CN104467987B - 一种星地数传天线受损后的工作效能分析方法 - Google Patents

Abstract

一种星地数传天线受损后的工作效能分析方法，(1)根据卫星发射机输出功率、卫星天线增益及发射通道损耗值计算卫星有效发射功率EIRP；(2)根据卫星的平均地面高度和地面接收天线的最低仰角计算信号传输的最大斜距R；(3)根据卫星数传信号下行载波频率和R计算信号的自由空间损耗L_f；(4)根据大气损耗、接收天线指向损耗、接收天线极化损耗和雨衰值以及L_f计算数传信号的全部传输损耗L；(5)利用编码增益、传输码速率、编码率和链路余量计算接收信号的比特信噪比；(6)根据误码率要求计算接收信号实际需要的比特信噪比，进而得到信道余量，若余量为正，则数传天线受损后整体效能仍能满足系统需求，否则，数传天线受损后工作效能有影响。

Description

一种星地数传天线受损后的工作效能分析方法

技术领域

本发明涉及一种天线的工作效能分析方法，特别是卫星上星地数传天线受损后的工作效能分析方法。

背景技术

常用于卫星通信的标准抛物面数传天线由反射器、馈源、正交模耦合器、上下行滤波器、馈源支撑、天线指向机构、背部加强结构和天线支撑结构组成.天线反射面普遍应用的是碳/环氧面板铝蜂窝夹层结构复合材料反射面天线。复合材料抛物面天线的反射面由内蒙皮、蜂窝芯子、外蒙皮和直通预埋块通过J-47B、C、D胶粘剂中温固化而成的碳纤维蜂窝夹层结构。后埋块组件、后埋定位块和加强套在天线本体固化成型后使用后埋胶后埋。反射面板采用几层高模量纤维编制布/环氧复合材料，芯子为铝蜂窝芯材拼接而成。为了保证馈源与反射面间精确定位，反射面与馈源间采用了碳纤维复合材料的结构支架，该支架有非常好的结构刚度和强度，同时有十分稳定的结构尺寸，保证在轨冷热交变中仍能维持相对的位置精度，天线结构支架由碳纤维无维布组合铺层的高模量纤维/环氧复合材料。

目前的抛物面天线受损分析主要集中在结构损坏分析方面(例见

《含天线与不含天线泡沫芯夹层结构损伤模拟及强度预测》，尹斌等，材料科学与工程学报，201331(5))，通过引入针对复合材料层合板的Tsai-Wu张量判据和针对泡沫芯材料的三参数广义强度准则,对含天线和不含天线泡沫芯夹层结构的渐进损坏过程进行数值模拟,并预测了材料的面内压缩强度和面外拉伸强度。同时,研究了层板厚度、层板铺层角和泡沫芯厚度等因素对材料强度的影响规律。另外，还有方法对抛物面天线结构破损后的天线方向图进行分析(例见《破片损伤对天线方向图的影响》，侯飞等，电子信息对抗技术，201126(1))，利用电磁场分析软件FEKO研究了抛物面天线在破片穿孔时天线方向图的变化规律.通过对物理光学法(PO)和物理绕射理论(PTD)的混合使用,对战损后抛物面天线的电气性能进行了建模与分析，着重研究了天线反射面毁伤后,毁伤孔数、孔径及其位置变化对方向图的影响。在以上天线受损后工作效能分析方法中，均未对天线整体损耗和在卫星通信使用中的信道余量进行分析和评估，在天线受损后的使用效能评估方面尚有欠缺。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种卫星用星地数传天线的损耗和信道余量估计方法，对天线受损后的使用效能进行分析和评估。

本发明的技术解决方案是：一种星地数传天线受损后的工作效能分析方法，步骤如下：

(1)根据卫星发射机输出功率、卫星天线增益及发射通道损耗值计算卫星有效发射功率EIRP；

(2)根据卫星的平均地面高度和地面接收天线的最低仰角计算信号传输的最大斜距R；

(3)根据卫星数传信号下行载波频率和步骤(2)计算的信号传输最大斜距计算信号的自由空间损耗L_f；

(4)根据大气损耗、接收天线指向损耗、接收天线极化损耗和雨衰值以及步骤(3)中计算的信号自由空间损耗计算数传信号的全部传输损耗L；

(5)利用编码增益、传输码速率、编码率和链路余量计算接收信号的比特信噪比，即比特能量与噪声功率谱密度之比的对数；

(6)根据误码率要求计算接收信号实际需要的比特信噪比，进而得到信道余量，若余量为正，则数传天线受损后整体效能仍能满足系统需求，否则，数传天线受损后工作效能有影响。

本发明的原理是：本发明涉及星地数传天线受损后对通信链路的影响。

星地数传天线中最为典型的是反射面天线。反射面天线主反射面的碳纤维铝蜂窝板结构，其融化或变形的概率较大。当反射面天线变形发生变形时将引起天线的增益和方向图改变。当天线表面温度过高会导致天线表面材料介电常数的改变，严重时形成等离子屏蔽效应，引起天线辐射效率的大幅降低，进而影响到天线增益，导致其最终接收信号的信噪比下降，使得数传误码率升高或天线失效。数传天线的直接受损后果主要包括：

1)反射面天线变形，从而引起天线的增益和方向图改变。当材料温度T上升时，温升△T不均匀则导致热应力。当热应力达到材料屈服应力时进入塑性，称为“热软化”。

2)天线表面材料的介电常数的改变将会引起天线的辐射效率降低。天线效率受辐射特性的影响，天线效率的降低会直接影响天线增益，天线增益的表达式如下。

其中，A是天线面积，λ是工作波长，η是天线效率，当天线辐射效率大幅降低时，会严重影响天线增益，导致其最终接收信号的信噪比下降，使得数传误码率升高或天线失效。

在数传天线通信链路方面，目前国内遥感卫星主要采用四相相移键控QPSK或参差四相相移键控SQPSK调制方式进行星地数据传输，传输频段为X频段，传输频率范围为8025MHz～8400MHz。在遥感卫星星地数据传输中，地面站接收系统的信噪比决定了解调信号的误码率，而误码率直接影响遥感图像质量，QPSK调制是一种四相制的相位键控，每个码元包含两位二进制信息，它通过载波的四种不同相位信息来表征传递数的字信息。

经过差分编码后的两路信号分别去调制同相载波和正交载波，得到QPSK调制信号的同相支路I和正交支路Q，相加后得到QPSK调制信号，即QPSK调制信号可以看作室两路正交的BPSK信号之和。QPSK的解调方法有两种，一种是相干解调，另一种是差分解调法。在高斯白噪声信道中，相干QPSK系统的符号差错率为：

其中：E_b为比特能量；N₀为噪声功率谱密度。erfc(x)为互补误差函数，其定义为：

要是误码率达到10^-7，要求在11.3dB以上。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)现有对天线进行受损后工作效能分析的方法主要集中在外形损坏与结构损坏分析上，对天线的整体受损效能分析较欠缺；而本发明通过对星地数传天线进行信道受损分析，可对星地数传天线的工作效能进行整体把握，对天线受损后的工作效能影响进行全面估计；

(2)由于在本发明中对受损后的天线星地数传信道链路进行了分析和计算，可得到系统信道余量，可方便对数传天线受损情况进行评估，并为星地链路信道反设计提供有效参考；

(3)由于本发明不需在天线一定发生外部可见变形或结构损坏的情况下进行天线工作效能分析，对于潜在损害或无可见外部结构损坏的数传天线仍可进行分析，便于及时发现外部细微不可见损害或天线内部损坏等，有利于在星地数传天线设计和使用过程中防患于未然，避免对天线进一步更大的损坏和不必要的损失。

附图说明

图1为本发明的计算流程图；

图2为本发明基于的QPSK误码率曲线图。

具体实施方式

下面结合图1对本发明做详细说明，本发明涉及一种星地数传天线受损后的工作效能分析方法，步骤如下：

(1)根据卫星发射机输出功率、卫星天线增益及发射通道损耗值计算卫星有效发射功率EIRP；

EIRP＝P_t+G_t-L_t

其中:

P_t：卫星发射机输出功率，dBW；

G_t：卫星天线增益，dBi；

L_t：发射通道损耗，dB。

(2)根据卫星的平均地面高度和地面接收天线的最低仰角计算信号传输的最大斜距R；

其中:

R_E：地球平均半径，RE＝6371km；

h：卫星的平均地面高度，km；

β：地面接收天线的最低仰角，单位为度(°)

(3)根据卫星数传信号下行载波频率和步骤(2)计算的信号传输最大斜距计算信号的自由空间损耗L_f；

L_f＝20lg R+20lg f+32.44

其中：

f：下行载波频率，MHz；

R：最大斜距，km；

(4)根据大气损耗、接收天线指向损耗、接收天线极化损耗和雨衰值以及步骤(3)中计算的信号自由空间损耗计算数传信号的全部传输损耗L；

L＝L_f+L_a+L_rp+L_p+L_r

其中：

L_a：大气损耗，dB

L_rp：接收天线指向损耗，dB

L_p：接收天线极化损耗，dB

L_r：雨衰，dB

(5)利用编码增益、传输码速率、编码率和链路余量计算接收信号的比特信噪比，即比特能量与噪声功率谱密度之比的对数；

Eb/N0是比特能量与噪声功率谱密度之比的对数，单位为dB.Hz

其中：

Gc：编码增益，dB

R_b：码速率，bps

r：编码率，dB

M：链路余量，dB

G：天线的接收增益；

T：噪声温度；

(6)

误码率计算公式如下:

该公式的绘制误码率曲线如图2所示，通过该曲线，可以根据系统设计误码率得到接收信号实际需要的比特信噪比，进而得到信道余量(为步骤5中计算得到的比特信噪比减去实际需要的比特信噪比)，若余量为正，则数传天线受损后整体效能仍能满足系统需求，否则，数传天线受损后工作效能有影响。

实施例

预设星地数传天线相关技术指标如下：

载波频率：8390MHz(X频段)

调制方式：QPSK

系统误码率：10^-7

码速率：150Mbps

卫星地面高度：700km

地面接收仰角：5°

编码方式：卷积编码

卫星发射功率：2W

卫星天线增益：28dB

数传天线受损后工作效能分析如下：

1)数传信道星地链路

使用纠错编码时链路计算公式如下：

式中，为实际接收的比特能量与噪声功率谱密度之比，简称比特信噪比，P_EIRP为卫星天线发射的等效全向辐射功率(EIRP)；Q_r为地面站品质因数；G_c为信道编码增益；r为编码效率；R_c为编码后速率；L为全部传输损耗；

2)空间自由损耗传输计算

L_f＝(4πR/λ)²

其中:

R_E：地球平均半径，RE＝6371km

h：卫星的平均地面高度，km

β：地面接收天线的最低仰角，单位为度(°)

根据卫星的平均地面高度为700km，地面接收天线的最低仰角为5度，计算得到卫星到地面站的最大作用距离为R＝2562km，数传信号的空间自由损耗为：

L_f＝(4πR/λ)²＝179dB(f＝8.39GHz)

其中，λ代表波长。

3)地面站G/T值估算

地面站的G/T为地面站的品质因素，它是地面站的天线的接收增益G和接收系统的噪声温度T的比值，G/T是很亮地面站接收系统性能好坏的一个重要指标，G/T值愈高，系统性能愈好。对于X频段的系统G/T值，一般为33dB/K以上。

4)卫星数传有效全向辐射功率EIRP计算

在卫星通信中通常使用EIRP值表示卫星发射某个载波的功率大小，在数值上EIRP等于天线实际发射的载波功率的大小，在数值上EIRP等于天线实际发射的载波功率Pt(W)与天线增益Gt的乘积，用分贝表示如下：

EIRP＝P_t+G_t-L_t

其中:

P_t：卫星发射机输出功率，选用2W的固体放大器，P_t＝3dBW；

G_t：卫星天线增益，G_t＝28dBi；

L_t：发射通道损耗，L_t＝4dB。

经计算，卫星数传系统的EIRP＝27dBW

5)传输和接收中的全部损耗计算

L＝L_f+L_a+L_rp+L_p+L_r

其中：

L_a：大气损耗，天气晴朗，5°仰角的8.39GHz信号，L_a＝1dB

L_rp:天线指向损耗，点波束天线，取L_rp＝2dB

L_p：天线极化损耗，L_p＝2dB

L_r：雨衰，对于8.39GHz的信号，L_r＝2.5dB

经计算，所有损耗总计为L＝186.5dB。

经过试验后的数传天线受损，性能受到影响，其中心频率为8.39GHz数传天线的天线增益由设计要求的28dB减小到21.31dB，所以最终链路计算结果系统余量为-4.24dB，不能达到系统要求，当天线增益降低到21.31dBi时，此时通信链路的Eb/No为7.06dB，根据该Eb/No的值，计算当前的误码率：

所以，试验后数传系统的误码率只能达到10^-4，远不能满足数传系统的要求，见附图2。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种星地数传天线受损后的工作效能分析方法，其特征在于步骤如下：

(1)根据卫星发射机输出功率、卫星天线增益及发射通道损耗值计算卫星有效发射功率EIRP；

(2)根据卫星的平均地面高度和地面接收天线的最低仰角计算信号传输的最大斜距R；

(3)根据卫星数传信号下行载波频率和步骤(2)计算的信号传输最大斜距计算信号的自由空间损耗L_f；

(4)根据大气损耗、接收天线指向损耗、接收天线极化损耗和雨衰值以及步骤(3)中计算的信号自由空间损耗计算数传信号的全部传输损耗L；

(5)利用编码增益、传输码速率、编码率和链路余量计算接收信号的比特信噪比，即比特能量与噪声功率谱密度之比的对数具体为：

<mrow> <mfrac> <msub> <mi>E</mi> <mi>b</mi> </msub> <msub> <mi>N</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <mo>=</mo> <mi>E</mi> <mi>I</mi> <mi>R</mi> <mi>P</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <mi>G</mi> <mi>T</mi> </mfrac> <mo>+</mo> <msub> <mi>G</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>r</mi> <mo>-</mo> <mn>10</mn> <mi>log</mi> <mi> </mi> <msub> <mi>R</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>L</mi> <mo>-</mo> <mi>M</mi> <mo>+</mo> <mn>228.6</mn> </mrow>

其中，Gc为编码增益，单位为dB；R_b为码速率，单位为bps；r为编码率，单位为dB；M为链路余量，单位为dB；G为天线的接收增益，T为噪声温度；

(6)根据误码率要求计算接收信号实际需要的比特信噪比，进而得到信道余量，若余量为正，则数传天线受损后整体效能仍能满足系统需求，否则，数传天线受损后工作效能有影响。