运载火箭与中继星间通信链路衰减模型分析与链路需求仿真
2018-08-16曾博韬陆浩然郭业波
曾博韬,陆浩然,郭业波,刘 洋
(1. 电子科技大学,成都,611731;2. 北京宇航系统工程研究所,北京,100076)
0 引 言
运载火箭在飞行过程中的状态参量需要通过通信链路实时遥测到地面,通常运载火箭都是与固定的地面站进行通信的。在运载火箭与地面站的通信中,由于受地球曲率的影响,运载火箭飞行一段时间后,其与地面固定站之间由于地球表面的遮挡,只有在一定的飞行时间内可见,必须在全球布置多个地面站才能完成不间断通信。利用同步卫星作为通信中继,运载火箭飞行阶段与中继星通信,把数据发送给中继星,中继星再把遥测信息发送给地面测控站,从而完成运载火箭在发射阶段的各种遥测参数的实时测量。
本文就运载火箭与中继星的通信,建立链路模型,并通过分析自由空间衰减、大气衰减、电离层衰减以及雨衰对通信链路的影响,对运载火箭飞行过程中的链路参数进行实时解算。
1 链路模型
运载火箭与中继星通信链路模型如图1所示。
图1 运载火箭与中继星通信链路Fig.1 Communication Link between Launch Vehicle and Relay Satellite
图1中整个通信链路由发射机、发射天线、空间链路、接收天线、接收机等组成,其中空间链路衰减包括:自由空间衰减、大气衰减、电离层衰减、雨衰等[1]。
接收机接收到的信号功率为[2~4]
式中 Ps为接收机收到的信号功率; Pt为发射机功率;为发射天线增益; Gr为接收天线增益; Lct为从发射机到发射天线的衰减; Lcr为从接收天线到接收机的衰减; La为空间链路衰减,其包括:自由空间衰减 Lf,大气衰减 Latm,电离层衰减 Le,雨衰 Lrain等。
接收机端的等效噪声功率为
式中 Tn为接收机输入端所表现的总的等效噪声温度,包括在传输过程中天线所吸收的噪声和接收机本身的噪声; Bi为接收机中频带宽;k为玻尔兹曼常数,
为了能够正确解调,必须设定一定的裕量M,则接收机的信噪比可表示为
由于在实际考虑中C/N求解比较困难,而且传输速率R和中频带宽Bi之间并不一定成固定比例,故通常采用Eb/N0(其中Eb表示一个比特的能量,N0表示每赫兹包含的噪声),则有:
其对数形式可表示为
将式(6)代入式(4)得:
根据式(7)可以得到链路裕量M为
发射机功率Pt为
传输码率为
2 空间链路衰减模型
2.1 自由空间衰减
自由空间衰减是传播衰减中最基本的衰减,接收天线接收的信号功率仅仅是发射天线辐射功率的一小部分,大部分能量都向其它方向扩散[5]。其数学模型可定义为
式中Lf为自由空间衰减;d为传播距离;f为载波频率;c为光速,当距离单位用km,频率单位用MHz时,可用式(12)计算:
2.2 大气衰减
大气衰减是指电磁波在大气中传播时发生的能量衰减现象。各种波长的电磁波在大气中传播时,受大气中气体分子的吸收和散射作用,形成了电磁波辐射能量被衰减的吸收带[6,7]。
大气衰减受氧气和水蒸气衰减密度的影响,对于干燥空气,当f≤54 GHz时,氧气的衰减密度为
水蒸气的衰减密度γw可由式(14)表示:
通过氧气和水蒸气的衰减密度,可计算出大气衰减为
式中 r表示路径长度。
2.3 电离层衰减
电离层在地磁场的影响下成为各项异性双折射的媒质,电波在其中所产生的衰减与相移都和电波的传播方向有关,损耗可由式(16)近似计算:
当f=500 MHz时,有L=0.01 dB,故当频率大于500 MHz时,电离层衰减可忽略不计。
2.4 雨 衰
雨衰是由于雨滴对电磁波的吸收和散射引起的。在长度为0r的传播路径上,降雨引起的总衰减 Lrain与衰减率γR有如下关系[8~10]:
而γR与载波频率关系曲线如图2所示。
图2 不同降雨强度下雨衰减率与载波频率关系曲线Fig.2 Relationship between Rain Attenuation Rate and Carrier Frequency at Different Rainfall Intensities
由图2可得,衰减率随着频率的增加而迅速增加。且前期增长近似于线性关系。
3 链路衰减仿真
假设仿真时间为100 s,步长取0.2 s,降雨强度取5 mm/h,运载火箭的发射速度为7.9 km/s,发射场位置为东经109.5°,北纬18.3°,中继星位置为赤道上空东经77°。仿真得到自由空间衰减、大气衰减、雨衰、总衰减随运载火箭飞行时间变化曲线如图3至图6所示。
图3 自由空间衰减随运载火箭飞行时间变化曲线Fig.3 The Varying Curve of Free Space Attenuation with the Flight Time of Launch Vehicle
图4 大气衰减随运载火箭飞行时间变化曲线Fig.4 The Varying Curve of Atmospheric Attenuation with the Flight Time of Launch Vehicle
图5 雨衰随运载火箭飞行时间变化曲线Fig.5 The Varying Curve of Rain Attenuation with the FlightTime of Launch Vehicle
图6 总衰减随运载火箭飞行时间变化曲线Fig.6 The Varying Curve of Total Attenuation with the Flight Time of Launch Vehicle
由仿真结果可得:在运载火箭与中继星的通信链路中,自由空间衰减为最主要的衰减,在运载火箭发射一定时间后,呈线性增长;随着运载火箭飞出大气层,大气衰减迅速减小为0,该结论与式(15)一致,由于运载火箭与大气层的距离随时间变小,即路径长度变小,故大气衰减变小,直到运载火箭抵达大气层时,路径长度为0,此时大气衰减变为0;雨衰随着运载火箭与云层的距离变小而减小,直到运载火箭突破云层后变为0,该结论与式(17)一致。
4 计算链路
根据式(8)至图(10),假设发射功率10 W,链路裕量6 dB,发射天线增益18 dB,链路传输速率1 Mb/s,分别采用FM、BPSK以及QPSK通信体制,计算出通信链路的链路裕量、天线增益需求、发射功率需求、传输码率需求,仿真结果如图7至图14所示。
图7 FM体制链路裕量需求Fig.7 Demand of Link Margin under the FM System
图8 FM体制天线增益需求Fig.8 Demand of Antenna Gain under the FM System
图9 FM体制发射功率需求Fig.9 Demand of Transmitting Power under the FM System
图10 FM体制传输码率需求Fig.10 Demand of Transmission Bit Rate under the FM System
图11 BPSK/QPSK体制链路裕量需求Fig.11 Demand of Link Margin under the BPSK/QPSK System
图12 BPSK/QPSK体制天线增益需求Fig.12 Demand of Antenna Gain under the BPSK/QPSK System
图13 BPSK/QPSK体制传输功率需求Fig.13 Demand of Tansmitting Power under the BPSK/QPSK System
图14 BPSK/QPSK体制传输码率需求Fig.14 Demand of Transmission Bit Rate under the BPSK/QPSK System
比较上述仿真结果可知,在其他条件相同情况下,FM 体制链路裕量最大能达到 0.54 dB,而 BPSK和QPSK体制最大能达到3.2 dB;FM体制天线增益最大需求为23.65 dB,而BPSK和QPSK体制天线增益最大需要21 dB;FM体制发射功率最大需求为36.7 W,而BPSK和QPSK体制发射功率最大需求仅为19.9 W;FM 体制传输码率最大需求小于 292 kb/s,BPSK和QPSK体制传输码率最大需要537 kb/s。
根据衰减模型和链路计算公式,设计出计算通信链路衰减和链路需求的仿真软件。软件能够对不同通信体制下的链路进行仿真,可根据需求设置发射场和中继星的位置,可预制链路参数,能够选择需要加入的衰减类型,对链路需求进行实时仿真,并且,软件利用本文结论,在运载火箭突破云层和大气层时,分别取消对雨衰和大气衰减的解算,大大提高了软件性能,软件界面如图15所示。
图15 链路仿真软件界面Fig.15 Interface of Link Simulation Software
5 结 论
通过衰减数学模型,实时分析了运载火箭在飞行过程中与中继星通信链路的衰减情况,其中自由空间衰减为主要的衰减因素,大气衰减和雨衰都随着运载火箭高度上升减小为 0,电离层引起的衰减可忽略不计。以计算出的各项衰减为基础,分别拟定发射功率10 W,链路裕量6 dB,发射天线增益18 dB,链路传输速率1 Mb/s,对FM、BPSK、QPSK 3种通信体制下的链路裕量、天线增益需求、发射功率需求以及传输码率需求进行了计算,并对不同通信体制下的链路参数需求进行了对比分析。设计的仿真软件,能够选择不同的通信体制,根据需求设置系统参数,并针对各类衰减,实时有效地进行链路参数的解算。