一种敏捷卫星测控链路性能仿真分析方法*

牛 朝，韩孟飞，王雪宾，杨 芳

一种敏捷卫星测控链路性能仿真分析方法*

牛 朝，韩孟飞，王雪宾，杨 芳

（航天东方红卫星有限公司 北京 100094）

针对敏捷卫星测控任务特点，提出一种基于卫星工具包(STK)的敏捷卫星测控链路性能仿真分析方法。通过创建仿真场景，并加载外部天线方向图数据及卫星姿态数据，对卫星动态过程中的上行、下行测控链路性能进行仿真分析。仿真结果表明，方法能够较精确地反映敏捷卫星星地测控链路动态特性，对于敏捷卫星工程应用和在轨试验具有实际的工程使用价值，也可以为其它航天器测控系统设计提供参考。

敏捷卫星；星地测控；链路分析；天线干涉区

引 言

敏捷卫星是指能够在短时间内实现大角度快速机动的卫星，其利用卫星平台具备的绕任意欧拉角大范围快速机动并且快速稳定的优点，实现对地面目标高效、灵活地观测[1]。敏捷卫星基于其优异的姿态机动能力，利用装载的高分辨率遥感器，通过快速重定向，可以实现多种新型的成像工作模式，例如同轨多点目标成像、同轨多条带成像、同轨多角度成像等[2]。

为满足卫星在各种姿态情况下均能够与地面进行测控通信的需求，星载测控天线往往通过多副天线合成的方式实现准全向的天线方向图，但合成部位存在天线方向图干涉区[3]，当干涉区指向地面测控站时，由于星上天线增益值迅速变差，会影响正常的测控通信。敏捷卫星根据其运行模式需要作大角度姿态机动，相比于对地定向卫星，其天线方向图干涉区更容易指向地面测控站，因此需要对敏捷卫星进行测控链路性能分析，确保天线干涉区对测控通信不造成影响，从而完成测控通信任务。

在工程应用中，通常使用编制专用EXCEL计算表格的方式分析测控链路余量。这种方式有利于进行测控通信系统多个参数之间的调整优化，以及不同航天测控机构之间的通信数据交互，但无法体现天线方向图实际状态及卫星姿态变化对测控链路的影响。文献[4]利用仿真软件STK（Satellite Tool Kit）计算动态链路的部分参数后，再结合表格计算测控链路性能；文献[5]利用STK分析了通信链路的通断情况。以上两种方式对卫星测控链路的部分参数做了简化，未能全面反映卫星轨道及姿态动态变化时的测控链路性能，通常仅适用于在轨无大角度姿态机动卫星的测控链路分析。为解决上述问题，本文提出了一种敏捷卫星测控链路性能仿真分析方法，充分考虑包括天线方向图、星地作用距离及卫星姿态变化等卫星实际在轨情况，对星地测控弧段内的测控链路情况进行定量计算。

图1 敏捷卫星在轨正常工作模式

图2 敏捷卫星测控系统组成

图3 同旋圆极化天线组阵方向图（方位角0°）

1 敏捷卫星运行模式对测控通信的影响分析

1.1 敏捷卫星在轨运行模式

敏捷卫星采用图1所示的在轨正常运行模式[6]，可完成轨道南/北极区对日定向充电、轨道地影区对地数传、轨道日照区对地多模式（多条带拼接、同轨立体、区域目标、长条带）成像等不同任务。

1.2 卫星测控系统设计

图2是一种常用的敏捷卫星测控系统方案，测控系统由2台应答机、2台天线网络盒、4副测控天线组成，测控天线在卫星的对天面安装2副，对地面安装2副。其中由测控天线1、测控天线2、测控天线网络盒1和测控应答机1构成一套测控子系统，通过对地面、对天面的两幅半球波束天线和三端口功分器及应答机内部的环形器形成二天线空间场的叠加，构成准全向收发天线方向图；另一套测控子系统为备份设备，在同一时刻只有一套子系统处于加电工作状态。

为减小空间干涉形成的天线电平起伏盲区，星上组阵的二单元天线可采取两种设计方案：

①反旋极化方案：对地面、对天面采用两副异旋圆极化天线，这种方案可以减小空间干涉盲区的深度；

②同旋极化方案：对地面、对天面采用两副同旋圆极化天线，两个天线的波束宽度不同，这种方案可以将空间干涉盲区移向对天面，减少干涉盲区对星地测控通信的影响。

同旋极化方案组阵后的天线方向图如图3所示。

由图3可以看出，卫星测控天线方向图在星下点±90°范围内增益较为平坦，在±（90°～115°）范围内为方向图干涉区范围。

1.3 敏捷模式对测控链路影响分析

测控天线对地半张角计算公式为

由式（2）~式（8）可以得出，测控上行、下行链路余量和测控天线的接收增益、发射增益有关。天线方向图干涉区处的天线增益波动剧烈，图3中最深凹点处天线增益比0度附近天线增益恶化达30dB以上。由于星上资源限制，通常链路设计时预留的链路余量有限。因此天线干涉区指向地面站时，会出现因上、下行链路余量不足而无法进行正常测控通信的情况。

图4 仿真流程

图5 卫星俯仰角、滚动角变化曲线

2 测控链路性能仿真分析方法

2.1 仿真分析流程

本文从测控设计方案及星地通信模型出发，结合敏捷卫星实际天线方向图、星地作用距离及姿态变化情况，提出一种测控链路性能的仿真分析方法。仿真过程使用了STK软件，并利用CST-MWS电磁仿真软件获取天线方向图数据，利用MATLAB软件仿真姿态数据，整个仿真过程如图4所示。

2.2 仿真场景建立

为分析敏捷卫星在轨运行时的星地测控链路性能，创建STK仿真场景，主要内容包括：

①设置场景始末时间、选择地球为中心天体。

②建立地面站模型：选取了地面站1（高纬度地面站）和地面站2（低纬度地面站）两个典型测控地面站，并对地面站添加传感器。

③建立卫星模型：设置卫星初始轨道参数，并选择轨道外推模型；卫星姿态加载外部文件生成的姿态模型，该模型为MATLAB仿真得到的敏捷卫星在轨典型姿态工况数据，包括：

姿态工况一：卫星整轨帆板法线对日定向姿态；

姿态工况二：卫星在阳照区帆板法线对日定向姿态，在阴影区三轴对地定向姿态；

姿态工况三：卫星在姿态工况二基础上进行阳照区敏捷模式成像姿态。

图5为卫星在某圈轨道阳照区敏捷成像时的俯仰角、滚动角变化曲线。

2.3 测控链路建模

利用STK中的通信模块进行链路性能分析用到的主要组件是接收机和发射机，这两个组件不仅能够设置发射机主要技术指标（如EIRP值）和接收机主要技术指标（如G/T值），而且能够设置接收天线和发射天线的主要技术指标，如天线方向性图、工作频段、极化方式等[7]。

为了真实仿真敏捷卫星的测控链路性能，使用外部文件制作STK天线方向图。方向图数据制作时需要注意以下几方面：

①方向图格式：需要选择方向图类型，填写正确的角度单位、数据点数及数据内容；

②坐标系：如果外部数据的坐标系与仿真软件的坐标系定义不一致，需要进行坐标系旋转；由于天线方向图数据为远场数据，因此通常不考虑外部数据与仿真软件的坐标系原点偏差；

③方向图角度定义：外部数据选用CST计算的仿真数据，CST和STK软件均默认以球坐标存储方向图数据，但角度定义不同，如表1所示，因此需进行数据格式转换，转换方法如式（9）所示。

表1 CST和STK软件对方向图数据的角度定义

在STK中利用Transmitter模型导入制作的天线方向图数据。图6为添加天线方向图后的3D场景，可以看出当星载测控天线安装至卫星后，其天线方向图与星体固联，随着卫星姿态变化，方向图干涉区也指向不同的位置。因此敏捷卫星天线方向图干涉区指向地面站的时段并不固定，测控弧段是否受天线方向图干涉区影响、以及影响出现的时段，取决于星体与测控站的相对位置及卫星姿态情况。

3 链路性能仿真及分析

本节利用前面建立的场景进行测控链路性能仿真及分析，包括：

①敏捷卫星对地面站1、地面站2的上行链路接收功率及链路余量分析；

②敏捷卫星对地面站1、地面站2的下行链路余量、b/0及误码率分析。

仿真时间区间为一日，由于卫星轨道参数设置为太阳同步轨道，星地测控弧段为若干个子区间，这里挑选天线方向图干涉区对测控链路影响严重的弧段进行分析。

3.1 上行链路分析

图7、图8分别给出了敏捷卫星与地面站1、地面站2之间的上行测控链路性能。图7（a）、图8（a）中，接收天线增益波动剧烈的时段为测控弧段内天线方向图干涉区指向地面测控站的时段。

图7（b）、图8（b）为测控弧段内自由空间损耗，该损耗由星地距离引起，可以看出在测控弧段开始和结束时自由空间损耗较大，测控弧段中部的自由空间损耗相对较小，这与低仰角时星地作用距离较远、高仰角时星地作用距离较近相一致。

图7（c）、图8（c）为测控弧段内应答机接收功率。地面站为固定值，在不考虑地面站天线指向损失、雨衰等损耗时，应答机接收功率取决于地面站、接收天线增益及自由空间损耗，因此在天线方向图干涉区指向地面站时，应答机的接收功率出现剧烈起伏现象。接收能量的剧烈波动会对应答机上行链路性能造成不利影响。图7（d）、图8（d）为假设应答机灵敏度为–100dBm时的链路余量示意图，可以看出图7（d）中部分时段上行链路余量小于2.5dB；图8（d）中部分时段上行链路余量小于0dB，表明该时段出现应答机短暂失锁、上行测控链路中断的现象。在实际工程应用中，可通过仿真场景进一步输出进入应答机的上行信号载噪比、b/0及上行信号误码率。

图7 地面站1某测控弧段内上行链路性能

图8 地面站2某测控弧段内上行链路性能

由于卫星遥控的重要性，工程应用中通常对测控上行信道数据质量要求较高，可以在卫星测控系统设计上采取以下几种措施进一步提高上行通信质量：

①优化测控天线组阵性能，通过调整对地面、对天面测控天线的波束宽度，使测控天线方向图干涉区进一步向对天面方向移动，减少卫星在各种敏捷姿态机动工况下天线方向图干涉区指向地面测控站的概率；

②在测控通信数据层采取差错控制措施，通过设计遥控数据信道编码及数据帧重传机制，降低遥控数据帧的拒收、误收概率；

③在星上资源条件满足的情况下，适当提高测控系统的接收灵敏度，以抵消测控天线方向图干涉区增益凹坑对上行通信链路的影响。

在实际执行测控任务前，可以通过本文提出的测控链路性能仿真分析方法，提前获得天线方向图干涉区指向地面测控站的时段，进而选择在不受干涉区影响的时段发送遥控指令。

3.2 下行链路分析

图9、图10分别给出了敏捷卫星与地面站1、地面站2的下行测控链路性能。图9（a）、图10（a）为测控弧段内星载测控发射天线指向地面站的天线增益；图9（b）、图10（b）为测控弧段内地面测控基带设备解调的b/0。由于地面站天线一般为抛物面天线，具有窄波束宽度，因此在不考虑天线指向损失时，认为地面天线增益为恒定值。地面站接收功率、b/0取决于卫星EIRP，在卫星天线方向图干涉区指向地面站时，地面站的接收信号将出现剧烈起伏现象。仿真中使用的测控信号调制方式为BPSK调制，地面站进行BPSK解调时，误码率在10–5时理论b/0为9.6dB，因此图9（c）、图10（c）为地面站测控基带设备解调的b/0减去理论b/0的值，即理论下行测控链路余量，工程应用时，下行链路余量通常需减去一定的地面站解调损失及译码损失。图9（d）、图10（d）为STK仿真的地面站下行链路误码率，可以看出在地面站基带设备解调的b/0小于理论b/0，下行链路将出现误码。

图9 地面站1某测控弧段内下行链路性能

图10 地面站2某测控弧段内下行链路性能

工程应用中，在星上资源条件满足的情况下，可以通过设计遥测数据信道编码、适当提高测控系统的发射功率等方式，进一步提高敏捷卫星测控下行通信质量。地面在处理遥测数据时，可以根据敏捷卫星遥测任务的特点进行遥测数据剔野设计。

4 结束语

敏捷卫星以其高分辨率、高精度、高敏捷能力在空间技术的发展，特别是低轨航天器的应用中发挥了重要作用。本文在分析敏捷卫星运行模式对测控通信影响的基础上，提出敏捷卫星测控链路性能仿真分析方法，并结合卫星场景及外部天线方向图数据、卫星姿态数据，可以真实地反映星地测控链路动态特性，使设计师清楚地了解星地测控链路的整体设计性能，便于进行测控系统任务分析与参数优化。该方法对于敏捷卫星工程应用和在轨试验具有实用价值，也可以为其它航天器测控系统设计提供参考。

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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，工程师，主要从事高分辨率遥感卫星总体设计研究。

韩孟飞 1982年生，工程师，主要从事小卫星测控分系统总体设计研究。

王雪宾 1990年生，工程师，主要从事小卫星测控分系统总体设计研究。

杨芳 1971年生，研究员，主要从事卫星任务分析和卫星系统设计研究。

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

国家重大航天工程项目

2019-04-15

2019-07-14