融合卫星姿态的星地信道建模及硬件模拟

来源：信号处理杂志 2024年第6期北京时间：

作者：周强军, 吕崇玉, 陈小敏, 华博宇, 台鑫, 朱秋明

摘要：针对传统星地信道模型及其硬件模拟方法没有考虑卫星姿态对信道特性影响的问题，本文基于几何地理随机模型（Geometry-based Stochastic Model， GBSM）框架，提出了一种融合卫星姿态的星地信道模型。该模型通过构建四个独立的坐标系并引入姿态修正矩阵，来描述卫星姿态变化对星地信道特性造成的影响。在此基础上，本文基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array， FPGA），设计并研制了一种星地信道硬件模拟器。硬件模拟器采用差分迭代的算法来生成信道衰落因子，可以极大提高硬件模拟的实时性，确保生成的衰落数据与实际场景相匹配。同时，还采用了并行处理架构，可以支持最大640 MHz带宽的星地信道模拟。为了将衰落数据与并行架构相匹配，引入了并行内插算法，可以将串行的衰落数据内插成同速率的多路并行衰落数据。此外，为了能够精准控制硬件装置输出信号的功率，设计了基于预训练的功率校正方法。通过内部校正源信号预先训练出整个模拟过程给信号带来的增益再进行功率补偿，从而保证输出信号的功率可以被精准控制。最后，在典型场景下开展仿真模拟，导出硬件模拟器的输出结果并分析其统计特性，结果表明实测输出的概率密度函数（Probability Density Function， PDF）和多普勒功率谱密度（Doppler Power Spectral Density， DPSD）与理论值吻合，证明本文设计的硬件模拟器可以准确地复现实际场景下卫星姿态发生变化的星地信道。本文提出的融合卫星姿态的星地信道模型以及研制的硬件模拟器很好地解决了传统模型以及硬件模拟方法的局限性，在卫星通信系统的优化、评估和验证环节具有极大的潜在价值。

关键词：‍‍星地信道模型, 信道模拟, 姿态修正矩阵, 多普勒功率谱