基于STK的星地光通信链路仿真

基于STK的星地光通信链路仿真

黎 明

摘要：通过sTK软件仿真卫星一地面光通信链路，获得光通信时段和时闻；以及链路时象的方位角、俯仰角和距离访问报告。并进行上行链路预算分析，提出卫星过顶时自适应改变发散角，改善ATP跟踪性能。
关键词：slx；卫星光通信；链路预算；发散角

0 引言

近年来空间光通信以其发射光束窄、信息容量大、抗干扰性强、系统体积小、保密性能好等优点倍受人们的青睐。美国、欧洲、日本等国都对空间激光通信技术极其关注。经过20多年的研究，国外目前已经实现了卫星之间和飞机之间等情况空间激光通信技术¨[1-3]。星地激光通信主要指低轨卫星与光学地面站的光通信。瞄准、捕获、跟踪(ATP：Pointng、Acquisition、Tracking)技术可用于星地激光链路的建立和保持，但是接收信号的强度起伏影响ATP链路跟踪的稳定性。在ATP链路设计中必须留有充足的衰落冗余，以克服强度起伏对链路跟踪稳定性的影响。星地激光通信链路总体设计中需要知道卫星轨道参数，通信建立时长、时段、信号传输穿越大气信道的长度等。随着计算机技术的发展，美国AGI公司开发的sTK(sateIlite‰I Kit)软件能很好地对通信卫星的链路进行仿真。它提供的各种参数设置，详细的报告分析和可视化的二维或三维仿真结果，获得易于理解的图表和文本形式的分析结果，以供人们确定最佳解决方案。STK软件提供了与MATLAB软件之间双向通信的接口，为sTK软件在星地激光通信链路仿真提供了极大便利。

1 建立STK场景

建立基本分析场景步骤如下：

1)创建场景对象“Optical—Communication”，并设置场景Basic类和Time Period属性页中的参数。

2)在场景中添加三个卫星对象，按表1设置该对象Basic类Orbit属性页中的参数。

3)在场景中添加“Beijing’’、“Kashi”和“Wuhan”三个地面站对象．设置该对象Basic类Position属性页的参数。
4)在场景中添加两个星座对象：Cons1(包括sat1、sat2、sat3三颗卫星)和Cons2(包括Beijing、Kashi、Wuhan三个地面站)。
5)在场景中添加一个链路对象chan1，其关联对象包括Cons1和Cons2，设置该对象“Computer Tjme Period”(计算时间周期)属性、“Access”(访问)属性和“Constraints—Basic”(强制约束)属性。“Constraints—Basic”属性有“角度”和“链接时限”选项。其中“角度”选项用来设置对象间进行关联计算时对象间的俯仰角约束。“链接时限”选项用来设置对小访问时间的约束。
至此一个完整的激光通信卫星链路模型就建立起来了，图1是新建场景的三维窗口。值得注意的是STK／Comm模块中提供了许多诸如大气损耗、传播效应和噪声影响等影响通信链路性能的参数设计，可以根据需要加以设置，这里不再赘述。

2 链路分析报告

当基本场景建立完成后，对感兴趣的对象关系进行计算与分析，并获得相应分析报告。
1)3颗卫星分别过3个地面站的时间报告。表2是卫星sat1经过Beijing地面站在俯仰角大于30deg的过境时间。在24h内有7次卫星过境．每次时间大约在1000s左右。

2)链路对象的方位角、俯仰角和距离访问报告。图2是Sat1第三次过境Beijing地面站访问方位角及其变化率报告。从图2可看出方位角变化范围约180deg；在500~700s过顶，此时方位角变化率最大，约为5.5 deg/s．图3是sat1第三次过境Beijing地面站访问俯仰角及其变化率报告。从图3可看出俯仰角最大约为87deg；在过顶时最大俯仰角变化率约为0.3deg／s．在卫星过顶时方位角和俯仰角变化都加快，跟踪精度降低。

3 链路预算

复杂的大气信道对激光的损耗较大。尤其距离较远时，对通信系统的发射功率和接收功率提出苛刻要求，对发射功率进行预算是必要的。
当激光在大气中传输时，由于大气的散射和吸收发生衰减。用大气透射率来度量大气衰减，单色波的大气透射率可以表示为：

式中，τ(λ)为波长为λ时的大气透射率； H为倾斜高度；ψ为俯仰角；α(λ)为波长为λ时的衰减系数。
在进行星地激光通信系统链路设计时，确保接收机接收到的经大气信道传输后的光功率能满足接收机灵敏度的要求。星地信号光激光传输模型方程如下：

式中，Po为发射机发射功率；Pr为接收机上接收到的功率；ηr和η。分别为接收天线及发射天线的天线效率；r为激光传输的总长度；θ为激光光束的发散角；D为接收天线口径。

设大气透射率τ(λ)=一9db(与通信端机的设置位置、通信建立时的天气情况等因素有关)，接收天线孔径为0.2m，发射天线效率设为50％，接收天线效率设为20％，信号光发散角为20μrad，信号光通信波长为830 nm，要想确保APT链路的跟踪中断概率小于10e-3，上行链路需要10dB冗余；接收机灵敏度应优于一45dBm。图4是确保APT链路工作的地面站信号光发射功率预算。

从图4看出俯仰角越大，发射功率预算越小，最大与最小之间相差16dB。由星地信号光激光传输模型方程(2)知，在接收机上接收到的光功率和经准直后发射的光束发散角大小的平方成反比关系，光束发散角越大，在接收机上接收到的光功率就越小。一般发射功率恒定的，所以当发射功率预算小，可考虑适当自适应增加发散角，改善APT跟踪性能，有利解决卫星过顶时由于方位角和俯仰角变化都加快，APT'跟踪精度下降问题。图5反映保证发射功率和接收功率不变时，发散角自适应过程。

4  结论

卫星激光通信是信息领域中最新形成的顶端高科技交叉领域。欧洲已实现了高性能激光通信终端，正在推向工业化应用。sTK作为优秀的航天分析软件，具有强大的计算能力，逼真的图形显示，可靠的数据报告等特性。相信随着该软件研究的不断深入，在星地、星际光通信链路仿真中具有广泛的用途，将其运用于通信链路的设计和分析中，不但可以节约大量时间，更能产生丰富而形象的分析结果，具有较好的应用前景。

参考文献

[1]刘立人．卫星激光通信[J]．中国激光，2007，34(1)：1—18．
[2]李晓峰，胡渝．空一地激光通信链路总体设计思路及重要概念研究[J]．应用光学，2005，26(6)：57～62．
[3]马晶，高宠，谭立英，等．星地光通信中PAT链路的衰落冗余[J]．光学精密工程，2007，15(3)：308—314．
[4]刘立人，王利娟，栾竹，等．卫星激光通信终端光跟踪检测的数理基础【J]．光学学报，2006，26(9)：1329一1334．
[5]高宠，谭立英，马晶，等．空间光通信的到达角起伏实验研究[J]．强激光与粒子束，200r7，19(2)：177一181．
[6]杨颖，王琦．slx在计算机仿真中的应用[M]．北京：国防工业出版社，2005．
[7]磁cklin J c，DavidSon F M．Atm唧heric turbulence硪＆ts on a paIti8lly coherem Gallssin be锄：implic“ons for如espace la8er commuIIication[J J．J 0pt S0c Am A，2002，19(9)：1794—1803．
[8 J马晶，潘锋，谭立英．星地激光链路中光束发散角与跟瞄误差的最佳比值[J]．强激光与粒子束，2006，18(8)：1233～1238．

更多STK学习资料免费下载：

http://download.csdn.net/user/appe1943