中低轨移动卫星通信系统设计

中低轨移动卫星通信系统设计

一、国内应用现状移动通信的目标是建立一种简单的通信模式，以便随时实现通信。地面蜂窝系统的广泛建设大大推进了移动通信的建设,但要实现真正的全球个人通信,必须发展卫星移动通信。许多国家和组织纷纷提出不同的低/中轨道卫星移动通信的设计方案,并具体分析各种方案的实用性和经济性。我国科技工作者也密切注意着卫星移动通信的发展动向,进行了一系列的技术研究和方案论证。本文设计了特别适合我国覆盖的星座方案,并研制了能进行星座实时动态仿真、实时多区域覆盖率统计和实时通信线路计算的综合应用软件。二、保护装置技术卫星移动通信的系统设计涉及的内容很多,主要包括星座设计、覆盖分析、通信线路计算、星际和波束间切换技术、功率控制技术、卫星信号分集接收技术、星际同步技术等。这里主要对前三项内容作简单介绍。1.轨道高度的选择在星座设计中,主要考虑轨道参数的选择,主要包括:轨道类型,轨道高度,运行周期,轨道的相位关系等。中低轨卫星就轨道类型而言有圆轨道和椭圆轨道两大类,椭圆轨道对区域性覆盖十分有利,但轨道倾斜角必须为63.4度(为了在扰动条件下能保持卫星远地点固定不动),这对中低纬度地区的覆盖十分不利。而圆轨道的倾斜角可在0度到90度之间任意选择。轨道高度与系统覆盖所需的卫星数目和对地面终端EIRP及G/T值的要求有关,在轨道高度选择上是两者的折中,同时还需考虑下面几个因素:(1)地球大气层的影响:地球上空的大气层对卫星存在阻尼和扰动等影响,只有当轨道高度选择在1000km以上时,大气阻尼和扰动才能被忽略。(2)范爱伦带的影响:在大气层上部大约1000km至2500km的高空存在着一条强烈的电磁辐射带,即范爱伦带,轨道高度应尽量避免选在该辐射带中,以免电磁辐射对卫星造成影响。(3)为了便于对卫星在运行过程中进行定位控制,卫星周期应与恒心日成比例关系,使卫星每隔一天或数天在同一时刻通过同一地点上空。因为卫星运行周期是轨道高度的函数,所以在高度选择时必须考虑周期因素。星座相位关系的确定是指确定卫星在星群中的位置,包括轨道倾斜角,轨道平面的位置,同一平面内卫星的位置及相邻轨道卫星的相对位置等。2.覆盖区地心张角进行覆盖率统计是对星座方案进行评估的重要方法。为了研究方便,我们可以假设卫星对地球的照射是对准地心的,且只有一个大波束。那么,形成的覆盖区域是圆域(准确地说是球冠面),其大小由最小可视仰角α(以覆盖区边缘上的一点为顶点从地平线转到卫星的角度)决定,见图1,图中φ为覆盖区地心张角。由正弦定理可得覆盖区地心张角为φ=90°-α-arcsinRecosαRe+Η(1)φ=90°−α−arcsinRecosαRe+H(1)其中Re为地球半径,H为卫星高度。令R=Re+H,则由余弦定理可得覆盖区边缘距卫星距离d=√Re2+R2-2ReRcosφ(2)地球表面上卫星的覆盖区面积(球冠面积)为S=2π⋅Re2(1-cosφ)(3)将系统所有卫星的覆盖区面积累积起来(如一个区域有两颗或两颗以上的卫星同时覆盖时为多星覆盖区域,此时覆盖面积只计算一次),除以地球总面积即得全球覆盖率,对区域覆盖率统计采取类似方法。3.链路功率预算方程卫星通信是在空间技术和地面微波中继通信技术的基础上发展起来的,靠大气层外卫星的中继实现通信。其荷载信息的无线电波要穿越大气层,经过很长的距离在地面站和卫星之间传播,因此它受到多种因素的影响。传播问题会影响到信号质量和系统性能,这也是造成通信中断的一个原因,因此电波传播特性是卫星通信及其它无线通信系统设计和线路设计时必须考虑的基本特性。链路功率预算方程为:Ρr=EΙRΡ+Gr-Lp-La-Lta-Lra(dBW)(4)其中Pr一般叫做接收机输入端载波功率,EIRP为等效全向辐射功率,表示了发送功率和天线增益的联合效果,Gr是接收天线增益,Lp是路径损耗(自由空间损耗),La是大气损耗(含雨衰等),Lta是与发射天线相关的损耗(象馈线损耗、指向损耗等),Lra是接收天线的损耗。Lp=92.45+20lgd+20lgf(dB)(5)上式中d为传播距离,单位用km,f为工作频率,单位用GHz。圆轨道的多卜勒表达式:fDopple=fcVDc(6)VD=√uRe2(Re+h)3cosγsinΨ-2π86164RecosltcosγcosΨ(7)Ψ=arctan[-43082π√u(Re+h)3](8)VD是卫星指向地面终端的速度,h是圆轨道高度,Re是地球半径,u为开普勒常数,γ为仰角,lt为终端纬度,fc为载波频率。三、推行的方案设计利用上面所介绍的星座设计方法,并结合我们开发的星座设计应用软件,设计了特别适合我国覆盖的中低轨移动卫星通信星座方案各一套,并给出多种方案的覆盖率统计和线路损耗等比较表格图。1.模型运行结果本文设计的中轨系统星座参数为:三个圆轨道,轨道高度8045公里,轨道倾斜角47度,第一根轨道升交点赤经为东经20度,每轨5颗卫星,相对相角36度,提供最小仰角30度。动态演示运行瞬间的图案如图2所示。图3为覆盖率统计结果图。图3中横坐标为时间轴,每间隔代表5分钟,图中截取的是具有覆盖率峰值和谷值的部分。从以上统计模拟结果图可以看出,本文所设计的中轨星座方案对我国的覆盖率达到了100%,对欧洲的覆盖率达到了95%以上,对北美的覆盖率达到了98%以上,而且在大部分时间里对欧洲和北美的覆盖率达到了100%,对全球的覆盖率达到了84%。从上表的比较中可以看出方案D为最佳方案。2.低轨恋爱方案比选本文设计的低轨系统星座参数为:三个圆轨道,轨道高度1346公里,轨道倾斜角48度,第一根轨道升交点赤经为东经20度,每轨8颗卫星,相对相角22.5度,提供最小仰角10度。动态演示运行瞬间的图案如图4所示,覆盖率统计结果图如图5。图5中横坐标为时间轴,每间隔代表5分钟,图中截取的是具有覆盖率峰值和谷值的部分。从以上统计模拟结果图可以看出,本文所设计的低轨星座方案对我国的覆盖率达到了100%,对欧洲的覆盖率达到了96%以上,对北美的覆盖率达到了97%以上,而且在大部分时间里对欧洲和北美的覆盖率达到了100%,对全球的覆盖率达到了70%。从表2可看出方案C为最佳方案,覆盖性能优于Glostar(24颗星方案)系统。本文所设计的中低轨星座方案与文献、中的星座方案有些差异,主要原因在于覆盖率统计方法上的差别,文献、中统计结果是针对我国十个典型地点进行抽样计算的,而本文的统计结果是针对特定区域进行整体计算的,包括对中国、全球、欧洲及北美的覆盖率计算。四、系统实时覆盖率统计与分析运用统一建模语言UML先进行软件模型的总体设计并运用数学知识建立星座空间模型,在模型的基础上运用面向对象语言Delphi5.0进行软件设计,其中实现实时动态星座运行仿真和覆盖分析的核心思想为:建立轨道和卫星运行的三维方程,随着时间的移动(可以设置一个定时器),计算出每一颗卫星的三维坐标,利用动画处理的重画和双缓冲技术实现星座动态运行仿真,根据卫星的实时位置和系统的最小仰角计算出实时的覆盖区域,从而计算出覆盖率,结合其它一些系统参数就可同时进行通信线路的计算。运用Matlab与Animator等工具进行了数值计算和动画的辅助设计等等。本软件主要具有以下三大功能:(一)逼真的实时星座运行动态仿真;(二)实时覆盖率统计,包括对全球的总体覆盖率统计和对中国、北美、欧洲的区域性覆盖率统计;(三)通信线路计算,包括用户链路上行计算,用户链路下行计算,馈线链路上行计算,馈线链路下行计算等。软件可根据用户输入的星座系统参数快速地进行以上三大功能的处理,对移动卫星星座设计具有很强的仿真效果。图6给出了软件模块图。五、低轨方案在全球的覆盖率本文设计了中轨和低轨移动卫星星座方案各一套,其中15星的中轨方案对我国的覆盖率达到了100%,对欧洲的覆盖率达到了95%以上,对北美的覆盖率达到了98%以上,而且在大部分时间里对欧洲和北美的覆盖率达到