衛(wèi)星通信系統(tǒng)鄰星干擾分析方法研究

郭 強,劉 波,司圣平,劉 輝,蔣應富,張 恒

(1.上海航天技術研究院,上海 201109; 2.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109)

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衛(wèi)星通信系統(tǒng)鄰星干擾分析方法研究

郭 強1,劉 波2,司圣平2,劉 輝2,蔣應富2,張 恒2

(1.上海航天技術研究院,上海 201109; 2.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109)

針對多星組網頻率復用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的鄰星干擾問題，對一種衛(wèi)星通信系統(tǒng)鄰星干擾分析方法進行了研究。首先計算地面站能否同時接收到鄰星信號，若無，則不存在鄰星干擾，若有，則需分析干擾的影響。其次計算鄰星是否在接收天線主波束范圍內，若不是，可認為兩星的極化方式對接收系統(tǒng)無影響；若是，考慮雙星完全重疊的極限情況，分析最嚴重的鄰星干擾，并給出了綜合考慮天線、降雨、傾角、冰晶等因素導致的去極化效應的信噪比計算模型。該方法已成功用于我國某衛(wèi)星星座通信系統(tǒng)設計并通過了在軌測試，誤碼率滿足系統(tǒng)設計要求。研究可為我國其他多星組網頻率復用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究和設計提供參考。

衛(wèi)星通信； 鄰星干擾； 頻率復用； 信噪比； 交叉極化隔離度； 圓極化； 天線主波束； 去極化效應

0 引言

隨著我國衛(wèi)星事業(yè)的發(fā)展，多顆衛(wèi)星組網運行實現(xiàn)特定的任務已成為一個趨勢。多顆衛(wèi)星組網會出現(xiàn)同時進入同一地面接收天線接收范圍的情況，由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)有其特定工作頻段限制，為滿足不斷增加的傳輸碼速率需求，通信系統(tǒng)工作頻段常會出現(xiàn)重疊，在多星組網通信系統(tǒng)設計時須考慮鄰星干擾問題，保證多星通信系統(tǒng)的誤碼率滿足組網使用要求。鄰星干擾分為使用相同極化方式(單極化或雙極化)和使用不同極化方式(雙圓極化或雙線極化)兩種情況。當使用的極化方式相同時，可采用更高進制的調制方式避免頻段重疊[1]。但該方法傳輸每比特數據所需的能量更多，增加了衛(wèi)星的研制難度和成本，若無法避免頻段重疊，則產生同頻干擾即鄰星干擾，此時需定量計算鄰星干擾對系統(tǒng)誤碼率的影響。當使用的極化方式不同(雙圓極化或雙線極化)時，全部或部分工作頻段重疊，可使傳輸的碼速率最大增加1倍[2-8]。但該法須要解決雙極化工作方式下的交叉極化問題，定量計算出交叉極化干擾即鄰星干擾對系統(tǒng)誤碼率的影響。衛(wèi)星星座組網布局一般為均勻分布，星與星間存在一定距離間隔，則多顆星間的鄰星干擾問題可簡化為任意兩星間的鄰星干擾問題。文獻[2]對兩顆星使用相同單極化方式且不進入接收天線主瓣范圍的頻率復用衛(wèi)星通信系統(tǒng)鄰星干擾進行了研究；文獻[3-9]對單顆星使用雙極化頻率復用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的交叉極化問題進行了研究，但未見對多顆衛(wèi)星組網運行時，用相同極化方式(單極化或雙極化)和不同極化方式頻率復用衛(wèi)星通信系統(tǒng)進行系統(tǒng)的鄰星干擾分析方法的研究。本文從衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計實際出發(fā)，以常用的圓極化方式為例，根據ITU-R標準，對多星組網運行時頻率復用衛(wèi)星通信系統(tǒng)鄰星干擾的分析方法進行了研究，并成功用于我國某衛(wèi)星星座頻率復用通信系統(tǒng)，為我國多星組網頻率復用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究與設計提供參考。

1 鄰星干擾分析計算方法

多星組網衛(wèi)星通信系統(tǒng)可包括靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)和非靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)。頻率復用則有兩個衛(wèi)星各使用一個相同單極化天線或各使用一個相同雙極化天線對地傳輸數據、兩個衛(wèi)星各使用一個不同的單極化天線對地傳輸數據等不同方式。本文以常用的圓極化頻率復用衛(wèi)星通信系統(tǒng)為例，討論了適于以上不同情況的鄰星干擾分析方法。

根據組網衛(wèi)星的軌道類型和參數、地面站的位置，以及接收天線的工作仰角范圍，用衛(wèi)星軌道仿真軟件(如STK軟件)仿真計算特定地面站能同時接收到兩顆衛(wèi)星下傳信號的時間。若該地面站沒有被兩顆衛(wèi)星下傳信號同時覆蓋的時間，即不存在鄰星干擾，則按傳統(tǒng)的單星通信鏈路分析方法計算信噪比；若有被同時覆蓋的時間，則用本文方法分析鄰星干擾的影響[10]。

2 相同極化方式鄰星干擾計算方法

如甲、乙兩顆衛(wèi)星采用相同單極化天線，并進入同一接收天線的波束覆蓋范圍，在接收甲衛(wèi)星下傳信號時，乙衛(wèi)星在重疊頻段內的下傳信號會對甲衛(wèi)星造成干擾，該干擾可視作高斯白噪聲，該情況下甲衛(wèi)星信噪比(Eb/N0)的計算符合信噪比的倒數和原理[1]。其計算公式為

(1)

式中：Etot為甲衛(wèi)星工作頻段的信號總能量；Eover為重疊頻段的信號能量；(Eb/N0)s為只有甲衛(wèi)星條件下的信噪比；(Eb/N0)d為在雙星相互干擾時甲衛(wèi)星的信噪比。

當甲、乙兩顆衛(wèi)星采用相同雙極化天線時，目前，因在研和在軌衛(wèi)星天線的極化隔離度都大于25 dB，兩星間的鄰星干擾主要為相同單極化方式的同頻干擾，不同極化方式間的交叉極化干擾可忽略不計，則計算方法與兩顆衛(wèi)星采用相同單極化天線一致。

3 不同極化方式鄰星干擾計算方法

3.1 交叉極化產生原因

在采用雙圓極化頻率復用技術的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，交叉極化的產生包括兩部分：一是由于衛(wèi)星天線的饋源極化器制造工藝和安裝中不可避免的誤差，以及極化變換器的損耗，導致形成的圓極化波不可能是理想的圓形，使系統(tǒng)本身包括交叉極化分量，同時地面接收天線的非理想性也會引入交叉極化分量；二是即使發(fā)射端為理想圓極化，在傳播過程中，也會受到降雨、傾角、冰晶等因素的去極化影響而引入交叉極化分量。

3.2 交叉極化隔離度定義

一般，用交叉極化隔離度(XPI)度量交叉極化的優(yōu)劣。雙極化通信系統(tǒng)中信號去極化如圖1所示。圖1中：at，bt為一對正交發(fā)射信號；ar，br為對應的正交接收信號；ax，bx為對應的交叉極化分量。XPI的定義為：本信號在本信道接收的共極化分量ar與另一信道在本信道產生的交叉極化分量bx之比[1]。

圖1 去極化示意Fig.1 Depolarization

通道的交叉極化隔離度可分別表示為

(2)

(3)

對圓極化方式，XPI等于共旋極化分量與反旋極化分量之比。在大多數傳播實驗中僅有一種極化方式的衛(wèi)星信號，同時測量接收到的有用信號(共極化)和無用信號(交叉極化)，兩者的比值稱為交叉極化分辨力(XPD)[1]。有

(4)

通常，計算出的XPI，XPD值相同，并可被簡單地稱為隔離度[1]。

3.3 圓極化頻率復用衛(wèi)星通信系統(tǒng)鄰星干擾分析方法

當特定地面站能同時接收到兩顆衛(wèi)星下傳信號時，兩顆衛(wèi)星與同一地面站天線的關系包括兩種情況：雙星不在同一地面站天線主波束范圍內；雙星在同一地面站天線主波束范圍內。

3.3.1 雙星不在同一地面天線主波束范圍內

實際的地面站接收天線多為拋物面，則天線的增益G和主瓣寬度θ1/2分別滿足關系

(5)

(6)

式中：f為頻率；D為天線直徑；η為天線效率[1]。

ITU-R標準中對地面站的接收天線旁瓣峰值進行了規(guī)定，其天線90%的旁瓣峰值不應大于以下要求

(7)

式中：“*”表示當D/λ小于100時，該角度為(100λ/D) (°)；θ為偏離主波束方向的角度；λ為波長[11-12]。

地面站天線的實際主瓣、旁瓣增益需經過測試，上述理論計算公式可作為系統(tǒng)設計的參考依據。由式(1)，當兩顆星的信號不在同一個地面接收天線主瓣范圍內，不考慮極化方式時，信噪比計算公式為

(8)

式中：Gmain為接收天線的主瓣增益；Gsub為接收天線的旁瓣增益。

用STK軟件仿真計算出同一地面站與兩顆衛(wèi)星所成矢量的夾角，通過調整軌道幅角等參數可改變該矢量夾角的最小值；根據該最小值，以及地面天線的主瓣與旁瓣增益；用式(8)可算出兩顆星相互干擾時的最小信噪比，判斷所得該信噪比能否滿足星地通信的誤碼率要求，若滿足則以該軌道參數作為衛(wèi)星發(fā)射和軌道控制的約束條件。

一般情況下，當雙星不在同一個地面接收天線主瓣范圍內時，因主瓣增益遠大于旁瓣增益，因此兩星間的相互干擾很小，不會影響地面站的正常接收，此時兩星是否采用不同的極化方式對地面接收系統(tǒng)無影響。

3.3.2 雙星在同一地面天線主波束范圍內

當通過軌道控制無法實現(xiàn)雙星不同時出現(xiàn)在同一地面天線主波束范圍內，極限情況為雙星完全重疊，此時鄰星干擾最大(作為衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計的約束條件)，而其他情況的鄰星干擾由于地面接收天線增益的原因均可認為小于該極限情況。該極限情況與單個衛(wèi)星采用雙極化天線的相同，具體分析如下。

a)僅考慮天線導致的去極化效應

根據衛(wèi)星發(fā)射天線和地面站接收天線的軸比，圓極化方式隔離度(XPD)可表示為

DXPD(a)=

(9)

式中：r1，r2分別為衛(wèi)星天線和地面天線的軸比；α為兩者長軸間的夾角[1]。當α=0°時為最小隔離度。±4r1r2項符號的選用原則是：當來波極化方式與接收站本身的極化方式一致時取“+”號；反之取“-”號。

由式(1)，只考慮衛(wèi)星天線和地面天線導致的去極化效應，鄰星干擾信噪比可表示為

(10)

式中：DXPD，min(a)為由式(9)算得的最小隔離度。

b)僅考慮降雨、傾角、冰晶等導致的去極化效應

根據ITU-R標準，假設衛(wèi)星發(fā)射的雙圓極化信號為理想圓極化，考慮降雨、傾角、冰晶去極化等因素導致的去極化效應，計算星地通信隔離度的方法如下[13]。

(a)計算隨頻率變化的項

Cf=30lgf，8GHz≤f≤35GHz

(11)

(b)計算隨降雨衰減變化的項

CA=V(f)lgAp

(12)

V(f)=12.8f0.19， 8 GHz≤f≤20 GHz

(13)

V(f)=22.6，20 GHz≤f≤35 GHz

(14)

式中：Ap為所討論路徑上規(guī)定的時間百分比p內被超過的降雨衰減值。

(c)計算極化改進因子

(15)

式中：τ為傾角。當τ=45°時，Cτ=0 dB；當τ=0°或90°時，Cτ達到最大值15 dB。其中：τ=45°對應于圓極化。

(d)計算隨傾斜角變化的項

(16)

式中：θ為鏈路仰角。

(e)計算隨傾斜角變化的項

(17)

式中：σ為雨滴傾斜角分布的有效標準差。對1%，0.1%，0.01%，0.001%的時間百分比，σ的值分貝相應為0°，5°，10°，15°。

(f)計算雨天p%時間內XPD不大于

(18)

(g)計算隨冰晶變化的項

(19)

(h)考慮冰晶影響計算p%時間內的XPD不超過

(20)

計算頻率8 GHz以下的XPD時，先計算出頻率8 GHz以上的XPD，再用以下計算結果換算到所要的頻率

DXPD2=DXPD1-

4 GHz≤f1,f2≤30 GHz

(21)

式中：DXPD1，DXPD2分別為f1(8 GHz以上)，f2(8 GHz以下)頻率，以及τ1，τ2極化傾斜角時，相同時間百分比內的XPD值。

c)綜合考慮天線和降雨等導致的去極化效應

綜合考慮天線的非理想性及降雨等因素導致的去極化效應。根據XPD的定義，共極化分量即有用信號，交叉極化分量即干擾噪聲，則計算同一條鏈路上不同去極化效應產生的總去極化效應，符合信噪比的倒數和原理[8]。有

(22)

則由式(1)，綜合考慮天線和降雨等因素導致的去極化效應，計算鄰星干擾信噪比的公式為

(23)

4 結束語

隨著我國航天事業(yè)的快速發(fā)展，多顆衛(wèi)星組網并采用頻率復用技術的通信系統(tǒng)將越來越多，鄰星干擾問題是整個衛(wèi)星星座通信系統(tǒng)設計必須解決的關鍵問題，直接影響整個星座系統(tǒng)的誤碼率是否能滿足用戶使用要求。本文基于已有的單星單極化通信系統(tǒng)誤碼率分析方法、兩顆星使用相同單極化方式且不進入接收天線主瓣范圍的頻率復用衛(wèi)星通信系統(tǒng)鄰星干擾分析方法，以及對單顆星使用雙極化頻率復用衛(wèi)星通信系統(tǒng)交叉極化分析方法，提出了多顆衛(wèi)星組網運行時，對相同極化方式(單極化或雙極化)和不同極化方式頻率復用衛(wèi)星通信系統(tǒng)，進行完整系統(tǒng)鄰星干擾定量分析的方法。該方法已成功用于我國某多星組網通信系統(tǒng)設計并通過在軌測試，多星通信系統(tǒng)誤碼率滿足用戶使用要求。該方法可為我國其他多星組網頻率復用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究和設計提供參考。

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Analysis Method Study of Satellite Communications System Adjacent Interference

GUO Qiang1, LIU Bo2, SI Sheng-ping2, LIU Hui2, JIANG Ying-fu2, ZHANG Heng2

(1. Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China; 2. Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China)

Aiming at the problem of adjacent interference of multi satellite communication system with frequency reuse, an analysis method of satellite communication system adjacent interference was studied in this paper. First the ground station could receive satellite signal or not is calculated. There is no adjacent interference if no. It needs to analyze the interference influence if yes. Then the satellite is in the range of the receiving antenna main lobe or not is calculated. The polarization of the two adjacent satellites has no effect on the ground receiving system if no. The limitation when the two satellites are overlap totally shall be in consideration if yes. And the major interference need to be analyzed. Finally the computation mode of signal noise rate is given when the cross polarization is caused by the factors of antenna, rainfall, inclination, ice and others. The method has been successfully applied to the design of a multi-satellite communication system of some satellite in China. The error rate test results meet the design requirements of the system. This method can provide reference for the research and design of China′s other multi-satellite frequency reuse satellite communication system.

satellite communications; adjacent interference; frequency reuse; signal noise rate; cross polarization; circular polarization; antenna main lobe; depolarization effect

1006-1630(2017)03-0131-05

2017-02-13；

2017-03-30

國家重大航天工程

郭 強(1983—)，男，工程師，碩士，主要研究方向為衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計。

V57

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.03.018