衛(wèi)星信標信道模擬器的設計與應用＊

陳奇東，劉 鈍，歐 明，甄衛(wèi)民

（中國電波傳播研究所，山東 青島266107）

0 引 言

利用GNSS雙頻信號進行電離層測量已成為目前重要的電離層環(huán)境測量手段。但由于GNSS衛(wèi)星特點，難以實現(xiàn)對電離層電子密度剖面的高精度反演。為實現(xiàn)對電離層的電子密度的三維探測，目前，國外提出了利用低軌衛(wèi)星星載專用信標結(jié)合GNSS測量的方法，實現(xiàn)對電離層電子密度的三維測量。

三頻衛(wèi)星信標是低軌衛(wèi)星搭載的重要電離層探測設備。三頻衛(wèi)星信標測量系統(tǒng)是由星載發(fā)射機向地面發(fā)射三個頻點單載波信號，地面監(jiān)測站接收機測量三個頻點信號的差分相位，通過差分相位計算出相對TEC（總電子含量），利用多個地面接收機的相對TEC觀測數(shù)據(jù)聯(lián)合開展電離層電子密度層析成像反演工作，可獲得電離層峰值電子密度［1－2］。

美國的三頻信標電離層測量主要借助導航衛(wèi)星系統(tǒng)和COMIC、OSCAR等衛(wèi)星系統(tǒng)實現(xiàn)，測量示意圖如圖1所示。

在三頻信標測量系統(tǒng)研制過程中，為了保證系統(tǒng)達到期望的業(yè)務運行能力，需要在三頻信標發(fā)射機隨衛(wèi)星發(fā)射之前，對該系統(tǒng)的電離層峰值電子密度測量精度進行地面測試，以驗證整個系統(tǒng)是否達到預期技術(shù)指標。

圖1 三頻信標測量系統(tǒng)示意圖

在地面測試和驗證過程中，需要模擬星地鏈路及電離層效應對星地鏈路的影響，三頻信標信道模擬器是其中的關鍵設備，它可以模擬接近真實信道環(huán)境的電波傳輸特性，用于設備研制過程中的調(diào)試和測試顯著降低研發(fā)成本［3］。

1 三頻衛(wèi)星信標信道模擬器現(xiàn)狀

衛(wèi)星信標信道模擬器是實現(xiàn)系統(tǒng)論證、設計、開發(fā)的重要手段。隨著GNSS在全球的廣泛應用，GNSS衛(wèi)星信號模擬器已成為GNSS應用開發(fā)的必要設備，國內(nèi)外已有多家單位開展相關工作，其在模擬GNSS衛(wèi)星信號的同時，也可以加載信道信息，為GNSS系統(tǒng)研制發(fā)揮了重要作用。但對于三頻信標測量系統(tǒng)而言，目前只在美國、歐洲等航天大國有所應用，并且，這些三頻信標測量系統(tǒng)模擬器主要是通過通用的衛(wèi)星信道模擬器和專用軟件實現(xiàn)三頻信標信道的模擬。

通用的衛(wèi)星信道模擬器主要有:

1）美國RT LOGIC公司的衛(wèi)星信道模擬器可以用于LEO、MEO、GEO衛(wèi)星的星地鏈路模擬，也可以模擬無人機、導彈等地空通信鏈路，可以模擬星地鏈路的延遲、衛(wèi)星運動多普勒、多徑衰落、衰減等信息。

2）美國HOLLIS公司的衛(wèi)星信道模擬器可以模擬連續(xù)相位的多普勒延遲，具有獨立的數(shù)字噪聲產(chǎn)生器，可以模擬雨衰，并配有專用軟件和包含大量衛(wèi)星軌道參數(shù)的數(shù)據(jù)庫。

3）芬蘭Electrobit公司的信道模擬器嵌入地面移動通信模型、短波通信模型，可以模擬傳播延遲、運動多普勒、多徑衰落、衰減等信息，也帶有地空信道模塊，但模擬的地空信道參數(shù)和范圍有限。

4）德國IZT公司的信道模擬器，能夠模擬通道延遲、衰落等，適合模擬衛(wèi)星鏈路。

現(xiàn)有的三頻信標測量系統(tǒng)，都是利用這些通用的衛(wèi)星信道模擬器，通過設計專用的軟件，來實現(xiàn)傳輸鏈路的模擬。國內(nèi)尚未見到有關衛(wèi)星信道模擬器及三頻信標信道模擬器生產(chǎn)廠家的報道。

2 三頻信標信道模擬器設計

三頻信標信道模擬器的設計包含硬件設計和軟件設計兩個部分。

2．1 三頻信標信道模擬器硬件設計

1）主要技術(shù)指標

工作 頻 段:VHF（150MHz）、UHF（400 MHz）、L（1067MHz）；帶寬:2MHz；模擬通道數(shù):9個；多普勒:0±400kHz；延遲:5μs～1s；噪聲:－160～－100dBm／Hz；幅度分辨率:0．5dB．

2）主要功能

能夠模擬信號延遲、多普勒、衰落、衰減、噪聲等；能夠設置不同的接收場景；各通道相互獨立，可分別設置信道參數(shù)；信道參數(shù)可根據(jù)不用的應用靈活配置。

3）工作原理

三頻信標信道模擬器硬件部分由上、下變頻及高速中頻處理組成，原理框圖如圖2所示。

圖2 三頻信標信道模擬器硬件原理框圖

三通道的三頻信標信道模擬器的輸入、輸出均是射頻信號。通過下變頻器將輸入的射頻信號變頻至中頻；對中頻信號進行數(shù)字化采集；進而進行中頻數(shù)字化處理，包括信號的正交解調(diào)、多普勒頻移設置、多普勒擴展設置、傳輸延遲設置、多徑衰落模型的載入、信道衰減設置、隨機噪聲產(chǎn)生等；最后將中頻數(shù)據(jù)通過D／A轉(zhuǎn)換器回放，并進行上變頻，從而實現(xiàn)射頻信號的輸出。

2．2 三頻信標信道模擬器軟件設計

三頻信標信道模擬器的硬件實現(xiàn)了信號的輸入、處理、輸出的功能。在此基礎上，需要專用的模擬軟件，模擬三頻信標測量系統(tǒng)的被測場景和接收場景，通過對硬件進行控制，實現(xiàn)三頻信標信道的模擬。

軟件流程圖如圖3所示。

圖3 三頻信標信道模擬器軟件流程圖

根據(jù)國際參考電離層模型，產(chǎn)生電離層電子密度分布，再輸入站址、軌道參數(shù)、信號頻率、信噪比等仿真參數(shù)，計算信號的傳播延遲、衰減等，利用計算結(jié)果對信道模擬器硬件進行配置。

3 三頻信標信道模擬器應用

3．1 三頻信標發(fā)射機載荷與接收機進行地面對接測試

在研制三頻信標發(fā)射機載荷和接收機的過程中，三頻信標信道模擬器可以為載荷與接收機的對接提供模擬通道（如圖4所示），實現(xiàn)載荷與接收機的對接測試。

圖4 載荷與接收機對接框圖

通過三頻信標信道模擬器模擬衛(wèi)星運動、軌道高度、電離層環(huán)境、多徑、噪聲等參數(shù)，為載荷與接收機的對接測試營造真實的電波傳播環(huán)境，從而清楚的掌握三頻信標系統(tǒng)的測量指標及實現(xiàn)場景和約束條件。

3．2 衛(wèi)星載荷與接收站網(wǎng)進行地面對接測試

衛(wèi)星發(fā)射之前，需要對衛(wèi)星載荷進行再次確認并驗證其滿足系統(tǒng)測量指標的情況。測試框圖如圖5所示。

圖5 載荷與接收站網(wǎng)對接框圖

利用三通道三頻信標信道模擬器，實現(xiàn)衛(wèi)星載荷與三臺地面接收機的對接。通過三通道三頻信標信道模擬器模擬電離層電子密度的分布和地面接收場景，為接收機的測量創(chuàng)造真實的環(huán)境，通過多臺接收機的聯(lián)合測量和反演給出電離層電子密度的分布。從而，對系統(tǒng)的測量能力進行評估。

4 結(jié) 論

近年來，三頻信標測量系統(tǒng)在國外已經(jīng)有大量應用。未來幾年，我國也將發(fā)射搭載三頻信標的衛(wèi)星，用于空間環(huán)境監(jiān)測，除了借鑒美國、俄羅斯等國公開報道的資料外，沒有其它可借鑒的資料。因此，在三頻信標測量系統(tǒng)論證、衛(wèi)星載荷研制、地面接收機研制、地面觀測站網(wǎng)的部署等環(huán)節(jié)迫切需要系統(tǒng)仿真，三頻信標信道模擬器是其中最關鍵的設備，通過信道參數(shù)設置可以實現(xiàn)電離層不同測量場景的仿真，可以為衛(wèi)星載荷研制、地面應用系統(tǒng)的建設提供第一手的資料，三頻信標信道模擬器的應用將為三頻信標測量系統(tǒng)的成功研制提供有利保障。

［1］ 吳 ?。萌l衛(wèi)星信標測量電離層天氣新方法［J］．中國科學:A輯，2000，30（增）:111－114．

［2］ 甄衛(wèi)民，馮 ?。禽d三頻信標探測技術(shù)［C］∥第十三屆全國日地空間物理學術(shù)討論會論文集，2009．

［3］ 馬 上，胡劍浩，王 劍，等．基于三狀態(tài) Markov鏈的衛(wèi)星信道模擬器設計與實現(xiàn)［J］．系統(tǒng)仿真學報，2007，19（17）:3961－3965．