中低軌移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀移動(dòng)通信的目標(biāo)是建立一種簡單的通信模式，以便隨時(shí)實(shí)現(xiàn)通信。地面蜂窩系統(tǒng)的廣泛建設(shè)大大推進(jìn)了移動(dòng)通信的建設(shè),但要實(shí)現(xiàn)真正的全球個(gè)人通信,必須發(fā)展衛(wèi)星移動(dòng)通信。許多國家和組織紛紛提出不同的低/中軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信的設(shè)計(jì)方案,并具體分析各種方案的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。我國科技工作者也密切注意著衛(wèi)星移動(dòng)通信的發(fā)展動(dòng)向,進(jìn)行了一系列的技術(shù)研究和方案論證。本文設(shè)計(jì)了特別適合我國覆蓋的星座方案,并研制了能進(jìn)行星座實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真、實(shí)時(shí)多區(qū)域覆蓋率統(tǒng)計(jì)和實(shí)時(shí)通信線路計(jì)算的綜合應(yīng)用軟件。二、保護(hù)裝置技術(shù)衛(wèi)星移動(dòng)通信的系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及的內(nèi)容很多,主要包括星座設(shè)計(jì)、覆蓋分析、通信線路計(jì)算、星際和波束間切換技術(shù)、功率控制技術(shù)、衛(wèi)星信號(hào)分集接收技術(shù)、星際同步技術(shù)等。這里主要對(duì)前三項(xiàng)內(nèi)容作簡單介紹。1.軌道高度的選擇在星座設(shè)計(jì)中,主要考慮軌道參數(shù)的選擇,主要包括:軌道類型,軌道高度,運(yùn)行周期,軌道的相位關(guān)系等。中低軌衛(wèi)星就軌道類型而言有圓軌道和橢圓軌道兩大類,橢圓軌道對(duì)區(qū)域性覆蓋十分有利,但軌道傾斜角必須為63.4度(為了在擾動(dòng)條件下能保持衛(wèi)星遠(yuǎn)地點(diǎn)固定不動(dòng)),這對(duì)中低緯度地區(qū)的覆蓋十分不利。而圓軌道的傾斜角可在0度到90度之間任意選擇。軌道高度與系統(tǒng)覆蓋所需的衛(wèi)星數(shù)目和對(duì)地面終端EIRP及G/T值的要求有關(guān),在軌道高度選擇上是兩者的折中,同時(shí)還需考慮下面幾個(gè)因素:(1)地球大氣層的影響:地球上空的大氣層對(duì)衛(wèi)星存在阻尼和擾動(dòng)等影響,只有當(dāng)軌道高度選擇在1000km以上時(shí),大氣阻尼和擾動(dòng)才能被忽略。(2)范愛倫帶的影響:在大氣層上部大約1000km至2500km的高空存在著一條強(qiáng)烈的電磁輻射帶,即范愛倫帶,軌道高度應(yīng)盡量避免選在該輻射帶中,以免電磁輻射對(duì)衛(wèi)星造成影響。(3)為了便于對(duì)衛(wèi)星在運(yùn)行過程中進(jìn)行定位控制,衛(wèi)星周期應(yīng)與恒心日成比例關(guān)系,使衛(wèi)星每隔一天或數(shù)天在同一時(shí)刻通過同一地點(diǎn)上空。因?yàn)樾l(wèi)星運(yùn)行周期是軌道高度的函數(shù),所以在高度選擇時(shí)必須考慮周期因素。星座相位關(guān)系的確定是指確定衛(wèi)星在星群中的位置,包括軌道傾斜角,軌道平面的位置,同一平面內(nèi)衛(wèi)星的位置及相鄰軌道衛(wèi)星的相對(duì)位置等。2.覆蓋區(qū)地心張角進(jìn)行覆蓋率統(tǒng)計(jì)是對(duì)星座方案進(jìn)行評(píng)估的重要方法。為了研究方便,我們可以假設(shè)衛(wèi)星對(duì)地球的照射是對(duì)準(zhǔn)地心的,且只有一個(gè)大波束。那么,形成的覆蓋區(qū)域是圓域(準(zhǔn)確地說是球冠面),其大小由最小可視仰角α(以覆蓋區(qū)邊緣上的一點(diǎn)為頂點(diǎn)從地平線轉(zhuǎn)到衛(wèi)星的角度)決定,見圖1,圖中φ為覆蓋區(qū)地心張角。由正弦定理可得覆蓋區(qū)地心張角為φ=90°-α-arcsinRecosαRe+Η(1)φ=90°?α?arcsinRecosαRe+H(1)其中Re為地球半徑,H為衛(wèi)星高度。令R=Re+H,則由余弦定理可得覆蓋區(qū)邊緣距衛(wèi)星距離d=√Re2+R2-2ReRcosφ(2)地球表面上衛(wèi)星的覆蓋區(qū)面積(球冠面積)為S=2π?Re2(1-cosφ)(3)將系統(tǒng)所有衛(wèi)星的覆蓋區(qū)面積累積起來(如一個(gè)區(qū)域有兩顆或兩顆以上的衛(wèi)星同時(shí)覆蓋時(shí)為多星覆蓋區(qū)域,此時(shí)覆蓋面積只計(jì)算一次),除以地球總面積即得全球覆蓋率,對(duì)區(qū)域覆蓋率統(tǒng)計(jì)采取類似方法。3.鏈路功率預(yù)算方程衛(wèi)星通信是在空間技術(shù)和地面微波中繼通信技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,靠大氣層外衛(wèi)星的中繼實(shí)現(xiàn)通信。其荷載信息的無線電波要穿越大氣層,經(jīng)過很長的距離在地面站和衛(wèi)星之間傳播,因此它受到多種因素的影響。傳播問題會(huì)影響到信號(hào)質(zhì)量和系統(tǒng)性能,這也是造成通信中斷的一個(gè)原因,因此電波傳播特性是衛(wèi)星通信及其它無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和線路設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的基本特性。鏈路功率預(yù)算方程為:Ρr=EΙRΡ+Gr-Lp-La-Lta-Lra(dBW)(4)其中Pr一般叫做接收機(jī)輸入端載波功率,EIRP為等效全向輻射功率,表示了發(fā)送功率和天線增益的聯(lián)合效果,Gr是接收天線增益,Lp是路徑損耗(自由空間損耗),La是大氣損耗(含雨衰等),Lta是與發(fā)射天線相關(guān)的損耗(象饋線損耗、指向損耗等),Lra是接收天線的損耗。Lp=92.45+20lgd+20lgf(dB)(5)上式中d為傳播距離,單位用km,f為工作頻率,單位用GHz。圓軌道的多卜勒表達(dá)式:fDopple=fcVDc(6)VD=√uRe2(Re+h)3cosγsinΨ-2π86164RecosltcosγcosΨ(7)Ψ=arctan[-43082π√u(Re+h)3](8)VD是衛(wèi)星指向地面終端的速度,h是圓軌道高度,Re是地球半徑,u為開普勒常數(shù),γ為仰角,lt為終端緯度,fc為載波頻率。三、推行的方案設(shè)計(jì)利用上面所介紹的星座設(shè)計(jì)方法,并結(jié)合我們開發(fā)的星座設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件,設(shè)計(jì)了特別適合我國覆蓋的中低軌移動(dòng)衛(wèi)星通信星座方案各一套,并給出多種方案的覆蓋率統(tǒng)計(jì)和線路損耗等比較表格圖。1.模型運(yùn)行結(jié)果本文設(shè)計(jì)的中軌系統(tǒng)星座參數(shù)為:三個(gè)圓軌道,軌道高度8045公里,軌道傾斜角47度,第一根軌道升交點(diǎn)赤經(jīng)為東經(jīng)20度,每軌5顆衛(wèi)星,相對(duì)相角36度,提供最小仰角30度。動(dòng)態(tài)演示運(yùn)行瞬間的圖案如圖2所示。圖3為覆蓋率統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖。圖3中橫坐標(biāo)為時(shí)間軸,每間隔代表5分鐘,圖中截取的是具有覆蓋率峰值和谷值的部分。從以上統(tǒng)計(jì)模擬結(jié)果圖可以看出,本文所設(shè)計(jì)的中軌星座方案對(duì)我國的覆蓋率達(dá)到了100%,對(duì)歐洲的覆蓋率達(dá)到了95%以上,對(duì)北美的覆蓋率達(dá)到了98%以上,而且在大部分時(shí)間里對(duì)歐洲和北美的覆蓋率達(dá)到了100%,對(duì)全球的覆蓋率達(dá)到了84%。從上表的比較中可以看出方案D為最佳方案。2.低軌戀愛方案比選本文設(shè)計(jì)的低軌系統(tǒng)星座參數(shù)為:三個(gè)圓軌道,軌道高度1346公里,軌道傾斜角48度,第一根軌道升交點(diǎn)赤經(jīng)為東經(jīng)20度,每軌8顆衛(wèi)星,相對(duì)相角22.5度,提供最小仰角10度。動(dòng)態(tài)演示運(yùn)行瞬間的圖案如圖4所示,覆蓋率統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖如圖5。圖5中橫坐標(biāo)為時(shí)間軸,每間隔代表5分鐘,圖中截取的是具有覆蓋率峰值和谷值的部分。從以上統(tǒng)計(jì)模擬結(jié)果圖可以看出,本文所設(shè)計(jì)的低軌星座方案對(duì)我國的覆蓋率達(dá)到了100%,對(duì)歐洲的覆蓋率達(dá)到了96%以上,對(duì)北美的覆蓋率達(dá)到了97%以上,而且在大部分時(shí)間里對(duì)歐洲和北美的覆蓋率達(dá)到了100%,對(duì)全球的覆蓋率達(dá)到了70%。從表2可看出方案C為最佳方案,覆蓋性能優(yōu)于Glostar(24顆星方案)系統(tǒng)。本文所設(shè)計(jì)的中低軌星座方案與文獻(xiàn)、中的星座方案有些差異,主要原因在于覆蓋率統(tǒng)計(jì)方法上的差別,文獻(xiàn)、中統(tǒng)計(jì)結(jié)果是針對(duì)我國十個(gè)典型地點(diǎn)進(jìn)行抽樣計(jì)算的,而本文的統(tǒng)計(jì)結(jié)果是針對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行整體計(jì)算的,包括對(duì)中國、全球、歐洲及北美的覆蓋率計(jì)算。四、系統(tǒng)實(shí)時(shí)覆蓋率統(tǒng)計(jì)與分析運(yùn)用統(tǒng)一建模語言UML先進(jìn)行軟件模型的總體設(shè)計(jì)并運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)建立星座空間模型,在模型的基礎(chǔ)上運(yùn)用面向?qū)ο笳Z言Delphi5.0進(jìn)行軟件設(shè)計(jì),其中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)星座運(yùn)行仿真和覆蓋分析的核心思想為:建立軌道和衛(wèi)星運(yùn)行的三維方程,隨著時(shí)間的移動(dòng)(可以設(shè)置一個(gè)定時(shí)器),計(jì)算出每一顆衛(wèi)星的三維坐標(biāo),利用動(dòng)畫處理的重畫和雙緩沖技術(shù)實(shí)現(xiàn)星座動(dòng)態(tài)運(yùn)行仿真,根據(jù)衛(wèi)星的實(shí)時(shí)位置和系統(tǒng)的最小仰角計(jì)算出實(shí)時(shí)的覆蓋區(qū)域,從而計(jì)算出覆蓋率,結(jié)合其它一些系統(tǒng)參數(shù)就可同時(shí)進(jìn)行通信線路的計(jì)算。運(yùn)用Matlab與Animator等工具進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和動(dòng)畫的輔助設(shè)計(jì)等等。本軟件主要具有以下三大功能:(一)逼真的實(shí)時(shí)星座運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真;(二)實(shí)時(shí)覆蓋率統(tǒng)計(jì),包括對(duì)全球的總體覆蓋率統(tǒng)計(jì)和對(duì)中國、北美、歐洲的區(qū)域性覆蓋率統(tǒng)計(jì);(三)通信線路計(jì)算,包括用戶鏈路上行計(jì)算,用戶鏈路下行計(jì)算,饋線鏈路上行計(jì)算,饋線鏈路下行計(jì)算等。軟件可根據(jù)用戶輸入的星座系統(tǒng)參數(shù)快速地進(jìn)行以上三大功能的處理,對(duì)移動(dòng)衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的仿真效果。圖6給出了軟件模塊圖。五、低軌方案在全球的覆蓋率本文設(shè)計(jì)了中軌和低軌移動(dòng)衛(wèi)星星座方案各一套,其中15星的中軌方案對(duì)我國的覆蓋率達(dá)到了100%,對(duì)歐洲的覆蓋率達(dá)到了95%以上,對(duì)北美的覆蓋率達(dá)到了98%以上,而且在大部分時(shí)間里對(duì)歐洲和北美的覆蓋率達(dá)到