一、概述
1.1卫星通信系统背景
随着信息化时代的到来,全球个人移动通信和信息高速公路通信需求的迅速增长,要实现通信网的“无缝”覆盖,卫星通信是必不可少的通信手段。与传统的通信和传输方式相比,卫星通信在技术和成本上具有高可用性和高性价比的优势,它以其覆盖广、通信容量大、通信距离远、不受地理环境限制、质量优、经济效益高等优点,已成为信息化的主要支柱之一。
为了真正实现来自任何人、任何时候、任何地点的任何类型的通信，卫星通信系统则是必不可少的。自从 1965 年4 月6 日世界行第一颗商用通信卫星“晨鸟”发射升空，卫星通信作为一支重要的力量登上了通信历史的舞台。此后卫星通信迅速发展，在军事和民用领域得到了十分广泛的应用；上世纪 70-80 年代到达了鼎盛时期。80 年代末、90 年代以后，由于光纤通信和地面蜂窝移动通信的迅速崛起，卫星通信失去了传统的国际、国内长途通信和陆地通信业务等主要领地。进入新世纪以来，卫星通信扬长避短，茁壮发展，又重新找到了自己的位置，与地面通信系统形成了相互竞争、互为补充的格局。在军事应用中，卫星通信仍然是其他手段所不能取代的通信方式，而现代战争对卫星通信提出更高的要求，需要卫星信息可以直接战术应用；在经济、政治和文化领域中，卫星通信不仅有效地补充了其他通信手段的不足或不能，在抢险、防灾、救灾和处理突发事件的应急通信中均大有作为。
1.2 我国卫星通信系统的发展现状
我国卫星通信系统发展的基本情况如下: (1)卫星固定通信
我国卫星固定通信网的建设非常迅速,人民银行、新华社、交通、石油天然气、经贸、铁道、电力、水利、民航、中核总公司、国家地震局、气象局、云南烟草、深圳股票公司以及国防、公安等已建立了20多个卫星通信网,卫星通信地球站已达上万座。
(2)卫星移动通信
卫星移动通信主要解决陆地、海上和空中各类目标相互之间及与地面公用网的通信任务。我国的便携式用户终端在静止轨道全球卫星移动通信系统中运营良好,中低轨道系统运营不佳。作为国际海事卫星组织(INMARSAT)成员国,我国已进入INMARSAT的M站和C站,有近5 000部机载、船载和陆地终端,可为太平洋、印度洋和亚太地区提供通信服务。石油、地质、新闻、水利、外交、海关、体育、抢险救灾、银行、安全、军事和国防等部门均配备了相应业务终端。
(3)卫星电视广播
实践证明,卫星电视广播具有服务区域大、传播远、质量高、投资省、见效快和经济效益高等优点,是提高我国(特别是边远山区)电视广播节目覆盖率最有效、最先进的技术手段。国外卫星电视广播直播系统正在进入中国市场,而我国自己的卫星电视直播系统已纳入国家重点建设项目。当前我国的卫星通信和电视广播网已初具规模,在国民经济、国防和教育等领域发挥着越来越重要的作用。
(4)卫星宽带通信
传统的C和Ku频段卫星通信系统已不能满足各种宽带通信业务的需求,国外现已开通多条高速率的卫星通信线路。中国金桥信息网(ChinaGBN)、中国教育和科研计算机网(CERNet)、中国科技网(CSTNet)等互联网单位用国内通信卫星转发器开通了数十条ISP(或区域网络)与核心网络间中继链路,以C、Ku频段卫星传输链路起步,以后增加Ka频段卫星链路和地面
通信设施,组成覆盖全国的无级网络。这些互联网系统视不同要求可提供高速互联网接入、海量数据下载、远程医疗、远程教学、视频会议、多点广播等业务。
二、卫星通信系统设计内容
2.1卫星通信系统的基本组成
卫星通信系统的基本组成如图1所示。通信卫星起中继作用,把一个地球站送来的信号经变频和放大传送给另一端的地球站;地球站是卫星系统与地面系统的接口,地面用户通过地球站出入卫星通信系统,形成连接电路;为了保证系统的正常运行,卫星通信系统还必须要有测控系统和监测管理系统配合,测控系统对通信卫星的轨道位置进行测量和控制,以保持预定的轨道,监测管理系统对所有通过卫星有效载荷(转发器)的通信业务进行监测管理,以保持整个系统安全、稳定地运行。
2.2轨道参数的选择
在星座设计中,轨道参数包括的内容有:轨道类型,轨道高度,运行周期,轨道的相位关系等.
2.2.1.轨道类型的选择
低轨卫星就轨道类型而言有圆轨道和低椭圆轨道两大类,低椭圆轨道(以下简称椭圆轨道)对区域性覆盖十分有利,可以使覆盖某一区域所需的卫星数目较少.但为了在扰动条件下能保持卫星远地点固定不动,轨道倾角必须为63.4°,这对中低纬度地区的覆盖不利.而圆轨道则不同,其轨道倾角可在0~90°之间任意选择,为设计带来了方便,对我国的覆盖而言,选择倾斜圆轨最为有利.虽然用倾斜圆轨道仅覆盖我国不太经济,但是从扩展为全球系统的前景看又是十分有利的。 2.2.2.高度、周期的选择
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:
(l)地球大气层的影响若轨道高度选择较低,
大气层上部的氧原子将对卫星星体材料形成严重的威胁,直接影响到卫星的寿命.同时还存在严重的大气扰动.当轨道高度选择在1000km以上,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.范·爱伦带的电磁辐射对星体材料和星上设备构成严重的威胁.因此轨道高度应尽虽避免选在该辐射带中,使卫星在设计的寿命期间正常工作.
(3)周期因素为了便于对卫星在运行过程中
进行定位控制,以及星座的覆盖统计的简化,卫星周期应与恒星日成比例关系,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.根据开普勒定理可以得出轨道高度和运行周期的关系式如下：
TS2(GM)1/3h?RE 2/3(2?)?832G?6.67?10cm/kg?sec式中:G为万有引力常数,；M为地球质27.5km;h为轨道高度;TS为卫星周期. M?5.976?10kg；RE为地球半径,RE?6379量,
3若要满足上述定位控制条件,则秒.设计选定的参数为:k/n=5/64,
TS/TE?k/n而n、k为整数,TE为恒星日,TE=86164
TS112.2分钟,h=1326km·
2.2.3星座相位关系的设计
星座相位关系的确定是指确定卫星在星群中的位置.它包括轨道倾角,轨道平面的布置、同一平面内星的位置及相邻轨道卫星的相对位置.
我国的纬度范围在北纬4°至54°之间,且主要业务区在北纬20度至北纬50度之间,所以设计的轨道倾角选在38°~45°之间为宜.经过反复的分析比较,其中以42°对我国的覆盖情况较为有利.在24颗星系统中,共有3个轨道平面,每个平面上8颗卫星.轨道平面是均匀布置的,即相邻轨道的右升节点相距120°(右升节点是指轨道平面与赤道平面的交线与赤道的交点,且此刻卫星是从南半球进人北半球).每个轨道平面内的8颗卫星也是等间隔布置,即相邻两星相距45度.以上参数还不能确定卫星在整个星群中的相对位置关系,因为相邻轨道卫星的相对位置关系不确定.要确定相邻轨道卫星的相对位置,就必须确定卫星的相对相角.卫星的相角是它在轨道平面内,从右升节点到卫星所转过的角度,而相对相角是指两颗卫星的相角之差.不同的相对相角会使得星群覆盖性能相差甚远.这个问题在倾斜圆轨道且卫星数较少的情况下尤为突出.因此,必须采用优化方法来设计卫星的相对相位.下面介绍有关的优化算法.
根据立体几何的关系,可推导出两个星下点之间距离d的公式:
d?REcos?1[(2?sin2?cos2?1?sin2?1)/2?(sin2?2?2sin?1sin?2)/2]
卫星与地心连线和地面的交点称为星下点式中为两星下点的纬度,甲为两星下点经度差的绝对值,相对相角优化算法准则是使星下点间的最小距离最大化.
三、系统传输技术体制
3.1多址方式
系统资源是被所有的用户共享的，如何在用户之间进行资源的分配是多址方式要解决的问题。
图2
FDM 频率复用技术，将整个频段划分出不同的子频段，供每个用户使用。每个子频段之间要设置频率保护间隔，为了防止频谱混叠。
3.2系统的调制方式
3.2.1调制方式
二进制相移键控。2PSK 是相移键控的最简单的一种形式，它用两个初相相隔为180 的载波来传递二进制信息。所以也被称为BPSK在二进制数字调制中,当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时,则产生二进制移相键控(2PSK)信号. 通常用已调信号载波0°和180°分别表示二进制数字基带信号的1 和0. 二进制移相键控信号的时域表达式为:e2PSK(t)= g(t-nTs)]cosωct
2?n假定信道噪声为加性高斯白噪声n(t)，其均值为0、方差为；发射端发送的2PSK 信
号为
1”?Acos?ct,发“ ST(t)???Acos?t,发“0”c?则经信道传输，接收端输入信号为
1”?acos?ct?n(t),发“ yi(t)???-acos?ct?n(t),发“0”此处，为简明起见，认为发送信号经信道传输后除有固定衰耗外，未受到畸变，信号幅度：A→a 。
经带通滤波器输出
yi(t)?s(t)?ni(t)
1”?acos?ct?nc(t)cos?ct?ns(t)sin?ct,发“ ???-acos?ct?nc(t)cos?ct?ns(t)sin?ct,发“0”其中，
ni(t)?nc(t)cos?ct?ns(t)sin?ct 为高斯白噪声n(t)经BPF 限带后的窄带高
2cos?ct，则乘法器输出
斯白噪声。取本地载波为
z(t)?2y(t)cos?ct
将式代入，并经低通滤波器滤除高频分量，在抽样判决器输入端得到
1”?a?nc(t),发“ x(t)???-a?nc(t),发“0”据分析可知，
nc(t)为高斯噪声，因此，无论是发送“1”还是“0”
， x(t)瞬时值的一
2?维概率密度f1(x)、f2(x)、都是方差为n的正态分布函数，只是前者均值为a，后者均值
为-a，即
1(x?a)2f1(x)?exp[?],发“1”22?n2??n2f2(x)?-1(x?a)exp[?],发“0”22?n2??n
。
之后的分析完全类似于2ASK 时的分析方法。不难得到；当p(1)?p(0)?1/2时，2PSK 系统的最佳判决门限电平为
Ud?0
在最佳门限时，2PSK 系统的误码率为
0?Pe?P(0)P(1/0)?P(1)P(0/1)?P(0)?f0(x)dx?P(1)???0f1(x)dx??f1(x)dx[P(0)?P(1)]??f1(x)dx00??
?1erfc(r)2a2r?22?n式中，为接收端带通滤波器输出端信噪比。
在大信噪比下，上式成为
Pe?12?re?r
采用2PSK 的缺点是接收端载波180°相位跳变问题。
3.3信道分配
将140 个点波束每7 个划分为一组，共20 组，每一组波束分配使用微波L 频段的上
行1626--1660MHZ 和下行1525--1559MHZ 频段（各34MHz）频率资源，不同组波束可以重复使用同一载波，不同组的波束覆盖地区相隔足够远，所以相互之间不会产生干扰。频段分配方法与蜂窝通信网中各小区频率复用相同，将卫星的点波束抽象成为一个正六边形，如图3 所示，绿色部分就是一个区群的示意图，其中数字号代表使用的带宽，不同的数字代表不