基于STK的海上衛(wèi)星通信鏈路建模與仿真

徐曼睿，張雅聲

（航天工程大學 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)任務面臨節(jié)奏快、覆蓋空間大、情況復雜的情況，對海上戰(zhàn)場通信傳輸可靠性和時效性提出更高要求。衛(wèi)星和船舶的相對運動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也隨之變化。為確保海上衛(wèi)星通信鏈路暢通，前期需對發(fā)射功率等參數進行規(guī)劃，面對受擾或中斷情況時，可及時根據鏈路性能給出應對措施。

STK（System Tool Kit）由美國分析圖形有限公司研制，在復雜航空、航天任務及陸海等環(huán)境進行分析中得到廣泛應用。它提供二維和三維可視化演示圖形仿真，可實現對任意對象及對象間復雜計算分析。本文基于STK 搭建復雜海上衛(wèi)星通信場景，建立逼真可視化動態(tài)場景仿真，實現鏈路性能快速分析。

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，在自由空間內進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，實際天線與理想的全向輻射單元在空間同一點處所產生的信號的功率密度之比，用于衡量天線對特定方向收發(fā)信號能力。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行相互轉換時會有損失，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的干擾和損耗，衛(wèi)星通信鏈路信號在穿越大氣層時，受到電離層影響帶來信號空間擴散的自由空間損耗、氣體吸收能量的大氣損耗、雨水吸收造成的降雨衰減、電離層對信號的綜合效應、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。對于Ka 頻段衛(wèi)星通信鏈路來講，僅大氣中氧分子、水汽凝結體的吸收損耗就可達1 ～2 dB。EIRP 即等效全向輻射功率，是表征地球站或者轉發(fā)器發(fā)射能力的重要技術指標，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，隨著距離的增加，自由空間損耗也會增加。表示其他因素引起的附加損耗，衛(wèi)星接收功率用P的分貝表達式為：

2 場景構建

STK/Comm 通信分析模塊支持用戶定義和分析詳細的通信系統(tǒng)，考慮了詳細的降雨模型、大氣損耗和射頻干擾源，衛(wèi)星軌道引擎與接收機和發(fā)射機屬性建立高真實度系模型，可以實現詳盡的多條通信鏈路品質分析。以遠海海域某貨運船只經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，該場景由遠海船舶、近海船舶和兩顆同步軌道衛(wèi)星組成。假設海上船舶使用Ka 波段（26.5 ～40 GHz）通信，衛(wèi)星間通信采用S 波段（2 ～4 GHz）。遠海船只ship1 將其相控陣通信天線瞄準衛(wèi)星，近海船只ship2 將其拋物線接收天線瞄準衛(wèi)星。衛(wèi)星間通信通過小型拋物面天線實現。衛(wèi)星對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，與地球同步運轉同步軌道為例，導入衛(wèi)星星歷數據，建立完整的衛(wèi)星軌道模型。場景起始時間設置為協(xié)調世界時1 Jul 2016 16：00：00.000，船舶和衛(wèi)星參數如圖3和表1所示。

圖3 船舶航跡經緯度

表1 兩顆衛(wèi)星軌道參數

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

2.2 發(fā)射機/接收機

傳感器是STK 中應用廣泛，可看作帶指向功能伺服機構，對準方向代表天線主瓣最大值對準方向。將發(fā)射機/接收機對象連接到指定傳感器對象上，分別設置發(fā)射機或接收機的工作頻率、功率、數據傳輸速率、天線種類和調制樣式。若已知平臺發(fā)射天線的方向圖，可將天線類型設置為External Antenna Pattern 外部導入后綴為“ant”格式的自定義天線方向圖文件。發(fā)射機和接收機參數如表2所示，模擬Geo_West 單跳射頻轉發(fā)器，飽和通量密度（SFD）是衡量轉發(fā)器輸入的靈敏度，設為-90 dBW/m，反映衛(wèi)星轉發(fā)器對上行功率的需求量。傳輸功能中默認系數-7×10和1.0，來模擬700 MHz 的下行轉換，將系數-7×10改為-2.6×10。模擬Geo_East 單跳射頻轉發(fā)器，飽和通量密度（SFD）-90 dBW/m，傳輸函數系數改為2.6×10。

表2 發(fā)射機/接收機參數

2.3 通信鏈路

首先完成復雜大氣環(huán)境設置，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)計模型，一個特定地點的年降雨率和概率是由歷史測量結果決定的。

場景一：信號從ship1 經Geo_West 和Geo_East 傳到ship2，在衛(wèi)星上經過一個類似于管道轉發(fā)過程再傳送到出去，在這過程中任何信號的衰減都會傳遞給下一個接收器，建立“Chain”鏈條對象，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，確保每一個節(jié)點都滿足訪問條件，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 可識別干擾源并計算出干擾對通信鏈路的影響。將相關的通信資產分為三組：發(fā)射組、接收組和干擾組。本文對ship1 上行通信鏈路建立“CommSystem”對象，分析它受擾鏈路性能，發(fā)射組加入ship1 發(fā)射機，接收組為Geo-West 接收機，假設在ship1 附近有其他船只同時與Geo-West 進行數據傳輸，載波信道分配的不合理會導致相鄰信道信號頻帶發(fā)生重疊，造成鄰信道干擾。干擾組加入ship 發(fā)射機，發(fā)射頻率30.14 GHz，發(fā)射功率30 dB，帶寬12 MHz。兩艘船的位置關系如圖5所示，陰影部分表示衛(wèi)星傳感器子對象接收天線3 dB 的覆蓋范圍。

圖5 兩艘船相互位置關系

3 鏈路性能分析

3.1 三維動態(tài)鏈路實時顯示

STK 二維地圖窗口可實時顯示任務場景隨時間動態(tài)變化，等值線根據所選對象顯示單位為dB 的通信發(fā)射機/接收機和雷達增益，每損失3 dB 相當于能量“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、光照條件結果均可以位圖或動畫形式保存。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 鏈路性能分析報告生成

STK 在分析通信性能時，除常用的“l(fā)inkinformationdet ailed”“interference information detailed”外，也可根據需要定制重點關注的數據圖表和報告。誤碼率（BER）是反映衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能的一個重要衡量指標。由于衛(wèi)星所處空間的特殊，與地面通信相比，誤碼率相對高一些。

（1）本文重點圍繞誤碼率分析鏈路性能質量，誤碼率越低，信號質量越好。默認情況下，STK 在報告中只處理兩條鏈路。本文創(chuàng)建新的報告對從ship1-Transit 到ship2-Transit 的完整通信鏈路進行建模，在報告內容窗口第3 行依次添加如圖7前三行項目，并顯示三條鏈路的誤碼率總數。

圖7 鏈路分析報告

由圖7鏈路計算報告可知，給定仿真參數條件下，從ship1 到GEO-West 的通信上行鏈路質量良好。船舶與衛(wèi)星鏈路之間的通信誤碼率為10 ～30，遠遠小于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動在10 ～27 附近少許波動是正常情況，整個通信系統(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，降低傳輸速率或調整信息傳輸頻率方式減小誤碼率，判斷干擾產生原因，改善信息傳輸質量。適當提高發(fā)送功率，可補償自由路徑損耗、降雨、閃爍等因素造成的信號衰減，使接收端信號功率保持在一定范圍。通過改變ship1 參數仿真，在1 Jul 2016 16：05：00.000 時刻，發(fā)射功率、傳輸速率與通信系統(tǒng)總誤碼率的關系如圖8、圖9所示。

圖8 發(fā)射功率與通信系統(tǒng)誤碼率關系

圖9 傳輸速率與通信系統(tǒng)誤碼率關系

（2）對于可能存在的干擾，生成場景二通信系統(tǒng)的詳細鏈路報告看到，因為附近船只的出現，信噪比下降了12 dB，誤碼率雖升高了近十個量級，但仍可以滿足通信質量要求，在航行中只需隨時關注本船數據傳輸情況，適時調整發(fā)射機參數設置應對可能存在的干擾。場景二詳細鏈路報告如圖10 所示。

圖10 場景二詳細鏈路報告

4 結 論

本文詳細介紹了STK海上衛(wèi)星通信多跳鏈路仿真過程，通過仿真結果檢驗海上衛(wèi)星通信質量，完成鏈路計算和干擾分析，能夠確保數據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、設計優(yōu)化，為提高海上作戰(zhàn)體系快速反應能力提供重要支撐。