基于高仰角的寬帶LEO星座衛星通信系統星座設計及傳輸性能分析*

徐 軍，王 忠，張更新

（1.中國人民解放軍陸軍工程大學，江蘇 南京 210007；2.中國人民解放軍31006部隊，北京 100840；3.南京郵電大學，江蘇 南京 210003）

0 引 言

隨著現代通信技術、多媒體技術和計算機技術的快速發展，人們對通信的需求不再局限于單一的傳真、電話、電視和低速數據等傳統電信業務，而是逐步向語音、視頻、圖像及高速數據相結合的寬帶多媒體業務發展。然而，世界上還有許多地區因為經濟或者地理因素無法享受通信技術發展帶來的福利，導致不能滿足一些政府、企業等重要單位的通信保障。我國“一帶一路”戰略提出后，加大了同國外的經濟貿易往來。為了加強同一帶一路經過的各個國家之間的聯系，保障國內企業在國外的正常通信，需要建立一個全方位、多層次、復合型的互聯互通網絡。我國同沿線各國的貿易往來中，將會有各種能源貨物的運輸。運輸路線將會經過許多國家和地區，存在許多不可控因素，所以保障能源通道運輸安全的問題日益突出。如何實現能源運輸的安全監測，為貨物的運輸提供通信保障，是一個重要的問題[1]。

衛星通信具有覆蓋范圍廣，不易受地理因素限制等優點。建立一個全球的寬帶星座衛星通信系統，能夠有效解決我國能源貨物監測網絡覆蓋區域受限的問題，為我國同國外的經濟貿易往來保駕護航，同時為出國出海保障和執行特殊任務的軍隊和駐外使領館等提供安全的通信保障。

由于傳統的GEO衛星網絡具有傳播時延大、傳播損耗高、星上處理能力弱、網絡吞吐量小、通信費用昂貴等特點，主要作為地面通信網的延伸和補充。利用GEO衛星建立一個面向全球的、具有經濟競爭力的寬帶衛星通信系統，在當前技術條件下顯然非常困難。

LEO衛星軌道一般為幾百至一千多公里，通信傳播時延為數十毫秒級，遠遠低于GEO的通信時延。在正常通信的可接受范圍內，新型LEO小衛星具有星上處理能力強、可建立星間鏈路、容量大等特征，能夠有效解決全球海量數據的傳輸與處理問題[2]。小衛星技術的快速發展使得衛星造價不斷降低，衛星公司已經具有能夠量產小衛星的能力，從而大大降低了衛星的生產費用和生產周期，使得建立與維護衛星通信系統的成本大大降低，也為在空間大規模建立LEO衛星群奠定了基礎。

寬帶LEO星座衛星通信系統是當前衛星通信領域重要的發展熱點之一，世界許多國家和衛星通信公司都在制定自己的寬帶衛星通信系統方案。OneWeb公司已經啟動了世界上最大的衛星互聯網計劃，將發射648顆衛星建立一個覆蓋全球的低軌道衛星高速通信網絡。按照公布的計劃，后續還將發射2 400顆衛星，以提供寬帶互聯網接入服務。SpaceX計劃打造由4 000多顆小衛星組成的互聯網星座STEAM，在全球范圍內提供互聯網接入服務。目前，SpaceX已經通過挪威政府向ITU申報了頻率和軌位。從申報的情況來看，衛星數量4 257顆，使用Ku和Ka頻段，運行在43個軌道面。LeoSat計劃建造一個由140顆衛星構成的星座，衛星工作在Ka頻段，致力于打造120～140顆高功率Ka頻段衛星星座，為全球提供寬帶數據接入服務。LeoSat將會使用高功率衛星平臺，通過提高單星能力的方式減少衛星數量[3]。

為適應不斷擴大的對外交流，提前占據空間的軌道和頻率資源，我國有必要建立一個自己的寬帶衛星通信系統。

1 星座設計

1.1 約束條件

本文研究的寬帶LEO星座主要針對我國國情而設計，主要設計約束條件如下：

（1）滿足境內設站條件；

（2）目標全球通信，系統能夠實現全球無縫覆蓋；

（3）采用低成本LEO小衛星，衛星結構不能過于復雜，衛星點波束不能太多，衛星天線不能過大；

（4）以境內業務為主，境外業務量相對較小；

（5）滿足業務高速率的寬帶用戶需求，同時用戶終端需小型化。

1.2 基本思路

在星座構型方面，為了實現全球通信，星座需要做到全球無縫覆蓋。因此，在星座構型上宜采用能夠覆蓋南北極的極軌星座。

低仰角會導致傳輸損耗增加，使衛星或者用戶終端天線口徑加大，而衛星天線口徑太大會導致點波束過窄。而低仰角星座衛星單星覆蓋面積大，如果采用低仰角方案會使衛星點波束過多，增加衛星復雜度，難以用低成本衛星實現，且低仰角也會有傳播時延增大、通信容易受遮擋等缺點[4-5]。因此，提出高仰角星座系統方案，每顆衛星的點波束數不多，傳輸距離較小，可用低成本衛星實現，雖然衛星數比較多，但系統的魯棒性（抗毀性）強。

下面將通過上行鏈路鏈路計算，分析若采用低通信仰角的銥系統星座對支持寬帶業務的可行性。由于OneWeb系統是面向寬帶業務的LEO星座衛星通信系統，因此鏈路計算中采用的業務和終端指標主要參考OneWeb系統的相關指標。

用戶上行鏈路工作頻率：12.75～13.25 GHz與14.0～14.5 GHz，取13.5 GHz的中心頻率計算，采用QPSK調制，取10 dB的降雨損耗。

用戶終端指標：天線口徑30～75 cm，取75 cm計算；最高上傳速率為25 Mb/s，天線效率55%，噪聲溫度250 K，發射功率按2 W計算。

衛星主要參數：轉發器帶寬上行125 MHz，下行250 MHz，噪聲溫度500 K，衛星軌道高度778 km，單星覆蓋半角62°，最低通信仰角8°，星地最遠距離2 476 km。

由：

計算得上行鏈路自由空間損耗為183 dB。

由：

計算得用戶終端發射增益為38 dB。

調制方式采用QPSK，信道編碼采用LDPC碼。在誤碼率指標優于滿足1×10-6時，歸一化理想門限信噪比Eb/n0為3 dB。考慮1 dB實現損耗、2 dB系統余量，計算中信噪比取6 dB。

由：

計算得上行鏈路門限C/n0為80 dB。

由：

計算得衛星天線的接收增益：

由：

計算可得衛星接收天線口徑約為0.27 m。

由：

計算得衛星天線的3 dB波束寬度為5.8°。

由于衛星天線的點波束半角為2.9°，而銥系統衛星實現全球覆蓋單顆衛星覆蓋區半角至少需要62°[6-7]。粗略估算，衛星需要至少上千個點波束。經過計算可以發現，若采用低仰角的銥系統星座，衛星點波束過多，衛星太復雜，難以實現，因此提出了高仰角的星座方案。

1.3 高仰角星座方案

從以上分析可知，建設寬帶LEO星座衛星通信系統，其星座需要采用高仰角方案。OneWeb公司提出的OneWeb系統空間段由648顆衛星組成，衛星分布在18個軌道面上，每個軌道面上部署38顆衛星，衛星軌道高度為1 200 km，軌道傾角為87.9°[8-9]。下面通過鏈路計算分析采用類似OneWeb系統的高仰角星座方案是否可行。

通過上行鏈路計算，OneWeb系統衛星點波束天線的口徑可取0.18 m，3 dB波束帶寬為8.64°，OneWeb星座衛星實現全球覆蓋單顆衛星覆蓋區半角至少需要32.7°，單顆衛星只需幾十個點波束就可以滿足傳輸性能要求。經過對下行鏈路進一步計算，為滿足下行鏈路傳輸速率要求，衛星的發射功率為1.5 W。通過計算可知，OneWeb系統的高仰角星座方案是可行的。圖1、圖2分別給出了寬帶LEO星座衛星通信系統空間分系統衛星的平面和空間分布圖。

圖1 衛星平面分布

圖2 衛星空間分布

2 星座傳輸性能分析

2.1 衛星覆蓋分析

圖3和圖4分別給出了邊緣仰角為50°、30°時衛星的多星覆蓋情況，不同的陰影區表示不同程度的多星覆蓋情況。其中，圖3中間層陰影區域是單星覆蓋率100%區域，向外一層是雙星覆蓋率100%，最外層的區域達到六星以上100%覆蓋；圖4中間陰影區域是四星100%覆蓋率的區域。隨著緯度的增高，星座能夠實現更多衛星數目的多星100%覆蓋，

圖3 邊緣仰角50°下衛星多星覆蓋情況

圖4 邊緣仰角為30°下多星覆蓋情況

可以看出，邊緣通信仰角為50°時，衛星可以實現全球無縫覆蓋，高緯度地區可以實現多星覆蓋，此星座方案地面用戶具有50°以上的通信仰角。當邊緣通信仰角為30°時，衛星可以對全球實現四星覆蓋，高緯度地區可以實現五星以上的覆蓋。

2.2 通信仰角

衛星的覆蓋區平均通信仰角如圖5、圖6所示，其中圖5是衛星覆蓋全球區域內的平均通信仰角，圖6是國內區域的平均通信仰角。

可以看出，衛星在全球覆蓋區域內的平均通信仰角在66°以上。

2.3 多普勒頻移

LEO衛星運動速度快，地球站與LEO衛星通信時存在明顯的多普勒頻移現象。圖7和圖8給出了北京地區用戶與LEO星座單個軌道面36顆衛星進行通信時的多普勒頻移變化，其中圖7是多普勒頻移變化曲線，圖8是多普勒頻移變化率曲線。

圖5 全球區域平均通信仰角

圖6 國內區域平均通信仰角

圖7 多普勒頻移變化曲線

圖8 多普勒頻移變化率曲線

地球站始終選取仰角最高的LEO衛星進行通信。由于星座中衛星數目多，衛星軌道高度低，衛星運動速度快，導致地面站與衛星通信時在648顆衛星之間切換較為頻繁。切換時，多普勒頻移會發生跳變，從圖7可以看出多普勒頻移有多次跳變，從圖8可以看出多普勒頻移變化率中有多條不相連的曲線。

2.4 俯仰角和方位角

下面對地面站與衛星之間的俯仰角和方位角進行分析。由于各個衛星軌道參數相似，星座是在一顆種子衛星的基礎上構建出的WALKER星座，而不同衛星與地面站之間的俯仰角、方位角的變化相似，因此只需分析一顆衛星與地面站之間的俯仰角和方位角。地面站選擇在北京地區。

圖9與圖10分別給出了北京地區與一顆LEO衛星之間的俯仰角和方位角的變化情況，其中圖9是俯仰角變化曲線，10是方位角變化曲線。

圖9 北京地區用戶俯仰角變化曲線

圖10 北京地區用戶方位角變化曲線

可以看出，北京地區用戶與LEO衛星通信時，通信仰角始終大于50°。

3 結 語

本文分析了當前寬帶LEO星座衛星通信系統的發展狀況，結合建設我國寬帶LEO星座衛星通信系統的用戶需求和現實條件，通過鏈路計算，分析對比了低通信仰角的銥系統和高通信仰角的OneWeb系統支持全球寬帶通信的可行性，提出了建設高仰角的寬帶LEO星座衛星通信系統的星座方案，并利用STK和Matlab工具仿真了OneWeb系統星座的覆蓋特性、通信仰角、多普勒頻移、俯仰角與方位角等傳輸性能，對建設我國寬帶LEO星座衛星通信系統具有一定的參考與指導意義。