一種敏捷衛(wèi)星測(cè)控鏈路性能仿真分析方法*

牛 朝，韓孟飛，王雪賓，楊 芳

一種敏捷衛(wèi)星測(cè)控鏈路性能仿真分析方法*

牛 朝，韓孟飛，王雪賓，楊 芳

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司 北京 100094）

針對(duì)敏捷衛(wèi)星測(cè)控任務(wù)特點(diǎn)，提出一種基于衛(wèi)星工具包(STK)的敏捷衛(wèi)星測(cè)控鏈路性能仿真分析方法。通過(guò)創(chuàng)建仿真場(chǎng)景，并加載外部天線方向圖數(shù)據(jù)及衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)衛(wèi)星動(dòng)態(tài)過(guò)程中的上行、下行測(cè)控鏈路性能進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，方法能夠較精確地反映敏捷衛(wèi)星星地測(cè)控鏈路動(dòng)態(tài)特性，對(duì)于敏捷衛(wèi)星工程應(yīng)用和在軌試驗(yàn)具有實(shí)際的工程使用價(jià)值，也可以為其它航天器測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

敏捷衛(wèi)星；星地測(cè)控；鏈路分析；天線干涉區(qū)

引 言

敏捷衛(wèi)星是指能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大角度快速機(jī)動(dòng)的衛(wèi)星，其利用衛(wèi)星平臺(tái)具備的繞任意歐拉角大范圍快速機(jī)動(dòng)并且快速穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面目標(biāo)高效、靈活地觀測(cè)[1]。敏捷衛(wèi)星基于其優(yōu)異的姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力，利用裝載的高分辨率遙感器，通過(guò)快速重定向，可以實(shí)現(xiàn)多種新型的成像工作模式，例如同軌多點(diǎn)目標(biāo)成像、同軌多條帶成像、同軌多角度成像等[2]。

為滿足衛(wèi)星在各種姿態(tài)情況下均能夠與地面進(jìn)行測(cè)控通信的需求，星載測(cè)控天線往往通過(guò)多副天線合成的方式實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)全向的天線方向圖，但合成部位存在天線方向圖干涉區(qū)[3]，當(dāng)干涉區(qū)指向地面測(cè)控站時(shí)，由于星上天線增益值迅速變差，會(huì)影響正常的測(cè)控通信。敏捷衛(wèi)星根據(jù)其運(yùn)行模式需要作大角度姿態(tài)機(jī)動(dòng)，相比于對(duì)地定向衛(wèi)星，其天線方向圖干涉區(qū)更容易指向地面測(cè)控站，因此需要對(duì)敏捷衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)控鏈路性能分析，確保天線干涉區(qū)對(duì)測(cè)控通信不造成影響，從而完成測(cè)控通信任務(wù)。

在工程應(yīng)用中，通常使用編制專用EXCEL計(jì)算表格的方式分析測(cè)控鏈路余量。這種方式有利于進(jìn)行測(cè)控通信系統(tǒng)多個(gè)參數(shù)之間的調(diào)整優(yōu)化，以及不同航天測(cè)控機(jī)構(gòu)之間的通信數(shù)據(jù)交互，但無(wú)法體現(xiàn)天線方向圖實(shí)際狀態(tài)及衛(wèi)星姿態(tài)變化對(duì)測(cè)控鏈路的影響。文獻(xiàn)[4]利用仿真軟件STK（Satellite Tool Kit）計(jì)算動(dòng)態(tài)鏈路的部分參數(shù)后，再結(jié)合表格計(jì)算測(cè)控鏈路性能；文獻(xiàn)[5]利用STK分析了通信鏈路的通斷情況。以上兩種方式對(duì)衛(wèi)星測(cè)控鏈路的部分參數(shù)做了簡(jiǎn)化，未能全面反映衛(wèi)星軌道及姿態(tài)動(dòng)態(tài)變化時(shí)的測(cè)控鏈路性能，通常僅適用于在軌無(wú)大角度姿態(tài)機(jī)動(dòng)衛(wèi)星的測(cè)控鏈路分析。為解決上述問(wèn)題，本文提出了一種敏捷衛(wèi)星測(cè)控鏈路性能仿真分析方法，充分考慮包括天線方向圖、星地作用距離及衛(wèi)星姿態(tài)變化等衛(wèi)星實(shí)際在軌情況，對(duì)星地測(cè)控弧段內(nèi)的測(cè)控鏈路情況進(jìn)行定量計(jì)算。

圖1 敏捷衛(wèi)星在軌正常工作模式

圖2 敏捷衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)組成

圖3 同旋圓極化天線組陣方向圖（方位角0°）

1 敏捷衛(wèi)星運(yùn)行模式對(duì)測(cè)控通信的影響分析

1.1 敏捷衛(wèi)星在軌運(yùn)行模式

敏捷衛(wèi)星采用圖1所示的在軌正常運(yùn)行模式[6]，可完成軌道南/北極區(qū)對(duì)日定向充電、軌道地影區(qū)對(duì)地?cái)?shù)傳、軌道日照區(qū)對(duì)地多模式（多條帶拼接、同軌立體、區(qū)域目標(biāo)、長(zhǎng)條帶）成像等不同任務(wù)。

1.2 衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2是一種常用的敏捷衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)方案，測(cè)控系統(tǒng)由2臺(tái)應(yīng)答機(jī)、2臺(tái)天線網(wǎng)絡(luò)盒、4副測(cè)控天線組成，測(cè)控天線在衛(wèi)星的對(duì)天面安裝2副，對(duì)地面安裝2副。其中由測(cè)控天線1、測(cè)控天線2、測(cè)控天線網(wǎng)絡(luò)盒1和測(cè)控應(yīng)答機(jī)1構(gòu)成一套測(cè)控子系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)地面、對(duì)天面的兩幅半球波束天線和三端口功分器及應(yīng)答機(jī)內(nèi)部的環(huán)形器形成二天線空間場(chǎng)的疊加，構(gòu)成準(zhǔn)全向收發(fā)天線方向圖；另一套測(cè)控子系統(tǒng)為備份設(shè)備，在同一時(shí)刻只有一套子系統(tǒng)處于加電工作狀態(tài)。

為減小空間干涉形成的天線電平起伏盲區(qū)，星上組陣的二單元天線可采取兩種設(shè)計(jì)方案：

①反旋極化方案：對(duì)地面、對(duì)天面采用兩副異旋圓極化天線，這種方案可以減小空間干涉盲區(qū)的深度；

②同旋極化方案：對(duì)地面、對(duì)天面采用兩副同旋圓極化天線，兩個(gè)天線的波束寬度不同，這種方案可以將空間干涉盲區(qū)移向?qū)μ烀?，減少干涉盲區(qū)對(duì)星地測(cè)控通信的影響。

同旋極化方案組陣后的天線方向圖如圖3所示。

由圖3可以看出，衛(wèi)星測(cè)控天線方向圖在星下點(diǎn)±90°范圍內(nèi)增益較為平坦，在±（90°～115°）范圍內(nèi)為方向圖干涉區(qū)范圍。

1.3 敏捷模式對(duì)測(cè)控鏈路影響分析

測(cè)控天線對(duì)地半張角計(jì)算公式為

由式（2）~式（8）可以得出，測(cè)控上行、下行鏈路余量和測(cè)控天線的接收增益、發(fā)射增益有關(guān)。天線方向圖干涉區(qū)處的天線增益波動(dòng)劇烈，圖3中最深凹點(diǎn)處天線增益比0度附近天線增益惡化達(dá)30dB以上。由于星上資源限制，通常鏈路設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留的鏈路余量有限。因此天線干涉區(qū)指向地面站時(shí)，會(huì)出現(xiàn)因上、下行鏈路余量不足而無(wú)法進(jìn)行正常測(cè)控通信的情況。

圖4 仿真流程

圖5 衛(wèi)星俯仰角、滾動(dòng)角變化曲線

2 測(cè)控鏈路性能仿真分析方法

2.1 仿真分析流程

本文從測(cè)控設(shè)計(jì)方案及星地通信模型出發(fā)，結(jié)合敏捷衛(wèi)星實(shí)際天線方向圖、星地作用距離及姿態(tài)變化情況，提出一種測(cè)控鏈路性能的仿真分析方法。仿真過(guò)程使用了STK軟件，并利用CST-MWS電磁仿真軟件獲取天線方向圖數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件仿真姿態(tài)數(shù)據(jù)，整個(gè)仿真過(guò)程如圖4所示。

2.2 仿真場(chǎng)景建立

為分析敏捷衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)的星地測(cè)控鏈路性能，創(chuàng)建STK仿真場(chǎng)景，主要內(nèi)容包括：

①設(shè)置場(chǎng)景始末時(shí)間、選擇地球?yàn)橹行奶祗w。

②建立地面站模型：選取了地面站1（高緯度地面站）和地面站2（低緯度地面站）兩個(gè)典型測(cè)控地面站，并對(duì)地面站添加傳感器。

③建立衛(wèi)星模型：設(shè)置衛(wèi)星初始軌道參數(shù)，并選擇軌道外推模型；衛(wèi)星姿態(tài)加載外部文件生成的姿態(tài)模型，該模型為MATLAB仿真得到的敏捷衛(wèi)星在軌典型姿態(tài)工況數(shù)據(jù)，包括：

姿態(tài)工況一：衛(wèi)星整軌帆板法線對(duì)日定向姿態(tài)；

姿態(tài)工況二：衛(wèi)星在陽(yáng)照區(qū)帆板法線對(duì)日定向姿態(tài)，在陰影區(qū)三軸對(duì)地定向姿態(tài)；

姿態(tài)工況三：衛(wèi)星在姿態(tài)工況二基礎(chǔ)上進(jìn)行陽(yáng)照區(qū)敏捷模式成像姿態(tài)。

圖5為衛(wèi)星在某圈軌道陽(yáng)照區(qū)敏捷成像時(shí)的俯仰角、滾動(dòng)角變化曲線。

2.3 測(cè)控鏈路建模

利用STK中的通信模塊進(jìn)行鏈路性能分析用到的主要組件是接收機(jī)和發(fā)射機(jī)，這兩個(gè)組件不僅能夠設(shè)置發(fā)射機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)（如EIRP值）和接收機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)（如G/T值），而且能夠設(shè)置接收天線和發(fā)射天線的主要技術(shù)指標(biāo)，如天線方向性圖、工作頻段、極化方式等[7]。

為了真實(shí)仿真敏捷衛(wèi)星的測(cè)控鏈路性能，使用外部文件制作STK天線方向圖。方向圖數(shù)據(jù)制作時(shí)需要注意以下幾方面：

①方向圖格式：需要選擇方向圖類型，填寫正確的角度單位、數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)及數(shù)據(jù)內(nèi)容；

②坐標(biāo)系：如果外部數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系與仿真軟件的坐標(biāo)系定義不一致，需要進(jìn)行坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)；由于天線方向圖數(shù)據(jù)為遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，因此通常不考慮外部數(shù)據(jù)與仿真軟件的坐標(biāo)系原點(diǎn)偏差；

③方向圖角度定義：外部數(shù)據(jù)選用CST計(jì)算的仿真數(shù)據(jù)，CST和STK軟件均默認(rèn)以球坐標(biāo)存儲(chǔ)方向圖數(shù)據(jù)，但角度定義不同，如表1所示，因此需進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換方法如式（9）所示。

表1 CST和STK軟件對(duì)方向圖數(shù)據(jù)的角度定義

在STK中利用Transmitter模型導(dǎo)入制作的天線方向圖數(shù)據(jù)。圖6為添加天線方向圖后的3D場(chǎng)景，可以看出當(dāng)星載測(cè)控天線安裝至衛(wèi)星后，其天線方向圖與星體固聯(lián)，隨著衛(wèi)星姿態(tài)變化，方向圖干涉區(qū)也指向不同的位置。因此敏捷衛(wèi)星天線方向圖干涉區(qū)指向地面站的時(shí)段并不固定，測(cè)控弧段是否受天線方向圖干涉區(qū)影響、以及影響出現(xiàn)的時(shí)段，取決于星體與測(cè)控站的相對(duì)位置及衛(wèi)星姿態(tài)情況。

3 鏈路性能仿真及分析

本節(jié)利用前面建立的場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)控鏈路性能仿真及分析，包括：

①敏捷衛(wèi)星對(duì)地面站1、地面站2的上行鏈路接收功率及鏈路余量分析；

②敏捷衛(wèi)星對(duì)地面站1、地面站2的下行鏈路余量、b/0及誤碼率分析。

仿真時(shí)間區(qū)間為一日，由于衛(wèi)星軌道參數(shù)設(shè)置為太陽(yáng)同步軌道，星地測(cè)控弧段為若干個(gè)子區(qū)間，這里挑選天線方向圖干涉區(qū)對(duì)測(cè)控鏈路影響嚴(yán)重的弧段進(jìn)行分析。

3.1 上行鏈路分析

圖7、圖8分別給出了敏捷衛(wèi)星與地面站1、地面站2之間的上行測(cè)控鏈路性能。圖7（a）、圖8（a）中，接收天線增益波動(dòng)劇烈的時(shí)段為測(cè)控弧段內(nèi)天線方向圖干涉區(qū)指向地面測(cè)控站的時(shí)段。

圖7（b）、圖8（b）為測(cè)控弧段內(nèi)自由空間損耗，該損耗由星地距離引起，可以看出在測(cè)控弧段開(kāi)始和結(jié)束時(shí)自由空間損耗較大，測(cè)控弧段中部的自由空間損耗相對(duì)較小，這與低仰角時(shí)星地作用距離較遠(yuǎn)、高仰角時(shí)星地作用距離較近相一致。

圖7（c）、圖8（c）為測(cè)控弧段內(nèi)應(yīng)答機(jī)接收功率。地面站為固定值，在不考慮地面站天線指向損失、雨衰等損耗時(shí)，應(yīng)答機(jī)接收功率取決于地面站、接收天線增益及自由空間損耗，因此在天線方向圖干涉區(qū)指向地面站時(shí)，應(yīng)答機(jī)的接收功率出現(xiàn)劇烈起伏現(xiàn)象。接收能量的劇烈波動(dòng)會(huì)對(duì)應(yīng)答機(jī)上行鏈路性能造成不利影響。圖7（d）、圖8（d）為假設(shè)應(yīng)答機(jī)靈敏度為–100dBm時(shí)的鏈路余量示意圖，可以看出圖7（d）中部分時(shí)段上行鏈路余量小于2.5dB；圖8（d）中部分時(shí)段上行鏈路余量小于0dB，表明該時(shí)段出現(xiàn)應(yīng)答機(jī)短暫失鎖、上行測(cè)控鏈路中斷的現(xiàn)象。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可通過(guò)仿真場(chǎng)景進(jìn)一步輸出進(jìn)入應(yīng)答機(jī)的上行信號(hào)載噪比、b/0及上行信號(hào)誤碼率。

圖7 地面站1某測(cè)控弧段內(nèi)上行鏈路性能

圖8 地面站2某測(cè)控弧段內(nèi)上行鏈路性能

由于衛(wèi)星遙控的重要性，工程應(yīng)用中通常對(duì)測(cè)控上行信道數(shù)據(jù)質(zhì)量要求較高，可以在衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采取以下幾種措施進(jìn)一步提高上行通信質(zhì)量：

①優(yōu)化測(cè)控天線組陣性能，通過(guò)調(diào)整對(duì)地面、對(duì)天面測(cè)控天線的波束寬度，使測(cè)控天線方向圖干涉區(qū)進(jìn)一步向?qū)μ烀娣较蛞苿?dòng)，減少衛(wèi)星在各種敏捷姿態(tài)機(jī)動(dòng)工況下天線方向圖干涉區(qū)指向地面測(cè)控站的概率；

②在測(cè)控通信數(shù)據(jù)層采取差錯(cuò)控制措施，通過(guò)設(shè)計(jì)遙控?cái)?shù)據(jù)信道編碼及數(shù)據(jù)幀重傳機(jī)制，降低遙控?cái)?shù)據(jù)幀的拒收、誤收概率；

③在星上資源條件滿足的情況下，適當(dāng)提高測(cè)控系統(tǒng)的接收靈敏度，以抵消測(cè)控天線方向圖干涉區(qū)增益凹坑對(duì)上行通信鏈路的影響。

在實(shí)際執(zhí)行測(cè)控任務(wù)前，可以通過(guò)本文提出的測(cè)控鏈路性能仿真分析方法，提前獲得天線方向圖干涉區(qū)指向地面測(cè)控站的時(shí)段，進(jìn)而選擇在不受干涉區(qū)影響的時(shí)段發(fā)送遙控指令。

3.2 下行鏈路分析

圖9、圖10分別給出了敏捷衛(wèi)星與地面站1、地面站2的下行測(cè)控鏈路性能。圖9（a）、圖10（a）為測(cè)控弧段內(nèi)星載測(cè)控發(fā)射天線指向地面站的天線增益；圖9（b）、圖10（b）為測(cè)控弧段內(nèi)地面測(cè)控基帶設(shè)備解調(diào)的b/0。由于地面站天線一般為拋物面天線，具有窄波束寬度，因此在不考慮天線指向損失時(shí)，認(rèn)為地面天線增益為恒定值。地面站接收功率、b/0取決于衛(wèi)星EIRP，在衛(wèi)星天線方向圖干涉區(qū)指向地面站時(shí)，地面站的接收信號(hào)將出現(xiàn)劇烈起伏現(xiàn)象。仿真中使用的測(cè)控信號(hào)調(diào)制方式為BPSK調(diào)制，地面站進(jìn)行BPSK解調(diào)時(shí)，誤碼率在10–5時(shí)理論b/0為9.6dB，因此圖9（c）、圖10（c）為地面站測(cè)控基帶設(shè)備解調(diào)的b/0減去理論b/0的值，即理論下行測(cè)控鏈路余量，工程應(yīng)用時(shí)，下行鏈路余量通常需減去一定的地面站解調(diào)損失及譯碼損失。圖9（d）、圖10（d）為STK仿真的地面站下行鏈路誤碼率，可以看出在地面站基帶設(shè)備解調(diào)的b/0小于理論b/0，下行鏈路將出現(xiàn)誤碼。

圖9 地面站1某測(cè)控弧段內(nèi)下行鏈路性能

圖10 地面站2某測(cè)控弧段內(nèi)下行鏈路性能

工程應(yīng)用中，在星上資源條件滿足的情況下，可以通過(guò)設(shè)計(jì)遙測(cè)數(shù)據(jù)信道編碼、適當(dāng)提高測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)射功率等方式，進(jìn)一步提高敏捷衛(wèi)星測(cè)控下行通信質(zhì)量。地面在處理遙測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，可以根據(jù)敏捷衛(wèi)星遙測(cè)任務(wù)的特點(diǎn)進(jìn)行遙測(cè)數(shù)據(jù)剔野設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

敏捷衛(wèi)星以其高分辨率、高精度、高敏捷能力在空間技術(shù)的發(fā)展，特別是低軌航天器的應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。本文在分析敏捷衛(wèi)星運(yùn)行模式對(duì)測(cè)控通信影響的基礎(chǔ)上，提出敏捷衛(wèi)星測(cè)控鏈路性能仿真分析方法，并結(jié)合衛(wèi)星場(chǎng)景及外部天線方向圖數(shù)據(jù)、衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)，可以真實(shí)地反映星地測(cè)控鏈路動(dòng)態(tài)特性，使設(shè)計(jì)師清楚地了解星地測(cè)控鏈路的整體設(shè)計(jì)性能，便于進(jìn)行測(cè)控系統(tǒng)任務(wù)分析與參數(shù)優(yōu)化。該方法對(duì)于敏捷衛(wèi)星工程應(yīng)用和在軌試驗(yàn)具有實(shí)用價(jià)值，也可以為其它航天器測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

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[10] 丁溯泉, 張波, 劉世勇. STK在航天任務(wù)仿真分析中的應(yīng)用[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2011.

Simulation method analysis on TT&C link performance for agile satellite

NIU Zhao, HAN Mengfei, WANG Xuebin, YANG Fang

（DFH Satellite Co., Ltd, Beijing 100094, China）

Aiming at the characteristic of agile satellite TT&C task, this paper proposes a simulation and analysis method of agile satellite TT&C link based on STK. Both the uplink and downlink performance of an attitude maneuver satellite are simulated and analyzed by establishing simulation scenario and importing external file of antenna pattern and satellite attitude. The simulation results show that the method of this paper can reflect the satellite-ground TT&C link dynamic characteristics of agile satellite precisely. This simulation method has application value for engineering use and flight verification of agile satellite, and can provide reference for TT&C subsystem design and analysis of other spacecraft.

Agile satellite; Satellite-ground TT&C; Link analysis; Antenna interference range

TP391.9

A

CN11-1780(2019)04-0054-07

牛朝 1986年生，工程師，主要從事高分辨率遙感衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)研究。

韓孟飛 1982年生，工程師，主要從事小衛(wèi)星測(cè)控分系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)研究。

王雪賓 1990年生，工程師，主要從事小衛(wèi)星測(cè)控分系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)研究。

楊芳 1971年生，研究員，主要從事衛(wèi)星任務(wù)分析和衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

國(guó)家重大航天工程項(xiàng)目

2019-04-15

2019-07-14