多層星座網絡仿真教研系統設計與實現

劉子威,趙珊珊

(1.南京郵電大學 通信與信息工程學院,江蘇 南京 210003;2.南京郵電大學 電子與光學工程學院,江蘇 南京 210023)

0 引 言

6G的主要愿景之一是空天地海一體化無縫深度覆蓋[1-3],這就需要天基衛星網絡的一體化融合設計,而低軌衛星星座是實現全球全天時無縫覆蓋的重要建設對象[4-5]。目前,國內外企業與科研機構重點關注著低軌衛星星座的發展,其中,歐美等國主要依靠商業航天公司進行低軌衛星星座的建設,典型的如Starlink星座[6-8]、OneWeb星座[9-11]等。國內主要依靠中國衛星網絡集團有限公司為代表的一批國有企業及科研院所進行星座的設計與建設。相比而言,歐美等國起步較早,建設速度快,中國處于跟跑階段。

在各高等學校中,無線通信與移動通信是電子信息類專業常見的開設課程。此外,部分院校還開設有專門的衛星通信、空間信息網絡等專業課程,并配有相應的課內實驗、綜合實驗等。然而,絕大多數實驗內容以機房參觀、實驗箱分組實驗等方式進行,既缺乏直觀的系統認識,且參與度較低。而衛星通信本身就具有鏈路不直觀、衛星不可見等實際教學困難,更需要教師創新教學手段與教學工具,提升學生的學習興趣。

近年來,借助于教育部虛擬仿真一流課程的建設熱潮,不少相關類型的虛擬仿真實驗項目相繼涌現[12-17]。但是,專門針對大規模非靜止軌道衛星通信星座設計與鏈路規劃的實驗還未見報道。大規模非靜止軌道星座具有全天時無縫覆蓋、高動態、多波束等顯著特點,與早期的同步軌道衛星的設計與建設思路有明顯差異,對通信能力的支持也明顯提升。同時,大規模非靜止軌道衛星星座的出現,對于頻率與軌道的兼容性也提出了新的挑戰。作為衛星通信、移動通信課程的主要教學對象之一,十分有必要建設一套可視性強、操作便捷、涵蓋內容全面的仿真教學系統,以推進教學效果的提升。

基于此,該文依據非靜止通信星座設計的基本原則,利用商用軌道分析軟件的軌道外推功能與MATLAB的科學技能功能,設計了一套多層星座網絡設計與干擾分析仿真系統。系統能夠實現多層衛星星座的星座建立、軌道分析、通信鏈路設計、覆蓋性分析、同頻干擾分析等功能。系統具有2D/3D動態顯示能力,能夠提供完整的顯控能力,后文詳細介紹了系統設計原理、設計方法,并展示了各主要功能的仿真結果。結果表明,該系統實現了多層衛星星座設計與分析的主要功能,可支撐衛星通信、無線通信、通信綜合實驗等課程的實踐需求。

1 需求分析

1.1 教學需求

本教研系統主要可用于支撐《衛星通信》、《無線通信》等相關理論課程的課內實驗以及《通信綜合實驗》等實驗實踐課程的相關模塊。以《衛星通信》課程為例,教研系統與課程教學內容關系如圖1所示。

圖1 教研系統與《衛星通信》課程教學內容關系

1.2 多層衛星網絡架構

多層衛星網絡是新一代天基信息網絡的重要組成部分。多層衛星網絡通常由地球同步軌道衛星和低地球軌道衛星組成,用以服務地面和空中的各種終端。在日常運行過程中,分為業務面和控制面兩類傳輸內容。業務面主要由上下行用戶鏈路、上下行饋電鏈路、衛星轉發器、用戶終端和地面信關站組成,用于雙向傳輸通信業務;控制面主要是對整個衛星網絡的組網和運行進行控制。典型的多層衛星網絡架構如圖2所示。

圖2 多層衛星網絡架構

1.3 鏈路傳播與同頻干擾分析模型

同頻干擾分析的核心方法來自于鏈路傳播機理。

考慮衛星用戶鏈路多波束的特性,有用信號可以寫為：

(1)

其中,i表示波束編號,j表示地面段平臺編號,Cij表示多波束衛星第i個波束中第j個地面段平臺與衛星的有用信號功率。θij與φij分別表示發送天線的離軸角度與接收天線的離軸角度。Gt(θij)和Gr(φij)則分別代表發射和接收天線在對應角度上的增益。λi表示第i個波束頻率對應的波長。dij(t)指相應的地面終端與衛星間的距離。對于衛星與地面終端的天線模型,通過用戶發射信號入射方向與波束中心之間的夾角近似計算波束增益。

接收端接收到的單顆干擾衛星信號功率可以通過下式計算。

(2)

其中,Ij(t)為第j顆衛星造成的干擾信號功率,Pj為干擾信號的帶內發射功率,即為重疊帶寬內的等效發射功率;Gt(·)為干擾信號發射天線在偏離其主軸一定角度上的天線增益;Gr(·)為受干擾系統接收端天線在偏離其主軸一定角度上的天線增益;θi(t)和φi(t)分別表示干擾星座中第j顆干擾衛星發射天線主軸與干擾鏈路間的夾角以及接收天線主軸與干擾鏈路間的夾角,同樣由于衛星與地面站相對位置的時變性,鏈路夾角也表現為隨時間變化的函數,可以通過預推衛星軌道位置得到相關函數。

實際中,由于NGSO衛星星座數量多,大多干擾體現為多個干擾衛星/地面站對同一站點/衛星產生干擾,稱為集總干擾。則衛星系統受到的集總干擾功率為通信仰角范圍內干擾衛星造成的干擾功率之和,即：

(3)

其中,Ni(t)表示可視范圍內的衛星數量。考慮衛星多波束體制,單顆衛星可能存在多個同頻率波束存在干擾,則多波束衛星集總功率可以表示為：

(4)

其中,N1表示施擾平臺造成干擾的波束數量。系統噪聲功率可以由等效噪聲溫度噪聲構造N=K·T·B,其中K為玻耳茲曼常數,T為系統等效噪聲溫度,B為重疊帶寬。

最終,鏈路干擾程度由載干噪比C/I+N衡量。

2 系統總體設計

2.1 系統總體框架設計

本軟件需滿足完整衛星通信系統設計的需求。其主要功能包括：衛星/地面站的配置、星地用戶/饋電鏈路的設計、LEO星座設計、LEO星座覆蓋性能分析、LEO星座與GEO通信系統間干擾分析。預期可對不少于600顆LEO衛星組成的星座系統提供設計分析,分析指標包括但不限于星座覆蓋性能,時延性能、多普勒頻移性能、路徑損耗等。此外,可對不少于3顆GEO衛星和不少于600顆LEO衛星組成的通信系統提供系統間干擾分析。

仿真演示軟件包括顯示控制模塊、系統仿真模塊、組網與干擾分析模塊,各部分的組成框圖如圖3所示。各模塊的功能、輸入、輸出如表1所示。

表1 仿真演示功能列表

圖3 教研系統組成框圖

2.2 系統界面設計

仿真軟件主界面如圖4所示,系統采用“C#完成界面開發+MATLAB完成算法開發”的思路。界面主要包括場景成員列表,用戶操作記錄,2D、3D場景演示區,分析曲線顯示區和分析數據顯示區。

圖4 軟件主界面示意圖

2.3 實驗流程

本教研系統作為實驗實踐教學內容的支撐工具,整個實驗過程包括實驗任務下達、實驗過程執行、實驗結果總結、實驗報告撰寫、實驗評價等環節。線上線下與執行人如表2所示。

表2 實驗流程

其中,實驗任務主要包括場景想定、星座仿真、衛星平臺與地面站仿真、星座效能分析與同頻干擾分析等,全部在教研系統中完成。學生可將結果總結后整理至實驗報告中,由指導教師根據實驗過程、實驗結果及相關主觀題得分綜合得到學生的評價。

3 功能模塊的設計與實現

3.1 場景想定

場景想定是整個仿真系統的首要模塊,其核心是對用戶仿真需求和仿真任務的模型化描述。具體而言,需要完成仿真場景設定、起止時間及仿真時間步長設定等。在用戶界面主菜單中,點擊“場景配置”菜單,選擇“新建場景”子菜單,出現場景配置窗口。在場景名稱輸入欄內輸入新建的場景名稱,名稱中只能包含英文和數字,且必須以英文字母開頭。點擊“確定”按鈕,即可新建場景。

3.2 插入衛星

完成場景設置后,需要開始建立星座。星座的建立分為兩個步驟：“插入衛星”和“創建星座”。在用戶界面主菜單中,點擊“插入”菜單,選擇“插入衛星”子菜單,出現衛星參數配置窗口,如圖5(a)所示。點擊“衛星類型”下拉菜單,出現GEO/LEO衛星選項,點擊對應選項即可獲得默認的GEO/LEO衛星參數,如圖5(b)、圖5(c)所示。衛星參數也可以自行設置。通過軌道六根數、星載發射機、接收機的設置,可以建立一顆種子衛星,作為后續建立星座的基礎。

(a)衛星參數

3.3 創建星座

在用戶界面主菜單中,點擊“創建星座”菜單,出現星座參數配置窗口。點擊種子衛星下拉菜單,可以選擇當前場景中已有的衛星作為星座的種子衛星。當配置好星座參數后,點擊“確定”按鈕,場景中會創建衛星星座,衛星命名方式為“種子衛星名稱+軌道面號+軌道面內衛星序號”,如LEO0101。星座創建后如圖6所示。

圖6 星座3D圖

3.4 創建地球站

為了仿真星地通信的完整過程,在完成星座建設的基礎上還要進行地球站的建模。地球站建模包含用戶站/用戶終端和信關站。在用戶界面主菜單中,點擊“插入”菜單,選擇“插入地球站”子菜單,出現地球站參數配置窗口。將所需參數配置完成后,點擊“確定”按鈕,地球站將被添加至場景中。添加完成后,地球站名稱以及其附屬的發射機/接收機將顯示在左側的場景成員列表中。

4 仿真結果與分析

4.1 寬帶LEO星座仿真分析

本實驗驗證寬帶LEO星座衛星通信系統組網方法關鍵技術中星座參數對覆蓋性能、傳播時延、多普勒、傳播損耗等的影響。多星覆蓋率如圖7所示。從3D和2D圖中可以看到,圖7中系統完成了覆蓋率的分析,右側2D圖中不同顏色代表了不同的覆蓋重數。圖8和圖9分別計算了隨低軌衛星運動產生的通信延時和多普勒頻移。可以看到,隨著低軌衛星星座的高速運動,以地面指定區域為參考,通信延時和多普勒頻移呈現出規律性的高頻次變化,反映了低軌衛星星座對地面區域的連續周期性覆蓋。

圖7 多星覆蓋率仿真

圖9 多普勒頻移

4.2 GEO與LEO衛星間同頻干擾分析實驗

驗證LEO星座衛星通信系統與GEO系統間干擾分析技術中星座方案、地球站位置和密度、天線類型等對LEO與GEO系統間干擾的影響。

GEO系統接收到未干擾時的信號質量和受到干擾時的信號質量,以載干噪比評估,結果如圖10所示。圖中右側虛線為未受到干擾的曲線,由于GEO衛星相對地球表面靜止,因此信號質量恒定。而實線表示干擾影響下的信號質量,其呈現的特性實際上是低軌衛星下行波束的方向圖反向調制。當鏈路共線時,干擾最為嚴重。

圖10 GEO系統接收到的信號質量

與之相反,LEO系統接收到未干擾時的信號質量和受到干擾時的信號質量,如圖11所示。由于LEO本身相對于地球表面就是運動的,因此圖中虛線表示的無干擾載噪比也是隨著LEO與地面站的斜距變化而變化的。最嚴重的干擾出現在GEO與LEO衛星的共線處。

圖11 LEO系統接收到的信號質量

5 結束語

該文研究了面向多層衛星網絡的星座設計、性能分析與同頻干擾分析方法,并利用商用軌道軟件、MATLAB設計了一套多層星座網絡設計與干擾分析仿真系統。系統支撐2D/3D可視化操作,能夠實現衛星/星座設計、覆蓋性能、通信延時、多普勒、同頻干擾分析等功能,有效支撐了國內星座設計與相關課程的教學工作。