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卫星工具包STK在卫星通信干扰仿真中的应用研究
2011年2月12日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:史志亮
    单位:北京邮电大学计算机科学与技术学院
    E-mail:szl0211@163.com

    摘 要:对卫星通信系统干扰进行仿真目的在于确定干扰源对卫星通信系统的影响。本文提出了使用STK/Comm 模块提供的干扰分析能力对卫星通信干扰进行仿真的方法,并构建一个仿真场景,对干扰效果进行了分析。

    1. 引 言

    卫星通信具有覆盖范围广、传输媒介稳定、通信量大、拥有优良的多址和广播通信能力、可自发自收、通用性强、机动性强等优点。卫星通信尽管有点突出,但由于它长期暴露在覆盖区上空,容易受到干扰方的截获和干扰。因此在军事卫星通信系统中,抗干扰技术是要解决的关键问题[1]。

    卫星通信系统具有造价高、系统复杂,实体研究比较困难,所以适宜采用仿真方法进行研究。在以往的仿真研究中通常采用两种方法:一种是传统的卫星通信系统仿真方法。一般都是基于数学方程的计算机辅助计算。当同时仿真多个通信链路时,传统的仿真方法表现出许多局限性,如模型的划分不够清晰、模型的运行不易控制、交互性差、可扩展性差等。另一种方法通过构建分布式仿真系统。这种方法虽然可以将单个仿真应用链接起来组成一个大型的虚拟世界,可以进行大规模的战略、战术演练、体系攻防对抗等优点。但是构造系统的成本较高,花费时间较长。而使用STK 进行卫星通信干扰的仿真研究,能够快速构建仿真场景,得到关心的仿真结果。

    卫星工具包(STK : Satellite Tool Kit)是美国AGI 公司推出的应用于航天领域的先进的卫星系统分析软件。其中STK/Comm 模块用于对通信链路的仿真。STK6.1 版本中,提供了各种类型的接收机、发射机模型,用户还可以通过编辑文本文件自定义雷达、天线、信道等模型,对感兴趣的对象进行分析。STK 以报告和图表的形式提供仿真结果。使用户在尽量短的时间内完成更多的工作,将精力集中于任务设计中[2]。

    2. 通信系统建模

    一个卫星通信系统由通信卫星、通信地球站、跟踪遥测指令分系统和监控管理分系统四大部分组成。一条基本的卫星通信信道由发端地球站、上行链路、卫星转发器、下行链路和收端地球站组成。对卫星通信系统干扰的对象可以是遥控遥测指令分系统、上行链路、卫星转发器和地面卫星通信设备或网络[3]。本文中通过对一个卫星通行系统的下行链路的干扰进行仿真,来确定干扰源对通信链路的影响。对遥控遥测指令分系统的干扰、对上行链路的干扰、对地面卫星通信设备或网络的干扰的仿真研究,均可采用类似的方法进行。

    使用 STK 仿真是基于场景进行的,需要设定仿真的起始时间和仿真步长,这些将用于计算卫星的轨道参数以及确定通信链路中使用的无线电环境模型,场景中还需要设计卫星轨道参数、地面站参数和通信资源参数。

    2.1 下行链路

    首先向仿真场景中添加一个地球站,将其经纬度均设置为零度。为该地面站添加一个接收机。接收机的类型设置为Complex Receiver,方位角设定为90 度,仰角设置为30 度,天线口径设为0.25m。天线方向图如图1 所示。

卫星工具包STK 在卫星通信干扰仿真中的应用研究
图 1 地球站天线方向图

    向场景中加入一颗静止轨道卫星,星下点经度为30 度。为静止轨道卫星添加发射机GeoXmtr。将其类型设置为Medium Source Transmitter,频率为1.5 GHz。天线方向图如图2所示。

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图 2 静止轨道卫星天线方向图

    2.2 干扰源

    该仿真场景中采用位于 Walker 星座上的发射机作为干扰源,发射机参数与静止轨道卫星上发射机的参数相同。Walker 星座共有6 个轨道面,每个轨道面上分布着6 颗卫星。Walker星座上的发射机与静止轨道卫星上的发射机频率相同,所以会对对静止轨道卫星和地球站之间的通信构成干扰。

    2.3 通信系统对象

    分别为静止轨道卫星上的发射机、地球站的接收机以及 Walker 星座上的发射机建立星座。向场景中添加CommSystem 对象,将地球站接受机所在的星座作为接收方,静止轨道卫星发射机所在的星座作为发射方,Walker 星座发射机所在的星座作为干扰源。至此,一个包含干扰源的天——地卫星通信系统构建完成,接下来就可以进行计算分析了。

    3. 计算并分析干扰效果

    3.1 干扰过程演示

    使用通信系统提供的计算功能可以对干扰效果进行计算。经过计算后,STK 可以提供仿真过程的二维和三维显示。图3 中显示了某时刻卫星通信以及干扰的情况,其中左侧绿色直线代表静止轨道卫星与地球站之间的通信链路,红色直线代表编号为LeoSat34 的卫星正在对正常的卫星通行进行干扰。

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图 3 仿真场景三维演示

    3.2 误码率分析

    误码率(BER)是评估通信链路性能的重要参数。图4 给出了通信系统在无干扰和存在干扰时误码率的情况,BER 表示不考虑干扰情况下的误码率,BER+I 表示考虑干扰情况下的误比特率,通过对比可见干扰源对天——地链路造成很明显的干扰。

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图 4 误码率

    3.3 载噪比分析

    评估通信链路性能的另一个重要指标就是载噪比(CNR),通信理论中的相关公式为:

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    其中卫星工具包STK在卫星通信干扰仿真中的应用研究自由空间传播损失,卫星工具包STK在卫星通信干扰仿真中的应用研究大气损失,卫星工具包STK在卫星通信干扰仿真中的应用研究接收机增益,k ____波尔兹
曼常量,卫星工具包STK在卫星通信干扰仿真中的应用研究 等价噪声温度,卫星工具包STK在卫星通信干扰仿真中的应用研究接收机有效带宽。

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    在此仿真实例中,通过图表工具得到该通信系统在无干扰状态和有干扰状态下的载噪比如图5 所示,其中黄色直线为不考虑干扰情况下的载噪比,红色曲线代表考虑干扰情况下的载噪比。

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图 5 载噪比

    3.4 设置干扰约束

    通过对发射机和接收机进行设置,可以达到对干扰进行约束的目的。在此仿真场景中,将地球站接收机的天线口径设置为1 m,将接受机干扰设置中的C / No + I 最小值设置为55dB。这样设置以后,获取通信链路信息的时就只显示/ o C N + I 大于55 dB 的数据。除了对接收机的/ o C N + I 进行设置外,还可以对功率谱密度、误码率等进行设置。同样也可以对发射机的约束条件进行相似的设置。

    4. 结论

    STK 具有强大的计算能力、逼真的图形显示能力和提供可靠的数据报告的能力。利用其通信模块提供的丰富模型,可以快速构建卫星通信系统,对卫星通信干扰进行分析计算,并可以设置干扰约束。可见STK 在卫星通信干扰仿真中具有广泛的用途,良好的应用前景。

    参考文献

    [1]张邦宁,魏安全,郭道省.《通信抗干扰技术》[M].北京:机械工业出版社,2006.5.

    [2]STK User’s Manual Version 5.0.1 for PCS[Z],Analytical Graphics,Inc(AGI),2002.

    [3]卫星数据链路干扰分析[J].电子科技,2005,4:18-23.

    [4]STK/Comm Interference Analysis[Z],Analytical Graphics,Inc(AGI),2004.

    [5]Comm/Radar: Comm Systems & Interference[Z],Analytical Graphics,Inc(AGI),2004.

标签:卫星STK干扰
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