基于STK/Matlab的高機動平臺定向通信數據分析*

2018-07-26 02:19:20侯波濤

通信技術 2018年7期

侯波濤

（中國西南電子技術研究所，四川成都 610036）

0 引言

STK是由AnalyticalGrapfics公司開發的一款在航天領域處于絕對領先地位的商業化分析軟件，廣泛應用于航天、雷達、通信和電子對抗等領域。Matlab作為科學計算和數據分析方面的商業數學軟件，強大的計算功能可以顯著增強STK的效能[1]，STK通過Connect模塊提供對Matlab的支持，使得Matlab用戶可以像調用自身函數一樣使用STK進行分析、處理和計算[2]，并在一些循環、嵌套及繁瑣的參數設置上更具優勢[3]。高機動平臺間采用定向通信技術，通過多個定向相控陣天線實現窄波束的形成與對準。每個天線覆蓋一定空間，實現平臺空間全覆蓋。窄波束定向天線的應用能有效降低被截獲和干擾的概率[4]，提高平臺射頻隱身性能[5]。由于天線數量有限及機體安裝位置限制，某些空域的天線可能需要工作在大俯仰角度（電性能較差）。在高機動情況下，平臺姿態劇烈變化，為了使定向窄波束持續精確對準，天線孔徑及天線波束需頻繁切換，會造成波束指向有一定偏差。同一天線不同角度的發射及接收性能差異較大，不同天線間性能也有差異，導致通信鏈路余量會出現波動，影響通信性能。本文通過STK/Matlab實現了飛行數據的波束指向誤差計算和鏈路余量計算，可提高對基于窄波束的高機動平臺通信數據的分析能力。

1 仿真用數據類型

STK允許用外部文件輸入飛行器的位置、速度及姿態數據。其中，位置和速度數據由星歷文件輸入，姿態數據由姿態文件輸入。傳感器指向文件由真實天線的波束指向文件生成。外部天線方向圖根據實測天線方向圖數據生成。表1為外部輸入格式一覽表。

表1 外部輸入格式

2 坐標系簡介及矢量幾何工具轉換原理

后續計算涉及4種坐標系，即機體直角坐標系、機體球面坐標系、天線直角坐標系和天線球面坐標系。STK中的機體坐標定義機翼右方為Y軸，機頭前方為X軸，垂直于機面向下為Z軸。STK的傳感器瞄準線指向定義，如圖1所示。向量R為傳感器的瞄準線向量，XYZ為機體坐標系，方位角Az為從XOY平面X軸繞Z軸以右手定則旋轉到向量R在XOY平面投影的角度，俯仰角El為以Z軸正向為基準的XOY平面與向量R的夾角，Az范圍[-180°，180°]，El范圍[-90°，90°]。天線球面坐標系，如圖2所示。以天線陣面中心為原點，X軸、Y軸在陣面上，Z軸垂直陣面指向機體外，XYZ滿足右手定則。天線指向為(r,φ,θ)，φ為天線指向向量在xoy平面的投影與x軸之間的夾角，從x軸正向算起。θ為天線指向與z軸正向的夾角。φ范圍[0°，360°]，θ范圍[0°，180°]，z軸為天線法向。

圖1 STK飛行器機體坐標系

圖2 天線球面坐標系

機體球面坐標系(R,Az,El)與機體直角坐標系(X,Y,Z)、天線球面坐標系(r,φ,θ)與天線直角坐標系(x,y,z)之間，是典型的球面坐標系與直角坐標系的轉換關系，只是角度取值范圍不同。機體直角坐標系通過坐標系的平移及旋轉得到天線直角坐標系。

STK的矢量幾何工具（Vector GeometryTool）可以創建自定義的坐標系，構成坐標系的元素（坐標軸、矢量、點，角和面）。坐標系等于坐標原點加坐標軸，兩個坐標系之間的旋轉等同于坐標原點的平移加上坐標軸的旋轉。平移即坐標矩陣相加減，旋轉可用坐標轉換矩陣相乘完成。Euler（歐拉）旋轉將參考坐標系轉動3次得到目標坐標系，每次的旋轉軸是參考坐標系的坐標軸，旋轉角度為Euler角。兩個坐標系的旋轉等同于3次單坐標軸的旋轉結合。將參考坐標系分別繞xyz軸旋轉角度α，對應的坐標轉換矩陣分別為：

如果參考坐標系坐標為(X,Y,Z)，目標坐標系坐標為(x,y,z)，歐拉角旋轉次序為ijk，對應旋轉角度為ABC，則(X,Y,Z)與(x,y,z)的轉換關系為：

反之，(x,y,z)與(X,Y,Z)轉換關系為：

3 仿真輸入數據生成

3.1 星歷文件及姿態文件生成

星歷文件及姿態文件由飛行數據記錄中慣導數據生成，其中經緯高數據生成星歷文件，滾動角、俯仰角和偏航角數據生成姿態文件。

3.2 傳感器指向文件及天線方向圖文件生成

傳感器指向是由天線工作時的實際波束指向轉換而來。天線波束指向(r,φ,θ)先轉換為天線直角坐標系(x,y,z)，再根據坐標旋轉式（5）得到機體直角坐標系坐標(X,Y,Z)，進一步轉換到機體球面坐標系坐標(R,Az,El)，從而生成傳感器指向文件。

STK中，天線方向圖PhiThetaPattern格式角度定義如圖3所示。此定向通信系統相對于機體空域全覆蓋，機體天線方向圖是多個定向天線方向圖的疊加。向量r為連接向量（波束方向），將天線安裝方向選為方位角俯仰角模式，角度（0，90°）。此方式下的方位角、俯仰角即為STK機體球面坐標，。按照式（6）、式（7）將(Phi,Thata)轉換為機體球面坐標(Az,El )，然后和傳感器指向坐標轉換順序相反，先將機體球面坐標(R,Az,El)轉換為機體直角坐標(X,Y,Z)，再根據式（4）轉換到天線直角坐標(x,y,z)，進而轉換到天線球面坐標(r,φ,θ)，選擇天線孔徑，根據該角度實測增益值(φ,θ,Gain)生成映射(Phi,Theta,Gain)，最終生成天線方向圖文件，每個平臺需生成接收和發射兩個方向圖文件。

圖3 PhiThetaPattern格式角度定義

4 仿真及結果分析

4.1 場景架構

場景架構如圖4所示，場景包括2架飛機，4個傳感器，2個發射機，2個接收機，1個通信鏈路。

圖4 場景架構

4.2 波束指向誤差計算

STK利用雙機的位置姿態，在傳感器指向設置為跟蹤模式時，可得到傳感器的瞄準指向。該指向為相對于機體坐標系的球面坐標。真實天線的波束指向是根據雙機的位置姿態經過一系列的坐標系轉換和外推計算得到的。將該天線指向轉換到機體球面坐標系后，與STK計算的傳感器理論指向差值即為指向誤差。

（1）建立Matlab與STK連接

stkInit;

conid=stkOpen(stkDefaultHost);

（2）根據圖4新建場景LinkMargin，飛機A、B，傳感器S1、S2、S3、S4，發射機T1、T2，接收機R1、R2。下面語句為新建場景，其他對象語法相同。

stkExec(conid,'New / Scenario LinkMargin');

（3）設置場景時間參數，場景射頻參數僅考慮大氣吸收損耗。

stkExec(conid,'SetAnalysisTimePeriod * "12Sep 2017 09:10:01.0""12Sep 2017 10:00:01.0"');

stkExec(conid,'SetAnimation * StartTimeOnly"12Sep 2017 09:50:01.0" TimeStep 0.01');

stkExec(conid,'Animate * Reset');

stkExec(conid,'Environment * SetValue PropagationChannel.AtmosAbsorptionModel ITU-R_P676-9');

（4）導入飛機的星歷文件和姿態文件。

stkExec(conid,'SetState */Aircraft/A File "H: A_Ephemeris.e"');

stkExec(conid,'AddAttitude */Aircraft/A File"H:A_Attitude.a"');

（5）設置傳感器參數，簡單錐體，半角波束寬度7.5°，傳感器S1指向設置為外部模式，并導入生成的傳感器指向文件，傳感器S2指向設置為跟蹤模式，跟蹤對象為飛機B。

stkExec(conid,'Point */Aircraft/A/Sensor/S1 External "H: A_Point.sp"');

stkExec(conid,'Point */Aircraft/A/Sensor/S2Targeted Tracking Aircraft/B Rotate');

（6）通過矢量幾何工具創建傳感器S1與S2瞄準線夾角矢量DeltaAngle。

stkExec(conid,'VectorTool * Aircraft/A/Sensor/S1 Create Angle DeltaAngle "Between Vectors""Aircraft/A/Sensor/S1 Boresight""Aircraft/A/Sensor/S2 Boresight"');

（7）創建自定義報告DeltaAngle，在Angles中添加DeltaAngle的角度，獲取仿真報告。

[secData,secNames]=stkReport('*/Aircraft/Aircraft_B/Sensor/Sensor_B1','My Styles/DeltaAngle',0,3000,0.01);

Time=stkFindData(secData{1},'Time');

Angle=stkFindData(secData{1},'Angle');

角度誤差如圖5所示。由于飛機周期性的機動導致指向誤差波動，波束寬度15°，最大指向誤差1.4°，系統跟蹤性能良好。此誤差主要是外推算法導致的波束指向誤差,總的誤差為兩個平臺誤差之和。

圖5 波束指向誤差計算結果

4.3 鏈路余量計算

STK通信模塊提供了分析通信系統性能的工具，可生成通信鏈路報表，計算空間損耗、雨衰、大氣衰減以及其他系統干擾等。通信模塊包括多種接收機、發射機模型及天線模型，鏈路模塊將發射機和接收機按次序加入作為整體分析，生成所需的鏈路信息，最后設置通信約束條件，生成鏈路可見性圖表。

（1）設置發射機及接收機參數

通過GetValue命令可獲得發射機及接收機的所有參數格式，再通過SetValue命令設置使用的參數。以速率設置為例，其他設置格式相同。發射機選擇復雜發射機模型，頻率16.5 GHz，功率10dBW，調制方式OQPSK，數據速率15 Mb/s，信號帶寬14 MHz，天線選擇外部模式，并導入發射天線方向圖。STK允許自定義衰減值，增加饋線損耗、天線指向誤差、極化損耗等。此處，添加2.5 dB的固定衰減。接收機設置方式類似，復雜接收機，導入接收機天線方向圖，選擇計算系統噪聲方式，設置天線低噪放噪聲系數為5，用于STK計算接收機品質因數G/T。

stkExec(conid,'Transmitter_RM */Aircraft/A/Transmitter/T1 GetValue');

stkExec(conid,'Transmitter*/Aircraft/A/Transmitter/T1SetValueModel.DataRate 15 Mb*sec^-1');

（2）新建鏈路，按次序添加發射機T1、接收機R2加入目標列表。

stkExec(conid,'New / */Chain CommLink');

stkExec(conid,'Chains */Chain/CommLinkAdd */Aircraft/A/Transmitter/T1');

stkExec(conid,'Chains */Chain/CommLink Add */Aircraft/B/Receiver/R2');

（3）鏈路報告的LinkInformation包含所有鏈路參數，如EIRP、自由空間衰減、大氣吸收衰減、G/T、C/N0、C/N和Eb/N0等，添加所需鏈路參數到自定義報告LinkMargin，啟動通信鏈路訪問計算并生成報告。

stkExec(conid,'Chains_RM/Access All');

[secData1,secNames]=stkReport('*/Chain/CommLink1','My Styles/LinkMargin',0,3000,0.01);

Time=stkFindData(secData1{1},'Time');

Range=stkFindData(secData1{1},'Range1')/1000;

EbNo=stkFindData(secData1{1},'Eb/No1');

接收端Eb/N0及距離與時間的關系如圖6所示。目標在轉彎及機動條件下，相同距離Eb/N0有最大6 dB的波動。此波動由高機動情況下天線孔徑切換及波束切換造成，若雙機同時做機動，波動值會更大。通信余量為計算Eb/N0與解調所需Eb/N0門限之差，相同速率情況下，通信余量減小6 dB會造成可通信距離下降一半。