多層星座網(wǎng)絡仿真教研系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

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(wèi)星網(wǎng)絡的一體化融合設計,而低軌衛(wèi)星星座是實現(xiàn)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(yè)與科研機構重點關注著低軌衛(wèi)星星座的發(fā)展,其中,歐美等國主要依靠商業(yè)航天公司進行低軌衛(wèi)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(wèi)星網(wǎng)絡集團有限公司為代表的一批國有企業(yè)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(yè)常見的開設課程。此外,部分院校還開設有專門的衛(wèi)星通信、空間信息網(wǎng)絡等專業(yè)課程,并配有相應的課內實驗、綜合實驗等。然而,絕大多數(shù)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(tǒng)認識,且參與度較低。而衛(wèi)星通信本身就具有鏈路不直觀、衛(wèi)星不可見等實際教學困難,更需要教師創(chuàng)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(xiàn)[12-17]。但是,專門針對大規(guī)模非靜止軌道衛(wèi)星通信星座設計與鏈路規(guī)劃的實驗還未見報道。大規(guī)模非靜止軌道星座具有全天時無縫覆蓋、高動態(tài)、多波束等顯著特點,與早期的同步軌道衛(wèi)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(guī)模非靜止軌道衛(wèi)星星座的出現(xiàn),對于頻率與軌道的兼容性也提出了新的挑戰(zhàn)。作為衛(wèi)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(tǒng),以推進教學效果的提升。

基于此,該文依據(jù)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(wǎng)絡設計與干擾分析仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠實現(xiàn)多層衛(wèi)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(tǒng)具有2D/3D動態(tài)顯示能力,能夠提供完整的顯控能力,后文詳細介紹了系統(tǒng)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(tǒng)實現(xiàn)了多層衛(wèi)星星座設計與分析的主要功能,可支撐衛(wèi)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(tǒng)主要可用于支撐《衛(wèi)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(wèi)星通信》課程為例,教研系統(tǒng)與課程教學內容關系如圖1所示。

圖1 教研系統(tǒng)與《衛(wèi)星通信》課程教學內容關系

1.2 多層衛(wèi)星網(wǎng)絡架構

多層衛(wèi)星網(wǎng)絡是新一代天基信息網(wǎng)絡的重要組成部分。多層衛(wèi)星網(wǎng)絡通常由地球同步軌道衛(wèi)星和低地球軌道衛(wèi)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(yè)務面和控制面兩類傳輸內容。業(yè)務面主要由上下行用戶鏈路、上下行饋電鏈路、衛(wèi)星轉發(fā)器、用戶終端和地面信關站組成,用于雙向傳輸通信業(yè)務;控制面主要是對整個衛(wèi)星網(wǎng)絡的組網(wǎng)和運行進行控制。典型的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡架構如圖2所示。

圖2 多層衛(wèi)星網(wǎng)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(wèi)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(wèi)星第i個波束中第j個地面段平臺與衛(wèi)星的有用信號功率。θij與φij分別表示發(fā)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(fā)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(wèi)星間的距離。對于衛(wèi)星與地面終端的天線模型,通過用戶發(fā)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(wèi)星信號功率可以通過下式計算。

(2)

其中,Ij(t)為第j顆衛(wèi)星造成的干擾信號功率,Pj為干擾信號的帶內發(fā)射功率,即為重疊帶寬內的等效發(fā)射功率;Gt(·)為干擾信號發(fā)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(tǒng)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(wèi)星發(fā)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(wèi)星與地面站相對位置的時變性,鏈路夾角也表現(xiàn)為隨時間變化的函數(shù),可以通過預推衛(wèi)星軌道位置得到相關函數(shù)。

實際中,由于NGSO衛(wèi)星星座數(shù)量多,大多干擾體現(xiàn)為多個干擾衛(wèi)星/地面站對同一站點/衛(wèi)星產(chǎn)生干擾,稱為集總干擾。則衛(wèi)星系統(tǒng)受到的集總干擾功率為通信仰角范圍內干擾衛(wèi)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(wèi)星數(shù)量。考慮衛(wèi)星多波束體制,單顆衛(wèi)星可能存在多個同頻率波束存在干擾,則多波束衛(wèi)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(shù)量。系統(tǒng)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(shù),T為系統(tǒng)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(tǒng)總體設計

2.1 系統(tǒng)總體框架設計

本軟件需滿足完整衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計的需求。其主要功能包括：衛(wèi)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(tǒng)間干擾分析。預期可對不少于600顆LEO衛(wèi)星組成的星座系統(tǒng)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(wèi)星和不少于600顆LEO衛(wèi)星組成的通信系統(tǒng)提供系統(tǒng)間干擾分析。

仿真演示軟件包括顯示控制模塊、系統(tǒng)仿真模塊、組網(wǎng)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(tǒng)組成框圖

2.2 系統(tǒng)界面設計

仿真軟件主界面如圖4所示,系統(tǒng)采用“C#完成界面開發(fā)+MATLAB完成算法開發(fā)”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(qū),分析曲線顯示區(qū)和分析數(shù)據(jù)顯示區(qū)。

圖4 軟件主界面示意圖

2.3 實驗流程

本教研系統(tǒng)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(zhí)行、實驗結果總結、實驗報告撰寫、實驗評價等環(huán)節(jié)。線上線下與執(zhí)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(wèi)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(tǒng)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(jù)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(xiàn)

3.1 場景想定

場景想定是整個仿真系統(tǒng)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(xiàn)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(shù)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(wèi)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(wèi)星”和“創(chuàng)建星座”。在用戶界面主菜單中,點擊“插入”菜單,選擇“插入衛(wèi)星”子菜單,出現(xiàn)衛(wèi)星參數(shù)配置窗口,如圖5(a)所示。點擊“衛(wèi)星類型”下拉菜單,出現(xiàn)GEO/LEO衛(wèi)星選項,點擊對應選項即可獲得默認的GEO/LEO衛(wèi)星參數(shù),如圖5(b)、圖5(c)所示。衛(wèi)星參數(shù)也可以自行設置。通過軌道六根數(shù)、星載發(fā)射機、接收機的設置,可以建立一顆種子衛(wèi)星,作為后續(xù)建立星座的基礎。

(a)衛(wèi)星參數(shù)

3.3 創(chuàng)建星座

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

圖6 星座3D圖

3.4 創(chuàng)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(xiàn)地球站參數(shù)配置窗口。將所需參數(shù)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(fā)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(wèi)星通信系統(tǒng)組網(wǎng)方法關鍵技術中星座參數(shù)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(tǒng)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(shù)。圖8和圖9分別計算了隨低軌衛(wèi)星運動產(chǎn)生的通信延時和多普勒頻移。可以看到,隨著低軌衛(wèi)星星座的高速運動,以地面指定區(qū)域為參考,通信延時和多普勒頻移呈現(xiàn)出規(guī)律性的高頻次變化,反映了低軌衛(wèi)星星座對地面區(qū)域的連續(xù)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(wèi)星間同頻干擾分析實驗

驗證LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)與GEO系統(tǒng)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(tǒng)間干擾的影響。

GEO系統(tǒng)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(wèi)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(xiàn)的特性實際上是低軌衛(wèi)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(tǒng)接收到的信號質量

與之相反,LEO系統(tǒng)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(xiàn)在GEO與LEO衛(wèi)星的共線處。

圖11 LEO系統(tǒng)接收到的信號質量

5 結束語

該文研究了面向多層衛(wèi)星網(wǎng)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(wǎng)絡設計與干擾分析仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)支撐2D/3D可視化操作,能夠實現(xiàn)衛(wèi)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。