卫星信标信道模拟器的设计与应用＊

陈奇东，刘 钝，欧 明，甄卫民

（中国电波传播研究所，山东 青岛266107）

0 引 言

利用GNSS双频信号进行电离层测量已成为目前重要的电离层环境测量手段。但由于GNSS卫星特点，难以实现对电离层电子密度剖面的高精度反演。为实现对电离层的电子密度的三维探测，目前，国外提出了利用低轨卫星星载专用信标结合GNSS测量的方法，实现对电离层电子密度的三维测量。

三频卫星信标是低轨卫星搭载的重要电离层探测设备。三频卫星信标测量系统是由星载发射机向地面发射三个频点单载波信号，地面监测站接收机测量三个频点信号的差分相位，通过差分相位计算出相对TEC（总电子含量），利用多个地面接收机的相对TEC观测数据联合开展电离层电子密度层析成像反演工作，可获得电离层峰值电子密度［1－2］。

美国的三频信标电离层测量主要借助导航卫星系统和COMIC、OSCAR等卫星系统实现，测量示意图如图1所示。

在三频信标测量系统研制过程中，为了保证系统达到期望的业务运行能力，需要在三频信标发射机随卫星发射之前，对该系统的电离层峰值电子密度测量精度进行地面测试，以验证整个系统是否达到预期技术指标。

图1 三频信标测量系统示意图

在地面测试和验证过程中，需要模拟星地链路及电离层效应对星地链路的影响，三频信标信道模拟器是其中的关键设备，它可以模拟接近真实信道环境的电波传输特性，用于设备研制过程中的调试和测试显著降低研发成本［3］。

1 三频卫星信标信道模拟器现状

卫星信标信道模拟器是实现系统论证、设计、开发的重要手段。随着GNSS在全球的广泛应用，GNSS卫星信号模拟器已成为GNSS应用开发的必要设备，国内外已有多家单位开展相关工作，其在模拟GNSS卫星信号的同时，也可以加载信道信息，为GNSS系统研制发挥了重要作用。但对于三频信标测量系统而言，目前只在美国、欧洲等航天大国有所应用，并且，这些三频信标测量系统模拟器主要是通过通用的卫星信道模拟器和专用软件实现三频信标信道的模拟。

通用的卫星信道模拟器主要有:

1）美国RT LOGIC公司的卫星信道模拟器可以用于LEO、MEO、GEO卫星的星地链路模拟，也可以模拟无人机、导弹等地空通信链路，可以模拟星地链路的延迟、卫星运动多普勒、多径衰落、衰减等信息。

2）美国HOLLIS公司的卫星信道模拟器可以模拟连续相位的多普勒延迟，具有独立的数字噪声产生器，可以模拟雨衰，并配有专用软件和包含大量卫星轨道参数的数据库。

3）芬兰Electrobit公司的信道模拟器嵌入地面移动通信模型、短波通信模型，可以模拟传播延迟、运动多普勒、多径衰落、衰减等信息，也带有地空信道模块，但模拟的地空信道参数和范围有限。

4）德国IZT公司的信道模拟器，能够模拟通道延迟、衰落等，适合模拟卫星链路。

现有的三频信标测量系统，都是利用这些通用的卫星信道模拟器，通过设计专用的软件，来实现传输链路的模拟。国内尚未见到有关卫星信道模拟器及三频信标信道模拟器生产厂家的报道。

2 三频信标信道模拟器设计

三频信标信道模拟器的设计包含硬件设计和软件设计两个部分。

2．1 三频信标信道模拟器硬件设计

1）主要技术指标

工作 频 段:VHF（150MHz）、UHF（400 MHz）、L（1067MHz）；带宽:2MHz；模拟通道数:9个；多普勒:0±400kHz；延迟:5μs～1s；噪声:－160～－100dBm／Hz；幅度分辨率:0．5dB．

2）主要功能

能够模拟信号延迟、多普勒、衰落、衰减、噪声等；能够设置不同的接收场景；各通道相互独立，可分别设置信道参数；信道参数可根据不用的应用灵活配置。

3）工作原理

三频信标信道模拟器硬件部分由上、下变频及高速中频处理组成，原理框图如图2所示。

图2 三频信标信道模拟器硬件原理框图

三通道的三频信标信道模拟器的输入、输出均是射频信号。通过下变频器将输入的射频信号变频至中频；对中频信号进行数字化采集；进而进行中频数字化处理，包括信号的正交解调、多普勒频移设置、多普勒扩展设置、传输延迟设置、多径衰落模型的载入、信道衰减设置、随机噪声产生等；最后将中频数据通过D／A转换器回放，并进行上变频，从而实现射频信号的输出。

2．2 三频信标信道模拟器软件设计

三频信标信道模拟器的硬件实现了信号的输入、处理、输出的功能。在此基础上，需要专用的模拟软件，模拟三频信标测量系统的被测场景和接收场景，通过对硬件进行控制，实现三频信标信道的模拟。

软件流程图如图3所示。

图3 三频信标信道模拟器软件流程图

根据国际参考电离层模型，产生电离层电子密度分布，再输入站址、轨道参数、信号频率、信噪比等仿真参数，计算信号的传播延迟、衰减等，利用计算结果对信道模拟器硬件进行配置。

3 三频信标信道模拟器应用

3．1 三频信标发射机载荷与接收机进行地面对接测试

在研制三频信标发射机载荷和接收机的过程中，三频信标信道模拟器可以为载荷与接收机的对接提供模拟通道（如图4所示），实现载荷与接收机的对接测试。

图4 载荷与接收机对接框图

通过三频信标信道模拟器模拟卫星运动、轨道高度、电离层环境、多径、噪声等参数，为载荷与接收机的对接测试营造真实的电波传播环境，从而清楚的掌握三频信标系统的测量指标及实现场景和约束条件。

3．2 卫星载荷与接收站网进行地面对接测试

卫星发射之前，需要对卫星载荷进行再次确认并验证其满足系统测量指标的情况。测试框图如图5所示。

图5 载荷与接收站网对接框图

利用三通道三频信标信道模拟器，实现卫星载荷与三台地面接收机的对接。通过三通道三频信标信道模拟器模拟电离层电子密度的分布和地面接收场景，为接收机的测量创造真实的环境，通过多台接收机的联合测量和反演给出电离层电子密度的分布。从而，对系统的测量能力进行评估。

4 结 论

近年来，三频信标测量系统在国外已经有大量应用。未来几年，我国也将发射搭载三频信标的卫星，用于空间环境监测，除了借鉴美国、俄罗斯等国公开报道的资料外，没有其它可借鉴的资料。因此，在三频信标测量系统论证、卫星载荷研制、地面接收机研制、地面观测站网的部署等环节迫切需要系统仿真，三频信标信道模拟器是其中最关键的设备，通过信道参数设置可以实现电离层不同测量场景的仿真，可以为卫星载荷研制、地面应用系统的建设提供第一手的资料，三频信标信道模拟器的应用将为三频信标测量系统的成功研制提供有利保障。

［1］ 吴 健．用三频卫星信标测量电离层天气新方法［J］．中国科学:A辑，2000，30（增）:111－114．

［2］ 甄卫民，冯 健．星载三频信标探测技术［C］∥第十三届全国日地空间物理学术讨论会论文集，2009．

［3］ 马 上，胡剑浩，王 剑，等．基于三状态 Markov链的卫星信道模拟器设计与实现［J］．系统仿真学报，2007，19（17）:3961－3965．