一种深空航天器到地球的Ka波段信道建模方法

摘要

本发明提供一种深空航天器到地球的Ka波段信道建模方法，该方法首先构建深空航天器到地球的深空中继网络架构；接着根据深空航天器到地球的深空中继网络架构及传输环境确定该网络的信道组成；然后确定各部分信道中影响Ka波段信道建模的因素及参数；最后根据确定出的影响因素及参数，构建深空航天器到地球的Ka波段信道模型。本发明充分考虑了多普勒效应对建模的影响，从而建立的深空航天器到地球的Ka波段信道模型具有很强的有效性，为Ka波段深空通信中继网络提供理论依据，并对Ka波段深空通信中继网络的信号调制、编码方式以及功率控制技术研究有很大的使用意义。

说明书

技术领域

本发明涉及深空通信领域，尤其涉及一种深空航天器到地球的Ka波段信 道建模方法。

背景技术

近年来，随着深空探测的发展和对带宽需求的增加，越来越多研究卫星系 统的人员开始利用Ka波段来进行地空链接。为了设计和优化深空通信中Ka 波段卫星链路，一个公平的理解以及对传播信道的动态行为建模是非常必要 的。目前，对于深空航天器到地球的Ka波段信道建模方法，只考虑到了天气、 阴影等因素的影响，并没有考虑到多普勒效应，导致目前建模方法建立的模型 有效性较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种深空航天器到地球的Ka波段信道建模方法， 以解决目前深空航天器到地球的Ka波段信道建模方法建立的模型有效性较低 问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种深空航天器到地球的Ka波段信 道建模方法，包括：构建深空航天器到地球的深空中继网络架构；根据深空航 天器到地球的深空中继网络架构及传输环境确定该网络的信道组成；确定各部 分信道中影响Ka波段信道建模的因素及参数；根据上一步骤中确定出的影响 因素及参数，构建深空航天器到地球的Ka波段信道模型。

优选地，所述构建深空航天器到地球的深空中继网络架构的方法为：将深 空航天器到地球的深空中继网络划分为深空中继骨干网络和地表网络；所述深 空中继骨干网（Deep Space Relaying Backbone Network,DSRBN）是指深空航 天器与近地中继航天器之间的网络；所述地表网络（Earth Surface Network, ESN）包括近地中继航天器、地球站和地球上的网络。

优选地，所述根据深空航天器到地球的深空中继网络架构及传输环境确定 该网络的信道组成，包括：将深空航天器到地球的深空中继网络的信道分为深 空航天器与近地中继航天器之间的信道、近地中继航天器和地面站之间的信 道。

优选地，当近地中继航天器为地球静止轨道的卫星时，所述近地中继航天 器和地面站之间的信道采用莱斯衰落信道；当近地中继航天器为非地球静止轨 道的卫星时，所述近地中继航天器和地面站之间的信道采用瑞利衰落信道。

优选地，所述确定各部分信道中影响Ka波段信道建模的因素及参数，包 括：近地中继航天器和地面站之间的信道中影响Ka波段卫星信道建模的因素 包括：系统噪声、第一距离损耗、大气吸收损耗、雨衰损耗；对应的参数为： 系统噪声的地面系统噪声温度T_sys、第一距离损耗的近地中继航天器和地面站 之间的距离d、大气吸收损耗L_atm和雨衰损耗L_r；近地中继航天器与深空航天 器之间的信道中影响Ka波段卫星信道建模的因素包括：第二距离损耗、多普 勒频移、太阳闪烁；对应的参数为：第二距离损耗的近地中继航天器与深空航 天器之间的距离d_sc、受到多普勒频移影响的载波频率f_D和太阳闪烁的影响 I_rician。

优选地，根据影响因素参数，构建深空航天器到地球的Ka波段信道模型 为：

$P_r=\frac{P_{\mathrm{sc}\_t}{ϵ}_{\mathrm{Amp}}{A}_{\mathrm{sc}\_t}{ϵ}_{\mathrm{sc}\_t}{A}_{\mathrm{sc}}^2{ϵ}_{\mathrm{sc}}^2{A}_g{ϵ}_g}{V_D^2{c}^2{d}_{\mathrm{sc}}^2{d}^2}·f_D^2{f}^2{\left({\mathrm{kT}}_{\mathrm{sys}}\right)}^{-1}{(L_r+L_{\mathrm{atm}})}^{-1}$

其中，P_r是地球站接收到的Ka波段能量，P_{sc_t}是一个深空航天器发射的能 量；ε_Amp是近地中继航天器的放大器效率；A_{sc_t}是发射信号的深空航天器的天 线面积；ε_{sc_t}是发射信号的深空航天器的天线效率；A_sc和A_g分别是近地中继 航天器和地面天线的面积，ε_sc和ε_g分别是近地中继航天器和地面天线的效率； f是载波频率；k是波尔兹曼常数；V_D是航天器间的相对速率；c是光速。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明基于深空中继网络架构将深空航天器到地球的深空信道分为两个不 同的部分，这是应用于非均匀传播环境的一种特殊的多态信道模型。在深空中 继网络中模拟Ka波段卫星信道，且考虑到了天气因素，阴影，多普勒频移和 太阳闪烁等多种因素的对信道建模的影响，从而建立的深空航天器到地球的 Ka波段信道模型，该模型能够有效的降低信号传输的误码率，具有很强的有 效性，为Ka波段深空通信中继网络提供了理论依据，并对Ka波段深空通信 中继网络的信号调制、编码方式以及功率控制技术研究有很大的使用意义。

附图说明

图1为本发明的一种深空航天器到地球的Ka波段信道建模方法流程示意 图；

图2为深空航天器到地球的深空中继网络架构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附 图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种深空航天器到地球的Ka波段信道建模方 法，包括：

S1：构建深空航天器到地球的深空中继网络架构；

S2：根据深空航天器到地球的深空中继网络架构及传输环境确定该网络的 信道组成；

S3：确定各部分信道中影响Ka波段信道建模的因素及参数；

S4：根据上一步骤中确定出的影响因素及参数，构建深空航天器到地球的 Ka波段信道模型。

如图2所示，构建深空航天器到地球的深空中继网络架构的方法为：将深 空航天器到地球的深空中继网络划分为深空中继骨干网络4和地表网络5；深 空中继骨干网4（Deep Space Relaying Backbone Network,DSRBN）是指深空 航天器1与近地中继航天器3之间的网络，其中，深空航天器是指与地心O 的距离大于2×10⁶km的航天器；地表网络5（Earth Surface Network,ESN）包 括近地中继航天器3、地面站6和地球上的网络。

图1所示方法中，根据深空航天器到地球的深空中继网络架构及传输环境 确定该网络的信道组成，包括：将深空航天器到地球的深空中继网络的信道分 为深空航天器与近地中继航天器之间的信道、近地中继航天器和地面站之间的 信道。优选地，当近地中继航天器3为地球2静止轨道的卫星时，在这种情况 下，近地中继航天器3和地面站6是相对静止的，其中传输的信号由LOS（视 距）路线决定，因此近地中继航天器3和地面站6之间的信道采用莱斯衰落信 道；当近地中继航天3器为非地球2静止轨道的卫星时，在这种情况下，近地 中继航天器3和地面站6不是相对静止的，信号传输中存在多径效应，因此近 地中继航天器3和地面站6之间的信道采用瑞利衰落信道。

以下对Ka波段在各部分信道中的传输进行分析，以具体说明如何确定各 部分信道中影响Ka波段信道建模的因素及参数：

1）近地中继航天器和地面站之间的信道中影响Ka波段信道建模的因素及 参数

近地中继航天器3和地面站6之间的信道中影响Ka波段卫星信道建模的 因素包括：系统噪声、第一距离损耗、大气吸收损耗、雨衰损耗；对应的参数 为：系统噪声的地面系统噪声温度T_sys、第一距离损耗的近地中继航天器和地 面站之间的距离d、大气吸收损耗L_atm和雨衰损耗L_r；

其具体为：

a）系统噪声温度T_sys为：

T_sys＝T_eq+T_atm         (1)

公式中，T_eq为设备噪声温度；T_atm为大气噪声温度。

b）雨衰损耗L_r为：

L_r＝γ_rA_r(R_r,θ)      (2)

公式中，γ_r是降雨损耗率，它由降雨率R_r决定且可由统计数据得到； A_r(R_r,θ)是穿过雨层的波的路径长度，A_r(R_r,θ)是由降雨率R_r和连接仰角θ决定。 因为降雨衰减L_r遵循对数正态分布，则降雨衰减L_r的概率密度函数（pdfs） 为：

$p_r=F\left(\ln L_r\right)={\int }_{\ln L_r}^{\infty }\frac{1}{{\sigma }_r\sqrt{2\pi }}\exp (-\frac{{(\ln L_r-m_r)}^2}{2{\sigma }_r^2})\mathrm{dx}---\left(3\right)$

其中σ_r，m_r分别为降雨衰减L_r的方差和均值，可以通过降雨损耗率γ_r，降 雨率R_r，连接仰角θ得到。则降雨衰减的长期统计可以表示为：

$p_r^{\mathrm{LT}}=\left(\begin{array}{cc}\frac{1}{\sqrt{2\pi }{\sigma }_r}\frac{1}{L_r}\exp (-\frac{{(\ln L_r-m_r)}^2}{2{\sigma }_r^2})& L_r>0\\ 0& L_r\le 0\end{array}\right)---\left(4\right)$

c)大气吸收损耗L_atm为：

$L_{\mathrm{atm}}\approx \left(\begin{array}{cc}\frac{275}{275-T_{\mathrm{atm}}}& T_{\mathrm{atm}}<275\\ \infty & T_{\mathrm{atm}}\ge 275\end{array}\right)---\left(5\right)$

其中，T_atm为大气噪声温度。

d）信号在近地中继航天器和地面站之间传输，地面上所能接收到的能量 P_r为：

P_r＝P_Ampε_AmpA_scε_scA_gε_g(λd)^-2(kT_sys)^-1(L_r+L_atm)^-1       (6)

公式中，P_Amp进入近地中继航天器的能量；ε_Amp是近地中继航天器的放大 器效率；A_sc和A_g分别是航天器和地面天线的面积，ε_sc和ε_g分别是航天器和地 面天线的效率；λ是无线电波（Radio Frequency，RF）的波长；k是波尔兹曼 常数；

综上，将公式(1)(2)(3)带入公式(6)即的降雨量，大气和接收到的能量之间 的关系为：

$P_r=\left(\begin{array}{cc}{\alpha }_r\frac{1}{(T_{\mathrm{eq}}+T_{\mathrm{atm}})}\frac{275-T_{\mathrm{atm}}}{{\gamma }_r{A}_r(R_r,\theta )(275-T_{\mathrm{atm}})}& T_{\mathrm{atm}}<275\\ 0& T_{\mathrm{atm}}\ge 275\end{array}\right)---\left(7\right)$

其中α_r＝P_Ampε_AmpA_scε_scA_gε_gk^-1(λd)^-2。

2）深空航天器与近地中继航天器之间的信道中影响Ka波段信道建模的因 素及参数

近地中继航天器与深空航天器之间的信道中影响Ka波段卫星信道建模的 因素包括：第二距离损耗、多普勒频移、太阳闪烁；对应的参数为：第二距离 损耗的近地中继航天器与深空航天器之间的距离d_sc、受到多普勒频移影响的 载波频率f_D和太阳闪烁的影响I_rician，以下进行具体说明：

根据深空航天器与近地中继航天器之间的信道信道的传输环境，该信道可 以构造为AWGN信道。首先，对于深空通信航天器来说，该段信道一个突出 的特征是长传输路径，这将对传输信号造成很大的路径衰减，即产生第二距离 损耗，考虑近地中继航天器和深空航天器之间的一跳，近地中继航天器接收到 的能量为P_{sc_r}，采用如下公式计算：

$P_{\mathrm{sc}\_r}=\frac{P_{\mathrm{sc}\_t}{A}_{\mathrm{sc}\_t}{ϵ}_{\mathrm{sc}\_t}{A}_{\mathrm{sc}-r}{ϵ}_{\mathrm{sc}\_r}}{{\lambda }^2{d_{\mathrm{sc}}}^2}---\left(8\right)$

在上式中，P_{sc_r}是近地中继航天器接收到的能量；P_{sc_t}是深空航天器发射 的能量；λ是RF波长；d_sc是近地中继航天器和深空航天器之间的距离；A_{sc_t}和A_{sc_r}分别是发射和接收航天器的天线面积；ε_{sc_t}和ε_{sc_r}分别是发射和接收航 天器的天线效率。

其次，因为航天器之间存在相对运动，因此载波频率f受到多普勒频移的 影响。受到多普勒频移影响的载波频率f_D可表示为：

$f_D=f\frac{V_D}{c}---\left(9\right)$

在式(8)中，V_D是航天器的相对速率，c是光速，可得：

$\lambda =\frac{V_D}{f_D}---\left(10\right)$

$P_{\mathrm{sc}\_r}=\frac{P_{\mathrm{sc}\_t}{A}_{\mathrm{sc}\_t}{ϵ}_{\mathrm{sc}\_t}{A}_{\mathrm{sc}-r}{ϵ}_{\mathrm{sc}\_r}{f_D}^2}{{V_D}^2{d_{\mathrm{sc}}}^2}---\left(11\right)$

最后，在深空中继网络中，信号也受到太阳闪烁的影响。一般的，我们用 闪烁指数来表示太阳闪烁带来的影响。令m表示闪烁指数，当m<0.1时，可 得闪烁指数和莱斯指数I_rician的关系为：

$I_{\mathrm{rician}}=\frac{\sqrt{1-m^2}}{1-\sqrt{1-m^2}}---\left(12\right)$

由公式（11）可以看出，闪烁指数和莱斯指数是成反比例的。当m≤0.1时， 太阳闪烁几乎对信道不产生影响，因此此时可以将深空航天器与近地中继航天 器之间的信道看做高斯信道；当m>0.1时，为了补偿太阳闪烁对无线电信号的 影响，在进行通信链路设计时，需要给Ka波段预留0.4dB的链路余量，才能 正常的完成通信。

通过上述对Ka波段的传输分析，我们可以得到地面站所接收到的能量的 总的表达式，即从深空航天1器到地面站6的Ka波段信道模型为：

$\left(\begin{array}{c}{P}_r=\frac{P_{\mathrm{sc}\_t}{ϵ}_{\mathrm{Amp}}{A}_{\mathrm{sc}\_t}{ϵ}_{\mathrm{sc}\_t}{A_{\mathrm{sc}}}^2{{ϵ}_{\mathrm{sc}}}^2{A}_g{ϵ}_g}{{V_D}^2{c}^2{d_{\mathrm{sc}}}^2{d}^2}{f_D}^2{f}^2{\left({\mathrm{kT}}_{\mathrm{sys}}\right)}^{-1}{(L_r+L_{\mathrm{atm}})}^{-1}\\ =\frac{P_{\mathrm{sc}\_t}{ϵ}_{\mathrm{Amp}}{A}_{\mathrm{sc}\_t}{ϵ}_{\mathrm{sc}\_t}{A_{\mathrm{sc}}}^2{{ϵ}_{\mathrm{sc}}}^2{A}_g{ϵ}_g}{{V_D}^2{c}^2{d_{\mathrm{sc}}}^2{d}^2}m(f,f_D,P_0)\end{array}\right)---\left(13\right)$

其中，P_r是地球站接收到的Ka波段能量，P_{sc_t}是一个中继航天器发射的能 量；ε_Amp是近地中继航天器的放大器效率；A_{sc_t}是发射信号的深空航天器的天 线面积；ε_{sc_t}是发射信号的深空航天器的天线效率；A_sc和A_g分别是航天器和 地面天线的面积，ε_sc和ε_g分别是航天器和地面天线的效率；f是载波频率；k 是波尔兹曼常数；V_D是航天器间的相对速率；c是光速；P₀是系统不可用率； m(f，f_D，P₀)是乘法因子，随着频率增加而增加。

综上，本发明基于深空中继网络架构将深空航天器到地球的深空信道分为 两个不同的部分，这是应用于非均匀传播环境的一种特殊的多态信道模型。在 深空中继网络中模拟Ka波段卫星信道，且考虑到了天气因素，阴影，多普勒 频移和太阳闪烁等多种因素的对信道建模的影响，从而建立的深空航天器到地 球的Ka波段信道模型，该模型能够有效的降低信号传输的误码率，具有很强 的有效性，为Ka波段深空通信中继网络提供了理论依据，并对Ka波段深空 通信中继网络的信号调制、编码方式以及功率控制技术研究有很大的使用意 义。

值得说明的是，本发明提供的方法同样适用于整个深空中继通信网络，即 从地球表面网络到其他行星表面网络的Ka波段信道建模，如果用于整个深空 通信网络，则将从地球表面网络到其他行星表面网络分为地表网络、深空中继 骨干网和行星表面网络三部分，其中，地表网络、深空中继骨干网和上文中所 述的网络相同，行星表面网络（PSN）包括接近行星的航空器、行星表面实体 和行星上的网络。显然，此时从地球到其他行星表面网络的Ka波段信道除了 上文中所述的近地中继航天器和地面站之间的信道、近地中继航天器与接近行 星的深空航天器之间的信道外，还包括接近行星的深空航天器和行星表面网络 之间的信道。其中，Ka波段信号在接近行星的深空航天器和行星表面网络之 间的信道中的传输类似于在近地中继航天器和地面站之间的信道中的传输，此 处不再赘述。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这 些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。