CN102158271A - 一种深空通信链路预算方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种通信链路预算流程设计，属于深空通信技术。本发明以月地通信链路设计为应用背景，在月球及深空环境下，分析了月球探测器对地通信的能力以及通信链路中各种损耗对***的影响，对地面站的信息速率、误码率和副载波调制指数等参数进行合理配置，为地面站探测器硬件选型配置提供依据。

Description

一种深空通信链路预算方法

技术领域

本发明是一种通信链路预算流程及软件设计，属于深空通信技术。

背景技术

随着卫星通信产业的发展和用户需求的增长，合理规划设计卫星传输链路是确保卫星通信***稳定运行的重要保证。链路预算主要是用于卫星通信网络增益、损耗及余量的分析计算，为硬件选型配置提供依据。月球探测器对地通信链路与卫星通信链路环境类似，在现有成熟的卫星通信技术上，本发明根据深空通信的特点，通过修正卫星通信信道模型及相应参数，为月地通信链路设计提供参考。

发明内容

技术问题：本发明的目的旨在针对深空通信链路损耗预算领域的技术空白，以月地通信为应用背景，提供一种通信链路预算的计算方法，通过设计月地通信链路的计算流程，配置地面站、探测器、通信信道参数，进行探测器对地面的通信链路预算与信道余量计算，精确计算各种损耗和噪声对信道产生的影响

技术方案：本发明的具体技术方案如下：首先选择***运行频段，确定探测器通信参数，计算待定参数值；其次确定传输和接收站的参数，建立上行链路预算及应答机噪声功率预算模型，计算应答器的[C/N]_U；再次建立下行链路功率和噪声预算模型，计算地球站的[C/N]_U；最后计算月地通信链路总的[C/N]，计算链路余量。

$\mathrm{LinkMagin}\left(\mathrm{dB}\right)=\left[\frac{C}{N}\right]-{\left[\frac{C}{N}\right]}_{\mathrm{TH}}---\left(1\right)$

(1)卫星关键参数准备。包括了地面站和探测器的参数选择。要计算上行[C/N]_U和下行[C/N]_D涉及3个关键参数EIRP、SFD、G/T。有效全向辐射功率EIRP是卫星转发器在指定方向上的辐射能力，反映转发器的下行功率。计算公式为：

[EIRP]＝[P_s]-[L_wg]+[G]           (2)

式中P_s为探测器发射功率，G为天线增益，L_wg为波导、馈源损耗。

G/T为天线品质因数。是指接收天线增益与接收***总的等效噪声温度之比，反映了接收***的质量，其作用主要是求上行载噪比。

SFD(单载波输入饱和通量密度)指为使卫星转发器处于单载波饱和状态工作，在其接收天线的单位有效面积上应输入的功率；在链路预算中主要用于求发射站上行全向辐射功率， 收天线的单位有效面积上应输入的功率；在链路预算中主要用于求发射站上行全向辐射功率，调配计算得到发射站天线口径及功放。

(2)载波功率与噪声功率比。在卫星***中，对链路总的[C/N]影响最大的主要有四个部分：包括上行链路的[C/N]_U、下行链路[C/N]_D、卫星转发器内交调干扰引起的[C/N]_IM及卫星通信***内部干扰噪声的[C/N]_U。

(3)信道参数设定。包括了由传输距离、大气衰减引起的损耗。

1)自由空间传播损耗Lf是最基本的传播损耗，接收天线接收的信号功率仅仅是发射天线辐射功率的很小部分，大部分能量都向其它方向扩散了；通信距离越远，球面积越大，接收点截获的功率越小，即传播损耗越大。电波在大气层以外的空间传播时，可以近似看成在自由空间传播，自由空间损耗的计算公式是：

L_f＝32.44+20lgd+20lgf           (3)

d为链路距离，单位km；f为工作频率，单位MHz。

2)大气中的分子具有磁偶极子，水蒸气分子具有电偶分子，它们能从电磁波中吸收能量，使电磁波产生损耗。大气吸收损耗的计算公式为

当天线仰角大于10°

$A_g=\frac{{\mathrm{\γ}}_0{h}_0{e}^{-h_s/h_0}+{\mathrm{\γ}}_w{h}_w}{\sin \mathrm{\θ}}---\left(4\right)$

当天线仰角小于10°

$A_g=\frac{{\mathrm{\γ}}_0{h}_0{e}^{-h_s/h_0}+{\mathrm{\γ}}_w{h}_w}{g\left(h_0\right)}+\frac{{\mathrm{\γ}}_w{h}_w}{g\left(h_w\right)}---\left(5\right)$

式中f：电磁波频率(GHz)，θ：地面站天线波束仰角(度°)，h_s：地面站平均海拔高度(km)，ρ_w：水蒸气密度(g/m³，也称绝对湿度)。

3)降雨衰耗为无线电波在穿过雨区时所受到的衰减量。这是由于雨、雾中的水滴能够散射电磁波的能量，因而造成电磁波的能量损失而产生衰落。理论研究和实际测量均发现雨衰大小与雨滴半径和电波波长的比值有关。波长接近雨滴大小的雨衰影响就大。同时，雨衰大小还和瞬间降雨有关，降雨量越大，衰减就越大。

上行链路中克服雨衰的方法是发送站采用上行功率控制或选择较大余量的功放；下行链路中雨衰的克服要预留余量。在设计链路时要根据上行或接收地点的不同，考虑不同的雨衰余量。对链路要求的可用度越高，进行链路设计时，使用的雨衰预留余量就越大。

降雨衰耗计算方法为：首先，按当地降雨强度求得时间百分数为0.01％的雨衰率；然后，由时间百分数为0.01％的降雨衰耗量转换为时间百分数为p％的降雨衰耗量。

云和雾的水粒子都很小，它们的损耗率表达式为

γ_c＝K₁M(dB/km)              (6)

式中，K₁为损耗率系数(dB/km)/(g/m³)，M为液态水含量(g/m³)。

降雪产生的损耗可以表示为

L_s＝7.47×10^-5f.I(1+5.77×10^-5f³I^0.6)      (7)

式中工作频率f单位为GHz，降雪强度I的单位为mm/h。

对于其他损耗以工程实践经验为参考。

(4)***参数设定。包括了上行、下行载波频率、调制方式、编码方式、信息速率、滚降系数、误码率、副载波调制指数。

载波带宽的计算：计算载波带宽首先要计算出符号速率，它与被传输的信息速率、纠错码率和调制方式有关，计算公式为

$S=M_s\×\frac{1}{\mathrm{FEC}}\×\frac{1}{C_s}\×\frac{1}{M}---\left(8\right)$

式中S为符号速率；M_s为信息速率；FEC为前向纠错，通常为1/2、2/3、3/4、5/6和7/8；C_s为编码率，对于RS编码率常用的为188/204，其他***的编码率为1；M为调制因子：BPSK、QPSK、8PSK、16QAM的调制因子分别为：1、1/2、1/3、1/4；当M＝1时，符号速率等于传输速率。

B＝S×(1+α)                               (9)

式中B为带宽，α为滚降系数。

在链路预算中，载波噪声带宽将被用于计算[C/T]与[C/N]的关系；占用带宽将被用于决定转发器使用费用、载波工作频率，以及计算载波的输出和输入回退量等。

有益效果：本发明的创新点如下：

(1)本发明旨在针对深空通信链路损耗预算领域的技术空白，以月地通信为应用背景，提供一种通信链路预算的计算方法。根据深空通信的特点，通过修正卫星通信信道模型及相应参数，实现月地通信链路的建模与仿真。

(2)信道参数设定包括了由传输距离、大气衰减、热体噪声引起的损耗。其中传播损耗考虑了自由空间损耗，大气吸收损耗考虑了降雨、云雾等因素。热体损耗考虑了太阳、地球、月球等因素。

(3)地面站探测器参数考虑了天线发射功率、发射天线增益、馈线损耗、天线指向损耗等因素。

附图说明

图1为月地通信链路预算流程图，每一步骤的内容可参见具体实施方式。

具体实施方式

如附图1所示。深空通信链路预算包括：地面站相关参数计算、探测器相关参数计算、信道相关参数计算以及***相关参数。

卫星传输链路由发射地球站→信道→卫星转发器→信道→接收地球站的传输链路组成。其中发射地球站→卫星转发器的链路称为上行链路，其载噪比表示为[C/N]_U，由卫星转发器→接收地球站的链路称为下行链路，其载噪比表示为[C/N]_D。式中，C为链路载波功率，N为噪声功率。链路计算涉及发射端天线增益与发射功率，传输中的各种损耗，噪声与干扰及接收***天线增益等因素。

实例一，上行链路损耗计算：

第一步，设置地面站参数：地面站天线发射功率50W、地面站发射天线增益100dB、馈线损耗0.5dB、地面站天线指向损耗2dB。

第二步，设置热体噪声参数：太阳噪声2dB、地球噪声4dB、月球噪声3dB、宇宙背景噪声1dB、其他行星噪声1dB。

第三步，设置大气层参数：自由空间损耗200dB、大气吸收损耗5dB、降雨损耗3dB、其他损耗3dB。

第四步，设置探测器参数：探测器接收机天线增益30dB、探测器接收机馈线损耗1.5dB、接收机门限5dB、探测器接收信号电平10dBW。

第五步，设置***参数：上行载波频率8.4GHz、链路距离380000Km。

最后计算得到上行链路总增益146.99dB、上行链路总损耗226dB、上行链路余量-79.01dB。

下行链路与上行链路参数类似，只是方向相反，只要把探测器与地面站参数对调即可。

实例二，全链路损耗计算：

第一步，设置***参数：上行载波频率8.4GHz、下行载波频率32GHz、链路距离380000Km。

第二步，设置上行链路总增益146.99dB、上行链路总损耗226dB、上行链路余量-79.01dB。

第三步，设置下行链路总增益146.02dB、上行链路总损耗225dB、上行链路余量-78.98dB。

最后计算得全链路总增益293.01dB、全链路总损耗451dB、全链路总余量-157.99dB。

Claims (3)

1.一种深空通信链路预算方法，其特征是：通过设计月地通信链路的计算流程，配置地面站、探测器、通信信道参数，进行探测器对地面的通信链路预算与信道余量计算，精确计算各种损耗和噪声对信道产生的影响。其中地面站和探测器的参数要计算上行[C/N]_U和下行[C/N]_D涉及3个关键参数EIRP、SFD、G/T。信道参数设定包括了由传输距离、大气衰减引起的损耗。***参数设定包括了上行、下行载波频率、调制方式、编码方式、信息速率、滚降系数、误码率、副载波调制指数。

2.根据权利要求1所述的一种深空通信链路预算方法，其特征是：地面站参数选择考虑了天线噪声温度、直径、效率、指向偏差及馈线损耗。

3.根据权利要求1所述的一种深空通信链路预算方法，其特征是：信道参数噪声模型选择考虑了由传输距离、大气衰减及热体噪声引起的损耗。

Images