多层星座网络仿真教研系统设计与实现

刘子威,赵珊珊

(1.南京邮电大学 通信与信息工程学院,江苏 南京 210003;2.南京邮电大学 电子与光学工程学院,江苏 南京 210023)

0 引 言

6G的主要愿景之一是空天地海一体化无缝深度覆盖[1-3],这就需要天基卫星网络的一体化融合设计,而低轨卫星星座是实现全球全天时无缝覆盖的重要建设对象[4-5]。目前,国内外企业与科研机构重点关注着低轨卫星星座的发展,其中,欧美等国主要依靠商业航天公司进行低轨卫星星座的建设,典型的如Starlink星座[6-8]、OneWeb星座[9-11]等。国内主要依靠中国卫星网络集团有限公司为代表的一批国有企业及科研院所进行星座的设计与建设。相比而言,欧美等国起步较早,建设速度快,中国处于跟跑阶段。

在各高等学校中,无线通信与移动通信是电子信息类专业常见的开设课程。此外,部分院校还开设有专门的卫星通信、空间信息网络等专业课程,并配有相应的课内实验、综合实验等。然而,绝大多数实验内容以机房参观、实验箱分组实验等方式进行,既缺乏直观的系统认识,且参与度较低。而卫星通信本身就具有链路不直观、卫星不可见等实际教学困难,更需要教师创新教学手段与教学工具,提升学生的学习兴趣。

近年来,借助于教育部虚拟仿真一流课程的建设热潮,不少相关类型的虚拟仿真实验项目相继涌现[12-17]。但是,专门针对大规模非静止轨道卫星通信星座设计与链路规划的实验还未见报道。大规模非静止轨道星座具有全天时无缝覆盖、高动态、多波束等显著特点,与早期的同步轨道卫星的设计与建设思路有明显差异,对通信能力的支持也明显提升。同时,大规模非静止轨道卫星星座的出现,对于频率与轨道的兼容性也提出了新的挑战。作为卫星通信、移动通信课程的主要教学对象之一,十分有必要建设一套可视性强、操作便捷、涵盖内容全面的仿真教学系统,以推进教学效果的提升。

基于此,该文依据非静止通信星座设计的基本原则,利用商用轨道分析软件的轨道外推功能与MATLAB的科学技能功能,设计了一套多层星座网络设计与干扰分析仿真系统。系统能够实现多层卫星星座的星座建立、轨道分析、通信链路设计、覆盖性分析、同频干扰分析等功能。系统具有2D/3D动态显示能力,能够提供完整的显控能力,后文详细介绍了系统设计原理、设计方法,并展示了各主要功能的仿真结果。结果表明,该系统实现了多层卫星星座设计与分析的主要功能,可支撑卫星通信、无线通信、通信综合实验等课程的实践需求。

1 需求分析

1.1 教学需求

本教研系统主要可用于支撑《卫星通信》、《无线通信》等相关理论课程的课内实验以及《通信综合实验》等实验实践课程的相关模块。以《卫星通信》课程为例,教研系统与课程教学内容关系如图1所示。

图1 教研系统与《卫星通信》课程教学内容关系

1.2 多层卫星网络架构

多层卫星网络是新一代天基信息网络的重要组成部分。多层卫星网络通常由地球同步轨道卫星和低地球轨道卫星组成,用以服务地面和空中的各种终端。在日常运行过程中,分为业务面和控制面两类传输内容。业务面主要由上下行用户链路、上下行馈电链路、卫星转发器、用户终端和地面信关站组成,用于双向传输通信业务;控制面主要是对整个卫星网络的组网和运行进行控制。典型的多层卫星网络架构如图2所示。

图2 多层卫星网络架构

1.3 链路传播与同频干扰分析模型

同频干扰分析的核心方法来自于链路传播机理。

考虑卫星用户链路多波束的特性,有用信号可以写为：

(1)

其中,i表示波束编号,j表示地面段平台编号,Cij表示多波束卫星第i个波束中第j个地面段平台与卫星的有用信号功率。θij与φij分别表示发送天线的离轴角度与接收天线的离轴角度。Gt(θij)和Gr(φij)则分别代表发射和接收天线在对应角度上的增益。λi表示第i个波束频率对应的波长。dij(t)指相应的地面终端与卫星间的距离。对于卫星与地面终端的天线模型,通过用户发射信号入射方向与波束中心之间的夹角近似计算波束增益。

接收端接收到的单颗干扰卫星信号功率可以通过下式计算。

(2)

其中,Ij(t)为第j颗卫星造成的干扰信号功率,Pj为干扰信号的带内发射功率,即为重叠带宽内的等效发射功率;Gt(·)为干扰信号发射天线在偏离其主轴一定角度上的天线增益;Gr(·)为受干扰系统接收端天线在偏离其主轴一定角度上的天线增益;θi(t)和φi(t)分别表示干扰星座中第j颗干扰卫星发射天线主轴与干扰链路间的夹角以及接收天线主轴与干扰链路间的夹角,同样由于卫星与地面站相对位置的时变性,链路夹角也表现为随时间变化的函数,可以通过预推卫星轨道位置得到相关函数。

实际中,由于NGSO卫星星座数量多,大多干扰体现为多个干扰卫星/地面站对同一站点/卫星产生干扰,称为集总干扰。则卫星系统受到的集总干扰功率为通信仰角范围内干扰卫星造成的干扰功率之和,即：

(3)

其中,Ni(t)表示可视范围内的卫星数量。考虑卫星多波束体制,单颗卫星可能存在多个同频率波束存在干扰,则多波束卫星集总功率可以表示为：

(4)

其中,N1表示施扰平台造成干扰的波束数量。系统噪声功率可以由等效噪声温度噪声构造N=K·T·B,其中K为玻耳兹曼常数,T为系统等效噪声温度,B为重叠带宽。

最终,链路干扰程度由载干噪比C/I+N衡量。

2 系统总体设计

2.1 系统总体框架设计

本软件需满足完整卫星通信系统设计的需求。其主要功能包括：卫星/地面站的配置、星地用户/馈电链路的设计、LEO星座设计、LEO星座覆盖性能分析、LEO星座与GEO通信系统间干扰分析。预期可对不少于600颗LEO卫星组成的星座系统提供设计分析,分析指标包括但不限于星座覆盖性能,时延性能、多普勒频移性能、路径损耗等。此外,可对不少于3颗GEO卫星和不少于600颗LEO卫星组成的通信系统提供系统间干扰分析。

仿真演示软件包括显示控制模块、系统仿真模块、组网与干扰分析模块,各部分的组成框图如图3所示。各模块的功能、输入、输出如表1所示。

表1 仿真演示功能列表

图3 教研系统组成框图

2.2 系统界面设计

仿真软件主界面如图4所示,系统采用“C#完成界面开发+MATLAB完成算法开发”的思路。界面主要包括场景成员列表,用户操作记录,2D、3D场景演示区,分析曲线显示区和分析数据显示区。

图4 软件主界面示意图

2.3 实验流程

本教研系统作为实验实践教学内容的支撑工具,整个实验过程包括实验任务下达、实验过程执行、实验结果总结、实验报告撰写、实验评价等环节。线上线下与执行人如表2所示。

表2 实验流程

其中,实验任务主要包括场景想定、星座仿真、卫星平台与地面站仿真、星座效能分析与同频干扰分析等,全部在教研系统中完成。学生可将结果总结后整理至实验报告中,由指导教师根据实验过程、实验结果及相关主观题得分综合得到学生的评价。

3 功能模块的设计与实现

3.1 场景想定

场景想定是整个仿真系统的首要模块,其核心是对用户仿真需求和仿真任务的模型化描述。具体而言,需要完成仿真场景设定、起止时间及仿真时间步长设定等。在用户界面主菜单中,点击“场景配置”菜单,选择“新建场景”子菜单,出现场景配置窗口。在场景名称输入栏内输入新建的场景名称,名称中只能包含英文和数字,且必须以英文字母开头。点击“确定”按钮,即可新建场景。

3.2 插入卫星

完成场景设置后,需要开始建立星座。星座的建立分为两个步骤：“插入卫星”和“创建星座”。在用户界面主菜单中,点击“插入”菜单,选择“插入卫星”子菜单,出现卫星参数配置窗口,如图5(a)所示。点击“卫星类型”下拉菜单,出现GEO/LEO卫星选项,点击对应选项即可获得默认的GEO/LEO卫星参数,如图5(b)、图5(c)所示。卫星参数也可以自行设置。通过轨道六根数、星载发射机、接收机的设置,可以建立一颗种子卫星,作为后续建立星座的基础。

(a)卫星参数

3.3 创建星座

在用户界面主菜单中,点击“创建星座”菜单,出现星座参数配置窗口。点击种子卫星下拉菜单,可以选择当前场景中已有的卫星作为星座的种子卫星。当配置好星座参数后,点击“确定”按钮,场景中会创建卫星星座,卫星命名方式为“种子卫星名称+轨道面号+轨道面内卫星序号”,如LEO0101。星座创建后如图6所示。

图6 星座3D图

3.4 创建地球站

为了仿真星地通信的完整过程,在完成星座建设的基础上还要进行地球站的建模。地球站建模包含用户站/用户终端和信关站。在用户界面主菜单中,点击“插入”菜单,选择“插入地球站”子菜单,出现地球站参数配置窗口。将所需参数配置完成后,点击“确定”按钮,地球站将被添加至场景中。添加完成后,地球站名称以及其附属的发射机/接收机将显示在左侧的场景成员列表中。

4 仿真结果与分析

4.1 宽带LEO星座仿真分析

本实验验证宽带LEO星座卫星通信系统组网方法关键技术中星座参数对覆盖性能、传播时延、多普勒、传播损耗等的影响。多星覆盖率如图7所示。从3D和2D图中可以看到,图7中系统完成了覆盖率的分析,右侧2D图中不同颜色代表了不同的覆盖重数。图8和图9分别计算了随低轨卫星运动产生的通信延时和多普勒频移。可以看到,随着低轨卫星星座的高速运动,以地面指定区域为参考,通信延时和多普勒频移呈现出规律性的高频次变化,反映了低轨卫星星座对地面区域的连续周期性覆盖。

图7 多星覆盖率仿真

图9 多普勒频移

4.2 GEO与LEO卫星间同频干扰分析实验

验证LEO星座卫星通信系统与GEO系统间干扰分析技术中星座方案、地球站位置和密度、天线类型等对LEO与GEO系统间干扰的影响。

GEO系统接收到未干扰时的信号质量和受到干扰时的信号质量,以载干噪比评估,结果如图10所示。图中右侧虚线为未受到干扰的曲线,由于GEO卫星相对地球表面静止,因此信号质量恒定。而实线表示干扰影响下的信号质量,其呈现的特性实际上是低轨卫星下行波束的方向图反向调制。当链路共线时,干扰最为严重。

图10 GEO系统接收到的信号质量

与之相反,LEO系统接收到未干扰时的信号质量和受到干扰时的信号质量,如图11所示。由于LEO本身相对于地球表面就是运动的,因此图中虚线表示的无干扰载噪比也是随着LEO与地面站的斜距变化而变化的。最严重的干扰出现在GEO与LEO卫星的共线处。

图11 LEO系统接收到的信号质量

5 结束语

该文研究了面向多层卫星网络的星座设计、性能分析与同频干扰分析方法,并利用商用轨道软件、MATLAB设计了一套多层星座网络设计与干扰分析仿真系统。系统支撑2D/3D可视化操作,能够实现卫星/星座设计、覆盖性能、通信延时、多普勒、同频干扰分析等功能,有效支撑了国内星座设计与相关课程的教学工作。