星地測控鏈路中的功率控制策略研究

朱智宇，孫林歌，汪筱陽，朱 琳，田雨雷，劉 偉，陳 濤

(1.空軍工程大學 信息與導航學院，西安，710077；2.中國西安衛星測控中心，西安，710043； 3.中國人民解放軍95607部隊)

0 引言

衛星作為一種受限能源供電的系統，其所擁有的能量是有限的，所以能源是衛星機器重要的資源，因此節約能耗變得至關重要。同時，星地之間的無線測控鏈路具有不確定性和時變特性，即使不存在其他信號干擾，接收端也需要保持能夠接收到信號的最低信噪比。如地面測控設備接收到的信號信噪比需要高于設備的最低解調門限，才能保證遙測信號的正確接收。此外，高頻段衛星通信以其頻段寬、設備小、抗干擾性強而受到越來越多用戶的青睞，然而其受大氣環境的影響較大，特別是降雨衰減(簡稱雨衰)非常嚴重，在工程應用中受到嚴重制約[1]。若云層高度8 km，降雨衰減量為10 dB/km，天線仰角為70°時，Ka頻段下行鏈路降雨衰減可達85.1 dB。針對上述問題，采取功率控制方法可以有效節約衛星能源，緩解星地測控鏈路雨衰情況。衛星下行功率控制就是根據地面測控設備反饋的信息，周期性的調整衛星發射機功率，在保證通信質量的情況下，盡量減少衛星發射信號的功率，從而降低衛星功耗。

近年來，許多學者對無線通信中的功率控制問題進行了研究[2-3]。文獻[4]研究了多飛機著陸測距信號的功率控制問題，推導了飛機的發射功率方程，在無通信和有通信兩種情況下分析了不同功率控制方法的優缺點。文獻[5]針對傳統蜂窩用戶與D2D通信用戶之間的同頻干擾問題，提出基于能效的D2D通信干擾協調與資源優化方案，采用功率控制與資源分配分步進行的方式處理，對于單個D2D用戶的功率控制，在蜂窩用戶最小速率以及D2D用戶和蜂窩用戶最大功率的限制條件下，通過優化D2D用戶和蜂窩用戶的功率使得D2D用戶的能效最大。文獻[6]研究了基于閾值的車聯網信標傳輸功率控制算法，在保證網絡最大連通性前提下，通過預設信道負載閾值，規定信道負載的合理區間，根據閾值調整目標節點載波偵測范圍內所有車輛的信標傳輸功率，將信道負載控制在一定范圍內，從而避免信道擁塞。文獻[7]研究了D2D信道選擇與功率控制策略，在保證蜂窩用戶服務質量的前提下，提出了基于啟發式的D2D信道選擇算法，為系統內的D2D用戶找到合適的信道復用資源。文獻[8]為減小短波信道對接收機AD后端信號輸出功率的影響，提出了對數混合的短波信道數字AGC算法，分析了數字AGC的線性調整算法、對數調整算法、自然對數調整算法，采用自然對數與對數混合式的調整算法，實現了短波接收機AD后端數字信號功率穩定變化。然而，對于星地測控鏈路的功率控制策略研究較少。

不論是高軌衛星還是低軌衛星，星地之間的測控鏈路均受到空間距離、大氣環境、電磁干擾等各種因素的影響，具有不確定性和時間特性[9]。具有這兩種特性的無線通信系統的功率控制問題也逐漸成為學者們研究的熱點[10-11]。文獻[12]針對傳統雙饋感應風力發電機(DFIG)的解耦控制無法響應電網的頻率變化的問題，研究了含DFIG互聯系統的AGC優化控制，建立了將風力作為“負的負荷”的兩區域AGC模型，通過引入改進的虛擬慣性控制使DFIG具有更好的頻率響應能力。文獻[13]針對信道狀態信息存在時延和誤差的情況，提出了適用于多校區MIMO-BC的基于Bayes估計和數據流間功率分配的聯合干擾相應對齊算法。文獻[14]基于交互多模型數據關聯算法和協方差控制的思想，提出了多目標跟蹤時基于目標特征的雷達跟蹤功率分配算法，根據運動狀態的不同，自適應的分配雷達的輻射功率。文獻[15]基于物理層安全技術，在分析加入了多個協作干擾者的MIMO無線通信系統的系統模型，并同時考慮信道狀態信息不確定性的基礎上，提出了安全速率最大化優化問題以尋找合適的功率分配方案，并進一步基于一階泰勒展開和S-程序理論設計出了相應的魯棒優化算法。

本文將功率控制策略引入星地測控鏈路中，在考慮地面設備信號接收門限的基礎上，提出了一種基于信噪比平衡準則的閉環功率控制策略，主要研究單向(衛星下行)功率控制策略。首先建立衛星下行鏈路信噪比計算模型，利用模型計算衛星下行信號到達地面設備的鏈路信噪比，在考慮地面設備最低解調門限的基礎上，設置地面設備解調閾值，將下行鏈路信噪比與地面設備解調閾值相比較，然后將比較結果通過設備上行信號反饋給衛星，最后衛星根據得到的反饋信息調整下行發射功率，以達到功率控制的目的。

1 衛星下行鏈路信噪比計算模型

對數字鏈路而言，衛星下行鏈路性能指標通常指在基帶信道上需要達到的比特誤碼率(BER)，其表現在衛星信道中為衛星模擬信號的鏈路信噪比C/N0的值。而影響衛星下行鏈路信噪比的主要指標包括衛星有效全向輻射功率(SEIRP)、衛星天線增益(Gs)、空間損耗(L)、地面天線增益(Ge)、地面系統等效噪聲溫度(T)、地面饋線損耗(Lk)。衛星下行信號鏈路信噪比計算方程為：

(1)

式(1)中所有參數單位均為dB，玻爾茲曼常數K=228.6 dBW/k·Hz。其中空間損耗L主要包括自由空間傳播損耗(Lf)、大氣吸收損耗(Ag)和降雨衰減(Lr)。其中自由空間傳播損耗可通過式(2)得到：

(2)

其中：R為星地之間的距離，λ為信號波長，一般采用通信帶寬的中心頻點的波長。

大氣吸收引起的損耗主要與電磁波頻率、地面設備海拔高度、天線仰角及水蒸氣密度(絕對濕度)有關。當電磁波頻率低于10 GHz時，該損耗可以忽略不計[16]。

降雨衰減是指電磁波進入雨層中引起的衰減。它包括雨粒吸收引起的衰減和雨粒散射引起的衰減。雨粒吸收引起的衰減是由于雨粒具有介質損耗引起的，雨粒散射引起的衰減是由于電磁波碰到雨粒時被雨粒反射而再反射引起的。這種二次反射的電磁波的入射波與反射波方向無關，稱為二次散射。由于二次散射，在原來的方向上入射的電磁波就被衰減了。雨衰的大小和雨滴直徑與波長的比值有關，而降雨率則與雨滴的半徑有關。

降雨衰減損耗可通過式(3)得到：

L=h·cscθ·Rp

(3)

其中，h為降雨高度，單位為km；θ為地面設備天線仰角；Rp為降雨衰減量，單位為dB/km，與雨層結構有關。

2 功率控制策略及實現方法

這里主要研究基于信噪比平衡準則的閉環功率控制策略。即通過地面設備接收端測量接收的信噪比，與設定的信噪比閾值相比較，將比較結果反饋給衛星，然后衛星通過調整下行EIRP來達到功率控制的目的。這樣可以使衛星下行信號到達地面設備接收端的信噪比處于一定的范圍內，保證了地面設備能夠正確解析衛星下傳數據。

2.1 功率控制策略

將固定步進功率控制策略引入星地測控鏈路中，在此策略下，衛星接收到地面設備上行功率控制命令后，按照固定步進(step)調整衛星下行EIRP。設地面設備接收端設定的信噪比閾值為(C/N0)tar，固定步進的功率控制策略如下：

(4)

為了較快的對衛星功率進行控制，步進不應設置太小，同時，為避免地面設備接收端信噪比大幅振蕩，超設備最低解調門限，步進亦不能設置太大，因此，需要選取合適的固定步進。

2.2 功率控制實現方法

由上述可知，功率控制的實現需要將地面設備的信噪比比較結果反饋給衛星，因此，必須建立上下行測控鏈路。根據固定步進功率控制策略，地面測控設備僅需將信噪比比較結果的大小情況反饋給衛星，則在上行信號中增加的字段較小，便于工程實現。然后衛星根據前一時刻功率大小情況，調整下一時刻功率輸出即可。

鑒于此，可在地面設備基帶中增加信號接收的信噪比與設定的遙測解調信噪比閾值比較結果，并將比較結果(增加的功率控制字段)添加到設備上行遙控指令中。當衛星在解析設備上行遙控指令后，得到地面比較結果，根據比較結果控制衛星下行EIRP。功率控制流程見圖1所示。

圖1 功率控制流程

3 仿真結果與分析

這里主要分析功率控制對衛星功耗的影響和對雨衰的抑制。仿真參數設置為衛星天線增益Gs=-12，地面G/T值為15，地面饋線損耗Lk=2，地面設備接收端信噪比閾值(C/N0)tar=63。

3.1 對衛星功耗的影響

考慮晴朗天氣，星地測控鏈路工作在S頻段，假設閉環功率控制的周期為1秒，衛星進站時的初始有效全向輻射功率SEIRP_inital=17，以地面設備跟蹤某低軌衛星為例，當功率控制的固定步進變化時，則衛星從進站到出站全過程中，地面設備接收端信噪比如圖2所示，衛星EIRP變化如圖3所示。

圖2 地面設備接收端信噪比變化圖

圖3 衛星EIRP變化圖

從圖2中可以看出，當調整步進逐漸增大時，地面設備接收端信噪比能更快的收斂到設定的信噪比閾值，但是當收斂到閾值63 dB附近后，隨著步進增大會出現較大振蕩。

從圖3中可以看出，當調整步進逐漸增大時，衛星EIRP減少的速率隨之增大，當到達一定值時(此時地面設備接收端信噪比達到閾值)，衛星EIRP的變化趨勢不隨步進增大而改變，由式(1)和(2)分析可知，此后衛星EIRP僅與衛星到地面設備的距離有關。地面設備跟蹤衛星過程中，若地面設備接收端信噪比達到閾值時刻在衛星過頂前，則在衛星過頂前，衛星EIRP逐漸減小，在衛星過頂后，衛星EIRP逐漸增大；若地面設備接收端信噪比達到閾值時刻在衛星過頂后，則在地面設備接收端信噪比達到閾值前，衛星EIRP逐漸減小，在地面設備接收端信噪比達到閾值后，衛星EIRP逐漸增大。

當步進逐漸變化時，統計地面設備跟蹤衛星全過程衛星EIRP均值，并計算衛星功耗降低百分比如表1所示。

表1 衛星EIRP均值/功耗降低百分比變化

從表1中可知，對星地測控鏈路增加功率控制后，能大幅降低衛星功耗。當衛星初始EIRP一定時，適當增大功率控制步進，能降低衛星功耗，當功率控制步進一定時，衛星初始EIRP越大，降低功耗百分比越高。該現象表明，功率控制步進較大能使衛星EIRP迅速降低，達到收斂閾值，從而降低跟蹤全過程的EIRP均值，達到降低功耗的目的。

3.2 對雨衰的抑制

考慮降雨天氣，在層狀雨時，假設融化層高度h=3 km，降雨衰減量Rp=0.35 dB/km，星地測控鏈路工作在S頻段，閉環功率控制的周期為1秒，衛星進站時的初始有效全向輻射功率，以地面設備跟蹤某低軌衛星為例，衛星從進站到出站全過程中，降雨衰減情況如圖4所示。當無功率控制(No Power Control，NPC)時，地面設備接收端信噪比變化如圖5所示。當進行功率控制時，且功率控制步進變化時，地面設備接收端信噪比變化如圖6所示，衛星EIRP變化如圖7所示。

圖4 跟蹤全過程的降雨衰減情況

圖5 無PC時的地面設備接收端信噪比

圖6 雨衰對地面設備接收端信噪比影響

圖7 雨衰對衛星EIRP影響

從圖4可知，降雨衰減趨勢與三角函數csc一致，即在跟蹤剛開始時降雨衰減迅速增大，然后逐步減緩，在跟蹤后期又迅速增大，在變化速率上存在兩邊快、中間慢的現象。從圖5中可以看出，地面設備接收端信噪比變化曲線較圖4更尖銳，分析原因為當不進行功率控制時，即衛星一致保持發送恒定的功率，這時，鏈路衰減主要由自由空間傳播損耗(Lf)和雨衰(Lr)決定，Lf變化曲線為拋物線，與圖4疊加后呈現為圖5形態。另外，由圖4可得，地面設備接收端信噪比在設定的閾值(誤差在1個步進)以下的時段為T0～T0+87s和T0+676～T0+759 s，共計170秒。

從圖6中可以看出，當步進設為0.05和0.1時，地面設備接收端信噪比先增加超過設定閾值，后回落接近設定閾值，在跟蹤后期，又迅速低于設定閾值。分析原因為當進行功率控制時，若功率控制步進設置較小，前期控制的功率增加量雖然抵消了前期雨衰，但隨著雨衰在中期變化率迅速降低，功率控制的響應速度跟不上雨衰的變化，導致信噪比會超過設定閾值。而在跟蹤后期，隨著雨衰變化率迅速增大，功率控制的響應速度又跟不上雨衰的變化，不能迅速的進行功率調整，導致后期信噪比迅速低于設定閾值。當步進設為0.3時，能較好的響應雨衰的變化率，此時不存在信噪比在跟蹤兩端變化較大的情況。由圖7可得，步進為0.05時，地面設備接收端信噪比在設定的閾值(誤差在1個步進)以下的時段為T0～T0+55s和T0+650～T0+759 s，共計164秒；步進為0.1時，地面設備接收端信噪比在設定的閾值(誤差在1個步進)以下的時段為T0～T0+43 s和T0+712～T0+759 s，共計90秒；步進為0.3時，地面設備接收端信噪比在設定的閾值(誤差在1個步進)以下的時段為T0～T0+26 s和T0+752～T0+75 s，共計33秒。綜上所述，在基于信噪比的閉環固定步進功率控制中，適當的步進選擇能有效的抑制雨衰，降低雨衰對設備跟蹤的影響，同時可以大幅降低衛星功耗。

4 結束語

通過分析星地測控鏈路之間的衰減因素，建立了衛星下行鏈路信噪比計算模型，在星地測控鏈路中，提出了一種工程可實現的基于信噪比均衡準則的閉環功率控制策略，利用計算模型，分析了所提功率控制策略對衛星功耗的影響和對雨衰的抑制。結果表明，加入功率控制后，能大幅降低衛星功耗，功耗的節省量受衛星初始進站時的EIRP和功率控制步進決定，且衛星初始進站時的EIRP越大或功率控制步進較大能更省功耗。在雨衰抑制方面，選擇合適的功率控制步進能有效抑制雨衰對設備跟蹤的影響。

本文雖得出了一些有益的結論，但是，在涉及高頻段(Ku、Ka等)信號時，建立的計算模型還需進一步細化和完善，其中還有許多細節值得下一步深入研究。此外，雖然功率控制策略在星地測控鏈路中有較好的應用前景，但是由于衛星系統和地面系統分為兩大系統，在體制、接口等設計中，還涉及到許多方面需要協調和克服。