基于STK/Matlab接口的卫星通信链路研究

李 博，叶 晖，2，张宏伟，顾桂华，魏致坤，王金华，2

(1.上海卫星工程研究所，上海 201109；2.上海市深空探测技术重点实验室，上海 201109)



基于STK/Matlab接口的卫星通信链路研究

李 博1，叶 晖1，2，张宏伟1，顾桂华1，魏致坤1，王金华1，2

(1.上海卫星工程研究所，上海 201109；2.上海市深空探测技术重点实验室，上海 201109)

以星地通信链路为例阐述了利用STK/Matlab接口与Matlab程序进行动态链路数据交互的联合仿真方法，通过大气吸收模型和雨衰模型等逼真星地信道的衰落情况，适当选择链路的约束参数，从而计算确定满足链路约束的卫星天线增益等关键参数的设计门限，可用于指导星上通信系统的设计，解决了传统链路计算只能用于通信系统设计结果验证的局限，为卫星通信系统设计提供了一个高效的辅助手段。

星地通信链路；动态链路；STK与Matlab联合仿真；通信系统设计

0 引言

卫星链路计算为保证卫星在所有状态下均有足够的链路余量，一般选择最坏情况估算单一链路。这种方法在链路计算前已确定链路中涉及星上的各项参数值，只能用于卫星设计结果的正确性验证，对卫星设计过程提供的数据参考较少，同时，星间链路和深空通信等复杂场景的最坏情况难以确定。

STK作为航天领域处于领先地位的系统分析软件，其包含的模型能够用于精确的分析。同时，STK通过Connect模块，提供了超过150个Matlab格式化过的命令，使Matlab用户能够像使用Matlab自身工具包一样使用STK进行分析、处理和计算[1]。本文以星地链路为例提供了一种基于STK与Matlab联合的仿真方法，通过该方法可计算得到星上所有情况下的EIRP门限等参数，从而为星上通信系统的设计提供直接参考。

根据星地通信链路的特性，卫星与地面站相对位置变化迅速，星地链路涉及的自由空间损耗、雨衰、大气吸收损耗等诸多参数也随着卫星与地面站相对位置的变化而变化[2-3]。如果能够获取卫星在所有状态下自由空间损耗、雨衰和大气吸收损耗等参数的变化情况，再对链路的余量等参数进行约束，就能分析计算出满足链路约束的星上等效全向辐射功率(Effective Isotropically Radiated Power，EIRP)等参数的范围或者门限值，从而直接指导星上通信系统的设计。

1 星地链路模型

星地通信链路主要涉及三部分参数，星上部分、信道部分和地面接收部分。星上部分主要包含编码后的数据速率、所选纠错码的码率、星上发射功率、星上损耗和天线增益等参数；信道部分主要包含自由空间传播损耗、大气吸收损耗和雨衰等参数；地面接收部分主要包含接收天线指向损耗、馈线损耗、地面站品质因数、设备损耗和编码增益等参数[4-5]。图1给出了一个典型的星地通信链路模型。

图1 典型星地通信链路模型

一般的链路计算如下[6]。

(1)

(2)

根据式(1)，采用一般的方法计算星地不同相对位置下的链路余量，需要计算各种星地相对位置下的自由空间损耗、雨衰和大气吸收损耗等，这将占用设计人员大量的时间[8-9]。STK软件是卫星轨道计算时的常用软件，它可以对不同轨道类型、高度的卫星进行高精度轨道计算，并可以加载典型或自定义卫星姿态、天线波束、雨衰模型和大气吸收模型等，计算星地或星间访问情况。为了能够充分利用STK的精确模型的优势，本文利用STK与Matlab的接口，获取STK中自由空间损耗、雨衰模型和大气吸收模型的数据并在Matlab中进行数据处理，从而确定满足链路约束的卫星EIRP门限曲线。

2 仿真参数的设置

以一颗轨道高度1 000 km的卫星为仿真对象，要实现星地通信，卫星必须在地面站上空，并且地面站仰角不能太小。因为在低仰角时，地面站天线接收的地面噪声和大气噪声随着仰角的减少而急剧增加，使G/T值下降，大气吸收损耗也随之增大。为此，通常规定地面站天线的仰角不小于5°。

卫星与地面站相对位置变化迅速，为了保证数据传输，卫星上通常采用具有跟踪指向机构的点波束天线或对地赋型天线。本文以对地赋型天线为例进行说明。卫星采用赋型天线，能够保证卫星与地面站之间距离变化，即自由空间损耗变化的情况下，地面站接收的信号强度保持稳定。定义θ为星地连线偏离波束中心的角度，如图2所示。

图2 θ角定义示意图

(3)

另外，为了确定星上赋型天线的增益曲线，可先计算星上EIRP的门限，再选定发射功率Pt及确定星上损耗Lt，根据式(2)可计算得到天线增益Gt的门限。

3 仿真及结果分析

根据链路模型和仿真参数的设置，通过运行Matlab程序向STK发送一系列格式化过的命令，依次建立场景、设置卫星和地面站和获取STK报告，最终完成对通信链路的计算分析。

3.1 建立场景

首先获得STK的地址，示例中采用默认地址stkDefaultHost。得到地址后，利用语句stkOpen打开默认地址，建立Matlab与STK的连接。具体语句如下：

remMachine=stkDefaultHost;

delete(get(0,′children′));

conid=stkOpen(remMachine);

建立场景并设置参数的语句如下：

① stkExec(conid,′New/Scenario LinkBudgets′);

② stkExec(conid,′SetTimePeriod */Scenario/LinkBudgets″1 Jul 2014 12:00:00.00″ ″21 Jul 2014 12:00:00.00‴);

③ stkExec(conid,′SetEpoch * ″1 Jul 2014 12:00:00.00‴);

④ stkExec(conid,′SetAnimation * StartTime ″1 Jul 2014 12:00:00.00″ TimeStep1.0 RefreshDelta 0.1 RefreshMode RefreshDelta′);

⑤ stkExec(conid,′Environment */ RainModel On ITU_P618_5 20′);

⑥ stkExec(conid,′Environment * Absorption On ″ITU-R P.676-3″ UseFastOn UseSeasonOff 300.0′);

上述代码中，① 创建场景LinBudgets，②、③和④设置场景的起始和结束时刻，同时将仿真步长设置为1 s，⑤和⑥设置场景的雨衰模型和大气吸收模型。

3.2 设置卫星和地面站

添加卫星、设置卫星参数、添加卫星发射端并设置参数的语句如下。

⑦ stkExec(conid,′New /*/SatelliteLEOSat′);

⑧ stkSetPropClassical(′*/Satellite/CommSat′,′J2Perturbation′,′J2000′,0.0,20*86400.0,1.0,0,7378140,0.0,1.7363,0.0,4.3507,0);

⑨ stkExec(conid,′New /*/Satellite/LEOSat/Transmitter SatTrans′);

⑩ stkExec(conid,′Comm*/Satellite/LEOSat/Transmitter/SatTrans Define XmtrModel Source Complex Frequency 10.00′);

上述代码中，⑦ 添加一颗卫星LEOSat，⑧ 设置卫星的参数，⑨ 为卫星添加发射机，⑩ 设置发射频率10 GHz。

添加地面站、设置地面站经纬度，添加接收机的语句如下。

3.3 获取STK报告

Elevation_deg=stkFindData(secData{1},′Elevation′);

3.4 仿真结果

从STK报告中得到的雨衰、大气吸收损耗和自由空间损耗数据如图3、图4和图5所示，依据计算式在Matlab中进行数据处理得到EIRP值，如图6所示。

图3 雨衰的仿真结果

图4 大气吸收损耗的仿真结果

图5 自由空间损耗的仿真结果

图6 EIRP门限的仿真结果

从图6可以看出，在满足链路约束的条件下，星上EIRP门限随星地相对位置的变化而变化。假设星上功放输出功率Pt为10 W(10 dBW)，Lt为2 dB，则根据式(2)计算可得赋型天线的增益门限，如图7所示。为了保证地面接收信号强度的一致性，星上赋型天线的增益曲线需要与EIRP门限趋势上一致。图7中所示的一种可实现的赋型天线增益曲线,在满足卫星数据传输链路余量3 dB的需求基础上，还有一定的余量。

图7 赋型天线增益门限的仿真结果

4 结束语

本文介绍的仿真模型将STK的轨道计算与Matlab数据处理能力结合起来，对星地全过程进行仿真，最终得到满足链路约束条件的星上EIRP门限，据此可为卫星通信系统的功放选型和天线设计等工作提供直接参考。这种方法也可解决星间及深空通信等复杂链路计算的难题。

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[12]王新梅,肖国镇.纠错码-原理与方法[M].西安:西安电子科技大学出版社,1991.

Dynamical Satellite Link Budget Analysis Based on STK/Matlab Interface

LI Bo1，YE Hui1,2，ZHANG Hong-wei1，GU Gui-hua1，WEI Zhi-kun1，WANG Jin-hua1,2

(1.Shanghai Institute of Satellite Engineering,Shanghai 201109,China;2.Shanghai Key Laboratory of Deep Space Exploration Technology,Shanghai 201109,China)

In order to analyze satellite communication link budgets dynamically,an accurate calculation method based on STK (Satellite Tool Kit)/Matlab interface is presented.By this method,atmospheric absorption model and rain attenuation model integrated in STK are considered through data exchange between STK and Matlab program,then key parameters involved in link design,such as minimum satellite antenna gain,are determined to meet the threshold constraint at the first try.It also provides an efficient means of satellite communication system design.

satellite-ground communication link;dynamical link;joint simulation based on STK/Matlab;communication system design

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.06.09

李 博，叶 晖，张宏伟，等.基于STK/Matlab接口的卫星通信链路研究[J].无线电通信技术,2016,42(6):37-40.

2016-07-15

民用航天“十二五”技术预先研究项目

李 博(1986—)，男，工程师,硕士，主要研究方向：卫星通信和数据处理。张宏伟(1975—)，男，研究员，主要研究方向：卫星总体设计和卫星通信。

TN927

A

1003-3114(2016)06-37-4