2. 北京邮电大学 电子工程学院, 北京 100876;
3. 哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院, 哈尔滨 150001
针对卫星天线指向不精确时信息传输的同步性能，在OPNET仿真平台上基于对地静止轨道无线接口(GMR-1) 标准建立卫星移动通信模型，研究天线指向不精确时的卫星移动通信系统同步性能.其核心思想是通过移动式地面站和信关站之间的互动来完成影响的仿真，即建立天线指向不精确时的频率与定时同步数学模型，分析频率和定时同步性能的统计特性，得出天线指向不精确时对同步性能带来的定量影响，并进行仿真.理论分析和仿真结果表明，与指向精准的卫星天线相比，天线指向不精确时对卫星系统的定时同步影响较小，而频率同步的性能与用户位置有关，受频率同步影响的误码率性能下降约为10-1~10-2数量级.
2. School of Electronic Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China;
3. College of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
For synchronization performance under imprecise antenna pointing condition, a satellite mobile communication system is established based on the geostationary orbit mobile radio interface (GMR-1) standard on the OPNET platform, the entire satellite synchronization performance is studied when the downlink antenna points inaccuracy. Its core idea is to complete the inaccuracy antenna pointing impact simulation through the interactive among mobile earth stations and gateway stations, to establish the mathematical model, to analysis and simulate the time synchronization and frequency synchronization performance to achieve the quantitative impact under imprecise antenna pointing condition. Analysis and simulation show that, compared with the satellite that has precise pointing antenna, the imprecise condition has little impact on the time synchronization, however, the frequency synchronization performance is relative to the location of the user, it may reduce the bit error rate performance by 10-1 to 10-2.
现代卫星已经形成星群组网的通信方式[1-2]，但由于卫星携带柔性天线[3]，经历宇宙环境噪声，会使天线出现指向不精确性问题[4-5]，而卫星天线常为多波束天线，覆盖较大区域[6]，一旦天线指向不精确，容易使通信质量受到影响.
为了全面进行分析，在卫星对地静止轨道无线接口(GMR-1, GEO-mobile radio interface)标准下建立仿真模型.而因为同步是其关键技术之一，所以从定时和频率同步出发，研究天线指向不精确时对卫星移动通信系统带来的影响.
1 GMR-1中关于系统同步的分析GMR-1系统是一个多波束的同步系统，这里讨论的系统同步为定时同步、频率同步.
1) 定时同步
移动式地面站(MES, mobile earth station)从广播信道读取初始定时同步预纠值，当MES发送信道请求时，信关站(GS, gateway station)在接收到信道请求后，根据预纠值确定接入信号的实际到达时刻，并与期望到达时刻对比，获得初始接入的定时同步偏差.
2) 频率同步
GMR-1卫星移动通信系统中，MES通信体制采用的是频分复用(FDM, frequency division multiplexing)模式. MES的频率对齐是由网络提供的传输频率修正完成的.限于篇幅，这里不再赘述，具体的频率同步过程可参见GMR-1标准[6].
2 天线指向不精确性模型假设发生指向不精确的天线为下行链路天线，其主瓣中的高斯方向分布规律为
|
(1) |
这里将不精确发生过程建模为单摆运动，按照衰减正弦的形式进行变化，可以得到天线指向不精确的波束中心摆动角度服从式(2) 所示的规律：
|
(2) |
其中：φ为初始相位，f为天线发生指向不精确时的频率，θ为指向不精确导致的角度偏移量.
3 同步系统建模与仿真研究3.1 天线指向不精确时的频率同步分析3.1.1 模型建立基于功率控制系统的GMR-1卫星移动通信系统物理层的仿真模型如图 1所示[6].由于天线发生指向不精确时，多普勒频移十分严重，对系统造成最大冲击的正是频率同步.
|
图 1 GMR-1物理层仿真模型 |
对不同偏差、不同信道模型的仿真如图 2~4所示，图中天线指向不精确，简称为振颤.
|
图 2 15°仰角重阴影不同频率偏移时的误码率仿真 |
|
图 3 20°仰角下不同频率偏移时的误码率仿真 |
|
图 4 80°仰角下不同频率偏移时的误码率仿真 |
采用满足GMR-1标准的线性调频(Chirp)信号捕捉算法. 图 2中，当频偏在1~5 Hz内时，信号信噪比对误码率的影响相比完全同步的情况小.重阴影环境下的信号，误码率性能较差.
图 3和图 4分别为20°和80°仰角下的信号仿真.横向比较，因具有相对优异的乘性噪声一阶统计特性，高仰角下的用户误码率相对较好.纵向比较，信噪比的增加对信号质量的提升有限.
3.2 天线指向不精确时的定时同步分析3.2.1 OPNET模型建立建立不同场景如图 5~7所示，仿真中主要涉及的仿真建模参数如表 1所示.
|
图 5 少量用户固定位置仿真场景 |
|
图 6 新大量用户固定位置仿真场景 |
|
图 7 大量用户移动位置仿真场景 |
|
表 1 OPNET模型主要参数 |
仿真中，包含7个GS，设定仿真时间为2 h，定时同步偏差均设为GMR-1中的定时同步偏差值，即Δ=30 μs，同时假设用户解调门限为5 dB.并且，在所有仿真场景下，MES1处于波束纬度边缘，MES3处于波束经度边缘.至此，完成了主要仿真场景的设置和布局.
3.2.2 天线指向不精确时的定时同步仿真1) 少量用户固定位置仿真场景
图 8所示的结果表明，随着仿真过程的进行，波束0中通话同步次数均逐渐增加，无论发生指向不精确与否，系统定时同步的偏差均不会超过GMR-1系统最坏的定时同步偏差.
|
图 8 波束0通话同步统计结果 |
2) 新大量用户固定位置仿真场景
表 2和表 3分别示出了不发生指向不精确时和发生指向不精确时的各波束定时同步性能. acnsy表示接入不同步次数，acnsy_rate表示接入不同步率，calnsy表示通话不同步次数.分析表中数据可知，不发生指向不精确时，定时同步的偏移量不会超过门限值.当发生指向不精确时，7个波束内的MES接入的定时不同步次数均增加.
|
|
表 2 新大量用户固定位置天线不发生指向不精确时系统同步的统计值 |
|
|
表 3 新大量用户固定位置天线发生指向不精确时系统同步的统计值 |
根据GS网络端的统计数据，对于图 6所示的仿真场景，发生指向不精确时会使接入不同步率增加较大.另外，无论发生指向不精确与否，MES通话时均不会发生定时不同步，可见GMR-1系统对定时同步偏差的再次补偿能力较强.
3) 大量用户移动位置仿真场景
|
|
表 4 大量用户移动位置天线不发生指向不精确时系统同步的统计值 |
|
|
表 5 大量用户移动位置天线发生指向不精确时系统同步的统计值 |
分析可知，不发生指向不精确时，系统定时同步的偏移量不会超过同步门限值；当发生指向不精确时，各个波束内的MES接入不同步次数逐渐增加，MES用户的接入同步性能受到不同程度的影响.
而根据GS网络端的统计数据，对于图 7所示的场景，发生指向不精确时会降低系统接入定时同步的性能，增大接入不同步率.同样可见，GMR-1系统对移动用户的定时同步偏差的再次补偿能力依然较强，且大量用户移动位置仿真场景下的接入不同步率要低于新大量用户固定位置.
4 结束语卫星天线机械的不稳定性和受到宇宙环境噪声影响，导致天线发生指向不精确问题，使得其整个通信链路性能和同步性能都下降.笔者基于GMR-1标准对典型的卫星同步性能进行了仿真建模及研究，仿真分析了频率和定时偏差性能.仿真结果表明，当天线发生指向不精确时，会使得链路上的接收载噪比产生较小的变化，而频率同步性能对系统的影响较大，会在物理层使得接收端的误码率下降严重，当频偏保持在3 Hz以内时，基本可以维持基本的卫星通信.从网络端接入定时同步、通话定时同步统计数据看，定时同步误差均以大于95%的概率小于GMR-1系统的最坏同步偏差门限值.
| [1] | Hyo-Sung Ahn, Okchul Jung, Sujin Choi, et al. An optimal satellite antenna profile using reinforcement learning[J].IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, 2011, 31(12): 393–406. |
| [2] |
游斌弟, 赵志刚, 赵阳. 柔性天线面对漂浮基星载天线扰动分析及抑制[J]. 航空学报, 2010, 31(12): 2348–2356.
You Bindi, Zhao Zhigang, Zhao Yang. Disturbance analysis and suppression of flexible antenna reflector on free-floating satellite antenna[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2010, 31(12): 2348–2356. |
| [3] | PAndrea Monti Guarnieri, Stefano Tebaldini, Davide Giudici, et al. Long-term relative radiometric calibration and antenna pointing estimation by natural targets[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2013, 51(8): 4388–4396. doi: 10.1109/TGRS.2012.2230269 |
| [4] | Han Liuyan, Nan Hua. A distributed time synchronization solution without satellite time reference for mobile communication[J].IEEE Communications Letters, 2013, 17(7): 1447–1450. doi: 10.1109/LCOMM.2013.051313.130733 |
| [5] |
李世强, 禹卫东. 分布式卫星SAR相位同步的实现方案及试验验证[J]. 电子与信息学报, 2012, 34(2): 356–360.
Li Shiqiang, Yu Weidong. Implementation and verification for phase synchronization of distributed satellite SAR[J].Journal of Electronics and Information Technology, 2012, 34(2): 356–360. |
| [6] | ETSI. GMR-1 01.202, GEO-mobile radio interface specification; part 1: general specifications; sub-part 3: generalsystem description[S]. Nice, France: ETSI, 2011, 1-30. |