（通信与信息系统专业论文）基于火星探测的ka波段深空通信信道建模.pdf

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e a r t hs p a c e v a r i o u sf a c t o r sa f f e c tr a d i ow a v e s ，a n dt h ei n t e r f e r e n c em e c h a n i s mo ft h e s ef a c t o r sl e a dt o d i f f e r e n ti m p a c te f f e c t a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so fm a r sp r o b et or e l a ys a t e l l i t el i n ka n dt h er e l a ys a t e l l i t e t ot h ee a r t hs t a t i o nl i n k , w es e g m e n t e da n di n t e g r a t e dt h es t u d yo ft h ek a - b a n dd e e p - s p a c e c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l m a r sp r o b et or e l a ys a t e l l i t el i n ka n dt h er e l a ys a t e l l i t et ot h e e a r t hs t a t i o nl i n k t h et h e s i ss t u d i e st h es a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e la n dd e e ps p a c e c h a 仰e lt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dd i s c u s st h ev a r i o u sf a c t o r st h a ta f f e c tr a d i ow a v e p r o p a g a t i o ni nd e e ps p a c ec o m m u n i c a t i o np r o c e s s ，a n ds u g g e s t e dt h e s t a t i s t i ca n d s i m u l a t i n gc h a n n e lm o d e lb yd e v e l o p i n gt h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h em e a s u r e d r e s u l t so ft h ec h a n n e l f i r s t l yt h et h e s i sd i s c u s s e dn e a r - g r o u n dl i n kf a c t o r sd u et ow e a t h e ra n dm u l t i - p a t h w ef i n dt h a tt h ew e a t h e ra n dm u l t i - p a t he f f e c t so nt h ec h a n n e la lei n d e p e n d e n t ，a n d c a l c u l a t et h eb o u n do fb e rf o rb p s km o d u l a t i o n i na d d i t i o n ，w es e tu pt h ec o m p l e t e c h a n n e lo fs a t e l l i t ea n dd e e ps p a c ec o m m u n i c a t i o nb yw a yo fc o m b i n i n gd e e ps p a c el o n g d e l a ya n dd i s r u p t i o n o nt h es t u d yo fs y s t e mp e r f o r m a n c e ，t h ef a d i n ge f f e c t so nt r a n s m i t t e d s i g n a la r es i m u l a t e da n dt h ea m o u n t so fp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o na r ed i f f e r e n td e p e n d i n g o nd i f f e r e n tw e a t h e rc o n d i t i o n s s i g n a lp h a s ef a d i n gh a sar e l a t i v e l ys m a l le f f e c ta s c o m p a r e dw i t hs i g n a le n v e l o p ef a d i n g f i n a l l yt h r o u g ht h ea n a l y s i sa n ds t u d yo fk a - b a n d d e e p - s p a c ec o m m u n i c a t i o nl i n ko u t a g ep r o b a b i l i t y , w ef i n dt h a tc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y c a n i m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：d e e ps p a c ec o m m u n i c a t i o n ；e x p l o r a t i o no fm a r s ；c h a n n e lm o d e l ；b e r ；o u t a g e p r o b a b i l i t y w r i t t e nb y ：l i uz h e n h u a s u p e r v i s e db y ：h o uj i a 目录 第一章绪论l 1 1 课题研究的背景及意义1 1 2 国内外研究的现状2 1 3 本文研究内容及章节安排3 第二章深空通信电波传输理论5 2 1 深空信息传输的特殊性5 2 2 深空通信使用的频段选择。8 2 2 1 各频段无线电波的影响因素8 2 2 2 选择k a 波段的必要性9 2 3 深空通信信道所处的空间环境l o 2 3 1 太阳影响。1 0 2 3 2 大气层l l 2 3 3 电离层1 2 2 3 4 地球辐射带。1 4 2 3 5 宇宙射线。1 4 2 3 6 其他行星大气层对无线电波传输的影响1 5 2 4 本章小结1 5 第三章深空通信信道的传输特性1 6 3 1 近空部分传输特性1 6 3 1 1 大气的影响1 6 3 1 2 信号的降雨衰减1 8 3 1 3 云雾衰落1 9 3 2 地表电磁波传输特性2 0 3 2 1 多径衰落2 0 3 2 2 阴影效应2 l 3 2 3 多普勒频移2 2 3 3 深空段需要考虑的因素2 3 3 。3 1 自由空间衰减一2 3 3 3 2 信号的延时2 5 3 3 3 基于火星探测的k a 波段深空通信链路中断概率分析2 6 3 3 4 深空通信延时与中断对传输信号的影响31 3 4 本章小结3 2 第四章k a 波段深空通信信道建模3 3 4 1k a 波段近空段卫星信道模型3 3 4 1 1 近空段中继卫星信道模型3 3 4 1 2 地表部分信道的模型3 7 4 1 3k a 波段近空段卫星通信信道的误码率性能4 0 4 2 基于火星探测的k a 波段深空通信信道模型的建立4 l 4 3 仿真结果分析4 4 4 3 1 多径和天气影响信道特性4 4 4 3 2k a 波段基于火星探测的深空通信链路中断特性4 5 4 4 本章小结4 7 第五章结束语4 8 参考文献4 9 攻读硕士学位期间公开发表的论文一5 3 致谢。5 4 基于火星 ；f 测的k a 波段深窄通信信道建模第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 航天事业的发展历史不长，仅仅有几十年的时间。却大大推动了科学技术和人类 文明的进展历程，使人类探索宇宙的梦想成为可能。 2 l 世纪，人们探测太空将从两个方向继续进行：一是人类利用已经掌握的航天 技术开发和利用火星和月球；二是继续探测我们未知科学领域，包括三个方面，即增 加对水星的探测、探测最新发现的冥王星、加强研究“木卫”2 与“木卫”6 ，探知 有无其他生命的存在。如果想有效的对深空进行探测，必须要建设出深空通信探测网， 因为它是人类与航天探测器联系的纽带，在深空探测的任务中起关键性的作用。 深空通信测控网按作用距离分为非深空通信探测网和深空通信探测网，1 9 8 8 年 1 0 月世界无线电行政大会( w a r c ) 文件o r b - 8 8 - 6 1 0 将深空的界限定为距离为地球 表面2 1 0 6 k m 处，此处是太阳和地球对航天器引力的平衡点【i 】。 宇宙无线电通信通常是以航天探测飞行器为对象的无线电通信，简称为宇宙通 信。它的通信形式有如下三种： ( 1 ) 飞行器与飞行器问的通信； ( 2 ) 地球站和飞行器间的通信； ( 3 ) 通过飞行器进行转发信号实现的通信。 卫星通信技术就是第( 3 ) 种方式所描述的情况，即利用人造地球卫星作为中继，来 转发无线电信号，也就是通过中继实现多个地球站之间的通信。而空间通信技术是前 两种通信方式的总称。 宇宙通信称为空间通信和深空通信，它分为近空通信和深空通信。近空通信是地 球站与离地球距离小于2 3 6 。的高纬度地区和纬度 3 。的低纬度地区，我们可 忽略散焦损耗对信号传输的影响。 3 大气闪烁 大气闪烁时对流层中大气的折射率不规则的变化所造成的无线电波强弱的变化 的现象。大气闪烁造成无线电波强度的变动的周期是闪烁的衰落率，闪烁的衰落率持 续约几十秒。f 为频率，1 0 g h z 2 口，时，降雨衰减可认为只由吸收引起。散射衰减作用会随着波长缩短或 雨滴的直径增大而增大。 降雨衰减系数用( 3 - 11 ) 式表示： 基于火星 ；l 测的k a 波段深窄通信信道建模 第三章k a 波段深窄通信信道的传输特性 r r = a r 6 ( d b k m ) ( 3 - 1 1 ) ( 3 1 1 ) 式中，r 为降雨强度，a 和b 跟频率和极化有判6 1 。i g i - i z 5 0 g h z 频带内，降 雨强度与降雨衰减量成正比，即可以认为b - - - - 1 。k a 波段卫星通信中最严重的传播损 耗衰减是由于降雨引起的信号衰落。仰角比较大时，降雨衰减是系统可行性和载波频 率的函数： 【a ，】= c ie x p ( 8 l f ) + c 2e x p ( 8 2 f ) 一( c l + c 2 )( 3 - 1 2 ) ( 3 一1 2 ) 式中4 、岛、c l 和c 2 为系统可行性函数，f ( g h z ) 为载波频率。如果仰角小于 l o 度： 【a ，( p ) 】= 【a ，( o o ) s i n 0 s i n o o( 3 - 1 3 ) ( 3 - 1 3 ) 式中吼是参考仰角，0 是地球站的仰角。 2 降雨噪声 降雨噪声是由于降雨而产生的噪声。肉滴会造成电波吸收衰减，地球站产生热噪 声会受此衰减的影响。设k ( 棚) 为降雨对电波吸收的衰减，则可由( 3 一1 4 ) 式求出降雨 噪声温度k n ： 一血 t r a i n = l ( 1 一l o1 0 ) ( k )( 3 - 1 4 ) ( 3 - 1 4 ) 式中，k = r ( 1 - a ) ( d b ) 。这里口为散射衰减和总衰减之比，又为总降雨衰减 量，t m 是雨滴的平均温度。 如果地表温度是t o ( k ) ，则t m 近似为： 乙= t 2 7 3 + t o ( k ) ( 3 - 1 5 ) 3 1 3 云雾衰落 在k a 频段上，信号会受到云雾的影响而造成衰减，该衰落量的大小与温度及云 或雾的水粒子的含量有关。根据国际电信联盟无线电通信部f - j ( i t u - r ) ，云雾衰落 大小为： a c = ( o 4 0 9 5 f l ) 【g ”( 1 + r 2 ) s i n o 】 ( d b ) ( 3 1 6 ) 1 9 第三章k a 波段深空通信信道的传输特性基于火星探测的k a 波段深宅通信信道建模 ( 3 一1 6 ) 式中f ( g i - i z ) 为载波频率，l 为云雾厚度( 近似为1 k i n ) ，0 为仰角占和s 。分别 为水介电常数的实部与虚部，f l = ( 2 + s ) g 。 3 2 地表电磁波传输特性【7 l 3 2 1 多径衰落 发送站发送的无线电波在从发送端到接受端的传输过程中，传输过程中存在树 木、建筑物、起伏的地形、植被、水面和海面等媒质，会而引起无线电波的绕射、散 射和反射，导致接收端接收到的信号从多个路径方向上传播而来各个反射波进行的合 成，这就是多径传播的形成原理。 电磁波从发射端到达接收端时，由于多径的存在，不同路径的电磁波因为传输的 距离不一样，导致各个路径来的电磁波的相位都不一样。多个信号在接收端相互叠加， 由于信号是不同相位的，导致有时是反相叠加而减弱，有时是同相叠加而增强。这将 会导致接收到的信号幅度剧烈变化而产生衰落。由于这些多种衰落是由于多径传播引 起的，又被称为多径衰落。可用多径衰落深度来衡量衰落的程度。通常天线的增益、 工作频率、地形和天线的仰角等因素都与卫星移动通信系统中多径衰落程度有关。 多径传输媒质为时变的，从而在信道传输信号中多径媒质会引入时间扩展。所以 多径信道一般可以表征为时变的。发送信号s ( t ) 为： s ( f ) = r e 【sj ( f ) e 2 斫】( 3 - 1 7 ) 多径传输有多条路径，各个路径相关的衰落因子和传播延时分别为口。( f ) 和f 。( f ) ，则 接收信号用( 3 1 8 ) 式表示： 工( f ) = r ei 【口。( t ) e - ，2 斫r 一s ，( f - - z n ( f ) ) 】p 2 斫l ( 3 - 1 8 ) 效低通信道对毛( f ) 的响应表示为： ，( r ) = 口( f ) e 一2 叽州。s ，( 卜r ( f ) ) ( 3 1 9 ) f l = i f r , ( t ) 是等效低通信道对唧( f ) 的响应，则我们可以用时变的脉冲响应来描述等效低 通信道，如公式( 3 - 2 0 ) 所示： 基于火星探测的k a 波段深窄通信信道建模第三章k a 波段深窄通信信道的传输特性 c ( r ；f ) = 口。( f ) p 州矾州万( 卜f 。( f ) ) ( 3 - 2 0 ) 接收信号为连续多径分量组成，此时： c ( f ；t ) = 口( f ；t ) e j 2 叽( 3 - 2 1 ) 我们可以用中心极限定理来处理较多的多径传播路径，那么吒( f ) 可以建模为复高斯随 机过程。则c ( f ；t ) 也是复高斯随机过程，变量为t ，此时，任何时刻包络i c ( r ：t ) l h 艮 从瑞利分布，为瑞利衰落信道。如果信道媒质还有信号的反射分量或者散射时包络 i c ( r ；t ) 阴艮从莱斯分布；信号衰落为莱斯衰落。 ( 3 - 2 2 ) 式是服从瑞利分布变量的概率密度函数： p - 考唧c 一导，0 r 0 ( 3 - 2 6 ) 【0 ， o ( 3 - 2 6 ) 式中i o 是0 阶第一类修j 下的贝塞尔函数，a 为直射分量幅度。可定义莱斯因子 k f f i a 2 ( 2 盯2 ) ，表示直射信号功率和多径信号功率之比。当k f f i 0 时，没有直射分量， 那么莱斯分布就会退化成为瑞利分布。 3 2 2 阴影效应 阴影效应是无线电波在传输的过程中，遇到了起伏的山丘、树木或者建筑物等遮 2 l 第三章k a 波段深空通信信道的传输特性基于火星探测的k a 波段深空通信信道建模 挡物时，电磁波衰耗导致接收信号电平下降。程度不同的阴影效应会导致信号幅度产 生较大的变化而引起衰落，这叫做阴影衰落。与多径衰落相比较，阴影衰落的衰落速 率与频率基本无关，主要是决定于收发双方的运动速度和移动站周围的环境，其衰落 速率比多径衰落慢。因此阴影衰落是一种慢衰落，接收信号局部中值电平变化的幅度 为阴影衰落的深度，障碍物状况和信号的频率都决定了阴影衰落深度的大小。信号频 率较低时比频率较高的信号具有更强的绕射能力，而信号频率较高比频率较低的信号 更易穿透建筑物。卫星通信在地表附近的链路需要考虑阴影效应。 3 2 3 多普勒频移 地球站与卫星通信的过程中，卫星和移动站都可能在运动，那么二者在接收信号 的时候都会可能产生多普勒频移。多普勒频移可表示为： 钿= c o s 口= f d 。c o s ( 3 - 2 7 ) ( 3 - 2 7 ) 式中入为载波的波长，口是接收机和卫星之间连线和接收机运动速度方向的夹 角，v 是接收机和卫星之间相对的运动速度。 接收天线是全向天线，假设入射角服从参数为0 - - 2 兀均匀分布，则到达无线电波 的功率在角度o e o e + d o t 范围内表示为： 罢2 i d o el(3-28) ( 3 - 2 8 ) 式中西为接收信号平均功率。接收机和卫星之间连线即入射角从口变化到 口+ d 口时，信号频率从，变化到厂+ 矽，这个过程中射频功率表示为( 3 - 2 9 ) 式。接收 信号功率谱为s ( o ： 跗) id fl = 2 x 罢l d o ei(3-29) 所以： s ( ，) = 仃- i ；- i 妇d fil ( 3 _ 3 。) 根据( 3 - 2 7 ) 式，得到： d | = 一f 嘛s i n a d o e = 一l 嘛心一k | 嘶了d o e ( 3 - 3 1 ) 皋于火星探测的k a 波段深夺通信信道建模第三章k a 波段深窄通信信道的传输特性 代入( 3 - 3 0 ) 式得到： s ( 厂) = 一l d m f l d m ( 3 - 3 2 ) 其他 接收电波的功率谱5 ( 厂) 被展宽到士厶。( 3 - 3 2 ) 式是信道的j a k e s 功率谱密度函数。对 ( 3 - 3 2 ) 式进行逆傅里叶变换，得： r ( t ) = 盯；厶( 2 靠f ) ( 3 - 3 3 ) 自相关函数。j o ( ) 是o 阶第一类贝塞尔函数。 3 3 深空段需要考虑的因素 随着深空探测任务的发展，空间通信的距离越来越远，仅靠陆基测控系统难以完 成任务。1 9 6 4 年美国航天测控专家m a l c o l m m c m u l l e n 提出了中继卫星的概念，射线 将陆基支持系统搬到地球同步轨道，即利用地球同步卫星的转发功能进行测控的新概 念，开创了天基测控的新时代。由于在深空通信中两个运动天体直接通信存在一些限 制，使用中继成为一种有效方案。地球来自火星探测9 5 的数据是通过“奥德赛”火 星航天器等中继接收到的。实验证明了使用中继天体或航天器存储转发来自火星表面 的数据能够增加数据回送和数据传送效率1 1 l 。在无线通信传输的网络中，使用中继器 能增强网络的覆盖范围和吞吐量。这里使用中继用到了协作通信技术。 如图2 1 所示，利用地球卫星存储和转发来自火星探测器的数据。无线电波经过 极长的空间距离必然产生巨大的衰减。 3 3 1 自由空间衰减 深空通信的显著特点就是无线电波传输路径非常长，电磁波在传输过程中将受到 极大的衰减。自由空间是具有电导率为o ，各向同性和均匀无损耗等特点。 自由空间可视为理想空间，信号无线电波的传输过程不存在色散、散射、折射、 吸收和反射等现象，传输的速率等于光速。无线电波在传输媒质中功率的损耗是传输 损耗。经过传输损耗后的接收功率p r 为： 南。 一缸 第三章k a 波段深守通信信道的传输特性 基于火星探测的k a 波段深空通信信道建模 = c ( 啬) 2 g rgi(3-34) ( 3 - 3 4 ) 式中五是信号波长，d 是发射端与接收端的距离。p t 是发送功率，g ，和q 分别 为接收和发射天线的增益。 自由空问中的两理想点源天线之问传输的损耗是自由空间的基本传输损耗，表示 为l b 。，其增益系数为l 。 k ：( 掣) z ( 3 - 3 5 ) 深空通信的显著特点就是电波传输路径非常长，电磁波在传输过程中将受到极大的衰 减。( 3 - 3 5 ) 式用d b 表示为： k 3 2 4 5 + 2 0 l o g 厂+ 2 0 l o g d ( 3 - 3 6 ) ( 3 - 3 6 ) 式f 为频率( m h z ) ：d 为通信距离( k m ) 。传输损耗只与距离和频率有关，而 与收发天线增益是无关的。因为d 0 ，所以设置参考点d o ，有d o d ，它接近于发射天 线。则由( 3 - 3 6 ) 式可得： b ( d ) = k ( d 。) + l o l o g ( 导) 2 d d 。d ，( 3 - 3 7 ) d o 兵甲d f 为f r a u n h o f e r 距禺。由于现买外境个是| 望忍阴目出至1 日jo 传输嗣损耗会比目由 空间要大很多。路径损耗与距离关系表示为： k o c ( 耖 ( 3 - 3 8 ) 猁) 乩( 引+ 1 0 n l o g ( 旁( 衄) ( 3 - 3 9 ) 根据传播条件的不同，n 取值为3 、4 或者更高。不同通信环境中1 1 取值范围如表3 - 1 所示： 表3 一l 各种环境通信的衰落指数n 通信环境 n 自由空间2 建筑内的直线通信 1 6 1 8 被遮蔽的城市的小区通信3 5 暴于火星探测的k a 波段深窄通f ；i 竹道建模第二三章k a 波段深窄通f i i i 信道的传输特性 城市的小区通信 2 7 3 5 建筑内有阻挡的通信 4 6 工厂内有阻挡的通信 2 3 3 3 2 信号的延时 延时是通信系统的重要技术参数，由于探测火星时，探测信号要从火星探测器到 达中继卫星，再传回地球站，电磁波会经过如此遥远的距离，从而导致传输延时。下 面进行传输延时的计算。 信号传输分为两部分。一是从地球站到达中继卫星，传输延时为t l ；二是从中继 卫星到火星探测器，传输延时为t 2 。 深空通信过程中，从深空探测器到中继卫星链路和中继卫星到地球站链路都存在 信号的延迟现象，当使用g e o 卫星作为中继时，如图3 1 所示：中继卫星为r ，地 球站为d 。设该地球站位于经度为l ，纬度为口l 的地区，卫星星下点经度为2 ，纬 度为秒2 。地球站和星下点的经度之差。为西= 2 曲i 。 ：北极 星r 南极 图3 一l 中继卫星到地球站的路径 由图3 1 可得出俯仰角。，方位角。，经度差。和地球站纬度日i 的函数