陳 鋒, 黃 勇, 劉 培, 汪伊婕, 葉沙琳

(1.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 200140;2.上海無線電設(shè)備研究所,上海 201109)

0 引言

衛(wèi)星通信具有覆蓋地域廣、組網(wǎng)靈活、通信質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),是地面通信網(wǎng)的有效補(bǔ)充[1]。通信衛(wèi)星多為地球同步軌道(geosynchronous orbit,GEO)衛(wèi)星,隨著技術(shù)的發(fā)展,新型的地球同步軌道通信衛(wèi)星多采用高通量技術(shù),通信容量達(dá)到了傳統(tǒng)通信衛(wèi)星的數(shù)十倍[2]。這類衛(wèi)星采取多波束頻率復(fù)用的方法擴(kuò)展可用的頻率資源;利用窄波束天線提升衛(wèi)星的有效全向輻射功率(EIRP)和天線增益G與接收系統(tǒng)噪聲溫度T的比值(簡稱G/T值),滿足小口徑終端發(fā)送和接收高速數(shù)據(jù)的需求[3]。

隨著衛(wèi)星研制技術(shù)水平和運(yùn)載火箭能力的提高,近年來低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展迅速[4]。低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星具有電波傳播損耗小、傳輸時(shí)延低、系統(tǒng)容量大、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢,但衛(wèi)星相對(duì)地面高速運(yùn)動(dòng),需要多個(gè)衛(wèi)星對(duì)服務(wù)區(qū)域形成連續(xù)的覆蓋[5]。

本文以航空應(yīng)用為基本場景,對(duì)高軌高通量衛(wèi)星和低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星接入數(shù)量、波束切換頻次、多普勒適應(yīng)性、服務(wù)數(shù)量需求等參數(shù)及特性進(jìn)行仿真分析和評(píng)估,描述兩者在通信過程中的差異和特點(diǎn),為通信衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

1 應(yīng)用場景

1.1 航空場景

衛(wèi)星通信是航空器實(shí)現(xiàn)海洋、荒漠和高空等無地面網(wǎng)絡(luò)支持場景下隨遇通信的必要手段。本文基于某航空公司24 h的國內(nèi)航班數(shù)據(jù),進(jìn)行航空應(yīng)用場景建模。

航班數(shù)據(jù)包含飛行始末時(shí)間和始末位置的經(jīng)緯度?？紤]時(shí)間和空間上對(duì)飛行軌跡的近似模擬需求,基于地球表面的大圓軌跡原則進(jìn)行航線飛行軌跡模擬,以分鐘為最小時(shí)間間隔,求解各航班的飛行軌跡。全天按小時(shí)統(tǒng)計(jì)的飛行航班架次分布如圖1所示。

圖1 航班架次的時(shí)間分布

1.2 高低軌通信衛(wèi)星技術(shù)特點(diǎn)

(1)高軌通信衛(wèi)星

以中星16號(hào)衛(wèi)星為例,分析高軌高通量衛(wèi)星的技術(shù)特點(diǎn)。中星16號(hào)衛(wèi)星位于東經(jīng)110.5°的地球同步軌道上,共有26個(gè)通信波束,可覆蓋我國大部分地區(qū),其軌道及波束特性參數(shù)如表1所示[6]。

表1 中星16號(hào)高軌通信衛(wèi)星軌道及波束參數(shù)

根據(jù)表1對(duì)中星16號(hào)衛(wèi)星進(jìn)行波束分布建模,26個(gè)通信波束的地面投影如圖2所示。

圖2 中星16號(hào)高軌通信衛(wèi)星通信波束地面投影示意圖

以中星16號(hào)衛(wèi)星為基準(zhǔn)點(diǎn),計(jì)算各波束中心和飛機(jī)與基準(zhǔn)點(diǎn)連線之間的夾角,夾角小于0.4°時(shí)衛(wèi)星與該波束建立通信鏈路。如果出現(xiàn)飛機(jī)與多個(gè)波束的夾角均小于0.4°的情況,則選擇當(dāng)前時(shí)刻夾角最小的波束建鏈。

(2)低軌通信衛(wèi)星星座

以432顆星的低軌衛(wèi)星星座為例,432 顆衛(wèi)星分布在24個(gè)軌道面上,每軌18顆星,軌道高度1 150 km,軌道傾角60°,對(duì)地覆蓋范圍±55°,在中低緯度地區(qū)具備全天時(shí)多重連續(xù)覆蓋的能力。

低軌衛(wèi)星系統(tǒng)在滿足衛(wèi)星與飛機(jī)可通信的條件下,按最短距離接入原則進(jìn)行通信建鏈。

2 接入特性分析

2.1 多波束及多星接入特性分析

以北京至上海的某航班為例,從多波束及多星切換頻次、多波束及多星接入數(shù)量、終端天線指向需求、通信距離影響、多普勒頻偏影響等方面對(duì)比高軌和低軌通信衛(wèi)星的接入特性差異。

(1)多波束及多星切換頻次分析

京滬航線飛行時(shí)間約130 min,飛行過程跨越中星16號(hào)衛(wèi)星的多個(gè)波束,高軌衛(wèi)星服務(wù)時(shí)京滬航線飛行軌跡如圖3所示。按照最短距離接入原則,飛機(jī)先后接入波束22、波束21、波束15 等3個(gè)波束,其中單波束最大通信時(shí)長為63 min,切換次數(shù)為2次。

圖3 高軌衛(wèi)星服務(wù)時(shí)京滬航線飛行軌跡

低軌衛(wèi)星繞地球飛行,與地面的相對(duì)速度較大,地面目標(biāo)對(duì)同一低軌衛(wèi)星的可視時(shí)間較短。以1.2節(jié)中的低軌通信衛(wèi)星星座為例進(jìn)行分析,同一衛(wèi)星持續(xù)提供服務(wù)的最大時(shí)長約為4 min。京滬航線飛行過程中,衛(wèi)星切換次數(shù)在50次以上。

與高軌衛(wèi)星相比,低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的用戶鏈路切換頻率大大提高,對(duì)于終端接入速度和平穩(wěn)性的要求也大大提高。

(2)多波束及多星接入數(shù)量分析

由圖3可知,中星16號(hào)衛(wèi)星最大可接入波束數(shù)量為2個(gè),即在波束重疊區(qū)域可實(shí)現(xiàn)雙重覆蓋,但時(shí)間很短。如從波束22切換到波束21過程中有15 min的雙重覆蓋時(shí)間。

低軌衛(wèi)星系統(tǒng)向同一航班提供通信服務(wù)時(shí),可接入衛(wèi)星數(shù)量為12顆～22顆,可提供多重覆蓋,通信可靠度和靈活度得到提升。對(duì)于重點(diǎn)用戶,可通過多波束、多頻段終端實(shí)現(xiàn)高通量擴(kuò)容服務(wù)。京滬飛行過程中低軌衛(wèi)星系統(tǒng)可接入衛(wèi)星數(shù)量如圖4所示。

圖4 京滬航線可接入低軌衛(wèi)星數(shù)量曲線

(3)終端天線指向需求分析

京滬飛行過程中,與高軌通信衛(wèi)星連接的機(jī)載通信終端指向變化較慢,最大轉(zhuǎn)動(dòng)速度為0.064°/min;指向范圍較小,指向角在37.85°～46.56°之間變化。低軌通信星座服務(wù)時(shí),受低軌衛(wèi)星高速運(yùn)動(dòng)的影響,機(jī)載通信終端指向變化快,最大轉(zhuǎn)動(dòng)速度可達(dá)19.7°/min,指向角變化范圍為2.88°～45.57°,因此要求低軌通信衛(wèi)星終端具備更高的衛(wèi)星跟蹤和指向能力。

(4)通信距離影響分析

高軌通信衛(wèi)星服務(wù)時(shí),星地通信距離范圍為(36 946.24～37 526.44)km,并且距離變化緩慢,最大變化速率為4.27 km/min,對(duì)通信鏈路影響較小。低軌通信星座服務(wù)時(shí),受低軌衛(wèi)星高速運(yùn)動(dòng)影響,星地通信距離變化速率大,可達(dá)到218 km/min;通信距離范圍為(1 150～1 528)km,在功率鏈路計(jì)算時(shí)會(huì)帶來近3 dB 的起伏。上述特性對(duì)低軌衛(wèi)星終端的鏈路適應(yīng)性提出了較高的要求。

(5)多普勒頻偏影響分析

多普勒頻偏主要與兩個(gè)物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)。為了更充分地研究多普勒頻偏的變化情況,以更長飛行距離的北京至廣州航線為例進(jìn)行分析。京廣航線飛行時(shí)長約205 min,飛行速度為(145～165)m/s,具有一定的隨機(jī)性。

高軌衛(wèi)星通信頻率的多普勒頻偏在10 k Hz左右,相對(duì)穩(wěn)定;低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)通信頻率的多普勒頻偏范圍為(-400～+400)k Hz,多普勒效應(yīng)明顯,兩者相差數(shù)十倍。低軌衛(wèi)星通信頻率多普勒頻偏較大,與低軌衛(wèi)星相對(duì)速度較大和速度方向夾角變化較大兩個(gè)因素有關(guān)。

高軌衛(wèi)星通信頻率多普勒頻偏變化率在10 Hz/s量級(jí),低軌衛(wèi)星通信頻率多普勒頻偏變化率與高軌衛(wèi)星相比明顯偏大。低軌衛(wèi)星通信頻率多普勒頻偏變化率與接入衛(wèi)星切換情況有關(guān),在衛(wèi)星切換時(shí),相對(duì)速度、夾角、方向矢量等均存在突變,頻偏變化率可達(dá)到10 k Hz/s以上;在同一顆星接入期間,頻偏變化率在2 k Hz/s量級(jí)。

2.2 單星或單波束服務(wù)數(shù)量分析

以某航空公司一天內(nèi)所有國內(nèi)航班數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)比高軌衛(wèi)星單一波束和低軌衛(wèi)星單星覆蓋范圍內(nèi)需服務(wù)的通信目標(biāo)數(shù)量,為波束設(shè)計(jì)、頻率規(guī)劃等提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

對(duì)于高軌通信衛(wèi)星,其單波束服務(wù)的飛機(jī)最大數(shù)量為47架,服務(wù)飛機(jī)數(shù)量超過30架的波束有8個(gè)。

對(duì)于低軌通信衛(wèi)星星座系統(tǒng),按照最近距離接入原則,統(tǒng)計(jì)各衛(wèi)星需服務(wù)飛機(jī)的最大數(shù)量和時(shí)刻。單星服務(wù)飛機(jī)數(shù)量大于100架的情況比較普遍,其中最大服務(wù)飛機(jī)數(shù)量達(dá)到147架。在時(shí)間分布上看,低軌通信衛(wèi)星單星對(duì)國內(nèi)航線的服務(wù)時(shí)間均比較短暫,存在短時(shí)段、多用戶和大需求的特點(diǎn)。

3 結(jié)論

本文以航空應(yīng)用為基本場景,對(duì)比分析了高軌和低軌典型通信衛(wèi)星系統(tǒng)的特點(diǎn)。低軌通信衛(wèi)星系統(tǒng)具有通信距離短、鏈路損耗低、覆蓋重?cái)?shù)多等優(yōu)勢,在終端口徑、應(yīng)用能力和靈活性等方面優(yōu)于高軌通信衛(wèi)星。但是低軌通信衛(wèi)星系統(tǒng)存在切星頻繁、終端指向跟蹤速度要求高等缺點(diǎn)。高軌通信衛(wèi)星用戶接入和通信過程平穩(wěn),低軌通信衛(wèi)星與高軌衛(wèi)星相比,多普勒頻偏效應(yīng)明顯,頻偏大、變化快,對(duì)接收端適應(yīng)性提出了較高要求。同時(shí),低軌通信衛(wèi)星用戶接入數(shù)量方面的要求遠(yuǎn)高于高軌衛(wèi)星,需要在接入和路由等方面開展容量均衡性研究,進(jìn)一步提升通信衛(wèi)星服務(wù)的靈活性、可靠性和可用性。