衛(wèi)星信標(biāo)信道模擬器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用＊

陳奇東，劉 鈍，歐 明，甄衛(wèi)民

（中國(guó)電波傳播研究所，山東 青島266107）

0 引 言

利用GNSS雙頻信號(hào)進(jìn)行電離層測(cè)量已成為目前重要的電離層環(huán)境測(cè)量手段。但由于GNSS衛(wèi)星特點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)電離層電子密度剖面的高精度反演。為實(shí)現(xiàn)對(duì)電離層的電子密度的三維探測(cè)，目前，國(guó)外提出了利用低軌衛(wèi)星星載專用信標(biāo)結(jié)合GNSS測(cè)量的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電離層電子密度的三維測(cè)量。

三頻衛(wèi)星信標(biāo)是低軌衛(wèi)星搭載的重要電離層探測(cè)設(shè)備。三頻衛(wèi)星信標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)是由星載發(fā)射機(jī)向地面發(fā)射三個(gè)頻點(diǎn)單載波信號(hào)，地面監(jiān)測(cè)站接收機(jī)測(cè)量三個(gè)頻點(diǎn)信號(hào)的差分相位，通過(guò)差分相位計(jì)算出相對(duì)TEC（總電子含量），利用多個(gè)地面接收機(jī)的相對(duì)TEC觀測(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)合開(kāi)展電離層電子密度層析成像反演工作，可獲得電離層峰值電子密度［1－2］。

美國(guó)的三頻信標(biāo)電離層測(cè)量主要借助導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)和COMIC、OSCAR等衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，測(cè)量示意圖如圖1所示。

在三頻信標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)研制過(guò)程中，為了保證系統(tǒng)達(dá)到期望的業(yè)務(wù)運(yùn)行能力，需要在三頻信標(biāo)發(fā)射機(jī)隨衛(wèi)星發(fā)射之前，對(duì)該系統(tǒng)的電離層峰值電子密度測(cè)量精度進(jìn)行地面測(cè)試，以驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)是否達(dá)到預(yù)期技術(shù)指標(biāo)。

圖1 三頻信標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)示意圖

在地面測(cè)試和驗(yàn)證過(guò)程中，需要模擬星地鏈路及電離層效應(yīng)對(duì)星地鏈路的影響，三頻信標(biāo)信道模擬器是其中的關(guān)鍵設(shè)備，它可以模擬接近真實(shí)信道環(huán)境的電波傳輸特性，用于設(shè)備研制過(guò)程中的調(diào)試和測(cè)試顯著降低研發(fā)成本［3］。

1 三頻衛(wèi)星信標(biāo)信道模擬器現(xiàn)狀

衛(wèi)星信標(biāo)信道模擬器是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)論證、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)的重要手段。隨著GNSS在全球的廣泛應(yīng)用，GNSS衛(wèi)星信號(hào)模擬器已成為GNSS應(yīng)用開(kāi)發(fā)的必要設(shè)備，國(guó)內(nèi)外已有多家單位開(kāi)展相關(guān)工作，其在模擬GNSS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，也可以加載信道信息，為GNSS系統(tǒng)研制發(fā)揮了重要作用。但對(duì)于三頻信標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)而言，目前只在美國(guó)、歐洲等航天大國(guó)有所應(yīng)用，并且，這些三頻信標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)模擬器主要是通過(guò)通用的衛(wèi)星信道模擬器和專用軟件實(shí)現(xiàn)三頻信標(biāo)信道的模擬。

通用的衛(wèi)星信道模擬器主要有:

1）美國(guó)RT LOGIC公司的衛(wèi)星信道模擬器可以用于LEO、MEO、GEO衛(wèi)星的星地鏈路模擬，也可以模擬無(wú)人機(jī)、導(dǎo)彈等地空通信鏈路，可以模擬星地鏈路的延遲、衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)多普勒、多徑衰落、衰減等信息。

2）美國(guó)HOLLIS公司的衛(wèi)星信道模擬器可以模擬連續(xù)相位的多普勒延遲，具有獨(dú)立的數(shù)字噪聲產(chǎn)生器，可以模擬雨衰，并配有專用軟件和包含大量衛(wèi)星軌道參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

3）芬蘭Electrobit公司的信道模擬器嵌入地面移動(dòng)通信模型、短波通信模型，可以模擬傳播延遲、運(yùn)動(dòng)多普勒、多徑衰落、衰減等信息，也帶有地空信道模塊，但模擬的地空信道參數(shù)和范圍有限。

4）德國(guó)IZT公司的信道模擬器，能夠模擬通道延遲、衰落等，適合模擬衛(wèi)星鏈路。

現(xiàn)有的三頻信標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，都是利用這些通用的衛(wèi)星信道模擬器，通過(guò)設(shè)計(jì)專用的軟件，來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸鏈路的模擬。國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)到有關(guān)衛(wèi)星信道模擬器及三頻信標(biāo)信道模擬器生產(chǎn)廠家的報(bào)道。

2 三頻信標(biāo)信道模擬器設(shè)計(jì)

三頻信標(biāo)信道模擬器的設(shè)計(jì)包含硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

2．1 三頻信標(biāo)信道模擬器硬件設(shè)計(jì)

1）主要技術(shù)指標(biāo)

工作 頻 段:VHF（150MHz）、UHF（400 MHz）、L（1067MHz）；帶寬:2MHz；模擬通道數(shù):9個(gè)；多普勒:0±400kHz；延遲:5μs～1s；噪聲:－160～－100dBm／Hz；幅度分辨率:0．5dB．

2）主要功能

能夠模擬信號(hào)延遲、多普勒、衰落、衰減、噪聲等；能夠設(shè)置不同的接收?qǐng)鼍?；各通道相互?dú)立，可分別設(shè)置信道參數(shù)；信道參數(shù)可根據(jù)不用的應(yīng)用靈活配置。

3）工作原理

三頻信標(biāo)信道模擬器硬件部分由上、下變頻及高速中頻處理組成，原理框圖如圖2所示。

圖2 三頻信標(biāo)信道模擬器硬件原理框圖

三通道的三頻信標(biāo)信道模擬器的輸入、輸出均是射頻信號(hào)。通過(guò)下變頻器將輸入的射頻信號(hào)變頻至中頻；對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化采集；進(jìn)而進(jìn)行中頻數(shù)字化處理，包括信號(hào)的正交解調(diào)、多普勒頻移設(shè)置、多普勒擴(kuò)展設(shè)置、傳輸延遲設(shè)置、多徑衰落模型的載入、信道衰減設(shè)置、隨機(jī)噪聲產(chǎn)生等；最后將中頻數(shù)據(jù)通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換器回放，并進(jìn)行上變頻，從而實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的輸出。

2．2 三頻信標(biāo)信道模擬器軟件設(shè)計(jì)

三頻信標(biāo)信道模擬器的硬件實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的輸入、處理、輸出的功能。在此基礎(chǔ)上，需要專用的模擬軟件，模擬三頻信標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的被測(cè)場(chǎng)景和接收?qǐng)鼍?，通過(guò)對(duì)硬件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)三頻信標(biāo)信道的模擬。

軟件流程圖如圖3所示。

圖3 三頻信標(biāo)信道模擬器軟件流程圖

根據(jù)國(guó)際參考電離層模型，產(chǎn)生電離層電子密度分布，再輸入站址、軌道參數(shù)、信號(hào)頻率、信噪比等仿真參數(shù)，計(jì)算信號(hào)的傳播延遲、衰減等，利用計(jì)算結(jié)果對(duì)信道模擬器硬件進(jìn)行配置。

3 三頻信標(biāo)信道模擬器應(yīng)用

3．1 三頻信標(biāo)發(fā)射機(jī)載荷與接收機(jī)進(jìn)行地面對(duì)接測(cè)試

在研制三頻信標(biāo)發(fā)射機(jī)載荷和接收機(jī)的過(guò)程中，三頻信標(biāo)信道模擬器可以為載荷與接收機(jī)的對(duì)接提供模擬通道（如圖4所示），實(shí)現(xiàn)載荷與接收機(jī)的對(duì)接測(cè)試。

圖4 載荷與接收機(jī)對(duì)接框圖

通過(guò)三頻信標(biāo)信道模擬器模擬衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)、軌道高度、電離層環(huán)境、多徑、噪聲等參數(shù)，為載荷與接收機(jī)的對(duì)接測(cè)試營(yíng)造真實(shí)的電波傳播環(huán)境，從而清楚的掌握三頻信標(biāo)系統(tǒng)的測(cè)量指標(biāo)及實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景和約束條件。

3．2 衛(wèi)星載荷與接收站網(wǎng)進(jìn)行地面對(duì)接測(cè)試

衛(wèi)星發(fā)射之前，需要對(duì)衛(wèi)星載荷進(jìn)行再次確認(rèn)并驗(yàn)證其滿足系統(tǒng)測(cè)量指標(biāo)的情況。測(cè)試框圖如圖5所示。

圖5 載荷與接收站網(wǎng)對(duì)接框圖

利用三通道三頻信標(biāo)信道模擬器，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星載荷與三臺(tái)地面接收機(jī)的對(duì)接。通過(guò)三通道三頻信標(biāo)信道模擬器模擬電離層電子密度的分布和地面接收?qǐng)鼍埃瑸榻邮諜C(jī)的測(cè)量創(chuàng)造真實(shí)的環(huán)境，通過(guò)多臺(tái)接收機(jī)的聯(lián)合測(cè)量和反演給出電離層電子密度的分布。從而，對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量能力進(jìn)行評(píng)估。

4 結(jié) 論

近年來(lái)，三頻信標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)在國(guó)外已經(jīng)有大量應(yīng)用。未來(lái)幾年，我國(guó)也將發(fā)射搭載三頻信標(biāo)的衛(wèi)星，用于空間環(huán)境監(jiān)測(cè)，除了借鑒美國(guó)、俄羅斯等國(guó)公開(kāi)報(bào)道的資料外，沒(méi)有其它可借鑒的資料。因此，在三頻信標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)論證、衛(wèi)星載荷研制、地面接收機(jī)研制、地面觀測(cè)站網(wǎng)的部署等環(huán)節(jié)迫切需要系統(tǒng)仿真，三頻信標(biāo)信道模擬器是其中最關(guān)鍵的設(shè)備，通過(guò)信道參數(shù)設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)電離層不同測(cè)量場(chǎng)景的仿真，可以為衛(wèi)星載荷研制、地面應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)提供第一手的資料，三頻信標(biāo)信道模擬器的應(yīng)用將為三頻信標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的成功研制提供有利保障。

［1］ 吳 ?。萌l衛(wèi)星信標(biāo)測(cè)量電離層天氣新方法［J］．中國(guó)科學(xué):A輯，2000，30（增）:111－114．

［2］ 甄衛(wèi)民，馮 ?。禽d三頻信標(biāo)探測(cè)技術(shù)［C］∥第十三屆全國(guó)日地空間物理學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，2009．

［3］ 馬 上，胡劍浩，王 劍，等．基于三狀態(tài) Markov鏈的衛(wèi)星信道模擬器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（17）:3961－3965．