CN103840897B - 一种深空链路裕量修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于空间物理技术领域，涉及一种深空链路裕量修正方法。首先统计深空站定期时间内气候背景下的深空链路裕量平均值范围：将定期时间分成若干次分时间，然后根据深空站的各次分时间气象统计量计算各次分时间深空链路裕量；每个次分时间内分成若干个短期，进一步利用深空站的短期气象预报值修正短期深空链路裕量。本发明在深空探测活动飞速发展、深空站对链路管理技术有苛刻需求的情况下，基于气象条件对深空信号的影响理论，建立深空链路裕量修正方法，根据逐步精细的气象条件，不断修正链路裕量，从而保证深空测控信号的精度及效率。

Description

一种深空链路裕量修正方法

技术领域

本发明属于空间物理技术领域，涉及一种深空链路裕量修正方法。

背景技术

深空探测是指对太阳系内除地球外的行星及其卫星、小行星、彗星等的探测，以及太阳系以外的银河系乃至整个宇宙的探测。深空探测是人类在新世纪的三大航天活动之一，深空探测对于开发和利用空间资源、发展空间技术、进行科学研究和挖掘人类起源与扩展人类生存空间具有非常重要的作用。人类深空探测的探测热点是月球和火星，主要经历了两个阶段。第一阶段始于20世纪60年代，以美国和前苏联为主要国家，遍访了太阳系八大行星及其一些卫星，包括几十次月球探测和近40次火星探测。90年代伊始，国际上开始了新的一轮深空探测热潮，除近地小行星外，火星和月球仍是热点；并且除美国、俄罗斯外，欧空局、日本、印度、以及加拿大等国家与集团都加入了这一轮热潮，仅以月球为例，所有国家和组织对月球的探测达到360余次，中国已于2007年正式实施探月工程，火星探测计划也在进行中。

伴随深空探测工程的进展，深空无线电通信系统向波长越来越短的方向发展，从L频段(1-2GHz)、S频段(2-4GHz)、X频段(8-12GHz)、直至本世纪开始移到Ka频段(K-above频段，27-40GHz)。Ka频段为深空链路提供了更宽的带宽，能为高数据传输速率需求提供充足的频谱，显著提高了无线电外测能力。但是，人造卫星的距离仅有几百千米到几万千米，月球离地球约38万千米，而火星离地球从最近的约5600万千米到最远处约4亿千米，因此深空测控信号需要穿越广袤的环境距离，会带来巨大的信号衰减和传输时延。例如要实现火星探测的有效通信，数据传输单程即需22分钟，为了克服这种巨大的衰减，不仅要提高星载设备性能，更需要地面站设备的配合，要求地面深空站能够在X、Ka波段工作，配备大口径天线，具备发射上行大功率信号和接收下行微弱信号的能力。

由于电磁波在大气层中传播时会与大气中的分子相互作用以及某些频率会发生共振吸收等原因，信号会产生衰减。信号通过大气层等传播媒介时会遭遇两方面的主要影响，一是信号损失，二是增大接受系统噪声温度，其影响程度与地点和时间均相关。综合将两种影响描述为对链路G/T值的影响，信号损失降低了视在天线增益G，而无线电噪声增大系统噪声温度T，最终导致G/T值减小。显然这种减小也随路径仰角而变，天顶方向上(仰角90°)G/T值损失最小，随着仰角减小损失增大，大致与仰角的正弦成反比。

比如有100个链路，如果拿出20个作为链路裕量，其他任务链工作用的链路就是80个。如果拿出过多的链路作为裕量，那么其他任务链的链路数量就会减少，进而其他任务链操作精度就会降低。如果为补偿G/T值损失而分配的深空链路裕量如果过小，将直接影响信号质量甚至信号传输的完成；而分配过多的链路裕量，则造成浪费，同时导致其他任务链路量的减小。

对于地面测控站而言，大气对流层对1GHz以下频率是透明的，而对于约1GHz以上频率(深空站的X和Ka频段均在此范围)的信号，大气损失不能忽略，并且这种损失通常随频率的提高而增大，在Ka频段气象条件的差异导致的信号衰减已经达到信号强度的10^-1量级，气象因素的影响非常重要。但是在以往的深空站通信链路修正中，并未进行气象要素修正。

随着深空探测活动范围的大大拓展，带来巨大的信号衰减和传输时延，由此导致了通信链路合理分配的难题。要达到深空站低噪声接收机对链路管理技术的苛刻需求，现有的地面测控站通信链路修正办法已不能满足测控系统及信号传输精度和效率的需求，需要有更精确的修正结果。

发明内容

本发明需解决技术问题是提供一种精确的深空链路链路裕量修正方法。

为解决上述技术问题，本发明深空链路裕量修正方法包括如下步骤：

步骤一、首先统计深空站定期时间内气候背景下的深空链路裕量平均值范围x_0min～x_0max，其统计方法如下：

$\{\begin{array}{cc}{x}_{0\min }=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_{0i}}{n}& (1-1)\\ x_{0\max }=x_{0\min }+x_{0elevation}+x_{0weather}& (1-2)\end{array}---\left(1\right);$

其中：x_0min、x_0max分别是基于深空站气候背景下的定期时间内深空链路裕量最小值与最大值，n是所统计的样本数据个数，x_0i是第i个样本的深空链路裕量，x_0elevation是深空站天顶方向的平均深空链路裕量，x_0weather是深空站不同天气所需的平均深空链路裕量。

步骤二、将定期时间分成若干次分时间，然后根据深空站的各次分时间气象统计量计算各次分时间深空链路裕量x₁，其计算的方法如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{x}_1=x_{1\min }+x_{1weather}& (2-1)\\ x_{1\min }=x_{0min}+x_{1elevation}& (2-2)\\ x_{1elevation}=\frac{x_{0ehvation}}{sin\mathrm{\θ}}& (2-3)\\ x_{1weather}=\frac{{\mathrm{\λ}}_i}{{\mathrm{\λ}}_{\max }}{x}_{0weather}& (2-4)\end{array}\right.---\left(2\right);$

其中：x_1min是基于深空站次分时间气象值的深空链路裕量最小值，x_1elevation、x_1weather分别是仰角和天气导致的裕量值，θ为路径仰角，λ_i和λ_max分别是各次分时间内及定期时间内对链路影响的气象条件值。

步骤三、每个次分时间内分成若干个短期，进一步利用深空站的短期气象预报值修正短期深空链路裕量x₂，其修正的方法如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{x}_2=x_{1\min }+x_{2weather}& (3-1)\\ x_{2weather}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{2i}}{{\mathrm{\λ}}_2}{x}_{1weather}& (3-2)\end{array}\right.---\left(3\right);$

其中：x_2weather是基于短期天气预报的气象条件所对应的裕量值，λ_2i和λ₂则分别代表短期预报的气象条件值和短期历史内平均的气象条件值。

其中，优选地，定期时间、次分时间和短期的时间单位分别是年、月和日。

本发明在深空探测活动飞速发展、深空站对链路管理技术有苛刻需求的情况下，基于气象条件对深空信号的影响理论，建立深空链路裕量修正方法，根据逐步精细的气象条件，不断修正链路裕量，以保证深空测控信号的精度及效率。本发明在深空站气象环境引起的不可靠性的情况下达到了合理修正深空通信链路，提高深空站信号传输及测控精度的目的，在火星探测等深空探测活动中具有重要应用价值。

附图说明

图1是本发明深空链路裕量修正方法的流程图；

图2是本发明中时间单位分别是年、月和日的深空链路裕量修正方法的流程图；

图3是深空站信号频率与年度链路裕量平均值范围示意图；

图4是本发明基于月际和日预报的深空链路裕量精度改进效果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的内容做进一步详细解释与描述。

本发明修正方法包括如下步骤：

步骤一、首先统计深空站定期时间内气候背景下的深空链路裕量平均值范围x_0min～x_0max，其统计方法如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{x}_{0\min }=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_{0i}}{n}& (1-1)\\ x_{0\max }=x_{0min}+x_{0elevation}+x_{0weather}& (1-2)\end{array}\right.$

其中：x_0min、x_0max分别是基于深空站气候背景下的定期时间内深空链路裕量最小值与最大值，n是所统计的样本数据个数，x_0i是第i个样本的深空链路裕量，x_0elevation是深空站天顶方向的平均深空链路裕量，x_0weather是深空站不同天气所需的平均深空链路裕量。

步骤二、将定期时间分成若干次分时间，然后根据深空站的各次分时间气象统计量计算各次分时间深空链路裕量x₁，其计算的方法如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{x}_1=x_{1\min }+x_{1weather}& (2-1)\\ x_{1min}=x_{0min}+x_{1elevation}& (2-2)\\ x_{1elevation}=\frac{X_{0elevation}}{\sin \mathrm{\θ}}& (2-3)\\ x_{1weather}=\frac{{\mathrm{\λ}}_i}{{\mathrm{\λ}}_{\max }}{x}_{0weather}& (2-4)\end{array}\right.$

其中：x_1min是基于深空站次分时间气象值的深空链路裕量最小值，x_1elevation、x_1weather分别是仰角和天气导致的裕量值，θ为路径仰角，λ_i和λ_max分别是各次分时间内及定期时间内对链路影响的气象条件值。

步骤三、每个次分时间内分成若干个短期，进一步利用深空站的短期气象预报值修正短期深空链路裕量x₂，其修正的方法如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{x}_2=x_{1\min }+x_{2weather}& (3-1)\\ x_{2weather}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{2i}}{{\mathrm{\λ}}_2}{x}_{1weather}& (3-2)\end{array}\right.$

其中：x_2weather是基于短期天气预报的气象条件所对应的裕量值，λ_2i和λ₂则分别代表短期预报的气象条件值和短期历史内平均的气象条件值。

为便于论述及提供具有实际意义的参考实施例来检验本发明的有益效果，下面所述的实施例中以火星探测的深空链路修正为例，同时分别以时间单位年、月和日代替定期时间、次分时间和短期。

(1)统计年度气候背景下深空链路裕量平均值范围x_0min～x_0max，统计方法如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{x}_{0min}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_{0i}}{n}& (1-1)\\ x_{0max}=x_{0min}+x_{0elevation}+x_{0weather}& (1-2)\end{array}\right.$

其中：x_0min、x_0max分别是基于深空站年度气候背景下的年深空链路裕量最小值与最大值，n是所统计的样本数据个数，x_0i是第i个样本的深空链路裕量，x_0elevation是深空站天顶方向的平均深空链路裕量，x_0weather是深空站不同天气所需的平均深空链路裕量。

在一次火星探测活动中，通信设备的频段为8.4～8.45GHz(X频段)和31.8～32.3GHz(Ka频段)。

利用10年的气候统计值，分析气象统计量对深空站的影响，在链路可用率在95％以上的情况下，统计天顶方向和不同频段的G/T损失，即气象条件导致的深空链路裕量，得到表1：

表1深空站年度气候背景下的深空链路裕量(单位-dB)

有表1可知，在年度气候背景下，深空站X频段需提供1.5～2.2dB的大气裕量，而Ka频段则需分配6～13dB的大气裕量。

如图3所示，信号频率与相应的链路裕量基本呈线性关系。

根据图3就可以得到对应不同信号频率的链路裕量范围。并且由图3可见，伴随频率的提高，气象因素导致的G/T损失差显著增大，Ka频段是X频段的5倍以上，且Ka频段的天气和仰角变化导致的损失均达到4dB左右(由表1可知)，可见非常有必要按更短的时间尺度来修正深空链路裕量，以减小不确定性。

(2)计算深空站各月深空链路裕量x₁，计算方法如下：

其中：x_1min是基于深空站月气象值的深空链路裕量最小值，x_1elevation、x_1weather分别是仰角和天气导致的裕量值，θ为路径仰角，λ_i和λ_max分别是各次分时间内及定期时间内对链路影响的气象条件值。

在链路可用率在95％以上的情况下，计算深空站各月不同气象条件Ka频段对应的深空链路裕量，得到表2：

表2深空站各月Ka频段的深空链路裕量(单位-dB)

由表2可知，深空链路裕量在湿季(6～9月)和干季(11～2月)之间有明显差别，平均超过2dB；而基于月气象条件的链路修正使得链路可用性相比年度平均提高6％【(13-12.2)/13】。由此可见，在气象条件有明显差异的时间段(如干季和湿季月份)，使用本方法对于实时修正链路裕量具有非常高的工程价值。

(3)利用深空站日气象预报值修正每日链路裕量x₂，修正方法如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{x}_2=x_{1min}+x_{2weather}& (3-1)\\ x_{2weather}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{2i}}{{\mathrm{\λ}}_2}{x}_{1weather}& (3-2)\end{array}\right.$

x₂即为日深空链路裕量值；

其中：x_2weather是基于日天气预报的气象条件所对应的裕量值，λ_2i和λ₂则分别代表日预报气象条件值和历史上日平均气象条件值。

同样在保证链路可用率达到95％以上的情况下，统计基于日天气预报的深空站Ka频段每日深空链路裕量，得到表3：

表3基于日天气预报的深空站Ka频段每日深空链路裕量(单位-dB)

由表3可知，基于日天气预报的深空站链路设计使得深空链路裕量进一步减小，相对月气象条件平均减小0.7dB(12.2-11.5)，并且在湿季(6～9月)和干季(11～2月)的调整更加明显；这种修正使得链路可用性相比月气象条件平均提高近6％。证明在每日内深空站气象条件发生明显变化的时段，例如在如湿季月份出现异常干燥的时段，根据深空站月气象计算量设计的深空链路裕量将会出现浪费，可以根据日天气预报进一步改善总体性能。

结合图4，根据表1，、表2、表3的数据对比深空链路裕量设计精度的逐步提高情况，将年深空链路裕量最大值、月深空链路裕量和日深空链路裕量统计在图4中。

其中，x_0max为年深空链路裕量最大值，x₁为月深空链路裕量值，为月深空链路裕量值平均值，x₂为日链路裕量值，为日链路裕量值平均值。

结合图4可以看出，根据逐步精细的气象条件，深空链路裕量的值越来越小，可见深空链路裕量的修正精度得到很大提高。

以上所述的具体描述，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神与原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种深空链路裕量修正方法，其特征是，该修正方法包括如下步骤：

步骤一、首先统计深空站定期时间内气候背景下的深空链路裕量平均值范围x_0min～x_0max，其统计方法如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{x}_{0\min }=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_{0i}}{n}& \left(1-1\right)\\ x_{0\max }=x_{0\min }+x_{0elevation}+x_{0weather}& \left(1-2\right)\end{array}\right.$

其中：x_0min、x_0max分别是基于深空站气候背景下的定期时间内深空链路裕量最小值与最大值，n是所统计的样本数据个数，x_0i是第i个样本的深空链路裕量，x_0elevation是深空站天顶方向的平均深空链路裕量，x_0weather是深空站不同天气所需的平均深空链路裕量；

步骤二、将定期时间分成若干次分时间，然后根据深空站的各次分时间气象统计量计算各次分时间深空链路裕量x₁，其计算方法如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{x}_1=x_{1\min }+x_{1weather}& (2-1)\\ x_{1\min }=x_{0\min }+x_{1elevation}& (2-2)\\ x_{1elevation}=\frac{x_{0elevation}}{\sin \mathrm{\θ}}& (2-3)\\ x_{1weather}=\frac{{\mathrm{\λ}}_i}{{\mathrm{\λ}}_{\max }}{x}_{0weather}& (2-4)\end{array}\right.$

其中：x_1min是基于深空站次分时间气象值的深空链路裕量最小值，x_1elevation、x_1weather分别是仰角和天气导致的裕量值，θ为路径仰角，λ_i和λ_max分别是各次分时间内及定期时间内对链路影响的气象条件值；

步骤三、每个次分时间内分成若干个短期，进一步利用深空站的短期气象预报值修正短期深空链路裕量x₂，其修正的方法如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{x}_2=x_{1min}+x_{2weather}& (3-1)\\ x_{2weather}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{2i}}{{\mathrm{\λ}}_2}{x}_{1weather}& (3-2)\end{array}\right.$

其中：x_2weather是基于短期天气预报的气象条件所对应的裕量值，λ_2i和λ₂则分别代表短期预报的气象条件值和短期历史内平均的气象条件值。

2.根据权利要求1所述的深空链路裕量修正方法，其特征是，所述定期时间、次分时间和短期的时间单位分别是年、月和日。