STKX组件技术在星地链路中的仿真模式研究

STKX组件技术在星地链路中的仿真模式研究
高秀娥，魏秀参

摘要：为了能对星地链路的仿真过程进行精确控制，设计了STKX组件技术的星地链路仿真模块，实现了基于STKX组件技术的星地链路仿真环境。并通过STKX组件调用STK的访问计算功能对星地链路进行可见性计算，最后通过相关访问计算，对链路的性能指标进行了分析。

关键词：星地链路；STKX；链路性能指标

0 引言

随着空间资源的开发和利用，卫星综合信息网在一些关键领域特别是国防领域的应用将占据越来越重要的地位。该网络中的网络节点既包括传统地面网络中的网络设备，也包括空间轨道运行的各类卫星，航天器以及高空飞行器。星地节点间具有相互通信能力，但并不是每个时刻节点间都可以通信。它不仅需要建立卫星和地面站之间的有效数据传输

链路(即星地链路)，还要选择卫星和地面站的时间窗口内．并且链路性能较好的时刻通信。这就要求应用系统建立卫星和地面站之间的星地链路仿真环境，并对星地链路对象进行精确的建模。

为了满足对对象精确建模的需求，并且在应用系统中能图形化显示卫星在轨动态运行的效果，需要借助卫星工具包STK(Satellite Tool Kit)提供的STKX组件，它可以让开发人员在应用程序中无缝集成空间仿真环境与数据分析引擎，为开发航天应用系统提供了技术支持。

1星地链路特性

1.1星地链路传输模型

在星地链路传输过程中，会因为距离，环境等因素使传播信号衰减，包括自由空间传播损耗、大气吸收损耗、雨衰以及大气折射的影响，星地链路的传输模型如图1所示。

1.2发射机和接收机的传输参数

①等效全向辐射功率(EIRP)

EIRP是一个用来比较发射机的性能指数。是发射机发射功率和发射天线增益的乘积。参数值越大，代表发射机的发射能力越强。

EIRP=P*G     (1)

其中，P为天线所发射的功率，G为天线增益，是天线发出信号的强度与进入天线的强度的倍数。

②品质因数G/T

G/T是一种通用的比较接收机性能的参数。G是接收增益，r为接收系统噪声温度，G/T是接收增益除以接收系统的噪声温度，参数值越大，表示接收机的接收性能越好。

1.3链路性能参数

①通量密度(Flux Density)

通量密度是每单位面积的功率。计算公式为P／(4*pi*R^2)。单位是分贝(W／M2)。P为天线辐射功率，R为天线的半径。

②C/No载波与噪声密度比

星地链路载噪比为：





③Eb/No信噪比

星地链路性能由接收端信噪比的归一化形式Eb／No来表示(如10^(-7)误比特率所对应的Eb/No)，Eb为每比特能量，等于信号能量与每比特持续时间Tb的乘积；No为噪声谱功率密度。

④BER误码率

误码率(Bit Error Rate，简称BER)。误码率用来表示数据的失真程度。对于天基系统通信来说，数据受到访问的媒介和通信距离的影响，BER较高。噪音对BER性能的影响最大，噪音是以统计方式定义的随机过程，用高斯概率密度函数进行描述。

2 STKX组件

STKX组件是在STK中引入的COM组件，它以ActiveX控件形式发布。STKX组件技术允许开发者在其应用程序中无缝集成STK仿真环境与数据分析引擎，它为开发功能强大、控制精确的空间仿真应用程序提供了技术支持。

2.1 基于STKX组件技术的星地链路仿真模块设计

在星地链路仿真中，需要对卫星和地面站以及发射机、接收机等相关模型进行建模，这就需要利用STKX组件调用STK的相关功能建立模型，基于STKX组件技术的星地链路仿真模式如图2所示。



图中STKX组件作为整个应用程序的一部分被集成到应用程序中，并运行在应用程序进程空间。应用程序对用户在3D图形界面与2D图形界面上的操作具有完全的控制能力，图中STKX内部事件监听器可以实现对STKX内部的事件进行监听，并将其反馈给应用程序。STKX组件通过命令方式与STK分析引擎进行交互，实现既定任务的仿真。

2.2 STKX仿真模块在Java开发环境中的实现

2.2.1生成Java开发包

此步骤需要用J—integra软件，运行安装目录＼bin目录下的com2Java．exe，导入STK安装目录下的STKX．dll文件，生成Java开发包，生成之前需对J—integra进行设置，选择Settings一>Options，选上以下选项：

Lowercase Method names

Implement interfaces that may conflict

Generate Beanlnfo

Generate JayaAWT classes

Re - use methods if interfaces contain duplicates

2.2.2应用程序中集成STK 2D、3D控件

①为了用COM组件，需要把生成的代码加入到工程中。并且在文件头部加入如下代码：import STKX. * 。

②在类的构造函数中生成一个STKX Globe Control和一个STKX Map Control。如果多个函数要用到这两个控件，则要把它们声明为成员变量。代码如下：

VOControl=new AgUiAxVOCntrl( )；

MapControl=new AgUiAx2DCntrl( )；

2.2.3实现STKX组件与STK服务器的交互

应用程序是以Connect字符串的形式来和STK引擎进行交互，新建场景的程序语句示例如下：

VOControl.getApplication( ).executeCommand(”New/Scenario sc”)；

在上述示例中，通过给exeeuteCommand函数赋不同的参数值，就可以使用利用STK引擎建立各种仿真对象并进行仿真计算和获得仿真结果。

3仿真及结果分析

3.1对象建模

①仿真环境

由于环境因素对电波传输的影响，因此引入STK中相关的模型。本文考虑了雨衰和大气吸收带来的影响，通过设置相关的参数，构建了雨衰和大气吸收模型。构建场景后，将场景的射频环境(RF／Environment)属性，设置为ITU—RP.618—8和ITU—R P.676—5；这些构建的模型中的参数符合了国际无线电通信协会的相关标准。

②卫星和星上对象

卫星在空间轨道的位置，可采用经典的6个轨道参数描述：轨道偏心率e(eccentricity)，轨道倾角i(inehnafion)，近地点角埘(argument of perigee)，升交点赤经Q(RAAN，Right Ascension of the AscendingNode)，轨道长半轴口(semi—major axis)，真近点角v(true anomaly)。

文中建立卫星模型的轨道参数如表1所示。



传感器(Sensor)

传感器设置为指向目标，关联的目标设置为地面站

发射机(Transmitter)。

Type(类型)，Complex Source Transmittero

Frequency(频率)，45GHz。

Power(功率)，5dBw。

Antenna(天线)，Diameter(直径)：1m。

Efficiency(效率)：55％。

Gains&Losses(发射机和接收机的特有损耗)。

Parameter：Pointing Loss，-1 dB 

其余的参数取默认值。

③地面站和接收机

地面站(Facility)，三个参数主要确定其地理位置。

Latitude(纬度)，40.1359 deg。

Longitude(经度)，-75.5192 deg。

Altitude(海拔高度)，0 km。

接收机(Receiver)，确定接收机能力。

Type(类型)，Medium Receiver。

Gain(收益)，20dB。

System Temperature(系统温度)，calculate option。

Receiver Noise Figure(接收噪声品质)，1.2dB。

Antenna Noise(天线噪声)。

parameter：calculated，Sun(太阳)、Atmosphere(大气)、Rain(雨水)。

Rain model outage(传输损耗)：0.001。

Refraction(折射)，ITU—R P.834—4。

其余的参数取默认值。

3.2仿真计算结果

卫星和地面站之间的星地链路可以用卫星与地面站之间的时间窗口个数(可通信次数)、平均时间窗口长度(平均每次可通信时间)、最大和最小的时间窗口长度(最大和最小可通信时间)等参数描述。卫星和地面站在某时刻可通信，即两者可见。通过调用STKX组件，对卫星和地面站进行建模，并结合环境等因素对模型进行设置，星地链路仿真结果及指标值如图3所示。



通过对卫星、地面站等相关模型进行建模，通过STKX组件调用STK的访问计算功能进行星地链路的性能分析，得出的时间窗口以及链路性能的数据更为准确，能为进一步的卫星——地面站任务规划、调度提供依据。

4 结束语

文中将sTKx组件集成在卫星的地面应用系统中，并对卫星、地面站等相关模型进行建模，通过STKx组件调用STK的访问计算功能进行星地链路的可见性以及星地链路性能进行了分析。星地链路可以用卫星和地面站之间的时间窗口(即可通信的时间)描述，利用这些参数，以及星地链路的性能分析结果，能为进一步的卫星—地面站任务规划、调度

提供依据。同时将STKX组件集成到应用程序中开发人员就可以及时掌握仿真进程，能对用户的操作做出实时响应，同时也满足了用户对航天应用系统仿真具有精确的模型和实验结果，图形化显示卫星在轨动态运行的效果的要求，提高应用系统的简洁性和灵活性。

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