基于高仰角的寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座設(shè)計及傳輸性能分析*

徐 軍，王 忠，張更新

（1.中國人民解放軍陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210007；2.中國人民解放軍31006部隊，北京 100840；3.南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210003）

0 引 言

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)、多媒體技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，人們對通信的需求不再局限于單一的傳真、電話、電視和低速數(shù)據(jù)等傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)，而是逐步向語音、視頻、圖像及高速數(shù)據(jù)相結(jié)合的寬帶多媒體業(yè)務(wù)發(fā)展。然而，世界上還有許多地區(qū)因為經(jīng)濟(jì)或者地理因素?zé)o法享受通信技術(shù)發(fā)展帶來的福利，導(dǎo)致不能滿足一些政府、企業(yè)等重要單位的通信保障。我國“一帶一路”戰(zhàn)略提出后，加大了同國外的經(jīng)濟(jì)貿(mào)易往來。為了加強同一帶一路經(jīng)過的各個國家之間的聯(lián)系，保障國內(nèi)企業(yè)在國外的正常通信，需要建立一個全方位、多層次、復(fù)合型的互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)。我國同沿線各國的貿(mào)易往來中，將會有各種能源貨物的運輸。運輸路線將會經(jīng)過許多國家和地區(qū)，存在許多不可控因素，所以保障能源通道運輸安全的問題日益突出。如何實現(xiàn)能源運輸?shù)陌踩O(jiān)測，為貨物的運輸提供通信保障，是一個重要的問題[1]。

衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣，不易受地理因素限制等優(yōu)點。建立一個全球的寬帶星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)，能夠有效解決我國能源貨物監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域受限的問題，為我國同國外的經(jīng)濟(jì)貿(mào)易往來保駕護(hù)航，同時為出國出海保障和執(zhí)行特殊任務(wù)的軍隊和駐外使領(lǐng)館等提供安全的通信保障。

由于傳統(tǒng)的GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有傳播時延大、傳播損耗高、星上處理能力弱、網(wǎng)絡(luò)吞吐量小、通信費用昂貴等特點，主要作為地面通信網(wǎng)的延伸和補充。利用GEO衛(wèi)星建立一個面向全球的、具有經(jīng)濟(jì)競爭力的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，在當(dāng)前技術(shù)條件下顯然非常困難。

LEO衛(wèi)星軌道一般為幾百至一千多公里，通信傳播時延為數(shù)十毫秒級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GEO的通信時延。在正常通信的可接受范圍內(nèi)，新型LEO小衛(wèi)星具有星上處理能力強、可建立星間鏈路、容量大等特征，能夠有效解決全球海量數(shù)據(jù)的傳輸與處理問題[2]。小衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展使得衛(wèi)星造價不斷降低，衛(wèi)星公司已經(jīng)具有能夠量產(chǎn)小衛(wèi)星的能力，從而大大降低了衛(wèi)星的生產(chǎn)費用和生產(chǎn)周期，使得建立與維護(hù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的成本大大降低，也為在空間大規(guī)模建立LEO衛(wèi)星群奠定了基礎(chǔ)。

寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)是當(dāng)前衛(wèi)星通信領(lǐng)域重要的發(fā)展熱點之一，世界許多國家和衛(wèi)星通信公司都在制定自己的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)方案。OneWeb公司已經(jīng)啟動了世界上最大的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃，將發(fā)射648顆衛(wèi)星建立一個覆蓋全球的低軌道衛(wèi)星高速通信網(wǎng)絡(luò)。按照公布的計劃，后續(xù)還將發(fā)射2 400顆衛(wèi)星，以提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。SpaceX計劃打造由4 000多顆小衛(wèi)星組成的互聯(lián)網(wǎng)星座STEAM，在全球范圍內(nèi)提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。目前，SpaceX已經(jīng)通過挪威政府向ITU申報了頻率和軌位。從申報的情況來看，衛(wèi)星數(shù)量4 257顆，使用Ku和Ka頻段，運行在43個軌道面。LeoSat計劃建造一個由140顆衛(wèi)星構(gòu)成的星座，衛(wèi)星工作在Ka頻段，致力于打造120～140顆高功率Ka頻段衛(wèi)星星座，為全球提供寬帶數(shù)據(jù)接入服務(wù)。LeoSat將會使用高功率衛(wèi)星平臺，通過提高單星能力的方式減少衛(wèi)星數(shù)量[3]。

為適應(yīng)不斷擴大的對外交流，提前占據(jù)空間的軌道和頻率資源，我國有必要建立一個自己的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

1 星座設(shè)計

1.1 約束條件

本文研究的寬帶LEO星座主要針對我國國情而設(shè)計，主要設(shè)計約束條件如下：

（1）滿足境內(nèi)設(shè)站條件；

（2）目標(biāo)全球通信，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全球無縫覆蓋；

（3）采用低成本LEO小衛(wèi)星，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)不能過于復(fù)雜，衛(wèi)星點波束不能太多，衛(wèi)星天線不能過大；

（4）以境內(nèi)業(yè)務(wù)為主，境外業(yè)務(wù)量相對較小；

（5）滿足業(yè)務(wù)高速率的寬帶用戶需求，同時用戶終端需小型化。

1.2 基本思路

在星座構(gòu)型方面，為了實現(xiàn)全球通信，星座需要做到全球無縫覆蓋。因此，在星座構(gòu)型上宜采用能夠覆蓋南北極的極軌星座。

低仰角會導(dǎo)致傳輸損耗增加，使衛(wèi)星或者用戶終端天線口徑加大，而衛(wèi)星天線口徑太大會導(dǎo)致點波束過窄。而低仰角星座衛(wèi)星單星覆蓋面積大，如果采用低仰角方案會使衛(wèi)星點波束過多，增加衛(wèi)星復(fù)雜度，難以用低成本衛(wèi)星實現(xiàn)，且低仰角也會有傳播時延增大、通信容易受遮擋等缺點[4-5]。因此，提出高仰角星座系統(tǒng)方案，每顆衛(wèi)星的點波束數(shù)不多，傳輸距離較小，可用低成本衛(wèi)星實現(xiàn)，雖然衛(wèi)星數(shù)比較多，但系統(tǒng)的魯棒性（抗毀性）強。

下面將通過上行鏈路鏈路計算，分析若采用低通信仰角的銥系統(tǒng)星座對支持寬帶業(yè)務(wù)的可行性。由于OneWeb系統(tǒng)是面向?qū)拵I(yè)務(wù)的LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)，因此鏈路計算中采用的業(yè)務(wù)和終端指標(biāo)主要參考OneWeb系統(tǒng)的相關(guān)指標(biāo)。

用戶上行鏈路工作頻率：12.75～13.25 GHz與14.0～14.5 GHz，取13.5 GHz的中心頻率計算，采用QPSK調(diào)制，取10 dB的降雨損耗。

用戶終端指標(biāo)：天線口徑30～75 cm，取75 cm計算；最高上傳速率為25 Mb/s，天線效率55%，噪聲溫度250 K，發(fā)射功率按2 W計算。

衛(wèi)星主要參數(shù)：轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬上行125 MHz，下行250 MHz，噪聲溫度500 K，衛(wèi)星軌道高度778 km，單星覆蓋半角62°，最低通信仰角8°，星地最遠(yuǎn)距離2 476 km。

由：

計算得上行鏈路自由空間損耗為183 dB。

由：

計算得用戶終端發(fā)射增益為38 dB。

調(diào)制方式采用QPSK，信道編碼采用LDPC碼。在誤碼率指標(biāo)優(yōu)于滿足1×10-6時，歸一化理想門限信噪比Eb/n0為3 dB。考慮1 dB實現(xiàn)損耗、2 dB系統(tǒng)余量，計算中信噪比取6 dB。

由：

計算得上行鏈路門限C/n0為80 dB。

由：

計算得衛(wèi)星天線的接收增益：

由：

計算可得衛(wèi)星接收天線口徑約為0.27 m。

由：

計算得衛(wèi)星天線的3 dB波束寬度為5.8°。

由于衛(wèi)星天線的點波束半角為2.9°，而銥系統(tǒng)衛(wèi)星實現(xiàn)全球覆蓋單顆衛(wèi)星覆蓋區(qū)半角至少需要62°[6-7]。粗略估算，衛(wèi)星需要至少上千個點波束。經(jīng)過計算可以發(fā)現(xiàn)，若采用低仰角的銥系統(tǒng)星座，衛(wèi)星點波束過多，衛(wèi)星太復(fù)雜，難以實現(xiàn)，因此提出了高仰角的星座方案。

1.3 高仰角星座方案

從以上分析可知，建設(shè)寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其星座需要采用高仰角方案。OneWeb公司提出的OneWeb系統(tǒng)空間段由648顆衛(wèi)星組成，衛(wèi)星分布在18個軌道面上，每個軌道面上部署38顆衛(wèi)星，衛(wèi)星軌道高度為1 200 km，軌道傾角為87.9°[8-9]。下面通過鏈路計算分析采用類似OneWeb系統(tǒng)的高仰角星座方案是否可行。

通過上行鏈路計算，OneWeb系統(tǒng)衛(wèi)星點波束天線的口徑可取0.18 m，3 dB波束帶寬為8.64°，OneWeb星座衛(wèi)星實現(xiàn)全球覆蓋單顆衛(wèi)星覆蓋區(qū)半角至少需要32.7°，單顆衛(wèi)星只需幾十個點波束就可以滿足傳輸性能要求。經(jīng)過對下行鏈路進(jìn)一步計算，為滿足下行鏈路傳輸速率要求，衛(wèi)星的發(fā)射功率為1.5 W。通過計算可知，OneWeb系統(tǒng)的高仰角星座方案是可行的。圖1、圖2分別給出了寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)空間分系統(tǒng)衛(wèi)星的平面和空間分布圖。

圖1 衛(wèi)星平面分布

圖2 衛(wèi)星空間分布

2 星座傳輸性能分析

2.1 衛(wèi)星覆蓋分析

圖3和圖4分別給出了邊緣仰角為50°、30°時衛(wèi)星的多星覆蓋情況，不同的陰影區(qū)表示不同程度的多星覆蓋情況。其中，圖3中間層陰影區(qū)域是單星覆蓋率100%區(qū)域，向外一層是雙星覆蓋率100%，最外層的區(qū)域達(dá)到六星以上100%覆蓋；圖4中間陰影區(qū)域是四星100%覆蓋率的區(qū)域。隨著緯度的增高，星座能夠?qū)崿F(xiàn)更多衛(wèi)星數(shù)目的多星100%覆蓋，

圖3 邊緣仰角50°下衛(wèi)星多星覆蓋情況

圖4 邊緣仰角為30°下多星覆蓋情況

可以看出，邊緣通信仰角為50°時，衛(wèi)星可以實現(xiàn)全球無縫覆蓋，高緯度地區(qū)可以實現(xiàn)多星覆蓋，此星座方案地面用戶具有50°以上的通信仰角。當(dāng)邊緣通信仰角為30°時，衛(wèi)星可以對全球?qū)崿F(xiàn)四星覆蓋，高緯度地區(qū)可以實現(xiàn)五星以上的覆蓋。

2.2 通信仰角

衛(wèi)星的覆蓋區(qū)平均通信仰角如圖5、圖6所示，其中圖5是衛(wèi)星覆蓋全球區(qū)域內(nèi)的平均通信仰角，圖6是國內(nèi)區(qū)域的平均通信仰角。

可以看出，衛(wèi)星在全球覆蓋區(qū)域內(nèi)的平均通信仰角在66°以上。

2.3 多普勒頻移

LEO衛(wèi)星運動速度快，地球站與LEO衛(wèi)星通信時存在明顯的多普勒頻移現(xiàn)象。圖7和圖8給出了北京地區(qū)用戶與LEO星座單個軌道面36顆衛(wèi)星進(jìn)行通信時的多普勒頻移變化，其中圖7是多普勒頻移變化曲線，圖8是多普勒頻移變化率曲線。

圖5 全球區(qū)域平均通信仰角

圖6 國內(nèi)區(qū)域平均通信仰角

圖7 多普勒頻移變化曲線

圖8 多普勒頻移變化率曲線

地球站始終選取仰角最高的LEO衛(wèi)星進(jìn)行通信。由于星座中衛(wèi)星數(shù)目多，衛(wèi)星軌道高度低，衛(wèi)星運動速度快，導(dǎo)致地面站與衛(wèi)星通信時在648顆衛(wèi)星之間切換較為頻繁。切換時，多普勒頻移會發(fā)生跳變，從圖7可以看出多普勒頻移有多次跳變，從圖8可以看出多普勒頻移變化率中有多條不相連的曲線。

2.4 俯仰角和方位角

下面對地面站與衛(wèi)星之間的俯仰角和方位角進(jìn)行分析。由于各個衛(wèi)星軌道參數(shù)相似，星座是在一顆種子衛(wèi)星的基礎(chǔ)上構(gòu)建出的WALKER星座，而不同衛(wèi)星與地面站之間的俯仰角、方位角的變化相似，因此只需分析一顆衛(wèi)星與地面站之間的俯仰角和方位角。地面站選擇在北京地區(qū)。

圖9與圖10分別給出了北京地區(qū)與一顆LEO衛(wèi)星之間的俯仰角和方位角的變化情況，其中圖9是俯仰角變化曲線，10是方位角變化曲線。

圖9 北京地區(qū)用戶俯仰角變化曲線

圖10 北京地區(qū)用戶方位角變化曲線

可以看出，北京地區(qū)用戶與LEO衛(wèi)星通信時，通信仰角始終大于50°。

3 結(jié) 語

本文分析了當(dāng)前寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r，結(jié)合建設(shè)我國寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的用戶需求和現(xiàn)實條件，通過鏈路計算，分析對比了低通信仰角的銥系統(tǒng)和高通信仰角的OneWeb系統(tǒng)支持全球?qū)拵ㄐ诺目尚行裕岢隽私ㄔO(shè)高仰角的寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的星座方案，并利用STK和Matlab工具仿真了OneWeb系統(tǒng)星座的覆蓋特性、通信仰角、多普勒頻移、俯仰角與方位角等傳輸性能，對建設(shè)我國寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有一定的參考與指導(dǎo)意義。