多層星座網(wǎng)絡(luò)仿真教研系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉子威,趙珊珊

(1.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,江蘇 南京 210003;2.南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院,江蘇 南京 210023)

0 引 言

6G的主要愿景之一是空天地海一體化無(wú)縫深度覆蓋[1-3],這就需要天基衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的一體化融合設(shè)計(jì),而低軌衛(wèi)星星座是實(shí)現(xiàn)全球全天時(shí)無(wú)縫覆蓋的重要建設(shè)對(duì)象[4-5]。目前,國(guó)內(nèi)外企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)重點(diǎn)關(guān)注著低軌衛(wèi)星星座的發(fā)展,其中,歐美等國(guó)主要依靠商業(yè)航天公司進(jìn)行低軌衛(wèi)星星座的建設(shè),典型的如Starlink星座[6-8]、OneWeb星座[9-11]等。國(guó)內(nèi)主要依靠中國(guó)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司為代表的一批國(guó)有企業(yè)及科研院所進(jìn)行星座的設(shè)計(jì)與建設(shè)。相比而言,歐美等國(guó)起步較早,建設(shè)速度快,中國(guó)處于跟跑階段。

在各高等學(xué)校中,無(wú)線通信與移動(dòng)通信是電子信息類專業(yè)常見的開設(shè)課程。此外,部分院校還開設(shè)有專門的衛(wèi)星通信、空間信息網(wǎng)絡(luò)等專業(yè)課程,并配有相應(yīng)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)等。然而,絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以機(jī)房參觀、實(shí)驗(yàn)箱分組實(shí)驗(yàn)等方式進(jìn)行,既缺乏直觀的系統(tǒng)認(rèn)識(shí),且參與度較低。而衛(wèi)星通信本身就具有鏈路不直觀、衛(wèi)星不可見等實(shí)際教學(xué)困難,更需要教師創(chuàng)新教學(xué)手段與教學(xué)工具,提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

近年來(lái),借助于教育部虛擬仿真一流課程的建設(shè)熱潮,不少相關(guān)類型的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相繼涌現(xiàn)[12-17]。但是,專門針對(duì)大規(guī)模非靜止軌道衛(wèi)星通信星座設(shè)計(jì)與鏈路規(guī)劃的實(shí)驗(yàn)還未見報(bào)道。大規(guī)模非靜止軌道星座具有全天時(shí)無(wú)縫覆蓋、高動(dòng)態(tài)、多波束等顯著特點(diǎn),與早期的同步軌道衛(wèi)星的設(shè)計(jì)與建設(shè)思路有明顯差異,對(duì)通信能力的支持也明顯提升。同時(shí),大規(guī)模非靜止軌道衛(wèi)星星座的出現(xiàn),對(duì)于頻率與軌道的兼容性也提出了新的挑戰(zhàn)。作為衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信課程的主要教學(xué)對(duì)象之一,十分有必要建設(shè)一套可視性強(qiáng)、操作便捷、涵蓋內(nèi)容全面的仿真教學(xué)系統(tǒng),以推進(jìn)教學(xué)效果的提升。

基于此,該文依據(jù)非靜止通信星座設(shè)計(jì)的基本原則,利用商用軌道分析軟件的軌道外推功能與MATLAB的科學(xué)技能功能,設(shè)計(jì)了一套多層星座網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與干擾分析仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多層衛(wèi)星星座的星座建立、軌道分析、通信鏈路設(shè)計(jì)、覆蓋性分析、同頻干擾分析等功能。系統(tǒng)具有2D/3D動(dòng)態(tài)顯示能力,能夠提供完整的顯控能力,后文詳細(xì)介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)方法,并展示了各主要功能的仿真結(jié)果。結(jié)果表明,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多層衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)與分析的主要功能,可支撐衛(wèi)星通信、無(wú)線通信、通信綜合實(shí)驗(yàn)等課程的實(shí)踐需求。

1 需求分析

1.1 教學(xué)需求

本教研系統(tǒng)主要可用于支撐《衛(wèi)星通信》、《無(wú)線通信》等相關(guān)理論課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)以及《通信綜合實(shí)驗(yàn)》等實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程的相關(guān)模塊。以《衛(wèi)星通信》課程為例,教研系統(tǒng)與課程教學(xué)內(nèi)容關(guān)系如圖1所示。

圖1 教研系統(tǒng)與《衛(wèi)星通信》課程教學(xué)內(nèi)容關(guān)系

1.2 多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是新一代天基信息網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通常由地球同步軌道衛(wèi)星和低地球軌道衛(wèi)星組成,用以服務(wù)地面和空中的各種終端。在日常運(yùn)行過程中,分為業(yè)務(wù)面和控制面兩類傳輸內(nèi)容。業(yè)務(wù)面主要由上下行用戶鏈路、上下行饋電鏈路、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、用戶終端和地面信關(guān)站組成,用于雙向傳輸通信業(yè)務(wù);控制面主要是對(duì)整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和運(yùn)行進(jìn)行控制。典型的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.3 鏈路傳播與同頻干擾分析模型

同頻干擾分析的核心方法來(lái)自于鏈路傳播機(jī)理。

考慮衛(wèi)星用戶鏈路多波束的特性,有用信號(hào)可以寫為：

(1)

其中,i表示波束編號(hào),j表示地面段平臺(tái)編號(hào),Cij表示多波束衛(wèi)星第i個(gè)波束中第j個(gè)地面段平臺(tái)與衛(wèi)星的有用信號(hào)功率。θij與φij分別表示發(fā)送天線的離軸角度與接收天線的離軸角度。Gt(θij)和Gr(φij)則分別代表發(fā)射和接收天線在對(duì)應(yīng)角度上的增益。λi表示第i個(gè)波束頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。dij(t)指相應(yīng)的地面終端與衛(wèi)星間的距離。對(duì)于衛(wèi)星與地面終端的天線模型,通過用戶發(fā)射信號(hào)入射方向與波束中心之間的夾角近似計(jì)算波束增益。

接收端接收到的單顆干擾衛(wèi)星信號(hào)功率可以通過下式計(jì)算。

(2)

其中,Ij(t)為第j顆衛(wèi)星造成的干擾信號(hào)功率,Pj為干擾信號(hào)的帶內(nèi)發(fā)射功率,即為重疊帶寬內(nèi)的等效發(fā)射功率;Gt(·)為干擾信號(hào)發(fā)射天線在偏離其主軸一定角度上的天線增益;Gr(·)為受干擾系統(tǒng)接收端天線在偏離其主軸一定角度上的天線增益;θi(t)和φi(t)分別表示干擾星座中第j顆干擾衛(wèi)星發(fā)射天線主軸與干擾鏈路間的夾角以及接收天線主軸與干擾鏈路間的夾角,同樣由于衛(wèi)星與地面站相對(duì)位置的時(shí)變性,鏈路夾角也表現(xiàn)為隨時(shí)間變化的函數(shù),可以通過預(yù)推衛(wèi)星軌道位置得到相關(guān)函數(shù)。

實(shí)際中,由于NGSO衛(wèi)星星座數(shù)量多,大多干擾體現(xiàn)為多個(gè)干擾衛(wèi)星/地面站對(duì)同一站點(diǎn)/衛(wèi)星產(chǎn)生干擾,稱為集總干擾。則衛(wèi)星系統(tǒng)受到的集總干擾功率為通信仰角范圍內(nèi)干擾衛(wèi)星造成的干擾功率之和,即：

(3)

其中,Ni(t)表示可視范圍內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量?？紤]衛(wèi)星多波束體制,單顆衛(wèi)星可能存在多個(gè)同頻率波束存在干擾,則多波束衛(wèi)星集總功率可以表示為：

(4)

其中,N1表示施擾平臺(tái)造成干擾的波束數(shù)量。系統(tǒng)噪聲功率可以由等效噪聲溫度噪聲構(gòu)造N=K·T·B,其中K為玻耳茲曼常數(shù),T為系統(tǒng)等效噪聲溫度,B為重疊帶寬。

最終,鏈路干擾程度由載干噪比C/I+N衡量。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

本軟件需滿足完整衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。其主要功能包括：衛(wèi)星/地面站的配置、星地用戶/饋電鏈路的設(shè)計(jì)、LEO星座設(shè)計(jì)、LEO星座覆蓋性能分析、LEO星座與GEO通信系統(tǒng)間干擾分析。預(yù)期可對(duì)不少于600顆LEO衛(wèi)星組成的星座系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)分析,分析指標(biāo)包括但不限于星座覆蓋性能,時(shí)延性能、多普勒頻移性能、路徑損耗等。此外,可對(duì)不少于3顆GEO衛(wèi)星和不少于600顆LEO衛(wèi)星組成的通信系統(tǒng)提供系統(tǒng)間干擾分析。

仿真演示軟件包括顯示控制模塊、系統(tǒng)仿真模塊、組網(wǎng)與干擾分析模塊,各部分的組成框圖如圖3所示。各模塊的功能、輸入、輸出如表1所示。

表1 仿真演示功能列表

圖3 教研系統(tǒng)組成框圖

2.2 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

仿真軟件主界面如圖4所示,系統(tǒng)采用“C#完成界面開發(fā)+MATLAB完成算法開發(fā)”的思路。界面主要包括場(chǎng)景成員列表,用戶操作記錄,2D、3D場(chǎng)景演示區(qū),分析曲線顯示區(qū)和分析數(shù)據(jù)顯示區(qū)。

圖4 軟件主界面示意圖

2.3 實(shí)驗(yàn)流程

本教研系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的支撐工具,整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程包括實(shí)驗(yàn)任務(wù)下達(dá)、實(shí)驗(yàn)過程執(zhí)行、實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫、實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)。線上線下與執(zhí)行人如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)流程

其中,實(shí)驗(yàn)任務(wù)主要包括場(chǎng)景想定、星座仿真、衛(wèi)星平臺(tái)與地面站仿真、星座效能分析與同頻干擾分析等,全部在教研系統(tǒng)中完成。學(xué)生可將結(jié)果總結(jié)后整理至實(shí)驗(yàn)報(bào)告中,由指導(dǎo)教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)主觀題得分綜合得到學(xué)生的評(píng)價(jià)。

3 功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 場(chǎng)景想定

場(chǎng)景想定是整個(gè)仿真系統(tǒng)的首要模塊,其核心是對(duì)用戶仿真需求和仿真任務(wù)的模型化描述。具體而言,需要完成仿真場(chǎng)景設(shè)定、起止時(shí)間及仿真時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定等。在用戶界面主菜單中,點(diǎn)擊“場(chǎng)景配置”菜單,選擇“新建場(chǎng)景”子菜單,出現(xiàn)場(chǎng)景配置窗口。在場(chǎng)景名稱輸入欄內(nèi)輸入新建的場(chǎng)景名稱,名稱中只能包含英文和數(shù)字,且必須以英文字母開頭。點(diǎn)擊“確定”按鈕,即可新建場(chǎng)景。

3.2 插入衛(wèi)星

完成場(chǎng)景設(shè)置后,需要開始建立星座。星座的建立分為兩個(gè)步驟：“插入衛(wèi)星”和“創(chuàng)建星座”。在用戶界面主菜單中,點(diǎn)擊“插入”菜單,選擇“插入衛(wèi)星”子菜單,出現(xiàn)衛(wèi)星參數(shù)配置窗口,如圖5(a)所示。點(diǎn)擊“衛(wèi)星類型”下拉菜單,出現(xiàn)GEO/LEO衛(wèi)星選項(xiàng),點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)選項(xiàng)即可獲得默認(rèn)的GEO/LEO衛(wèi)星參數(shù),如圖5(b)、圖5(c)所示。衛(wèi)星參數(shù)也可以自行設(shè)置。通過軌道六根數(shù)、星載發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的設(shè)置,可以建立一顆種子衛(wèi)星,作為后續(xù)建立星座的基礎(chǔ)。

(a)衛(wèi)星參數(shù)

3.3 創(chuàng)建星座

在用戶界面主菜單中,點(diǎn)擊“創(chuàng)建星座”菜單,出現(xiàn)星座參數(shù)配置窗口。點(diǎn)擊種子衛(wèi)星下拉菜單,可以選擇當(dāng)前場(chǎng)景中已有的衛(wèi)星作為星座的種子衛(wèi)星。當(dāng)配置好星座參數(shù)后,點(diǎn)擊“確定”按鈕,場(chǎng)景中會(huì)創(chuàng)建衛(wèi)星星座,衛(wèi)星命名方式為“種子衛(wèi)星名稱+軌道面號(hào)+軌道面內(nèi)衛(wèi)星序號(hào)”,如LEO0101。星座創(chuàng)建后如圖6所示。

圖6 星座3D圖

3.4 創(chuàng)建地球站

為了仿真星地通信的完整過程,在完成星座建設(shè)的基礎(chǔ)上還要進(jìn)行地球站的建模。地球站建模包含用戶站/用戶終端和信關(guān)站。在用戶界面主菜單中,點(diǎn)擊“插入”菜單,選擇“插入地球站”子菜單,出現(xiàn)地球站參數(shù)配置窗口。將所需參數(shù)配置完成后,點(diǎn)擊“確定”按鈕,地球站將被添加至場(chǎng)景中。添加完成后,地球站名稱以及其附屬的發(fā)射機(jī)/接收機(jī)將顯示在左側(cè)的場(chǎng)景成員列表中。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 寬帶LEO星座仿真分析

本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)組網(wǎng)方法關(guān)鍵技術(shù)中星座參數(shù)對(duì)覆蓋性能、傳播時(shí)延、多普勒、傳播損耗等的影響。多星覆蓋率如圖7所示。從3D和2D圖中可以看到,圖7中系統(tǒng)完成了覆蓋率的分析,右側(cè)2D圖中不同顏色代表了不同的覆蓋重?cái)?shù)。圖8和圖9分別計(jì)算了隨低軌衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的通信延時(shí)和多普勒頻移。可以看到,隨著低軌衛(wèi)星星座的高速運(yùn)動(dòng),以地面指定區(qū)域?yàn)閰⒖?通信延時(shí)和多普勒頻移呈現(xiàn)出規(guī)律性的高頻次變化,反映了低軌衛(wèi)星星座對(duì)地面區(qū)域的連續(xù)周期性覆蓋。

圖7 多星覆蓋率仿真

圖9 多普勒頻移

4.2 GEO與LEO衛(wèi)星間同頻干擾分析實(shí)驗(yàn)

驗(yàn)證LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)與GEO系統(tǒng)間干擾分析技術(shù)中星座方案、地球站位置和密度、天線類型等對(duì)LEO與GEO系統(tǒng)間干擾的影響。

GEO系統(tǒng)接收到未干擾時(shí)的信號(hào)質(zhì)量和受到干擾時(shí)的信號(hào)質(zhì)量,以載干噪比評(píng)估,結(jié)果如圖10所示。圖中右側(cè)虛線為未受到干擾的曲線,由于GEO衛(wèi)星相對(duì)地球表面靜止,因此信號(hào)質(zhì)量恒定。而實(shí)線表示干擾影響下的信號(hào)質(zhì)量,其呈現(xiàn)的特性實(shí)際上是低軌衛(wèi)星下行波束的方向圖反向調(diào)制。當(dāng)鏈路共線時(shí),干擾最為嚴(yán)重。

圖10 GEO系統(tǒng)接收到的信號(hào)質(zhì)量

與之相反,LEO系統(tǒng)接收到未干擾時(shí)的信號(hào)質(zhì)量和受到干擾時(shí)的信號(hào)質(zhì)量,如圖11所示。由于LEO本身相對(duì)于地球表面就是運(yùn)動(dòng)的,因此圖中虛線表示的無(wú)干擾載噪比也是隨著LEO與地面站的斜距變化而變化的。最嚴(yán)重的干擾出現(xiàn)在GEO與LEO衛(wèi)星的共線處。

圖11 LEO系統(tǒng)接收到的信號(hào)質(zhì)量

5 結(jié)束語(yǔ)

該文研究了面向多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的星座設(shè)計(jì)、性能分析與同頻干擾分析方法,并利用商用軌道軟件、MATLAB設(shè)計(jì)了一套多層星座網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與干擾分析仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)支撐2D/3D可視化操作,能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星/星座設(shè)計(jì)、覆蓋性能、通信延時(shí)、多普勒、同頻干擾分析等功能,有效支撐了國(guó)內(nèi)星座設(shè)計(jì)與相關(guān)課程的教學(xué)工作。