CN111628814B - 面向深空通信的星间链路模拟装置及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向深空通信的星间链路模拟装置及模拟方法，包括星间链路信道建模及评估子系统、信号采集处理子系统和信息域等效模拟子系统；星间链路信道建模及评估子系统包括用户交互单元、UDP接口单元、信道建模及参数计算单元和信息域等效性能评估单元，信息域等效模拟子系统包括信道实时模拟单元和帧处理单元，信号采集处理子系统包括1553B协议接口单元。本发明采用数字信息域等效模拟信号域信道的方式，使用具体数据构成的数字信道代替复杂的模拟信道，可以根据卫星运行几何参数及所处环境精确模拟卫星信道衰落、噪声干扰等对数字信息域通信性能的影响，并合理复现数据异常。

Description

面向深空通信的星间链路模拟装置及模拟方法

技术领域：

本发明涉及一种面向深空通信的星间链路模拟装置及模拟方法，属于深空探测领域，特别针对在深空环境中卫星与卫星之间的通信链路模拟。

背景技术：

深空通信是指地球上的实体与月球及月球以外宇宙空间中的航天器之间的通信，距离可达几千万公里，以至亿万公里以上。随着21世纪人类对太空探索的加深，建设适应深空环境的通信系统变得尤为重要。深空通信具有通信距离长、信噪比低、链路损耗巨大等特点，电波信号在深空传播过程中通信性能会受到恶劣的影响，需要对深空通信系统进行测试以确保其稳定性和可靠性，相比于进行投入高、风险高、耗时长的实地深空通信传输试验，研制在地面实验室条件下运行的深空通信模拟器是更高效、经济的选择。

目前已有成熟的无线信道模拟器，如美国dBM公司的SLE卫星链路模拟器，美国GLOCOM公司的SCATT8906终端设备测试器，美国思博伦通信公司的空间信道仿真器VR5-HD等。然而，这些模拟器多数针对低轨卫星通信系统设计，而很难直接应用于深空星间通信方面。此外，上述模拟器大多仅针对终端设备采用信号域方式模拟深空信道，一方面，信号域信道模拟手段需要模拟器提供额外的模数转换模块、射频模块等，设备复杂，硬件成本较高，不易实现，另一方面，实际中待测的完整深空通信半实物系统通常采用标准数字接口实现对接，纯信号域的信道模拟手段兼容性较差。因此，设计一款支持标准数字接口接入、数字信息域等效模拟的星间链路信道模拟装置是十分必要的。

发明内容：

本发明提出了面向深空通信的星间链路模拟装置及模拟方法，该模拟装置采用数字信息域等效模拟信号域信道的方式，使用具体数据构成的数字信道代替复杂的模拟信道，可以根据卫星运行几何参数及所处环境精确模拟卫星信道衰落、噪声干扰等对数字信息域通信性能的影响，并合理复现数据异常。

本发明采用如下技术方案：一种面向深空通信的星间链路模拟装置，包括星间链路信道建模及评估子系统、信号采集处理子系统和信息域等效模拟子系统；

所述星间链路信道建模及评估子系统包括用户交互单元、UDP接口单元、信道建模及参数计算单元和信息域等效性能评估单元，所述信息域等效模拟子系统包括信道实时模拟单元和帧处理单元，所述信号采集处理子系统包括1553B协议接口单元；

所述用户交互单元以及UDP接口单元的输出接口与信道建模及参数计算单元的输入接口相连，信道建模及参数计算单元的输出接口与信息域等效性能评估单元的输入接口相连，并与信道实时模拟单元的输入接口以PCIE总线相连，信道实时模拟单元的输出接口以及输入接口分别与帧处理单元的输入接口、输出接口相连，1553B协议接口单元的输出接口以及输入接口分别与帧处理单元的输入接口、输出接口相连。

本发明还采用如下技术方案：一种面向深空通信的星间链路模拟方法，步骤如下：

第一步，用户在星间链路信道建模及评估子系统通过用户交互单元配置通信频率、天线参数和通信环境的场景参数及系统参数；

第二步，通过UDP网络接口，将实时轨道模拟器输出的卫星坐标、速度轨道运行几何参数传输到UDP接口单元，UDP接口单元接收后将其传输到信道建模及参数计算单元；

第三步，结合轨道运行几何参数和用户输入参数，构建信号域的星间链路信道模型，计算时延、路径损耗及信道噪声模型参数，并将参数传输到信息域等效性能评估单元，在此基础上评估信号域信道对数字信息域通信性能的影响，将信号域信道模型等效为数字信息域的时延、误码率特征参数；

第四步，通过PCIE总线，信息域等效性能评估单元将误码、时延实时传输到信息域等效模拟子系统的信道实时模拟单元；

第五步，1553B协议接口单元接收来自卫星的原始数据并将其传输到帧处理单元，在帧处理单元按照数据协议对原始数据进行比特级拆帧处理，转换为信道能识别的数字源数据；

第六步，将帧处理单元输出的数字源数据传输到信道实时模拟单元，结合信息域等效性能评估单元产生的误码率、时延完成数字信息域的信道等效实时模拟；

第七步，将信道实时模拟单元处理后的数据传输到帧处理单元，帧处理单元进行组帧，转换为处理后数据，传输到1553B协议接口单元。

进一步地，第三步具体产生步骤如下：

1)根据卫星所处的通信环境及用户输入的系统参数，构建信号域的星间链路传输模型为：

式中，L(t)为路径传播损耗，f_d为最大多普勒频率，h_sc(t)为太阳闪烁导致的闪烁系数，τ为传播时延，N(t)为信道噪声；

2)模拟产生闪烁系数，将闪烁系数建模为h_sc(t)＝μ_sc(t)+ρ_sc(t)，μ_sc(t)表示粒子散射导致非视距传输的复高斯随机过程，ρ_sc(t)值与视距接收信号功率成正比，闪烁系数的包络服从如下分布

式中，r为包络幅度，σ_sc为多径分量功率，

为莱斯因子，I₀(·)是零阶第一类修正贝塞尔函数；

3)计算时延τ，方法如下

式中，x_A、x_B分别为卫星A、B的x坐标，y_A、y_B分别为卫星A、B的y坐标，z_A、z_B分别为卫星A、B的z坐标，c为光速；

4)计算噪声功率，考虑到深空噪声由诸多复杂的环境噪声组成，方法如下：

N(t)＝kB_N(T_RF+T_C+T_PL+T_AN) (4)

式中，k为玻尔兹曼常量，且k＝1.3806505×10^-23J/K，B_N为进入接收机的等效噪声带宽，T_RF为低噪声放大器的噪声温度，T_C为宇宙背景噪声温度，T_PL为行星噪声温度，T_AN为天线产生的噪声温度；

5)根据信号域信道模型及计算的参数，将时延参数定点数字化为τ_m，并评估信道对星间通信的性能影响，转化为等效信号域影响的数字信息域误码率，方法如下：计算载噪比r，即

式中，EIRP为等效全向辐射功率，

为品质因数,L_p为自由空间衰减，L为其他损耗。

L_p可进一步表示为

L_p＝32.44+20lg(d/10³)+20lg(f/10⁶)(dB) (6)

式中，d为收发端通信距离，f为载波频率；然后，结合载噪比、信道衰落恶劣程度及不同的数字调制方式选用对应的方法计算数字信息域误码率P_e。

进一步地，第六步具体等效实时模拟步骤如下：

1)将公式(1)信号域接收信号形式转换为数字信息域表达形式

式中，s_m(n)为数字源数据，R_m(n,P_e)为不同误码率对应的误码序列，τ_m为数字域的离散时延；

2)产生符合[1,2⁸-1]均匀分布的随机序列，设定对比值H＝2⁸(1-P_e)，将产生的随机序列与H作比较，大于H输出1，反之则输出0，将输出值组成误码序列R_m(n)；将数据源串并转换为8路并行数据，同时和误码序列进行模二加运算，之后再并串转换输出数据，对用户数字信息源的实时误码插入；

3)根据定点数字化的时延值，采用双端口RAM来实现信道延迟叠加，其中，采用乒乓操作保证数据实时传输，采用时钟管理模块以控制时延精度。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明采用数字信息域模拟等效模拟信号域信道的影响，成本低，实现简单；

(2)本发明采用随机误码插入技术叠加误码，合理复现实际卫星信息传输过程中的数据误码与异常；时延模拟处理利用乒乓操作保证了多路数据时延的实时模拟，时钟管理技术能够精确控制时延的精度；

(3)本发明基于太阳闪烁系数、深空噪声等符合深空特点的信道模型预测性能，真实可靠，可应用于真实星间链路通信模拟。

附图说明：

图1为星间链路典型场景图。

图2为本发明星间链路模拟装置的示意图。

图3为本发明星间链路模拟方法的工作流程图。

图4为本发明星间链路模拟装置输出的误码率-载噪比曲线图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明面向深空通信的星间链路模拟装置，包括星间链路信道建模及评估子系统、信号采集处理子系统和信息域等效模拟子系统。星间链路信道建模及评估子系统包括用户交互单元1-1、UDP接口单元1-2、信道建模及参数计算单元1-3和信息域等效性能评估单元1-4，信息域等效模拟子系统包括信道实时模拟单元1-5和帧处理单元1-6，信号采集处理子系统包括1553B协议接口单元1-7。

用户交互单元1-1以及UDP接口单元1-2的输出接口与信道建模及参数计算单元1-3的输入接口相连，信道建模及参数计算单元1-3的输出接口与信息域等效性能评估单元1-4的输入接口相连，并与信道实时模拟单元1-5的输入接口以PCIE总线相连，信道实时模拟单元1-5的输出接口以及输入接口分别与帧处理单元1-6的输入接口、输出接口相连，1553B协议接口单元1-7的输出接口以及输入接口分别与帧处理单元1-6的输入接口、输出接口相连。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面选取星间链路的其中一条链路(如图1所示)，即卫星A到卫星B通信链路为例并结合本发明的附图，对技术方案进行清楚、完整的描述。本案例假设卫星A与卫星B位于不同高度的运行轨道，在实施阶段利用双星动力学模拟器使得两颗卫星通信距离相对于初始位置逐渐靠近。

具体实施步骤如下：

第一步，用户在星间链路信道建模及评估子系统通过用户交互单元1-1配置通信频率、天线参数和通信环境等场景参数及系统参数；

第二步，通过UDP网络接口，将实时轨道模拟器输出的卫星坐标、速度等轨道运行几何参数传输到UDP接口单元1-2，UDP接口单元1-2接收后将其传输到信道建模及参数计算单元1-3；

第三步，结合轨道运行几何参数和用户输入参数，构建信号域的星间链路信道模型，计算时延、路径损耗及信道噪声等模型参数，并将参数传输到信息域等效性能评估单元1-4，在此基础上评估信号域信道对数字信息域通信性能的影响，将信号域信道模型等效为数字信息域的时延、误码率等特征参数；

第四步，通过PCIE总线，信息域等效性能评估单元1-3将误码、时延及其他系统参数实时传输到信息域等效模拟子系统的信道实时模拟单元1-5；

第五步，1553B协议接口单元1-7接收来自卫星的原始数据并将其传输到帧处理单元1-6，在帧处理单元1-6按照数据协议对原始数据进行比特级拆帧处理，转换为信道能识别的数字源数据；

第六步，将帧处理单元1-6输出的数字源数据传输到信道实时模拟单元1-5，结合信息域等效性能评估单元产生的误码率、时延等参数完成数字信息域的信道等效实时模拟；

第七步，将信道实时模拟单元1-5处理后的数据传输到帧处理单元，帧处理单元1-6进行组帧，转换为处理后数据，传输到1553B协议接口单元1-7。

进一步地，第三步具体产生步骤如下：

1)根据卫星所处的通信环境及用户输入的系统参数，构建信号域的星间链路信道模型为

式中，L(t)为传播损耗，f_d为最大多普勒频率，h_sc(t)为太阳闪烁导致的闪烁系数，τ为传播时延，N(t)为信道噪声；

2)模拟产生闪烁系数，将闪烁系数建模为h_sc(t)＝μ_sc(t)+ρ_sc(t)，μ_sc(t)表示粒子散射导致非视距传输的复高斯随机过程，ρ_sc(t)值与视距接收信号功率成正比。闪烁系数的包络服从如下分布

式中，r为包络幅度，σ_sc为多径分量功率，

为莱斯因子，I₀(·)是零阶第一类修正贝塞尔数；本案例中，取K＝0.5。

3)计算时延τ，方法如下

式中，x_A、x_B分别为卫星A、B的x坐标，y_A、y_B分别为卫星A、B的y坐标，z_A、z_B分别为卫星A、B的z坐标，c为光速；本案例中，卫星A、B的初始坐标分别为(0，0，0)、(11958.63，12754.36，17001.14)。

4)计算噪声功率，考虑到深空噪声由诸多复杂的环境噪声组成，方法如下：

N(t)＝kB_N(T_RF+T_C+T_PL+T_AN) (4)

式中，k为玻尔兹曼常量，B_N为进入接收机的等效噪声带宽，T_RF为低噪声放大器的噪声温度，T_C为宇宙背景噪声温度，T_PL为行星噪声温度，T_AN为天线产生的噪声温度。本案例中，k＝1.3806505×10^-23J/K，B_N＝50MHz，T_RF为28K，T_C为2.66K，T_PL为0.1K，T_AN为7K。

5)根据信号域信道模型及计算的参数，将时延参数定点数字化为τ_m，并评估信道对星间通信的性能影响，转化为等效信号域影响的数字信息域误码率，方法如下：计算载噪比r，即

式中，EIRP为等效全向辐射功率，

为品质因数，L_p为自由空间衰减，L为其他损耗。本案例中，取EIRP＝30dBW，

dB/K，L＝70dB，L_p可进一步表示为

L_p＝32.44+20lg(d/10³)+20lg(f/10⁶)(dB) (6)

式中，d为收发端通信距离，f为载波频率。本案例中，取f＝10GHz，d根据卫星实时坐标计算获取。然后，根据不同的数字调制方式选用对应的方法计算误码率P_e，以QPSK调制方式为例，计算方法为

本案例中，在卫星运行过程载噪比r变化范围为0-10dB，据此生成误码率-载噪比曲线，如图4所示；

进一步地，第六步具体建模步骤如下：

1)为实现数字信息域实时模拟，将公式(1)信号域接收信号形式转换为数字信息域表达形式

式中，s_m(n)为数字源数据，R_m(n,P_e)为不同误码率对应的误码序列，τ_m为数字域的离散时延；

2)产生满足[1,2⁸-1]均匀分布的随机序列，设定对比值H＝2⁸(1-P_e)，以P_e＝0.1为例，将产生的随机序列与H作比较，大于H输出1，反之则输出0，将输出值组成误码序列R_m(n)；为提高实时模拟能力，将数据源串并转换为8路并行数据，同时和误码序列进行模二加运算，之后再并串转换输出数据，实现对用户数字信息源的实时误码插入；

3)根据定点数字化的时延值τ_m，采用了双端口RAM的方案来实现信道延迟叠加，其中，采用乒乓操作保证数据实时传输，采用时钟管理模块以控制时延精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种面向深空通信的星间链路模拟装置的模拟方法，所述面向深空通信的星间链路模拟装置包括星间链路信道建模及评估子系统、信号采集处理子系统和信息域等效模拟子系统；所述星间链路信道建模及评估子系统包括用户交互单元(1-1)、UDP接口单元(1-2)、信道建模及参数计算单元(1-3)和信息域等效性能评估单元(1-4)；所述信息域等效模拟子系统包括信道实时模拟单元(1-5)和帧处理单元(1-6)；所述信号采集处理子系统包括1553B协议接口单元(1-7)；所述用户交互单元(1-1)以及UDP接口单元(1-2)的输出接口与信道建模及参数计算单元(1-3)的输入接口相连，信道建模及参数计算单元(1-3)的输出接口与信息域等效性能评估单元(1-4)的输入接口相连，信息域等效性能评估单元(1-4)的输出接口与信道实时模拟单元(1-5)的输入接口以PCIE总线相连，信道实时模拟单元(1-5)的输出接口以及输入接口分别与帧处理单元(1-6)的输入接口、输出接口相连，1553B协议接口单元(1-7)的输出接口以及输入接口分别与帧处理单元(1-6)的输入接口、输出接口相连；其特征在于：步骤如下：

第一步，用户在星间链路信道建模及评估子系统通过用户交互单元(1-1)配置通信频率、天线参数和通信环境的场景参数及系统参数；

第二步，通过UDP网络接口，将实时轨道模拟器输出的卫星坐标、速度轨道运行几何参数传输到UDP接口单元(1-2)，UDP接口单元(1-2)接收后将其传输到信道建模及参数计算单元；

第三步，结合UDP接口单元(1-2)的轨道运行几何参数和用户交互单元(1-1)的用户输入参数，构建信号域的星间链路信道模型，计算时延、路径损耗及信道噪声模型参数，并将参数传输到信息域等效性能评估单元(1-4)，在此基础上评估信号域信道对数字信息域通信性能的影响，将信号域信道模型等效为数字信息域的时延、误码率特征参数；

第四步，通过PCIE总线，信息域等效性能评估单元(1-4)将误码率、时延实时传输到信息域等效模拟子系统的信道实时模拟单元(1-5)；

第五步，1553B协议接口单元接收来自卫星的原始数据并将其传输到帧处理单元(1-6)，在帧处理单元(1-6)按照数据协议对原始数据进行比特级拆帧处理，转换为信道能识别的数字源数据；

第六步，将帧处理单元(1-6)输出的数字源数据传输到信道实时模拟单元(1-5)，结合信息域等效性能评估单元产生的误码率、时延完成数字信息域的信道等效实时模拟；

第七步，将信道实时模拟单元处理后的数据传输到帧处理单元，帧处理单元(1-6)进行组帧，转换为处理后数据，传输到1553B协议接口单元(1-7)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：第三步具体产生步骤如下：

1)根据卫星所处的通信环境及用户输入的系统参数，构建信号域的星间链路传输模型为：

式中，t为时间变量，s(t-τ)为时延后的输入信号，L(t)为路径传播损耗，f_d为最大多普勒频率，h_sc(t)为太阳闪烁导致的闪烁系数，τ为传播时延，N(t)为信道噪声；

2)模拟产生闪烁系数，将闪烁系数建模为h_sc(t)＝μ_sc(t)+ρ_sc(t)，μ_sc(t)表示粒子散射导致非视距传输的复高斯随机过程，ρ_sc(t)值与视距接收信号功率成正比，闪烁系数的包络服从如下分布

式中，r为包络幅度，σ_sc为多径分量功率，

为莱斯因子，I₀()是零阶第一类修正贝塞尔函数；

3)计算时延τ，方法如下

式中，x_A、x_B分别为卫星A、B的x坐标，y_A、y_B分别为卫星A、B的y坐标，z_A、z_B分别为卫星A、B的z坐标，c为光速；

4)计算噪声功率，考虑到深空噪声由诸多复杂的环境噪声组成，方法如下：

N(t)＝kB_N(T_RF+T_C+T_PL+T_AN) (4)

式中，k为玻尔兹曼常量，且k＝1.3806505×10^-23J/K，B_N为进入接收机的等效噪声带宽，T_RF为低噪声放大器的噪声温度，T_C为宇宙背景噪声温度，T_PL为行星噪声温度，T_AN为天线产生的噪声温度；

5)根据信号域信道模型及计算的参数，将时延参数定点数字化为τ_m，并评估信道对星间通信的性能影响，转化为等效信号域影响的数字信息域误码率，方法如下：计算载噪比r，即

式中，P_R为接收端信号功率，P_N为噪声功率，EIRP为等效全向辐射功率，

为品质因数,L_p为自由空间衰减，L为其他损耗；L_p可进一步表示为

L_p＝32.44+20lg(d/10³)+20lg(f/10⁶)(dB) (6)

式中，d为收发端通信距离，f为载波频率；然后，结合载噪比、信道衰落恶劣程度及不同的数字调制方式选用对应的方法计算数字信息域误码率P_e。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：第六步具体等效实时模拟步骤如下：

1)将公式(1)信号域接收信号形式转换为数字信息域表达形式

式中，s_m(n)为数字源数据，P_e为误码率，R_m(n,P_e)为不同误码率对应的误码序列，τ_m为数字域的离散时延；

2)产生符合[1,2⁸-1]均匀分布的随机序列，设定对比值H＝2⁸(1-P_e)，将产生的随机序列与H作比较，大于H输出1，反之则输出0，将输出值组成误码序列R_m(n)；将数据源串并转换为8路并行数据，同时和误码序列进行模二加运算，之后再并串转换输出数据，对用户数字信息源的实时误码插入；

3)根据定点数字化的时延值，采用双端口RAM来实现信道延迟叠加，其中，采用乒乓操作保证数据实时传输，采用时钟管理模块以控制时延精度。

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