基于北斗的衛星移動通信試驗系統地面段設計

北京衛星導航中心 李洪力 劉 冰 竇曉晶 張 婷

引言：基于北斗的衛星移動通信試驗系統利用北斗衛星的冗余資源，建立支持語音和低速數據傳輸的小容量衛星移動通信試驗系統，其核心部分是地面段。本文在兼顧考慮滿足衛星移動通信試驗系統與北斗系統信號共存基礎上，對衛星移動通信試驗系統地面段進行了鏈路設計，實現了衛星移動通信試驗系統用戶信號的處理轉發；同時通過衛星資源管理與監控部分設計，實現了北斗衛星L/C轉發器入站信號的監測，當移動通信對北斗系統正常入站造成影響時，通過反向功率控制，停止移動通信用戶入站或使其降功率使用，保障了北斗系統正常服務不受影響。

1.前言

基于北斗的衛星移動通信試驗系統利用北斗衛星的冗余資源為空間段，建立支持語音和低速數據傳輸的小容量衛星移動通信試驗系統，開展衛星移動通信系統的語音、短消息和數據廣播通信試驗。

系統由三部分構成：由北斗衛星冗余資源支持的空間段；具有系統接續控制和交換能力的地面段；以及進行各類試驗驗證的用戶段。其中，空間段利用北斗衛星所搭載的轉發器實現用戶與用戶、用戶與地面段間信號的轉發。用戶段將可識別的信息（語音、數據、短消息）處理成可在空間傳輸的、符合系統要求的無線信號，并向衛星發射；同時，將衛星發射（轉發）來的符合系統要求的空間無線信號接收處理成可識別的信息（語音、數據、短消息）。地面段是系統的核心部分，主要完成各類試驗用戶之間通信信息的接收處理與轉發控制。

本文在兼顧考慮滿足衛星移動通信試驗系統與北斗系統信號共存基礎上，對衛星移動通信試驗系統地面段進行了總體設計、射頻信道部分設計、信關站部分設計、衛星資源管理與監控部分設計，在確保北斗系統正常服務不受影響的前提下，實現了衛星移動通信試驗系統用戶信號的處理轉發，保障了衛星移動通信系統各類通信試驗的圓滿完成。

2.地面段方案設計與實現

2.1 總體方案設計

基于北斗的衛星移動通信試驗系統利用北斗某顆GEO衛星作為其空間通信衛星，通過衛星L/C轉發器實現用戶至地面站的信號入站，利用衛星星上搭載的S/L轉發器實現地面站至用戶的信號出站。

如圖1所示，該系統工作流程為：移動通信用戶1發射L上行入站信號，經北斗衛星L/C轉發器轉發為C下行信號，到達地面13米天線，經天線接收、低噪聲放大、射頻分路、下變頻，形成中頻信號后送信關站進行信號及信息處理；信關站將處理后的信息調制為出站中頻信號，經上變頻、功率放大，形成S射頻信號，通過地面13米天線發向衛星，經衛星S/L轉發器轉發為L下行出站信號，到達移動通信用戶2，從而完成用戶間的通信。

圖1 基于北斗的衛星移動通信試驗系統總體組成框圖

地面段主要由射頻信道部分、信關站部分、衛星資源管理與監控部分、配套時頻及供配電部分等地面設備組成。射頻信道部分主要完成入站射頻信號的接收和出站射頻信號的發送，以及出入站中頻信號與射頻信號間的轉換。信關站部分主要完成用戶出入站中頻信號的調制解調及通信轉發。衛星資源管理與監控部分主要完成衛星L/C轉發器入站信號的監測，當移動通信對系統正常入站造成影響時，通過反向功率控制，停止移動通信用戶入站或使其降功率使用。時頻及供配電部分主要為射頻信道及信關站等設備提供所需的時頻信號及配套電源。

2.2 射頻信道部分方案設計

射頻信道部分主要由S上變頻器、S功放、S發射天線、C接收天線、低噪聲場放、射頻分路器、下變頻器等設備組成，如圖2陰影部分所示。

S上變頻器主要負責接收信關站送來的已調中頻信號，并將其變換為射頻信號。S功放主要負責接收S上變頻器送來的射頻信號，將其放大到所需的功率電平，通過波導發送至天線。S發射天線主要負責接收S功放送來的出站射頻信號，完成向衛星的發射。C接收天線主要負責接收衛星轉發的入站射頻信號，送往后端的低噪聲場放。低噪聲場放主要負責完成入站射頻信號的高增益低噪聲放大，并將其送往后端的射頻分路器。射頻分路器主要負責接收低噪聲場放送來的射頻信號，將其分路后送至后端的下變頻器。下變頻器主要負責接收射頻分路器送來的射頻信號，將其下變頻為70MHz左右的中頻信號，并將中頻信號進行放大濾波后送給信關站進行接收解調。

圖2 射頻信道部分設備組成框圖

圖3 信關站多通道調制解調器組成框圖

2.3 信關站部分方案設計

信關站部分主要由多臺多通道調制解調器及其外圍設備組成，每臺設備含一塊16通道調制板和一塊16通道解調板。該部分主要負責完成出站中頻信號的成幀、編碼、擴頻、調制等發送功能，以及入站中頻信號的解擴、定時同步、解調、譯碼等接收功能。每臺設備的組成如圖3所示。

多通道調制器主要負責接收通過CPCI總線送來的信道管理信令以及用戶業務數據，每個信道分別經物理幀處理、定時、符號恢復、信道編碼、加密、擴頻、信道合成、發射功率控制、短碼、長碼發生、QPSK調制、數字上變頻、基帶成形濾波，經合路器向射頻信道S上變頻器輸出多路擴頻中頻信號。

圖4 衛星資源管理與監控部分組成框圖

多通道解調器主要負責接收來自射頻信道下變頻器輸出的入站中頻信號，經中頻信號分路器送到各解調支路。每個解調支路完成中頻信號模數轉換、數字下變頻、捕獲同步、解擴解調、解密、信道譯碼和去交織，解幀后的入站數據經接口電路和CPCI總線后送往信道管理。

多通道調制解調器還具備估測接收用戶終端的信號質量，向信道管理發送測量報告；受信道管理的控制實現擴頻序列選擇、功率控制等功能。

2.4 衛星資源管理與監控部分方案設計

衛星移動通信試驗系統利用北斗衛星入站L/C和出站S/L轉發器進行衛星移動通信試驗，前提是要保證北斗系統正常穩定運行。因此，在進行通信試驗的同時，必須對北斗系統入站情況進行實時監測，以便在北斗系統入站受到影響時，立即采取相關措施來確保系統穩定運行。

衛星資源監控與管理部分即負責完成北斗衛星資源的在線實時監控與管理工作，主要由入站信號分析平臺、入站數據提取平臺和控制平臺等部分組成，如圖4陰影部分所示。

入站信號分析平臺主要負責實時采集衛星入站中頻信號，根據監測到的信號頻譜和干擾情況，分析干擾類型及干擾源位置，并將相關信息送往后端的控制平臺，以便采取針對性抗干擾措施，減小干擾造成的影響。入站數據提取平臺是移動通信試驗系統獲取北斗系統入站數據的接口，串接在北斗衛星信號收發系統地面接收設備之后，主要負責通過串口接收北斗系統入站波束數據，并對接收的入站數據幀進行合理性檢驗，分別提取各波束入站信息，按照一定的數據組信息格式進行信息重組，形成統一的數據包發送給后端的控制平臺。控制平臺主要負責實時監測入站數據提取平臺解算的北斗衛星入站載噪比值，結合入站信號分析平臺給出的干擾分析結果，按照一定的判斷策略，對衛星移動通信試驗系統用戶終端實施反向功率控制：設定北斗系統入站載噪比門限，當載噪比C/N0下降至下限時，停止未接入通信用戶，并同時降低正在入站的通信用戶功率，待載噪比恢復正常后，再將所有通信用戶恢復正常通信。

3.結束語

基于北斗的衛星移動通信試驗系統利用北斗衛星的冗余資源，建立支持語音和低速數據傳輸的小容量衛星移動通信試驗系統，其核心部分是地面段。本文在兼顧考慮滿足衛星移動通信試驗系統與北斗系統信號共存基礎上，對衛星移動通信試驗系統地面段進行了鏈路設計，實現了衛星移動通信試驗系統用戶信號的處理轉發；同時通過衛星資源管理與監控設計，實現了北斗衛星L/C轉發器入站信號的監測，當移動通信對北斗系統正常入站造成影響時，通過反向功率控制，停止移動通信用戶入站或使其降功率使用，保障了北斗系統正常服務不受影響。