探測(cè)器信號(hào)鏈路估算方法

中國(guó)探月工程中，使用VLBI技術(shù)對(duì)嫦娥系列探測(cè)器精密測(cè)量。采用仿真方法模擬探測(cè)器信號(hào)檢測(cè)VLBI系統(tǒng)的測(cè)量能力具有重要意義，而評(píng)估探測(cè)器信號(hào)的鏈路和空間傳輸損耗是仿真工作的關(guān)鍵。本文根據(jù)實(shí)際探測(cè)器信號(hào)的傳輸過(guò)程，研究了地面接收的探測(cè)器信號(hào)功率和噪聲信號(hào)功率計(jì)算方法，為仿真工作奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】仿真 探測(cè)器信號(hào) 功率

1 引言

甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)（VLBI，Very Long Baseline Interferometry）是二十世紀(jì)六十年代后期在射電天文領(lǐng)域出現(xiàn)的一項(xiàng)技術(shù)，它具有空間分辨率高、測(cè)量精度高的特點(diǎn)。我國(guó)于2007年首次在探月工程中使用VLBI技術(shù)，出色的完成了測(cè)、定軌任務(wù)。

在實(shí)際任務(wù)前，為評(píng)估和測(cè)試VLBI系統(tǒng)的測(cè)量能力，目前的常規(guī)做法是開(kāi)展大量實(shí)際目標(biāo)聯(lián)測(cè)試驗(yàn)，耗費(fèi)大量人力、物力。采用仿真方法模擬探測(cè)器信號(hào)，不僅可用于研究VLBI數(shù)據(jù)處理模塊的技術(shù)方法，而且可代替那些難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)際觀測(cè)，全面評(píng)估VLBI系統(tǒng)的測(cè)量能力。而評(píng)估探測(cè)器信號(hào)的鏈路損耗是仿真內(nèi)容的關(guān)鍵。

實(shí)際進(jìn)行深空探測(cè)器VLBI測(cè)量時(shí)，使用探測(cè)器下行無(wú)線電調(diào)相信號(hào)。傳送遙測(cè)信號(hào)、干涉DOR信號(hào)和（或）轉(zhuǎn)發(fā)上行基帶信號(hào)（包括測(cè)距信號(hào)、殘留遙控信號(hào)等）。這些調(diào)制信號(hào)調(diào)制到載波上，經(jīng)天線放大后發(fā)射。探測(cè)器信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)受大氣等噪聲的影響。地面測(cè)站將接收到的信號(hào)（包含探測(cè)器信號(hào)和噪聲信號(hào)）檢測(cè)并解調(diào)，最終記錄至磁盤(pán)。因此，仿真中需根據(jù)實(shí)際探測(cè)器信號(hào)從發(fā)射到接收所經(jīng)歷的變化過(guò)程，對(duì)探測(cè)器信號(hào)鏈路進(jìn)行估計(jì)。本文介紹了地面測(cè)站接收的探測(cè)器信號(hào)和噪聲功率的計(jì)算方法。

2 基本原理

2.1 接收功率計(jì)算方法

探測(cè)器信號(hào)在發(fā)射、傳輸、接收過(guò)程中，信號(hào)的功率受天線增益、自由空間路徑損耗等因素的影響發(fā)生變化。仿真中需要考慮整個(gè)通信鏈路過(guò)程，計(jì)算信號(hào)接收功率。圖1給出了基本通信鏈路及其基本參數(shù)。

鏈路參數(shù)的定義：Pt為傳輸功率（W）；Pr為接收功率（W）；gt為發(fā)射天線增益；gr為接收天線增益（W）；r為路徑距離（m或km）。

2.2 噪聲功率計(jì)算方法

噪聲信號(hào)為廣譜信號(hào)。在衛(wèi)星通信鏈路中，從發(fā)射機(jī)至最終信號(hào)檢測(cè)和解調(diào)，噪聲信號(hào)在信號(hào)傳輸路徑的任何地方都可能會(huì)被引入。產(chǎn)生噪聲的噪聲源眾多，分為地球噪聲源，包括大氣氣體的輻射、云雨的輻射等；地球外噪聲源，包括宇宙背景噪聲、太陽(yáng)和月球輻射、天體射電源輻射；人為噪聲源包括電子電氣設(shè)備的無(wú)意輻射、輸電線和其他通信系統(tǒng)輻射；

綜上，等效噪聲溫度ta主要由地球噪聲源噪聲溫度、地球外噪聲溫度和人為噪聲溫度組成，代入式（9）得噪聲功率Pnoise。仿真噪聲信號(hào)，生成服從N（0，Pnoise）正態(tài)分布的隨機(jī)序列。

3 正確性驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)際參數(shù)分別計(jì)算探測(cè)器信號(hào)功率和噪聲功率，仿真地面測(cè)站接收的信號(hào)。圖2中（A）為實(shí)際信號(hào)單通道自功率譜，可觀察到0.96MHz處的載波信號(hào)，距離載波500kHz、65.536kHz的測(cè)距主音信號(hào)和遙測(cè)信號(hào)、噪聲信號(hào)；其他為信號(hào)諧波項(xiàng)。（B）為仿真信號(hào)自功率譜圖（采樣率4M），同樣包含載波信號(hào)（0.96MHz）、測(cè)距信號(hào)（500kHz主音頻率）、遙測(cè)信號(hào)（65.536kHz）、噪聲信號(hào)。

仿真信號(hào)與實(shí)際信號(hào)對(duì)比，載波信號(hào)、測(cè)距信號(hào)、遙測(cè)信號(hào)的頻率和功率分配與實(shí)際信號(hào)一致，噪聲信號(hào)的功率和分布也與實(shí)際信號(hào)相同，驗(yàn)證了功率計(jì)算方法的正確性。

4 結(jié)論

探測(cè)器信號(hào)從發(fā)射至接收經(jīng)歷了調(diào)制、解調(diào)等一系列復(fù)雜的過(guò)程，本文根據(jù)實(shí)際過(guò)程中信號(hào)的變化，介紹了測(cè)站接收的信號(hào)功率和噪聲信號(hào)的功率計(jì)算方法。通過(guò)仿真探測(cè)器信號(hào)與實(shí)際信號(hào)的對(duì)比，驗(yàn)證了探測(cè)器信號(hào)功率和噪聲功率計(jì)算方法的正確性，為后續(xù)仿真工作打下了基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介

朱亞立（1992-），男，江蘇省泰州市人。碩士學(xué)位。主要研究方向?yàn)樾盘?hào)仿真。

作者單位

1.中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái) 上海市 200030；

2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京市 100049