金宇婷，邢斯瑞，孫 偉，趙 博，韓旭天

（長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司，吉林 長春 130000）

0 引言

隨著社會的急速發(fā)展，衛(wèi)星已廣泛應(yīng)用于氣象、城市規(guī)劃、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等民用和軍用的諸多領(lǐng)域[1-4]。相對于傳統(tǒng)的有線或無線通信方式而言，衛(wèi)星通信有以下優(yōu)點：覆蓋范圍較廣、通信容量較大、傳輸距離長、地理環(huán)境空間限制弱、經(jīng)濟(jì)效益高等，已成為我國遠(yuǎn)距離傳輸?shù)闹е萍糩5-6]。

對于衛(wèi)星通信，充足的星地鏈路余量是保證其穩(wěn)定傳輸、信號質(zhì)量的前提。因此，正確且全面的鏈路計算方法是至關(guān)重要的。目前對鏈路計算過程噪聲及干擾的研究還不夠細(xì)致。文獻(xiàn)[7]提出了一種ku 頻段下的衛(wèi)星通信鏈路計算方法，但未考慮鏈路雨衰的影響；文獻(xiàn)[8]提出了多種干擾條件下的衛(wèi)星通信鏈路計算模型，但是未考慮雙通信傳輸時互相干擾等影響。本文將對星地通信過程中各種可能存在的噪聲及干擾進(jìn)行研究，包括傳輸損耗（自由空間傳輸損耗、大氣衰減、雨衰、星地天線極化損耗與對準(zhǔn)誤差、天線罩損耗）和系統(tǒng)損耗（解調(diào)損耗、濾波及非線性損失、極化復(fù)用損耗）等，優(yōu)化鏈路計算方法，精確得到鏈路余量結(jié)果，為衛(wèi)星的通信系統(tǒng)的設(shè)計和地面接收站的建設(shè)提供技術(shù)支持。同時依托吉林一號寬幅01 系列衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和長春地面站，進(jìn)行通信鏈路的上/下行、單/雙通道的實際應(yīng)用舉例，驗證此方法的可行性與可靠性，為星地的通信系統(tǒng)設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 衛(wèi)星鏈路構(gòu)成及相關(guān)參數(shù)

衛(wèi)星鏈路計算涉及衛(wèi)星發(fā)射與接收參數(shù)、地面站發(fā)射與接收參數(shù)、空間傳輸信道參數(shù)等。圖1 為衛(wèi)星與地面站通信示意圖。由地面站發(fā)送信號衛(wèi)星接收的通信鏈路為上行，由衛(wèi)星發(fā)射信號地面站接收的通信鏈路為下行。

圖1 星地鏈路構(gòu)成示意圖

1.1 有效全向輻射功率

有效全向輻射功率（EIRP）是描述地面站或衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)射能力的，它是考量發(fā)射機(jī)輸出功率PT、饋線損耗L1和天線輻射能力（增益GT）的綜合指標(biāo)。用分貝數(shù)表示如式（1）所示。當(dāng)其他條件不變時，EIRP 值越大，星地鏈路余量值越大，但還應(yīng)考慮整個傳輸系統(tǒng)應(yīng)工作在最佳線性區(qū)，因此，合理控制PT、L1和GT對于系統(tǒng)設(shè)計尤為重要。

1.2 接收系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)G/T

接收系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)G/T 是衡量接收系統(tǒng)好壞的重要參數(shù)。G 表示接收天線增益，T 表示接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度，其主要部分為接收天線與低噪放的噪聲溫度。

1.3 門限信噪比

載噪比（C/N）是用來表示載波信號與載波噪聲關(guān)系的指標(biāo)，載噪比越高表示載波相對噪聲越強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量越好。上述載波信號包括傳輸信號和調(diào)制載波的信號，在設(shè)計鏈路時，為了盡可能方便地比較傳輸信號相對于噪聲的關(guān)系，通常選用信噪比（Eb/N0）指標(biāo),當(dāng)用分貝數(shù)表示時二者關(guān)系如式（2）所示[9]：

其中，B 表示載波噪聲帶寬，Rb表示載波信息速率。誤比特率Pb是表征衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳輸性能的重要指標(biāo)，指在傳輸過程中發(fā)生差錯的比特數(shù)占總比特數(shù)的比例，是一種概率表示。在二進(jìn)制傳輸中，碼元差錯率即是比特差錯率，而在多進(jìn)制傳輸中碼元差錯率可由比特差錯率得出。對于QPSK、8PSK 和QAM 調(diào)制方式的通信系統(tǒng)，誤比特率Pb見式（3）～式（5）[9]：

其中，16QAM 調(diào)制M=16，32QAM 調(diào)制M=32。由此可見，誤比特率Pb與信噪比Eb/N0成正比關(guān)系，用MATLAB 仿真結(jié)果如圖2 所示，當(dāng)信噪比Eb/N0越高時，誤比特率Pb越小，系統(tǒng)的性能越優(yōu)。通常在通信系統(tǒng)設(shè)計時，優(yōu)先確定系統(tǒng)的調(diào)制方式及誤比特率Pb要求，進(jìn)而確定信號傳輸所需的最小信噪比，即門限信噪比（[Eb/N0]門限）。

圖2 多種調(diào)制方式的Pb 隨Eb/N0 的變化圖

1.4 自由空間傳輸損耗

衛(wèi)星通信的優(yōu)點之一是傳輸距離長，也正因如此，電磁波在此過程中有著極大的衰減，占整個空間衰減的90%以上。自由空間傳輸損耗與電磁波的頻率f（MHz）和傳輸?shù)木嚯xd（km）成正比。距離d（km）與地球半徑r（km）、衛(wèi)星軌道高度h（km）、最低發(fā)射接收仰角α（°）成正比，根據(jù)幾何關(guān)系可由式（6）給出。自由空間傳輸損耗L2（dB）用分貝數(shù)表示由式（7）給出[10]。

1.5 大氣吸收衰減、雨衰等其他損耗

大氣中有多種氣體、顆粒對不同頻段的電磁波的吸收衰減是不同的，對于衛(wèi)星傳輸?shù)腦 波段的信號，其中主要的衰減來自于垂直高度（h1）小于10 km 的大氣中的氧氣和水汽。根據(jù)ITU-R P.678 建議書（無線電波在大氣氣體中的衰減）可知，給出了多種計算模型，均可得到單位距離上大氣中的氧氣和水汽對電磁波的衰減量。對于X 波段的電磁波信號，其總衰減量為0.013 dB/km，因此當(dāng)電磁波垂直穿過大氣層時，衰減量約為0.013h1，當(dāng)仰角為θ1時，衰減量約為0.013h1/sinθ1，可對整個弧段內(nèi)的衰減量積分取均值，得到平均的大氣吸收衰減L3。

若在衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸過程中有降水，則也會對電磁波信號有衰減。根據(jù)ITU-R P.838-3 建議書（預(yù)測方法中使用的雨天衰減的具體模型）可知，雨衰（γR）（dB/km）與降雨強(qiáng)度（R）（mm/h）的關(guān)系為：γR=kRα。其中k 和α 為 信號頻率和電磁波與降雨傾斜夾角（θ2）的函數(shù)，由建議書查表可知。一般降雨時云層高度（h）不大于5 km，則雨衰L4為：

在衛(wèi)星信號傳輸?shù)倪^程中，還會有衛(wèi)星與地面站的極化誤差損耗、對準(zhǔn)誤差損耗、天線罩損耗（根據(jù)地面站有無天線罩確定）等其他損耗。在接收系統(tǒng)處理信號時，還會有解調(diào)損耗、濾波及非線性損失、極化復(fù)用損耗等，以上這些在計算鏈路時不可忽略，數(shù)值可由衛(wèi)星和地面站的相關(guān)指標(biāo)參數(shù)確定。

2 衛(wèi)星下行鏈路的計算方法

2.1 單通道鏈路的計算方法

衛(wèi)星的下行鏈路計算通常是將實際接收信號的信號質(zhì)量（Eb/N0） 與一定條件指標(biāo)下的門限信號質(zhì)量（（Eb/N0）門限）做對比，裕度值即為衡量鏈路設(shè)計優(yōu)良的判據(jù)。載溫比（C/T）是載波功率與等效噪聲溫度的比值，當(dāng)用分貝數(shù)表示時可由EIRP、L 和G/T 導(dǎo)出如下[9]：

此處L 為衛(wèi)星電磁波信號傳輸路徑所經(jīng)過的總衰減，包括自由空間傳輸損耗、大氣吸收衰減、雨衰、極化誤差損耗、對準(zhǔn)誤差損耗、天線罩損耗等。K 為玻爾茲曼常數(shù)，當(dāng)用分貝數(shù)時,載噪比（C/N）可表示為：

因此，當(dāng)衛(wèi)星與地面站的系統(tǒng)參數(shù)確定時，可計算得出信號接收的信噪比（[Eb/N0]），其與系統(tǒng)解析信號的門限信噪比[Eb/N0]門限做差，即為星地通信系統(tǒng)下行的鏈路余量。在理論上，余量大于0 信號即可傳輸，但在工程應(yīng)用中，一般認(rèn)為使其大于3 dB 可保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。在此值得注意的是，數(shù)據(jù)接收處理過程中，會有系統(tǒng)損耗如解調(diào)損耗、濾波及非線性損失等，若數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯碼處理，會有相應(yīng)的編碼增益，這些應(yīng)在鏈路設(shè)計時悉數(shù)考慮。

2.2 雙通道鏈路的計算方法

為盡可能多地在單位時間內(nèi)下傳更大的數(shù)據(jù)量，通常衛(wèi)星會根據(jù)天線的極化復(fù)用原理進(jìn)行雙通道數(shù)據(jù)同時傳輸，因此需要考慮其中一個通道對另一個通道的干擾問題，即左旋信號的右旋分量對右旋信號和右旋信號的左旋分量對左旋信號皆為干擾，反映到信號質(zhì)量上仍可用信噪比（[Eb/N0]）來衡量。極化隔離度（P）為天線主極化和交叉極化的差值，可以表征天線主極化的純凈度。因此需要對2.1 節(jié)的信號信噪比進(jìn)行補(bǔ)充。此干擾可加入到系統(tǒng)等效噪聲里等效為其一部分，再計算出單一通道的信號信噪比，根據(jù)式（13）和式（14），可推導(dǎo)出通信系統(tǒng)雙通道傳輸時的信號質(zhì)量為：

此時計算得出的信噪比（[（Eb/N0）雙]）其與系統(tǒng)解析信號的門限信噪比[Eb/N0]門限做差，即為星地通信系統(tǒng)雙通道傳輸條件下的鏈路余量。同樣需考慮解調(diào)損耗、濾波及非線性損失、編碼增益等，經(jīng)過校正的計算方法更真實準(zhǔn)確。

3 衛(wèi)星上行鏈路的計算方法

衛(wèi)星上行通信一般為單通道信號傳輸，它與衛(wèi)星下行通信單通道的鏈路計算方法是一個互逆的過程，將發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)調(diào)換即可，按照上述方法可得到上行鏈路余量數(shù)值。但是值得注意的是，衛(wèi)星通信系統(tǒng)接收信號的信噪比（[Eb/N0]）不僅要比門限信噪比[Eb/N0]門限大，有余量，還應(yīng)滿足接收信號電平大于接收系統(tǒng)能解析信號的最低電平要求，二者取余量數(shù)值小者為星地上行通信系統(tǒng)的鏈路余量值。

4 應(yīng)用實例

本文依托吉林一號寬幅01 系列衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和長春地面發(fā)射接收站，根據(jù)星地參數(shù)，計算星地上/下行、單/雙通道的鏈路余量，驗證此方法的可行性。表1 分別給出了衛(wèi)星的高速下行鏈路和上行遙控鏈路的詳細(xì)指標(biāo)參數(shù)，給后續(xù)表2 星地下行通信單、雙通道計算示例和表3星地上行通信鏈路計算示例提供輸入。

表1 星地通信系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)

在鏈路計算過程中，可根據(jù)參數(shù)（1）、（2）及式（6）、式（7）計算得出自由空間傳輸損耗L2，根據(jù)衛(wèi)星參數(shù)、地面站參數(shù)及式（8）、式（9），可計算大氣吸收衰減L3、雨衰L4，加上地面站多項指標(biāo)參數(shù)極化誤差損耗、對準(zhǔn)誤差損耗、天線罩損耗（根據(jù)地面站有無天線罩確定）等統(tǒng)稱其他損耗，本星地鏈路條件下預(yù)估總衰減4 dB。在地面站處理信號時，解調(diào)損耗、濾波及非線性損失等統(tǒng)稱為信號處理損耗，高階調(diào)制時損耗較大，可由地面站參數(shù)獲取，這也是使用高階調(diào)制需要突破的技術(shù)難關(guān)之一。吉林一號寬幅01 系列衛(wèi)星編碼方式采用標(biāo)準(zhǔn)LDPC 編碼，因此編碼增益為6.5 dB。星地上/下行、單/雙通道通信鏈路計算方法示例如表2 和表3 所示。

表2 星地下行通信單、雙通道計算示例

表3 星地上行通信鏈路計算示例

表2 分別計算了衛(wèi)星通信系統(tǒng)下行信號在單/雙通道條件下的鏈路余量值。可見，在單通道情況下，4 種速率及調(diào)制方式數(shù)據(jù)傳輸余量充足，設(shè)計合理，可做常規(guī)任務(wù)需求使用。在雙通道情況下，前3 種速率及調(diào)制方式數(shù)據(jù)傳輸滿足使用需求，但是32QAM 的1 500 Mb/s速率沒有余量，需重新設(shè)計，有以下幾種方案可供選擇：（1）增大最小傳輸仰角；（2）增大衛(wèi)星EIRP 或使用增益更高的編碼方式；（3）選取地面站G/T 值更大的或解調(diào)性能更優(yōu)的地面站；（4）提高天線極化隔離度。前3 種方案可同時增加單/雙通道的通信余量，方案4 單通道通信余量不變，只增加雙通道通信余量。經(jīng)計算，當(dāng)其他條件不變時，天線極化隔離度提高到26.8 dB 以上，32QAM 的1 500 Mb/s 速率數(shù)據(jù)傳輸余量為正，可滿足使用需求。

星地上行通信鏈路余量計算需考慮兩個方面，如表3所示，方法一是通過電平大小計算，方法二是通過信號質(zhì)量計算。若要信號穩(wěn)定傳輸，二者皆須滿足且以余量較小者為星地上行通信系統(tǒng)的最終鏈路余量值。

5 結(jié)論

本文根據(jù)衛(wèi)星X 波段通信系統(tǒng)鏈路需求，詳細(xì)研究了傳輸過程中的各項損耗、干擾及系統(tǒng)指標(biāo)和特性，提出了星地通信的上/下行和單/雙通道的多種鏈路計算方法，并依托吉林一號寬幅01 系列衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和長春地面站，通過實際示例驗證該計算模型的可行性。該計算方法模型可用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的參數(shù)選擇、信號質(zhì)量鏈路能力的預(yù)測，對衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。