衛(wèi)星通信系統(tǒng)中功率控制的設(shè)計分析

陳 鵬，吳成杰，朱俊清，王立婷

（1.西安航天天繪數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司，陜西 西安 710100；2.航天恒星科技有限公司，北京 100095）

衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成部分很多，最主要的部分是衛(wèi)星和地球站。一個地球站通過電磁波將相關(guān)信息發(fā)送到天上的衛(wèi)星，衛(wèi)星再將收到的信息轉(zhuǎn)發(fā)到另一個地球站，于是就將兩個地球站緊密聯(lián)系在一起，這也是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要所在。然而，想要準(zhǔn)確無誤地通過衛(wèi)星發(fā)送信息，就必須要控制好功率，這樣才能保證信息在傳播的過程中不會出現(xiàn)缺失。

1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)中系統(tǒng)和功率控制簡介

1.1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的高效運行不是通過單一設(shè)備工作的，而是依靠多個設(shè)備協(xié)調(diào)工作的。隨著經(jīng)濟(jì)水平與科學(xué)技術(shù)水平的提升，促進(jìn)了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展與完善。大量的信息不斷涌入衛(wèi)星通信系統(tǒng)，如何對這些信息進(jìn)行分類和整理成了一個重大難題，系統(tǒng)的最大作用就是分門別類地整理這些信息，會根據(jù)不同的來源、不同的種類將信息儲存、發(fā)送。然而需要說明的是，衛(wèi)星通信系統(tǒng)在容量和發(fā)射功率方面有上限，不可能無限制地進(jìn)行存儲與保留。因此，系統(tǒng)需要及時對所收到的信息和資源進(jìn)行更新，并適當(dāng)刪除部分年代久遠(yuǎn)的技術(shù)數(shù)據(jù)，將存儲容量空閑出來，給予新的數(shù)據(jù)必要的存儲空間，“減負(fù)提速”才能將衛(wèi)星通信系統(tǒng)的作用發(fā)揮到極致。

1.2 功率控制

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，功率控制主要是指在發(fā)射信息的過程中，既要保證信息的完整性和準(zhǔn)確性，又要適當(dāng)減少發(fā)射的電磁波，以達(dá)到節(jié)約能源的目的。功率控制要保證在不損害對接端的設(shè)備和接收信號強(qiáng)度的前提下進(jìn)行，這樣既可以將衛(wèi)星通信系統(tǒng)中功率控制發(fā)揮到最大價值，又能在發(fā)送信息過程中不影響周圍相關(guān)通信系統(tǒng)的正常運行。對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)這個整體來說，功率控制是其中的重要部分也是其中的關(guān)鍵之處，功率控制合適能夠促進(jìn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展，相反控制不合適則會使衛(wèi)星通信系統(tǒng)出現(xiàn)巨大紕漏。減少發(fā)射的電磁波是一個長期探索的過程，現(xiàn)有的相關(guān)技術(shù)限制了電磁波的使用量。在這一點上，實際減少的是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的適應(yīng)能力，相反則是對自然環(huán)境的最小化破壞，使用更符合當(dāng)前設(shè)備的功率控制裝置，將功率穩(wěn)定在特定的參數(shù)值上，才可以最大限度地發(fā)揮衛(wèi)星通信系統(tǒng)在信息交流、數(shù)據(jù)傳遞上的功能優(yōu)勢[1]。

2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)中功率控制的研究條件以及研究作用

衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的功率控制具有非常大的優(yōu)勢，比如傳播信息較快、傳播地域較廣、準(zhǔn)確性較高等，造就這些優(yōu)勢也是由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)功率控制經(jīng)歷了長時間的研究和發(fā)展。世界上第一顆通信衛(wèi)星由美國發(fā)射，前期這顆衛(wèi)星用于商務(wù)活動，技術(shù)水平的限制使得第一顆通信衛(wèi)星僅能實現(xiàn)短暫、短途的信息傳遞和數(shù)據(jù)傳輸，但通信衛(wèi)星的成功發(fā)射及實際運行，也證明了世界衛(wèi)星通信系統(tǒng)獲得了巨大的進(jìn)步，同時在這顆衛(wèi)星中通信系統(tǒng)的功率控制也經(jīng)歷了漫長的研究時期，由于沒有前期經(jīng)驗可以借鑒，美國在衛(wèi)星通信系統(tǒng)功率控制研究時遇到了巨大的困難。衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以透明地將信息傳遞到另一個地點，比如在發(fā)生災(zāi)難時，人為信息傳播就受到了非常大的局限，但是衛(wèi)星通信系統(tǒng)卻可以在惡劣的條件下，將相關(guān)信息準(zhǔn)確的傳送到另一個站點，這種覆蓋性廣、適應(yīng)性強(qiáng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)在很多情況下都得到了廣泛應(yīng)用。

近年來，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展與提高，又給衛(wèi)星通信系統(tǒng)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，人們對服務(wù)的要求越來越高，現(xiàn)有的通信技術(shù)難以滿足人們的要求，于是衛(wèi)星通信系統(tǒng)有了更大的舞臺。衛(wèi)星通信系統(tǒng)將功率控制的恰到好處，就可以寬帶接入不同的接送端，寬帶一起協(xié)同提升了通信的質(zhì)量，也擴(kuò)大了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)。雖然衛(wèi)星通信系統(tǒng)受到了高科技的幫助和人們的追捧，但是一些低波段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，由于過多的使用，在市場中已經(jīng)漸漸的趨于飽和，發(fā)展也到了瓶頸期。比如C波段由于前期的研究投入不夠，波段又比較低，且沒有自身特有的優(yōu)勢，所以在后期的衛(wèi)星通信系統(tǒng)競爭中無法跟上時代的步伐。與此同時，那些有自身優(yōu)勢的波段就在新時代的發(fā)展中如火如荼，比如Ka波段具有通信速率高、適應(yīng)性強(qiáng)的特點，頻率的范圍大致保持在20/30 GHz左右。為了解決低波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的各種問題，可以采用功率控制的方法來幫助低波段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)升級[2]。

3 衛(wèi)星通信系統(tǒng)中功率控制的方法

3.1 上行功率

上行鏈路的功率控制能力不強(qiáng)，容易受到多方面的影響。比如，當(dāng)出現(xiàn)雨雪云霧天氣時，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信息接收就會受到干擾，功率控制也會波動，這時就會影響信息的傳送。對于上行線路FIMA來說，如果衛(wèi)星接收端的信號接收時有較大的波動的話，上行信號的接收效果就會大打折扣。地球站天線增益、發(fā)射功率、地理位置差異等因素都會影響衛(wèi)星接收端電平的穩(wěn)定性。此外，上行鏈路一般連接的站點比較多，各站點之間又有不同的地理位置和發(fā)射功率等，有時上行鏈路的功率控制在進(jìn)行工作時，接收信息的功率恰好，但是在發(fā)送時卻會出現(xiàn)功率過大或者是過小的問題。所以在衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作過程中，必須要保證功率控制的精確性，可靠而穩(wěn)定的接收信息和發(fā)送信息。面對衛(wèi)星通信系統(tǒng)中功率控制存在的相關(guān)問題，我們也有一定的調(diào)整方法和策略，當(dāng)前被普遍接受的調(diào)整方法是通過判定器來解決這一難題。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的功率控制檢測器上設(shè)定一個判定器，以用來判定當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境和天氣狀況，而不是在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中設(shè)置兩個不同的系統(tǒng)，這兩個不同的系統(tǒng)用于應(yīng)對不同的情況。通過可調(diào)控的星載調(diào)節(jié)器，來保證上行信號的接收頻率和波段在一個固定范圍之內(nèi)，同時設(shè)置不同的功率控制，在惡劣的條件中要將功率控制適當(dāng)加大，因為惡劣天氣會影響衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信息接收和信息發(fā)射，將功率控制加大就可以增強(qiáng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的接收和發(fā)送能力。然而，關(guān)于除開信號發(fā)射之外的衛(wèi)星檢測、衛(wèi)星返回，以及不同時段狀態(tài)值提取等，也同樣需要在不同的功率狀態(tài)下才能得到更加完善、精確的數(shù)據(jù)值[3]。

圖1 VASAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

3.2 下行功率

下行鏈路功率控制中，主要是衛(wèi)星與地球站之間的聯(lián)系，由于地球站與衛(wèi)星的距離較遠(yuǎn)，發(fā)送信息的過程比較長，而下行鏈路中受到天氣影響的可能較大，所以在下行鏈路的衛(wèi)星通信信息傳輸控制中，需要更加

注重功率的大小。為了使在不同的波速內(nèi)的地球站都能可靠工作，不用受限于惡劣天氣造成的運行困難，通常衛(wèi)星通信系統(tǒng)都被要求在最大發(fā)射功率下運行。地球站的天線增益差異和接收信道不同，造成了不同接收站的速率和工作頻段出現(xiàn)差異，所以合理的電平分配勢在必行。經(jīng)過高科技加持，解調(diào)器可以擁有AGC功能（自動增益控制：通過反饋控制直放站來控制輸出信號電平），在下行鏈路中，天氣因素對Ka波段的影響非常大，若該頻段伴有經(jīng)常性的降雨，此時把握好通信系統(tǒng)的功率控制，則能夠很好地應(yīng)對雨季。然而，衛(wèi)星下行鏈路在很大程度上會受到電波的控制，無法徹底得消除雨季對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的影響，于是FEC技術(shù)應(yīng)運而生，當(dāng)出現(xiàn)雨季時，適當(dāng)調(diào)大功率來減緩雨季的沖擊力，同時減緩信息資源傳送的速率，以便于信息資源在發(fā)射過程中不受惡劣天氣的影響。

圖2 衛(wèi)星通信各個系統(tǒng)

4 衛(wèi)星通信系統(tǒng)功率控制的實施步驟

4.1 校準(zhǔn)工作

衛(wèi)星通信系統(tǒng)功率控制是一個技術(shù)性的工作，在進(jìn)行接收和發(fā)射信息時都不允許有一點偏差，所以衛(wèi)星通信系統(tǒng)的校準(zhǔn)工作一定要圓滿完成。通常衛(wèi)星通信系統(tǒng)的校準(zhǔn)工作是通過校準(zhǔn)電平來進(jìn)行的，一次信息的接收和發(fā)送，要經(jīng)過兩次，分別是接收端的電平和發(fā)射端的電平。接收端的電平主要是用來接收信息，同時還具有一定的降噪功能。降噪功能使通信系統(tǒng)在收集信息時減少周圍噪音的干擾。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的電平，還可以對所收集到的信息進(jìn)行加工和升級，但原有信息所要傳遞的內(nèi)容不會進(jìn)行改變，進(jìn)行信息的加工和升級是為了增強(qiáng)信息的保密性和準(zhǔn)確性。例如，接收端收到的信息為P，那么該信息在發(fā)射端進(jìn)行加工得到的信息為P1，最后地球站所接收到的信息為P2，用公示表示則為P2=P1-P，電平的校準(zhǔn)工作是衛(wèi)星通信系統(tǒng)功率控制的第一步，也是關(guān)鍵的一步。

4.2 設(shè)計功率

功率的設(shè)置是根據(jù)信息的具體情況來定的，有時信息再通過校準(zhǔn)工作和發(fā)射之后會出現(xiàn)一定的改變，這時就會需要一些補(bǔ)償值來使信息回歸到初始的狀態(tài)，這個初始狀態(tài)一般都是由控制功率來完成的。例如，接收端的衛(wèi)星接收信息為G，經(jīng)過發(fā)射端加工后的信息為G1，發(fā)射端將信息發(fā)射到地球站的信息為G2，補(bǔ)償端的信息為G3，由此可得出公式G=G3=G2-G1，而這些補(bǔ)償值都是通過功率的控制來實現(xiàn)的。除此之外，通信系統(tǒng)的功率控制，還有一個非常重要的功能叫作功率互調(diào)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)在一定程度上來說還是具有滯后性的，雖然能夠較為及時地傳播信息，但滯后性是存在一定弊端的，那么這個滯后的弊端就必須要靠功率互調(diào)來消除。

4.3 檢查改進(jìn)

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)接收和發(fā)射信息之后，一定要對衛(wèi)星通信系統(tǒng)的功率控制進(jìn)行檢查和改進(jìn)，認(rèn)真分析功率控制所不足的地方，然后聘請專業(yè)的技術(shù)人員和工程師進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)。在對功率控制的設(shè)備進(jìn)行檢查時，要遵循的第一個原則是“精細(xì)化”，即事無巨細(xì)地對相關(guān)運行設(shè)備進(jìn)行測定和檢驗，不可以放過任何一個細(xì)節(jié)，不能有盲目自信的想法，認(rèn)為偶爾間的漏查不會影響整體系統(tǒng)的安全運行。第二個原則就是遇到問題立即解決，不可遺留推諉。對于設(shè)備運行及維護(hù)的各種問題，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)應(yīng)當(dāng)立即著手解決，部分專業(yè)知識欠缺的員工應(yīng)當(dāng)尋求前輩的指導(dǎo)與幫助，不可將問題帶到下一個工作日。通信部門最好能夠設(shè)置一個專門的監(jiān)察部門，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作之后，能夠及時觀察設(shè)備運行數(shù)據(jù)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)其中的漏洞并及時制定出解決策略，相關(guān)的衛(wèi)星通信工作人員，也需要盡心盡力地研究和改進(jìn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的不足之處，提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)功率控制的效率，加強(qiáng)對信息傳輸?shù)谋Ｗo(hù)。

5 結(jié)束語

衛(wèi)星通信系統(tǒng)不是時代的潮流，卻是當(dāng)今社會必不可少的。移動通信現(xiàn)在已經(jīng)成為人們廣泛關(guān)注的問題，新時代的生活中幾乎人人都有一部手機(jī)，家家戶戶都配備了計算機(jī)、電視、iPad等，這些電子設(shè)備都依賴于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，如果缺少了衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳播信息的功能，那么這些高科技產(chǎn)品就將缺少很多功能，由此可見，衛(wèi)星通信系統(tǒng)對于人類的現(xiàn)代生活發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的要求也越來越高，功率控制是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要組成部分之一，同時功率也屬于通信系統(tǒng)的硬性條件，為了給人們更好的通信體驗，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的相關(guān)工作人員，唯有吸取經(jīng)驗，立足于人們的實際需求，不斷研究和探索，把握適度的功率控制，才能打造一個完善的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，促進(jìn)衛(wèi)星通信事業(yè)的不斷發(fā)展。