探測器信號鏈路估算方法

中國探月工程中，使用VLBI技術(shù)對嫦娥系列探測器精密測量。采用仿真方法模擬探測器信號檢測VLBI系統(tǒng)的測量能力具有重要意義，而評估探測器信號的鏈路和空間傳輸損耗是仿真工作的關(guān)鍵。本文根據(jù)實際探測器信號的傳輸過程，研究了地面接收的探測器信號功率和噪聲信號功率計算方法，為仿真工作奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】仿真 探測器信號 功率

1 引言

甚長基線干涉測量技術(shù)（VLBI，Very Long Baseline Interferometry）是二十世紀六十年代后期在射電天文領(lǐng)域出現(xiàn)的一項技術(shù)，它具有空間分辨率高、測量精度高的特點。我國于2007年首次在探月工程中使用VLBI技術(shù)，出色的完成了測、定軌任務(wù)。

在實際任務(wù)前，為評估和測試VLBI系統(tǒng)的測量能力，目前的常規(guī)做法是開展大量實際目標(biāo)聯(lián)測試驗，耗費大量人力、物力。采用仿真方法模擬探測器信號，不僅可用于研究VLBI數(shù)據(jù)處理模塊的技術(shù)方法，而且可代替那些難以實現(xiàn)的實際觀測，全面評估VLBI系統(tǒng)的測量能力。而評估探測器信號的鏈路損耗是仿真內(nèi)容的關(guān)鍵。

實際進行深空探測器VLBI測量時，使用探測器下行無線電調(diào)相信號。傳送遙測信號、干涉DOR信號和（或）轉(zhuǎn)發(fā)上行基帶信號（包括測距信號、殘留遙控信號等）。這些調(diào)制信號調(diào)制到載波上，經(jīng)天線放大后發(fā)射。探測器信號在傳輸過程中會受大氣等噪聲的影響。地面測站將接收到的信號（包含探測器信號和噪聲信號）檢測并解調(diào)，最終記錄至磁盤。因此，仿真中需根據(jù)實際探測器信號從發(fā)射到接收所經(jīng)歷的變化過程，對探測器信號鏈路進行估計。本文介紹了地面測站接收的探測器信號和噪聲功率的計算方法。

2 基本原理

2.1 接收功率計算方法

探測器信號在發(fā)射、傳輸、接收過程中，信號的功率受天線增益、自由空間路徑損耗等因素的影響發(fā)生變化。仿真中需要考慮整個通信鏈路過程，計算信號接收功率。圖1給出了基本通信鏈路及其基本參數(shù)。

鏈路參數(shù)的定義：Pt為傳輸功率（W）；Pr為接收功率（W）；gt為發(fā)射天線增益；gr為接收天線增益（W）；r為路徑距離（m或km）。

2.2 噪聲功率計算方法

噪聲信號為廣譜信號。在衛(wèi)星通信鏈路中，從發(fā)射機至最終信號檢測和解調(diào)，噪聲信號在信號傳輸路徑的任何地方都可能會被引入。產(chǎn)生噪聲的噪聲源眾多，分為地球噪聲源，包括大氣氣體的輻射、云雨的輻射等；地球外噪聲源，包括宇宙背景噪聲、太陽和月球輻射、天體射電源輻射；人為噪聲源包括電子電氣設(shè)備的無意輻射、輸電線和其他通信系統(tǒng)輻射；

綜上，等效噪聲溫度ta主要由地球噪聲源噪聲溫度、地球外噪聲溫度和人為噪聲溫度組成，代入式（9）得噪聲功率Pnoise。仿真噪聲信號，生成服從N（0，Pnoise）正態(tài)分布的隨機序列。

3 正確性驗證

根據(jù)實際參數(shù)分別計算探測器信號功率和噪聲功率，仿真地面測站接收的信號。圖2中（A）為實際信號單通道自功率譜，可觀察到0.96MHz處的載波信號，距離載波500kHz、65.536kHz的測距主音信號和遙測信號、噪聲信號；其他為信號諧波項。（B）為仿真信號自功率譜圖（采樣率4M），同樣包含載波信號（0.96MHz）、測距信號（500kHz主音頻率）、遙測信號（65.536kHz）、噪聲信號。

仿真信號與實際信號對比，載波信號、測距信號、遙測信號的頻率和功率分配與實際信號一致，噪聲信號的功率和分布也與實際信號相同，驗證了功率計算方法的正確性。

4 結(jié)論

探測器信號從發(fā)射至接收經(jīng)歷了調(diào)制、解調(diào)等一系列復(fù)雜的過程，本文根據(jù)實際過程中信號的變化，介紹了測站接收的信號功率和噪聲信號的功率計算方法。通過仿真探測器信號與實際信號的對比，驗證了探測器信號功率和噪聲功率計算方法的正確性，為后續(xù)仿真工作打下了基礎(chǔ)。

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作者簡介

朱亞立（1992-），男，江蘇省泰州市人。碩士學(xué)位。主要研究方向為信號仿真。

作者單位

1.中國科學(xué)院上海天文臺 上海市 200030；

2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京市 100049