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构建两地面站与多跳卫星通信链路模拟系统

2021-08-31 16:48

科学文化人

概述

近年来，以Space－X为代表的宽带低轨卫星星座推动者，在全球主要卫星玩家中掀起风暴，致力于在未来几年内，将上万颗卫星送入近地轨道，构建天地一体化互联网，6G时代正在酝酿。

作为一名爱好仰望星空的新时代农名工，笔者决定在工作之余，利用手边的资源，搭建一个卫星通信链路模拟器。

本文演示如何在两个地面站之间建立多跳卫星通信链路。第一个地面站位于四川成都，第二个地面站位于澳大利亚的悉尼。链路通过两颗卫星（Sat1和Sat2）路由。每颗卫星都充当再生中继器。再生中继器接收到输入信号，然后对接收到的信号进行解调、重新调制、放大和重传。一天中，成都向悉尼发送数据的时间是确定的。

这一过程如何实现呢？需要考虑哪些因素？场景可视化吗？带着这些问题，笔者进行了一次天地一体化探索。

01

准备阶段

大约5个月前，笔者了解到MATLAB R2021a新鲜出炉，并且其功能更加强大，除了传统的图像处理、信号处理和无线通信外，新增汽车、航空航天、FPGA／ASIC开发等新应用场景。

于是，笔者在网上找了一份破解的MATLAB R2021a的安装包，大小约18G。

当初安装了MATLAB R2019b，一些新功能并未包含其中。于是最近把MATLAB R2021a安装上，为了腾挪出空间和旧的MATLAB版本的冲突，将MATLAB R2019b卸载。

安装好以后，就可以着手搭建模拟系统了。

上面提到2021a版本包含了无线通信的应用，其中一个重大更新，便是有卫星通信工具箱。

面对6G潜在的技术愿景，天地一体化其实已经在构建中，马斯克算是走在了最前面。

对于工具箱的使用，可参考Mathworks官方网站上提供的手册，或者安装包中的help下工具箱中年的手册。

万事俱备，只欠东风。

02

卫星场景搭建

我们希望通过搭建一个卫星通信场景，包含2颗卫星、2个地面站，地面站与卫星之间建立通信链路，并且可设定运行的起止时间，建立多跳卫星通信链路。

根据Mathworks的介绍，Satellite Communications Toolbox具有强大的卫星通信系统的设计、仿真和验证功能。

Satellite Communications Toolbox 提供一系列基于标准的工具，用于设计、仿真和验证卫星通信系统和链路。?该工具箱可用于对卫星轨道进行建模和可视化，以及执行链路分析和接入计算。?还可以设计物理层算法以及射频组件和地面站接收机，生成测试波形，执行黄金参考设计验证。?

借助该工具箱，您可以配置、仿真、测量和分析端到端卫星通信链路。还可以创建和重用测试，以验证设计、原型和实现是否符合卫星通信和导航标准 DVB－S2X、DVB－S2、CCSDS 和 GPS。

为了完成多跳卫星通信链路的搭建，并且可视化运行，需要执行下面的一些列过程。

使用函数satelliteScenario创建卫星场景。使用datetime定义场景的开始时间和停止时间。将采样时间设置为60秒。

创建了卫星场景后，我们希望有一个太空视角，能够查看整个卫星通信链路的运行情况，此时我们需要用到satelliteScenarioViewer函数。

03

模拟发射2颗卫星

卫星场景创建完之后，我们就可以准备发射近地轨道卫星了。

通过指定对应于场景开始时间的开普勒轨道元素，使用卫星将 Sat 1和 Sat 2卫星添加到场景中。

大家应该还记得高中学过的开普勒定律吧。

不管是行星围绕太阳转，还是人造卫星围绕地球转，其模型大抵相似，只是卫星的运行轨道时圆的。

为了发射一颗卫星，我们设定以下参数：

轨道半长轴：轨道半长轴是人造卫星的轨道要素之一，表示着轨道的大小。当瞬时轨道为半圆时，半长轴是指长轴的一半；当轨道为圆时，半长轴则为其半径。

离心率：形状从圆形偏离了多少的程度，圆的离心率为0。

升交点赤经：升交点是指卫星由南向北运时其轨道与赤道面的交点。

真近点角：指天体从近地点起沿轨道运动时其向径扫过的角度，是某一时刻轨道近地点到卫星位置矢量R的夹角。真近点决定了卫星在轨道中的具体位置。

04

设计卫星平衡环

说起平衡环，可能很多人比较陌生，但陀螺肯定时听过或者玩过。在中国民间，公园里的大爷，对此玩物，爱不释手。笔者小时候也玩过，不停地抽打它，它可以一直旋转下去。即便偶尔倾斜，也能逐渐回到平衡状态。

据闻，平衡环其实它早在公元前2世纪就已经在中国发明了。公元前140年，中国人房风发明了平衡环，公元189年中国人丁缓又改进了平衡环，后来传到了欧洲。到公元9世纪，著名科学家罗伯特·胡克等人应用该装置的原理造出了万向接头，又称万向节、万向支架、常平支架。就是这项发明使汽车的自动能量传输成为可能。中国人发明的平衡环比西方领先700年左右。

使用gimbal函数给卫星添加平衡环。每个卫星由卫星两侧的两个平衡环组成。一个平衡环固定接收天线，另一个平衡环固定发射机天线。安装位置在卫星本体坐标的笛卡儿坐标中指定，由

定义，其中

分别为卫星的横摇、俯仰和偏航轴。装有接收器的框架安装位置为

米，装有发射器的框架安装位置为

米，如下图所示。

接下来，我们给平衡环添加用于无线信号中继的收发器。

每颗卫星由接收机和发射机组成，构成再生中继器。我们通过receiver函数给两颗卫星添加接收机。接收天线相对于平衡环的安装位置为

米，如上图所示。接收机的增益噪声温度比为3dB／K，所需的Eb／No为4dB。

然后，我们利用高斯天线函数gaussianAntenna，将卫星接收天线的碟形直径设置为0．5 m。高斯天线的辐射模式在其视轴处达到峰值，并在远离视轴时基于高斯分布径向对称衰减，如下图所示。峰值增益是碟面直径和孔径效率的函数。

接下来，我们给两颗卫星设计发射机。

使用transmitter函数，给卫星Sat1和Sat2安装发射机。发射天线相对于平衡环的安装位置为

米，其中

定义了平衡环的本体框架。天线的轴线与

对齐。两颗卫星的发射功率均为15 dBW。

Sat1上的发射机用于交联，以30 GHz的频率向Sat2发送数据。Sat2上的发射机用于下行至悉尼的频率为27GHz。

和接收器一样，发射器也使用高斯天线。设置卫星发射机天线的碟面直径为0．5 m。

05

构建地面站

到这里，我们天上部分已设计完成，剩下就是完成地面站的设计。

在MATLAB中，我们以可使用groundStation函数来构建地面站。

作为一个示例，我选择了中国的成都（Chengdu）和澳大利亚的Sydney（悉尼）作为地面站点。

构建基于groundStation函数的地面站，比较简单，只需要给出地面站的经纬度和站点名称即可。

为了完成地面站与卫星之间的通信，地面站的位置与卫星轨道之间，还是需要进行考量。

假设成都作为发射站，悉尼作为接收站。于是，我们需要在成都站架起一个发射机，在悉尼站架起一个接收机。同时，地面站也需要配备平衡环。

使用gimbal函数添加平衡环到成都站和悉尼站。平衡环位于各自地面站的5米以上，如下图所示。

因此，它们的安装位置为

米，其中

定义地面站的体轴。

分别指向北、东和下。

因此，平衡环的

分量为－5米，以便它们放置在地面站之上而不是下面。此外，在默认情况下，平衡环的安装角度为，其本体轴为两个地面站

之间的多跳卫星通信链路与地面站本体轴

对齐。

然后我们需要给地面站的平衡环设计发射机和接收机。

在成都站，将发射机添加到平衡环。上行发射机以30GHz频率和30dbw功率向卫星 Sat 1发送数据。发射机天线相对于平衡环安装在

米处。

使用gaussianAntenna函数将发射机天线的碟形直径设置为2m。

在澳大利亚的悉尼地面站的平衡环上添加一个接收器，以接收来自卫星 Sat 2的下行数据。接收机的增益噪声温度比为3 dB／K，所需的Eb／No为1 dB。接收机天线的安装位置相对于平衡环为

米。

使用gaussianAntenna函数将接收天线碟形直径设置为2m。

06

设置平衡环跟踪目标

卫星和地面站建好以后，我们需要通过平衡环进行目标跟踪。

为了获得最佳的链路质量，天线必须连续地指向各自的目标。平衡环可以独立于（卫星或地面站）进行操舵，并配置为跟踪其他卫星和地面站。使用pointAt设置平衡环的跟踪目标，以便：

成都地面站的发射机天线指向卫星Sat1；

卫星Sat1的接收机天线指向成都地面站；

卫星Sat1上的发射机天线指向卫星Sat2；

卫星Sat2上的接收机天线指向卫星Sat1；

卫星Sat2上的发射机天线指向悉尼地面站；

悉尼地面站接收机天线指向卫星Sat2；

当一个平衡环的目标被设置，它的

轴将跟踪目标。由于天线在

上，并且它的轴向与

对齐，天线也将跟踪所需的目标。

至此，我们的卫星和地面站设备已准备就绪。

整个链路为：成都地面站作为发射机，卫星sat1和sat2作为空间中继器，悉尼地面站为接收机，完成通信。

当多跳卫星通信链路运行起来，整个场景应该说还是挺震撼的。

为了让整个通信场景看得见，笔者尝试实现可视化。

07

通信链路与场景可视化

作为一个模拟系统，我们希望整个链路运行起来的工作场景可视化，能直观感受到科技带来的无穷魅力，以及进一步体会到科学家们在取得伟大成就背后的艰苦付出。

为了进行链路分析，我们可使用link函数实现地面发射站到多卫星中继、再到地面接收站之间的通信。

星间的通信路由，通过设计的平衡环收发器完成。

最后，我们实现卫星通信链路场景的可视化。

笔者使用Satellite Scenario Viewer功能，可自动更新以显示整个场景。使用查看器作为场景已正确设置的可视化确认。绿线表示链接，并确认链接已关闭。

使用play来可视化场景模拟，从开始时间到停止时间。当链接关闭时，绿线将消失。

演示效果

演示视频，将即将上线，敬请期待！

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