田雍容，盧曉春，黃飛江（. 中國科學(xué)院國家授時(shí)中心，西安 70600；2. 中國科學(xué)院研究生院，北京 0009；. 長沙學(xué)院 電子與通信工程系，長沙 4000）

多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)星間鏈路性能分析與設(shè)計(jì)

田雍容1,2，盧曉春1，黃飛江3（1. 中國科學(xué)院國家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國科學(xué)院研究生院，北京 100039；3. 長沙學(xué)院 電子與通信工程系，長沙 410003）

對(duì)多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)星間鏈路各參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，分別在S和Ka波段上分析計(jì)算了GEO（對(duì)地靜止軌道）-IGSO（傾斜同步軌道）、GEO-MEO（中軌道）和IGSO-MEO衛(wèi)星間的星間鏈路參數(shù)Eb/N0、發(fā)射功率、天線直徑和數(shù)據(jù)速率間的關(guān)系。根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)星間鏈路的性能進(jìn)行了分析，在分析計(jì)算的基礎(chǔ)上得到了一些規(guī)律性的結(jié)論，這些結(jié)論可應(yīng)用于星間鏈路的設(shè)計(jì)與建立。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)；衛(wèi)星通信；星間鏈路

近幾十年來，隨著空間技術(shù)的迅速發(fā)展，以及衛(wèi)星制造業(yè)、電子和通信等方面技術(shù)的長足進(jìn)步，多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在空間的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是指在雙層或多層軌道平面內(nèi)同時(shí)布星，利用層與層之間的星間鏈路建立的立體交叉衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。與單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相比較，多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有空間頻譜利用率高、組網(wǎng)靈活、抗毀性強(qiáng)、功能多樣化（融合天基通信、導(dǎo)航、定位等多種功能）等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)各種軌道高度衛(wèi)星星座的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，將成為未來天基網(wǎng)發(fā)展的一種理想組網(wǎng)模式。多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中各層間的時(shí)間同步需要通過星間鏈路進(jìn)行時(shí)間信息的交換來完成，因此首先要對(duì)星間鏈路進(jìn)行設(shè)計(jì)和性能分析，為星間鏈路的建立提供依據(jù)。

星間鏈路對(duì)電磁波頻率的選擇范圍比較大，根據(jù)所使用的不同頻率，星間鏈路可以分為微波星間鏈路和光星間鏈路。本文主要分析微波星間鏈路的性能和參數(shù)的選擇。

1 星間鏈路的基本組成

一條星間鏈路通常由4個(gè)子系統(tǒng)組成：接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、捕獲和跟蹤子系統(tǒng)及天線子系統(tǒng)。接收機(jī)主要完成對(duì)接收信號(hào)的放大、變頻、檢測(cè)、解調(diào)和譯碼等工作，另外也需要提供星間鏈路與衛(wèi)星下行鏈路之間的接口，包括必要的格式轉(zhuǎn)換等。發(fā)射機(jī)負(fù)責(zé)從衛(wèi)星的上行鏈路中選擇那些需要在星間鏈路上傳輸?shù)男盘?hào)，然后完成編碼、譯碼、變頻和放大等工作。跟蹤和捕獲子系統(tǒng)負(fù)責(zé)使星間鏈路兩端的天線能互相對(duì)準(zhǔn)對(duì)方（捕獲），并使天線的指向誤差控制在一定的范圍內(nèi)（跟蹤）。天線子系統(tǒng)負(fù)責(zé)在星間鏈路上收發(fā)電磁波信號(hào)。對(duì)于星間鏈路一般采用反射面天線或透鏡天線[1-2]。

為了在構(gòu)成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)星層間進(jìn)行時(shí)間同步和數(shù)據(jù)通信，就需要多條星間鏈路來構(gòu)成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)星層間的時(shí)間同步和通信等任務(wù)。在多個(gè)星層星間鏈路結(jié)構(gòu)中，最基本的鏈路是由不同層的兩顆衛(wèi)星間的星間鏈路構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 不同層兩顆衛(wèi)星間的星間鏈路模型

圖1中，衛(wèi)星A和衛(wèi)星B處于不同星座，知道對(duì)方的確切位置，使用直徑為D、波束寬度為Φc的相同天線指向?qū)Ψ健深w衛(wèi)星之間的間隔距離為dc，衛(wèi)星A對(duì)衛(wèi)星B的傳輸信號(hào)功率為Pt，衛(wèi)星B的等效噪聲溫度為Te。表1給出了不同層衛(wèi)星間的間隔距離。

表1 不同層衛(wèi)星間的間隔距離 km

由表1可知層間的距離變化范圍很大，從幾百公里到幾萬公里。若要在這樣的星間鏈路上完好地傳輸信號(hào)，需要對(duì)鏈路進(jìn)行詳細(xì)分析以便滿足傳輸信號(hào)的性能要求。

2 微波星間鏈路性能分析

美國自1972年開始研制跟蹤與數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)，它是目前唯一的實(shí)用數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)。該系統(tǒng)有S和Ka兩種頻帶的微波鏈路，可以為航天飛機(jī)、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和一些低軌衛(wèi)星服務(wù)。我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)星間鏈路通信頻段有兩種選擇可能，即采用S/Ka頻段或S/Ku頻段。但由于Ku頻段不是國際電聯(lián)規(guī)定的星間鏈路使用頻段，其前向鏈路是借用13～14 GHz中的一段，返向鏈路是借用14～15 GHz中的一段，使用頻帶的限制，使得傳輸數(shù)據(jù)率難以進(jìn)一步提高。而Ka頻段是國際電聯(lián)規(guī)定的星間鏈路使用頻段，前向鏈路頻段為22.55～23.55 GHz，返向鏈路頻段為25.25～27.5 GHz，返向傳輸使用帶寬2 GHz，因此具有向更高傳輸數(shù)據(jù)率（如600 Mbit/s）擴(kuò)展的能力[3-4]?；诖?，本文將分別在S頻帶和Ka頻帶對(duì)微波星間鏈路的性能進(jìn)行分析計(jì)算。

在微波星間鏈路的設(shè)計(jì)中，為了滿足整體系統(tǒng)的性能要求，需要對(duì)鏈路系統(tǒng)變量進(jìn)行計(jì)算和選擇。其中最重要的性能指標(biāo)是信號(hào)品質(zhì)，即信道上的比特能量噪聲密度比（Eb/N0）。它與比特誤碼率（BER）有關(guān)系，可根據(jù)對(duì)比特誤碼率的要求計(jì)算得到Eb/N0的要求值。

在數(shù)字信號(hào)傳輸中，Eb/N0依賴于接收機(jī)的載噪比（C/N）?？赏ㄟ^以下兩步來計(jì)算出C/N：

1）計(jì)算衛(wèi)星接收機(jī)接收到的載波功率C；

2）計(jì)算接收機(jī)的總噪聲功率N。

得到C/N后，通過C/N與Eb/N0的關(guān)系可得到Eb/N0與鏈路各參數(shù)之間的關(guān)系，據(jù)此在鏈路設(shè)計(jì)中對(duì)各參數(shù)優(yōu)化取值，達(dá)到星間鏈路性能要求。

鏈路結(jié)構(gòu)如圖1所示，衛(wèi)星A的發(fā)射功率為Pt，天線增益為Gt，在衛(wèi)星B上，接收天線增益為Gr，接收到的信號(hào)功率為Pr，根據(jù)下面的衛(wèi)星鏈路的計(jì)算公式（1）可得到Pr，在計(jì)算中只考慮自由空間損耗，忽略其他鏈路損耗。式（1）中λ為載波波長。

式（1）中Gt和Gr值可分別由下面的（2）式和（3）式得到：

式（2）中，Φc為發(fā)射天線的波束寬度，它依賴于天線直徑D和發(fā)射頻率。式（3）中，Ae為有效孔徑面積，它是實(shí)際孔徑面積和天線效率的積。Φc和Ae可分別由下面的式（4）和式（5）得到：

式（5）中η為天線效率。將式（2）、式（3）、式（4）和式（5）代入式（1）得到：

接收機(jī)端總噪聲功率N為[5]

式（7）中k為玻耳茲曼常數(shù)，其值為1.38×10-23J/K。Te為等效噪聲溫度，B為載波帶寬。由式（6）和式（7）可得到C/N：

由Eb/N0與C/N的關(guān)系可得

式（9）中rb為數(shù)據(jù)速率。

噪聲導(dǎo)致檢測(cè)器發(fā)生誤碼的概率由下式計(jì)算[6]：

在鏈路計(jì)算中，Eb/N0與比特誤碼率（BER）和調(diào)制方式有關(guān)。星間鏈路設(shè)計(jì)中一般采用二相移鍵控（BPSK）調(diào)制，要求其比特誤碼率（BER）不大于10-5，實(shí)現(xiàn)余量取2 dB，當(dāng)BER=10-5時(shí)，由（10）式可計(jì)算得，對(duì)應(yīng)的Eb/N0分貝值為9.6 dB，由此可得到Eb/N0為11.6 dB[7]。

首先分析S波段2.4 GHz星間鏈路的性能。衛(wèi)星接收機(jī)的等效噪聲溫度Te＝1 000 K，接收天線效率η為65%。通過（9）式對(duì)GEO-IGSO層間鏈路、GEO-MEO層間鏈路和IGSO-MEO層間鏈路進(jìn)行計(jì)算分析。

將GEO-IGSO層間衛(wèi)星間的最大距離dc=53 957.1 km，GEO-MEO層間衛(wèi)星間的最大距離dc=69 457 km，IGSO-MEO層間衛(wèi)星間的最大距離dc=69 673 km，分別代入（9）式，可得表2所示的計(jì)算結(jié)果。

表2 GEO-IGSO層間鏈路、GEO-MEO層間鏈路、IGSO-MEO層間鏈路S波段鏈路參數(shù)變化表

隨著星間通信的不斷發(fā)展，對(duì)星間通信數(shù)據(jù)率的要求也越來越高，從表2可見，在S頻段2.4 GHz載波上，星間鏈路可以滿足一定的高數(shù)據(jù)率要求，但需要相對(duì)較大的天線和發(fā)射功率，這就對(duì)衛(wèi)星要求較高，因此下面進(jìn)一步分析更高頻率的Ka頻段星間鏈路的性能。Ka頻段的可用帶寬大、天線增益高、具有很小的自由空間損耗，對(duì)天線和發(fā)射功率的要求也較低。我們采用Ka波段30 GHz的載波，對(duì)GEO-IGSO層間鏈路和GEO-MEO層間鏈路以及IGSO-MEO層間鏈路進(jìn)行計(jì)算分析。

同樣對(duì)于GEO-IGSO層間衛(wèi)星間的最大距離dc=53 957.1 km，GEO-MEO層間衛(wèi)星間的最大距離dc=69 457 km，IGSO-MEO層間衛(wèi)星間的最大距離dc=69 673 km，分別由（9）式可得表3所示的計(jì)算結(jié)果。

表3 GEO-IGSO層間鏈路、GEO-MEO層間鏈路、IGSO-MEO層間鏈路Ka頻段參數(shù)變化表

由表3可見，當(dāng)GEO-IGSO和GEO-MEO以及IGSO-MEO層間的衛(wèi)星間距離最大時(shí)，用2 m天線僅需1 W就可以滿足100 Mbps的數(shù)據(jù)率要求。這樣就降低了對(duì)衛(wèi)星天線直徑和功率的要求，并能夠提高數(shù)據(jù)率。

3 結(jié)論

本文在對(duì)多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)微波星間鏈路參數(shù)間的關(guān)系進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，分別在S和Ka頻段上分析計(jì)算了GEO/IGSO、GEO/MEO和IGSO/MEO衛(wèi)星星間鏈路上Eb/N0、發(fā)射功率、天線直徑和數(shù)據(jù)速率間的關(guān)系。由此得到了一些規(guī)律性的結(jié)論，為星間鏈路的建立提供了參考和依據(jù)。

在實(shí)際的應(yīng)用中，衛(wèi)星之間不能相互定位對(duì)方，存在著天線指向誤差，本文中沒有涉及，將在后續(xù)的文章中進(jìn)行詳細(xì)的分析。

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Design and Performance Analysis of Inter-satellite Link in Multilayer Satellite Network

TIAN Yong-rong1,2, LU Xiao-chun2, HUANG Fei-jiang3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Science, Xi’an 710600, China;
2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China;
3. Department of Electronics and Communication Engineering, University of Changsha, Changsha 410003, China)

In this paper, the relationship between the various inter-satellite link (ISL) parameters of multilayer satellite network is analyzed. The relationship among Eb/N0, transmit power, antenna diameter and data rate of GEO(geostationary earth orbit)/IGSO(inclined geosynchronous orbit ), GEO/MEO(middle earth orbit) and IGSO/MEO inter-satellite links are analyzed and calculated, and the performance of ISL is analyzed according to the calculation. From the result, some regularity conclusions are obtained, which can be used for design and establishment of ISL.

satellite network; satellite communication; inter-satellite link

TN927+.3

A

1674-0637(2010)02-0140-06

2010-01-22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（10673011）；中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目；中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向資助項(xiàng)目（KJCXZ-YW-T12）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（973計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2007CB815502）

田雍容，女，碩士，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航和衛(wèi)星通信方面的研究。