《電子技術(shù)應(yīng)用》
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箭載共形相控陣衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈通信仿真研究
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2012年第11期
曾國奇1， 李思吟2， 韋志棉1， 饒贛新3
1. 北京航空航天大學 無人駕駛飛行器設(shè)計研究所， 北京100191； 2. 北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京100191； 3. 貴航飛機設(shè)計研究所科技開發(fā)部, 貴州 安順 561000
摘要： 利用中繼星作為通信中繼，在運載火箭發(fā)射的全程中火箭與中繼星都視線可見，不存在遮擋，可以實現(xiàn)對運載火箭的不間斷測控。文章對運載火箭共形相控陣衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈傳輸過程中的自由空間衰減、大氣衰減、火焰衰減、極化衰減、天線指向誤差損耗、雨衰等進行了分析，并對火箭飛行過程中，S波段箭載共形相控陣衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈的安全裕度進行了仿真。
中圖分類號： TN927
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)11-0104-04
The communication simulation of data link between satellite and rocket-borne conformal phased array
Zeng Guoqi1, Li Siyin2, Wei Zhimian1， Rao Ganxin3
1.UAV Research Academy, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China 　2. School of Electronic and Information Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China; 3. Guizhou Guihang Aircraft Design & Research Institute, Anshun 561000, China
Abstract： Using the relay satellite as a communications relay, the rocket and the relay satellite are within mutual sight during the whole launch of the launch vehicle. Without any shelter, uninterrupted measurement and control can be achieved on the launch vehicle. In this paper, the transmission losses of the data link between satellite and rocket-borne conformal phased array satellite were analyzed, such as free-space attenuation, atmospheric attenuation, flame attenuation, polarization decay, antenna pointing error loss, and attenuation induced by rain. And the safety margin of the data link between satellite and rocket-borne conformal phased array satellite is simulated during the rocket flight in the S-band.
Key words : conformal phased array; safety margin; flame attenuation

    運載火箭在飛行過程中與地面站通信時，受地球曲率的影響，火箭與地面站之間由于地球表面的遮擋，只在一定的飛行時間內(nèi)可見，因此必須布置多個地面測控站才能完成不間斷測控。利用中繼星作為通信中繼，在火箭發(fā)射的全程中，火箭與中繼星都視線可見，可以進行連續(xù)通信。

    為了保證信息的暢通，中繼星接收到的火箭發(fā)射信號電平必須要有一定的安全裕量?；鸺陲w行中電磁波需要穿過大氣層、電離層等，通信鏈路中主要存在以下的衰減：自由空間衰減、大氣衰減、火焰衰減、極化衰減、天線指向誤差損耗、雨衰等。本文對火箭飛行過程中，S波段箭載相控陣衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈的安全裕度進行了分析。
1 鏈路模型[1]
    運載火箭和中繼星通信鏈路如圖1所示。整個通信鏈路由發(fā)射機、發(fā)射天線、空間鏈路、接收天線、接收機等組成，其中空間鏈路衰減為：自由空間衰減、大氣衰減、火焰衰減、極化衰減、天線指向衰減、雨衰等。

    為了保證接收到的信號能在接收機端被正確地接收，必須要滿足一定的載噪比，同時為了可靠傳輸，還需要有一定的裕量M，接收機端的信噪比為：
 
2.2 大氣衰減Latm[2]
    根據(jù)ITU-R P.676-6 大氣衰減參考建議，在海拔高度小于10 km的情況下，可以根據(jù)嚴格的測試曲線結(jié)果進行擬合，得到單位距離上大氣（氧和水蒸氣）對電磁波的衰減量。頻率在S波段時，水和氧分子對電磁波的吸收率約為0.006 2 dB/km。大氣層總質(zhì)量的90%集中在離地球表面15 km高度以內(nèi)，總質(zhì)量的99.9%集中在地球表面50 km高度以內(nèi)。
    假設(shè)大氣層的高度為20 km，當垂直穿過大氣層時，引起的衰減為0.006 2×20=0.124 dB,當仰角為Φ時，則衰減為0.124/sin(Φ)，一般仰角必須大于15°，因此大氣引起的衰減最大不超過1.422 dB。
2.3 火焰衰減Lfla[3]
    火箭發(fā)動機的噴焰是一種不均勻的等離子體，它具有很高的電子濃度，且湍動異常劇烈，所以電信號通過火焰時會受到嚴重的影響。
　　火焰影響除了與信號的工作頻率、測量站的位置等有關(guān)外，主要取決于火焰的電參數(shù)（電子碰撞頻率v和電子濃度N），通常用?琢0表示頻率為w的無線信號在噴焰中的衰減常數(shù)，即：
　 
式中，±4XTXR項中的符號取決于接收電波極化旋轉(zhuǎn)方向與接收設(shè)備所要求的是否一致，一致時取正，相反時取負值。當XT=XR，α=0且同旋向時，Lp=0,這是極化匹配的條件；當XT=XR，α=90°且反旋向時，這是極化失配情況。接收天線極化軸比為2 dB，發(fā)射天線不同的軸比，不同的方向夾角下引起的極化衰減如圖2所示。

 


2.6 降雨引起的衰減Lrain
    雨衰是由于雨滴吸收能量并把能量散射出無線電波束之外而引起的。在長度為r0的傳播路徑上，降雨引起的總的衰減AR與沿電路的雨衰減?酌R(r)(dB/km)有如下關(guān)系式：
    
    從圖6~圖8可以看出，F(xiàn)M體制的已經(jīng)完全沒有鏈路裕度，而BPSK和QPSK最大也只有1.6 dB。

    如果按發(fā)射功率為10 W,鏈路裕度為6 dB，衛(wèi)星接收機的G/T值為5.7,天線增益為18 dB，要想傳輸碼速率為1 Mb/s的信號是不可行的。如果采用BPSK或QPSK體制， 則可以采用增大發(fā)射功率到38 W或天線增益為23.85 dB的辦法來實現(xiàn)。
    在其他參數(shù)相同的情況下，采用BPSK或QPSK可以比FM體制的發(fā)射功率小20 W左右，天線增益可以小2.66 dB左右。
參考文獻
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[3] 李環(huán). 運載火箭發(fā)動機火焰衰減仿真研究[J]. 導彈與航天運載技術(shù),2007(4):10-12,28.
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272-290.

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