IP-STAR衛星跨點波束自動對星系統研究及應用展望

鄭學東，高云勇

（南京中網衛星通信股份有限公司，南京 210061）

1 引言

衛星通信有很多優點，各行業、各地區、各企業的衛星應急通信建設突飛猛進，對衛星轉發器需求急劇增加。IP-STAR衛星定位在東經119.5°，其中Ku波段在中國國內及沿海地區可使用的有23個點波束，1個成形小束，通信容量約12Gb/s，盡快大規模使用IP-STAR衛星轉發器可大大緩解國內對衛星應急通信轉發器的需求壓力，加快促進“政府主導、部門聯動、社會參予”應急通信保障機制的形成，推動衛星應急通信產業爆發性跨越式增長。

2 IP-STAR衛星系統簡介

2.1 IP-STAR衛星

IP-STAR衛星是Space System/Loral(SS/L)勞拉空間系統公司（美國）制造，于2005年8月11日發射成功，軌道位置東經119.5°，服務時間截止至2022年6月31日。

IP-STAR衛星用23個Ku點波束、1個Ku成型波束、1個Ku廣播波束覆蓋中國大陸。在中國大陸有北京、上海、廣州三個關口站，相互之間通過地面光纜相連接，衛星為中國大陸提供約12Gb/s的通信能力。北京關口站監控管理的波束有301，302，303，304，305，306，307，308，311（9個點波束）和東部1個廣播波束；上海關口站監控管理的波束有312，313，317，318，321，322（6個點波束）和西部1個成形波束；廣州關口站監控管理的波束有309，310，314，315，316，319，320，323（8個點波束）。

2.2 IP-STAR衛星對中國的覆蓋

圖1 IP-STAR衛星對中國的覆蓋

2.3 IP-STAR衛星系統典型使用拓樸圖

圖2 寬帶接入圖

表1 IP-STAR主要終端圖

3 IP-STAR衛星跨波束自動對星系統研究

IP-STAR衛星通信系統的優點：采用Ka+Ku復合傳輸技術及頻率多重覆用技術，使衛星的轉發器成本遠低于傳統衛星成本，衛星系統星上轉發器價格是現在通用轉發器價格的一半以上。

IP-STAR衛星采用星上動態功率管理和動態帶寬管理等新技術，解決了Ka與Ku波段衛星通信雨衰大的問題，采用Ka+Ku頻段空間交鏈技術和跳頻技術，可有效防止不法信號的干擾，終端設備成本低。

IP-STAR衛星通信系統的不足：在中國東部地區主要的通信資源在23個點波束，對于固定站而言不需要跨區域，可以在一個點波束內正常通信，但對于移動站而言就需要跨區域在不同的點波束內工作，而且好多地方存在2個或者3個點波速重疊地區，用戶在哪個區域根本不知道用哪個點波速或者對于移動站位置變化頻繁，對于應急通信或需跨點波束使用用戶，對星工作相當困難，嚴重影響IPSTAR衛星應用。

IP-STAR衛星跨波束（針點波束）自動對星系統就是要開發一種自動跟蹤接收機，來輔助移動衛星通信息系統完成識別和確定跨到哪個強波束的功能，來輔助移動衛星站能完成自動尋星和入網的功能。

3.1 設計要求

（1）跟蹤接收機做成1U機箱式或尺寸為100mm×100mm×30mm的模塊形式以及手持式：

1U機箱式主要用于車載系統，預留通信接口可以和伺服控制器以及計算機通信，不需要多大的硬、軟件改動就可以將原有的衛星跟蹤系統改為IP-STAR衛星跟蹤系統，所有的協調工作由跟蹤接收機完成，而且1U機箱式跟蹤接收機有液晶屏與鍵盤，可以將AGC值和頻譜信息顯示出來，也可以進行鍵盤手動操控，可以用于各種系統，兼容性強，也便于機架式安裝，市電工作，方便使用。

模塊式主要用于自動便攜站，模塊式跟蹤接收機的任務主要是處理成形波束與點波束的AGC值，將最大AGC值送給伺服系統用于衛星跟蹤，并結合GPS定位信息，準確判斷出是否要跨波束，將此信息匯報給計算機，由計算機自動申請建立新的鏈接。

手持式主要用于手動便攜站和開設地面站使用，根據GPS定位信息與衛星位置可以自動計算出天線所要達到的水平與俯仰角度，便于快速對星，其內置電池，可以給LNB饋電，尺寸較小，便于攜帶，方便使用。

（2）跟蹤接收機工作頻率為250MHz～2150MHz（LNB用雙本振工作，頻率為9.75和10.6GHz；或單本振，本振頻率為10.6GHz或9.4GHz），包含廣播波束、成形波束與點波束頻段；輸入信號動態范圍為-45～-95dBm；AGC輸出電壓范圍：0～10V。

（3）具有頻譜分析功能，能顯示頻譜或給出頻譜數據。

（4）具有GPS定位能力，并自動根據電子地圖識別出移動站大約在哪些點波束內。

（5）能根據GPS信息與各接收機AGC值自動準確給出信號較強的點波束信息。

（6）能與計算機以及伺服控制器通信，當跨點波束時能通知計算機自動與關口站聯系，申請重新建立鏈接。

3.2 設計方案

圖3 IP-STAR衛星自動跟蹤系統原理框圖

從圖3來看，如果是傳統的衛星則比較好跟蹤，因為有信標信號，且只有一個寬波束，用一臺衛星信標接收機就可以解決問題，但對于IP-STAR，衛星信標接收機就不行了，因為它沒有信標信號，且有很多點波束。由此我們想到一種最簡單的辦法，就是向IP-STAR星每個波束各發送一個不同頻率的不間斷的單載波或調制信號，用來作為信標信號，這樣地面站就可以像跟蹤傳統衛星一樣用現有的衛星信標接收機來進行自動跟蹤了，技術很成熟，較容易實現。經過與運營商的溝通，可以按用戶使用地址，由我們負責發送單載波或調制波供尋星用（我們發送的信號以下稱之為信標信號）。

通過觀察IP-STAR星的中國地區覆蓋圖，我們發現成形波束覆蓋中國整個西部地區，頻率范圍為10950～11200MHz；廣播波束覆蓋整個中國東部地區，頻率范圍為11500～11700MHz，所有點波束在廣播波束內，頻率范圍為12200～12371MHz，12389.5～12560.5MHz，12579～12750MHz三個接收頻段，且每個相鄰點波束的頻率都不相同，這使跟蹤接收機的工作變得易于實現了一些。我們只需要用一臺調制解調器向一個或多個點波束內發送信標信號就可以了，經衛星轉發后它們在相鄰點波束內的頻率是不一樣的，便于跟蹤接收機到達該區域時進行點波束的判別。根據以上頻段特點，跟蹤接收機應至少由兩個現有的IP-STAR接收機與MCU組成，在MCU的控制下并行工作，一個處理當前點波束或成形波束內的信標信號，得到的AGC值反饋給伺服控制單元，使天線始終對準衛星，功能與傳統衛星地面站的信標機功能相同；另一個根據GPS提供的地理信息處理該區域內各點波束和成形波束內的信標信號，在后臺運行，不斷比較最多三個點波束或成形波束內信標信號的AGC值大小，當另一個點波束或成形波束內信標信號的AGC值穩定大于當前波束內信標信號的AGC值達到門限時，并且根據GPS信息得出地面站移動的軌跡，得到大致向哪個點波束內移動，綜合判斷后，由MCU發出反饋信息給用戶端計算機，用戶端計算機自動發送跨區重現鏈接申請給關口站，得到批準后，由用戶端計算機通知跟蹤接收機和調制解調器等，重新鏈接建立成功。

對于以上方案，目前遇到了一個問題是市場上還沒有輸入頻率為10950～12750MHz，輸出帶寬可以達到1.8GHz的LNB（目前還在尋），這就造成當遇到點波束與成形波束切換時需要更換LNB，這就不能實現全國范圍內自動跟蹤，動中通在這一區域使用將很不方便。我們想到一種彌補方法是采用雙本振的LNB，目前市場上有本振為9.75GHz與10.6GHz的LNB，通過22kHz信號來控制頻率切換，但這也只能依據GPS定位信息來判斷點波束與成形波束的切換區域，不再能依據AGC值來判斷是否要切換，此時的跟蹤接收機要么工作在成形波束頻段，要么工作在點波束頻段，后臺工作的接收機不能同時處理成形波束與點波束的信標信號，這就使切換的時機達不到最佳狀態，切換的時間也相對點波束之間切換較長一些。所以還是希望能找到或定制到輸入頻率為10950～12750MHz，帶寬為1.8GHz的LNB為好，調制解調器可能達不到這個工作帶寬，可在之前加個頻率選擇模塊（如圖3），將頻率較低的成形波束頻帶搬移至調制解調器可正常接收的范圍。

3.3 IP-STAR星跟蹤接收機設計

圖4 IP-STAR衛星信號跟蹤接收機原理框圖

IP-STAR星跟蹤接收機主要由分配器、廣播波束接收機、點波束接收機、GPS模塊、MCU組成。

3.3.1 分路器

圖5 分路器

分路器主要由功分器與濾波器組成，將LNB過來的250～2150MHz信號功分。頻率最終以LNB輸出頻率而定。

3.3.2 接收機

圖6 接收機

接收機1與接收機2硬件組成基本相同，主要由變頻部分、中頻放大、濾波、數字信號處理等部分組成。將分路器送來的信號進行多次變頻處理（進一步防止鏡頻與雜散信號干擾），變為中頻信號，經濾波放大后進入數字信號處理電路，進行FFT，并頻譜識別，得到準確的頻譜信息與幅度值，并送給MCU。

3.3.3 GPS模塊

得到經緯度信息、時間信息等，并送給MCU或用戶端計算機。

3.3.4 MCU

MCU主要由FPGA、單片機、DSP等組成。主要功能為：內置電子地圖，將各波束的覆蓋情況標注在電子地圖內，當移動站到達某區域時，能自動給出該區域的波束覆蓋數量，并將各波束的頻率信息發送給點波束接收機，點波束接收機在后臺比較這幾個波束的AGC值，當滿足跨區條件時，反饋信息給MCU，MCU通知用戶端計算機發送鏈接申請給關口站，得到關口站確認后，由計算機將確認信息反饋給調制解調器收發頻率、MCU，新的鏈接完成。

3.3.5 頻率選擇模塊

圖7 頻率選擇模塊

將LNB過來的信號分成兩路，由兩只微波開關選通，點波束信號選擇直接通過，成形波束信號經兩次變頻后，搬移至調制解調器可正常接收的頻率范圍，然后再送給調制解調器，采用兩次變頻可以有效的防止鏡頻等雜散信號干擾。輸入輸出頻率最終以LNB本振頻率而定。

3.4 使用步驟

第一步：打開設備電源。

第二步：跟蹤接收機內的GPS開始定位。

第三步：跟蹤接收機開始判斷GPS定位沒有，如定位成功，則無須繼續定位。如不成功繼續定位。

第四步：跟蹤接收機開始根據定位的GPS信息，將衛星移動站所在的各波速的覆蓋波速數量和頻率發送給跟蹤接收機。

第五步：根據跟蹤機給出的波速覆蓋頻率進行變頻、濾波和數字信號處理，最終轉化為AGC進行比較。

第六步：跟蹤接收機開始所在區域的波速的頻率進行比較和判斷，是否找到信號最強的波速，否則重新比較和判斷。

第七步：跟蹤接收機把移動站所在的頻率覆蓋比較的AGC最大的作為此次尋星和通信的主要信息。

第八步：跟蹤接收機把主要信息送給用戶終端和衛星天線伺服機構。

第九步：結束。

4 應用展望

IP-STAR衛星跨波束自動對星系統研究成功，有效拓展了IP-STAR衛星系統從固定通信應用為主到移動通信應用，特別適合衛星在應急通信方面的動態立體跨區域應用。

我國共擁有各類漁船106.56萬艘，其中機動漁船為67.52萬艘，海洋捕撈漁船20.45萬艘。漁船作業時通信保障只有短波電臺、超短波漁用對講機、北斗衛星船載終端、CDMA手機等，通信距離只有30～50海里，而且只有語音或窄帶數據通信，若采用IP-STAR衛星跨波束自動對星系統，可有效解決近海漁船寬帶跨區域寬帶通信和高額費用問題。

我國約有60萬個行政村鎮，現階段廣播電視“村村通”工程是單向接收衛星系統，工業和信息化部通過三大運營商推廣的“村村通”工程是以光纖為主，按“寬帶進行政村，電話進自然村”為總體目標，但在重大災情發生時，光纖非常容易中斷或被關閉，不適合應急通信保障。用IP-STAR衛星跨波束自動對星系統，建設衛星應急通信保障專網，非常必要，也經濟實惠，按“平時服務，急時應急，戰時應戰”的原則，平時可按預案提前布署終端站，按需開通衛星帶寬，既充分利用IP-STAR衛星帶寬容量大、信號強、價格優，又節省巨大投入，對出現重大災情地區，采用跨波束自動對星系統的終端站可以快速布署，節省高額通信費。