低成本低軌衛星用戶終端波束檢測方法研究

曠小兵 何建

【摘要】 ? ?由于低軌衛星相對于地面的高速移動和用戶終端的移動性，導致低軌衛星的用戶終端成本較高軌（靜止軌道）的用戶終端有較大上升，如何研制出低成本，高性能的地面用戶終端是低軌衛星通信系統發展的重點，本文就其中用戶終端對衛星點波束之間的波束間切換、相鄰衛星之間的衛星間切換檢測方法進行研究，以低成本、高性能實現用戶終端對低軌衛星波束的檢測。試驗結果表明，本方法簡單、實用、成本低，性能滿足系統應用需要，達到了預期的目的。

【關鍵詞】 ? ?低成本 ? ?低軌衛星 ? ?用戶終端 ? ?波束檢測

引言

隨著通信技術、微小衛星技術研究及制造技術的不斷提升和發展，使得低軌衛星通信進入了前所未有的高速發展時期，國內外先后提出多個大規模低軌衛星通信系統，如：國外的Iridium Next、OneWeb、StarLink;國內的虹云、鴻雁、行云等低軌衛星通信系統。這些系統已部分開展技術驗證和在軌測試，但系統實施的最終成功取決于最終用戶終端的數量。由于低軌衛星相對于地面的高速移動和用戶終端的移動性，一次通信過程可能需要經歷多次的切換，使得地面用戶終端對衛星的星歷解算、用戶站姿態解算、伺服系統的閉環跟蹤控制、調制解調器技術等提出了更高的要求，這將必然導致低軌衛星的用戶終端成本較高軌的用戶終端高，如何研制出成本低，性能好的地面用戶終端，讓最終用戶像使用手機一樣方便地使用衛星用戶終端是當前低軌衛星通信系統投入商業運營、實現可持續發展的發展重點和難點。本文就其中用戶終端對衛星點波束之間的波束間切換、相鄰衛星之間的衛星間切換檢測方法進行研究，以低成本、高性能實現用戶終端對低軌衛星波束的檢測。

一、衛星波束檢測

1.1 衛星用戶終端波束檢測必要性

由于低軌衛星一般軌道較低，體積較小，整星供電能力較弱，天線面較小等因素，單波束對地覆蓋范圍很小且信號譜密度較低，為提高衛星的地面覆蓋范圍和信號密度，通常采用多個點波束方式進行地面覆蓋，這使得波束投射到地面會形成多個相鄰的小區，為防止通信過程中的信號中斷，小區之間還有一定的重疊，這些信號可能屬于同一顆衛星，也可能屬于相鄰的衛星（如圖1）。這些波束覆蓋的區域會高速的掃過地面用戶終端，對于位于1000Km左右衛星軌道上的低軌衛星，單個波束僅能提供2分鐘左右的服務時間，所以地面用戶終端在通信期間需要不停地切換波束，不斷地接入新的波束并釋放上一波束中占用的資源。波束檢測切換這一過程通常由用戶站的調制解調器部分來完成，通過調制解調器與信關站之間的協議控制，使用戶站可以精確控制這一切換過程，但這都是建立在地面用戶終端天線完全對準衛星的基礎之上，而如何判斷地面用戶終端不能正常通信是天線原因還是信關站或調制解調器的原因，在通常情況下是很難的，所以需要在天線部分增加衛星波束檢測功能，以輔助地面用戶終端檢測衛星波束，通過對衛星波束的檢測，判斷當前衛星跟蹤情況以及當前波束情況。

1.2衛星波束檢測基本思路

在低軌衛星通信體制設計中，為保證衛星的精確跟蹤、控制和管理，衛星會在每個波束所占用的頻帶內劃出控制信道，其包含單音載波，數字調制信號等信息（如圖2）通過對這些信號的檢測，即可實現對波束的檢測。

波束信號的檢測裝置，可以采用載波檢測（信標）或DVB-S信號（TS流）檢測，這兩種檢測方式已在高軌通信衛星和數字衛星電視廣播中大量應用，技術成熟，成本較低。

低軌衛星的波束數量是有限的，且為防止波束間干擾，一般采用多色復用，每一波束都采用不同的頻段，故波束檢測裝置可以不斷改變本振頻率，對天線收的衛星信號進行高速地循環檢測，當檢測到的信息與已知波束頻點（或調制信號）相同信息時，即判斷出該波束，同時，通過對信號強度的檢測（或調制信號解碼），還可輸出AGC（自動增益控制）信號，供天線實現閉環跟蹤控制。

1.3波束檢測具體實現

衛星天線通過星歷解算，實時解算出當前衛星位置，程序控制天線對準衛星方向，當衛星出現在天線視角范圍后，衛星天線將收到衛星信號f，通過疊加當前衛星信號多普勒頻偏Δf，波束檢測裝置即刻收到當前波束信號，程序控制高速循環檢測，一旦適配，波束檢測裝置完成信號捕獲，確認天線對準衛星，并輸出當前衛星波束號、AGC電壓，如未適配，則轉下一波束檢測。

波束檢測裝置對波束檢測時間≤20ms，如采用7色復用，全部波束檢測最大循環周期為140ms，即：波束檢測最小時間為20ms，最大為140ms（如圖3）。

當波束檢出后，波束檢測裝置即可對當前波束信號固定載波（或調制信號）進行檢測（或解碼）獲取當前波束信號強度。

1.4波束檢測試驗驗證

本技術方法已應用于虹云工程地面用戶站項目。2018年12月，虹云工程首顆技術驗證衛星發射成功，采用本技術方法的地面用戶終端天線在沒有衛星調制解調器的輔助下，成功自行捕獲衛星波束，并將衛星波束切換過程和信號變化情況實時反映至監控終端（如圖4）。該技術已進行專利申請。

二、結論

由于衛星相對于地面的高速移動和用戶終端的移動性，導致低軌衛星的用戶終端成本較高軌（靜止軌道）的用戶終端有較大上升，如何研制出成本低，性能好的地面用戶終端，本文就其中用戶終端對衛星點波束之間的波束間切換、相鄰衛星之間的衛星間切換檢測方法進行研究，以低成本、高性能實現用戶終端對低軌衛星波束的檢測。試驗結果表明，本方法簡單、實用、成本低，性能滿足系統應用需要，達到了預期的目的。

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