏈路性能快速分析。

1 鏈路建模

衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常由地球站、通信衛(wèi)星、跟蹤遙測及指令系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)四大部分組成。船載星地鏈路是指衛(wèi)星與船舶節(jié)點(diǎn)間的信息傳輸鏈路。星間鏈路是波束指向其他衛(wèi)星，在自由空間內(nèi)進(jìn)行傳播的微波鏈路或激光鏈路。衛(wèi)星通信鏈路組成如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星通信鏈路組成

1.1 天線模型

天線增益定量描述一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的程度，在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的全向輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比，用于衡量天線對(duì)特定方向收發(fā)信號(hào)能力。衛(wèi)星通信使用的喇叭天線、拋物面天線等天線增益計(jì)算式為：

為天線有效面積（m），由于電功率與電磁波形式的功率通過天線進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)有損失，所以并非天線口物理面積，一般拋物面天線的天線效率大約0.55，天線效率超過0.7 的天線成為高性能天線。為工作波長（m），拋物面天線波束的半功率點(diǎn)寬度≈70/，為半功率角的大小，為天線直徑（m）。

1.2 信道模型

信道模型主要考慮信號(hào)的干擾和損耗，衛(wèi)星通信鏈路信號(hào)在穿越大氣層時(shí)，受到電離層影響帶來信號(hào)空間擴(kuò)散的自由空間損耗、氣體吸收能量的大氣損耗、雨水吸收造成的降雨衰減、電離層對(duì)信號(hào)的綜合效應(yīng)、天線造成的指向誤差、系統(tǒng)饋線電阻引起的饋線損耗、系統(tǒng)電子噪聲以及天線接收的外部噪聲。對(duì)于Ka 頻段衛(wèi)星通信鏈路來講，僅大氣中氧分子、水汽凝結(jié)體的吸收損耗就可達(dá)1 ～2 dB。EIRP 即等效全向輻射功率，是表征地球站或者轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射能力的重要技術(shù)指標(biāo)，即發(fā)出的功率P與天線增益G的乘積。自由空間損耗L計(jì)算，主要受通信頻率和距離的影響。

為傳播距離，單位km。用頻率替換波長，單位GHz。

頻率與自由空間損耗呈正相關(guān)，隨著距離的增加，自由空間損耗也會(huì)增加。表示其他因素引起的附加損耗，衛(wèi)星接收功率用P的分貝表達(dá)式為：

2 場景構(gòu)建

STK/Comm 通信分析模塊支持用戶定義和分析詳細(xì)的通信系統(tǒng)，考慮了詳細(xì)的降雨模型、大氣損耗和射頻干擾源，衛(wèi)星軌道引擎與接收機(jī)和發(fā)射機(jī)屬性建立高真實(shí)度系模型，可以實(shí)現(xiàn)詳盡的多條通信鏈路品質(zhì)分析。以遠(yuǎn)海海域某貨運(yùn)船只經(jīng)兩顆同步軌道通信衛(wèi)星接續(xù)向陸地通信站傳輸信息的鏈路為例，建立多跳通信鏈路場景，該場景由遠(yuǎn)海船舶、近海船舶和兩顆同步軌道衛(wèi)星組成。假設(shè)海上船舶使用Ka 波段（26.5 ～40 GHz）通信，衛(wèi)星間通信采用S 波段（2 ～4 GHz）。遠(yuǎn)海船只ship1 將其相控陣通信天線瞄準(zhǔn)衛(wèi)星，近海船只ship2 將其拋物線接收天線瞄準(zhǔn)衛(wèi)星。衛(wèi)星間通信通過小型拋物面天線實(shí)現(xiàn)。衛(wèi)星對(duì)水面的天線是固定的，通信覆蓋在船舶航跡附近區(qū)域。場景模型如圖2所示。

圖2 場景模型

2.1 航跡和軌道確定

以兩顆地球位于赤道面上空，與地球同步運(yùn)轉(zhuǎn)同步軌道為例，導(dǎo)入衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，建立完整的衛(wèi)星軌道模型。場景起始時(shí)間設(shè)置為協(xié)調(diào)世界時(shí)1 Jul 2016 16：00：00.000，船舶和衛(wèi)星參數(shù)如圖3和表1所示。

圖3 船舶航跡經(jīng)緯度

表1 兩顆衛(wèi)星軌道參數(shù)

分別添加船舶和衛(wèi)星模型，設(shè)置添加船舶經(jīng)緯度信息，衛(wèi)星軌道選用J2 外推模型，得到船載通信站與衛(wèi)星的相對(duì)位置關(guān)系。

2.2 發(fā)射機(jī)/接收機(jī)

傳感器是STK 中應(yīng)用廣泛，可看作帶指向功能伺服機(jī)構(gòu)，對(duì)準(zhǔn)方向代表天線主瓣最大值對(duì)準(zhǔn)方向。將發(fā)射機(jī)/接收機(jī)對(duì)象連接到指定傳感器對(duì)象上，分別設(shè)置發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的工作頻率、功率、數(shù)據(jù)傳輸速率、天線種類和調(diào)制樣式。若已知平臺(tái)發(fā)射天線的方向圖，可將天線類型設(shè)置為External Antenna Pattern 外部導(dǎo)入后綴為“ant”格式的自定義天線方向圖文件。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)參數(shù)如表2所示，模擬Geo_West 單跳射頻轉(zhuǎn)發(fā)器，飽和通量密度（SFD）是衡量轉(zhuǎn)發(fā)器輸入的靈敏度，設(shè)為-90 dBW/m，反映衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器對(duì)上行功率的需求量。傳輸功能中默認(rèn)系數(shù)-7×10和1.0，來模擬700 MHz 的下行轉(zhuǎn)換，將系數(shù)-7×10改為-2.6×10。模擬Geo_East 單跳射頻轉(zhuǎn)發(fā)器，飽和通量密度（SFD）-90 dBW/m，傳輸函數(shù)系數(shù)改為2.6×10。

表2 發(fā)射機(jī)/接收機(jī)參數(shù)

2.3 通信鏈路

首先完成復(fù)雜大氣環(huán)境設(shè)置，在場景屬性RF-Environment選擇“Rain and Cloud& Fog”和“Atmospheric Absorption”模型，分別使用國際電信聯(lián)盟推薦云霧衰減模型ITU-R P840-3 和大氣吸收模型ITU-R P676-9。STK 中使用的雨量模型是全球年度統(tǒng)計(jì)模型，一個(gè)特定地點(diǎn)的年降雨率和概率是由歷史測量結(jié)果決定的。

場景一：信號(hào)從ship1 經(jīng)Geo_West 和Geo_East 傳到ship2，在衛(wèi)星上經(jīng)過一個(gè)類似于管道轉(zhuǎn)發(fā)過程再傳送到出去，在這過程中任何信號(hào)的衰減都會(huì)傳遞給下一個(gè)接收器，建立“Chain”鏈條對(duì)象，按照上行鏈路到下行鏈路的順序up—uplink—GTlink—GRlink—down—downlink 定義多跳鏈路，確保每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都滿足訪問條件，通信鏈路示意圖如圖4所示。

圖4 通信鏈路示意圖

2.4 通信系統(tǒng)

場景二：STK/Comm 可識(shí)別干擾源并計(jì)算出干擾對(duì)通信鏈路的影響。將相關(guān)的通信資產(chǎn)分為三組：發(fā)射組、接收組和干擾組。本文對(duì)ship1 上行通信鏈路建立“CommSystem”對(duì)象，分析它受擾鏈路性能，發(fā)射組加入ship1 發(fā)射機(jī)，接收組為Geo-West 接收機(jī)，假設(shè)在ship1 附近有其他船只同時(shí)與Geo-West 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，載波信道分配的不合理會(huì)導(dǎo)致相鄰信道信號(hào)頻帶發(fā)生重疊，造成鄰信道干擾。干擾組加入ship 發(fā)射機(jī)，發(fā)射頻率30.14 GHz，發(fā)射功率30 dB，帶寬12 MHz。兩艘船的位置關(guān)系如圖5所示，陰影部分表示衛(wèi)星傳感器子對(duì)象接收天線3 dB 的覆蓋范圍。

圖5 兩艘船相互位置關(guān)系

3 鏈路性能分析

3.1 三維動(dòng)態(tài)鏈路實(shí)時(shí)顯示

STK 二維地圖窗口可實(shí)時(shí)顯示任務(wù)場景隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，等值線根據(jù)所選對(duì)象顯示單位為dB 的通信發(fā)射機(jī)/接收機(jī)和雷達(dá)增益，每損失3 dB 相當(dāng)于能量“減半”。衛(wèi)星和艦船位置、衛(wèi)星傳感器覆蓋區(qū)域、可見情況、光照條件結(jié)果均可以位圖或動(dòng)畫形式保存。圖6是多跳衛(wèi)星通信鏈路三維視角顯示，船舶與衛(wèi)星之間的星地鏈路和遠(yuǎn)距離星間鏈路。

圖6 多跳衛(wèi)星通信鏈路三維顯示

3.2 鏈路性能分析報(bào)告生成

STK 在分析通信性能時(shí)，除常用的“l(fā)inkinformationdet ailed”“interference information detailed”外，也可根據(jù)需要定制重點(diǎn)關(guān)注的數(shù)據(jù)圖表和報(bào)告。誤碼率（BER）是反映衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能的一個(gè)重要衡量指標(biāo)。由于衛(wèi)星所處空間的特殊，與地面通信相比，誤碼率相對(duì)高一些。

（1）本文重點(diǎn)圍繞誤碼率分析鏈路性能質(zhì)量，誤碼率越低，信號(hào)質(zhì)量越好。默認(rèn)情況下，STK 在報(bào)告中只處理兩條鏈路。本文創(chuàng)建新的報(bào)告對(duì)從ship1-Transit 到ship2-Transit 的完整通信鏈路進(jìn)行建模，在報(bào)告內(nèi)容窗口第3 行依次添加如圖7前三行項(xiàng)目，并顯示三條鏈路的誤碼率總數(shù)。

圖7 鏈路分析報(bào)告

由圖7鏈路計(jì)算報(bào)告可知，給定仿真參數(shù)條件下，從ship1 到GEO-West 的通信上行鏈路質(zhì)量良好。船舶與衛(wèi)星鏈路之間的通信誤碼率為10 ～30，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10 ～7，星間鏈路傳輸誤碼率提高到3.36×10仍然滿足通信要求，從GEO-East 到ship2 的通信誤碼率因船只運(yùn)動(dòng)在10 ～27 附近少許波動(dòng)是正常情況，整個(gè)通信系統(tǒng)的傳輸誤碼率最大為4.76×10因此，場景一中的海上衛(wèi)星通信鏈路傳輸可靠。若想獲得更好的傳輸性能，可以通過提高發(fā)射功 率，降低傳輸速率或調(diào)整信息傳輸頻率方式減小誤碼率，判斷干擾產(chǎn)生原因，改善信息傳輸質(zhì)量。適當(dāng)提高發(fā)送功率，可補(bǔ)償自由路徑損耗、降雨、閃爍等因素造成的信號(hào)衰減，使接收端信號(hào)功率保持在一定范圍。通過改變ship1 參數(shù)仿真，在1 Jul 2016 16：05：00.000 時(shí)刻，發(fā)射功率、傳輸速率與通信系統(tǒng)總誤碼率的關(guān)系如圖8、圖9所示。

圖8 發(fā)射功率與通信系統(tǒng)誤碼率關(guān)系

圖9 傳輸速率與通信系統(tǒng)誤碼率關(guān)系

（2）對(duì)于可能存在的干擾，生成場景二通信系統(tǒng)的詳細(xì)鏈路報(bào)告看到，因?yàn)楦浇坏某霈F(xiàn)，信噪比下降了12 dB，誤碼率雖升高了近十個(gè)量級(jí)，但仍可以滿足通信質(zhì)量要求，在航行中只需隨時(shí)關(guān)注本船數(shù)據(jù)傳輸情況，適時(shí)調(diào)整發(fā)射機(jī)參數(shù)設(shè)置應(yīng)對(duì)可能存在的干擾。場景二詳細(xì)鏈路報(bào)告如圖10 所示。

圖10 場景二詳細(xì)鏈路報(bào)告

4 結(jié) 論

本文詳細(xì)介紹了STK海上衛(wèi)星通信多跳鏈路仿真過程，通過仿真結(jié)果檢驗(yàn)海上衛(wèi)星通信質(zhì)量，完成鏈路計(jì)算和干擾分析，能夠確保數(shù)據(jù)圖像信息可靠地傳回地面，將為海上衛(wèi)星通信系統(tǒng)、航跡規(guī)劃、地面站部署等方案論證、設(shè)計(jì)優(yōu)化，為提高海上作戰(zhàn)體系快速反應(yīng)能力提供重要支撐。