低成本低軌衛(wèi)星用戶終端波束檢測方法研究

曠小兵 何建

【摘要】 ? ?由于低軌衛(wèi)星相對于地面的高速移動和用戶終端的移動性，導(dǎo)致低軌衛(wèi)星的用戶終端成本較高軌（靜止軌道）的用戶終端有較大上升，如何研制出低成本，高性能的地面用戶終端是低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展的重點(diǎn)，本文就其中用戶終端對衛(wèi)星點(diǎn)波束之間的波束間切換、相鄰衛(wèi)星之間的衛(wèi)星間切換檢測方法進(jìn)行研究，以低成本、高性能實(shí)現(xiàn)用戶終端對低軌衛(wèi)星波束的檢測。試驗(yàn)結(jié)果表明，本方法簡單、實(shí)用、成本低，性能滿足系統(tǒng)應(yīng)用需要，達(dá)到了預(yù)期的目的。

【關(guān)鍵詞】 ? ?低成本 ? ?低軌衛(wèi)星 ? ?用戶終端 ? ?波束檢測

引言

隨著通信技術(shù)、微小衛(wèi)星技術(shù)研究及制造技術(shù)的不斷提升和發(fā)展，使得低軌衛(wèi)星通信進(jìn)入了前所未有的高速發(fā)展時(shí)期，國內(nèi)外先后提出多個(gè)大規(guī)模低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，如：國外的Iridium Next、OneWeb、StarLink;國內(nèi)的虹云、鴻雁、行云等低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)。這些系統(tǒng)已部分開展技術(shù)驗(yàn)證和在軌測試，但系統(tǒng)實(shí)施的最終成功取決于最終用戶終端的數(shù)量。由于低軌衛(wèi)星相對于地面的高速移動和用戶終端的移動性，一次通信過程可能需要經(jīng)歷多次的切換，使得地面用戶終端對衛(wèi)星的星歷解算、用戶站姿態(tài)解算、伺服系統(tǒng)的閉環(huán)跟蹤控制、調(diào)制解調(diào)器技術(shù)等提出了更高的要求，這將必然導(dǎo)致低軌衛(wèi)星的用戶終端成本較高軌的用戶終端高，如何研制出成本低，性能好的地面用戶終端，讓最終用戶像使用手機(jī)一樣方便地使用衛(wèi)星用戶終端是當(dāng)前低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)投入商業(yè)運(yùn)營、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的發(fā)展重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文就其中用戶終端對衛(wèi)星點(diǎn)波束之間的波束間切換、相鄰衛(wèi)星之間的衛(wèi)星間切換檢測方法進(jìn)行研究，以低成本、高性能實(shí)現(xiàn)用戶終端對低軌衛(wèi)星波束的檢測。

一、衛(wèi)星波束檢測

1.1 衛(wèi)星用戶終端波束檢測必要性

由于低軌衛(wèi)星一般軌道較低，體積較小，整星供電能力較弱，天線面較小等因素，單波束對地覆蓋范圍很小且信號譜密度較低，為提高衛(wèi)星的地面覆蓋范圍和信號密度，通常采用多個(gè)點(diǎn)波束方式進(jìn)行地面覆蓋，這使得波束投射到地面會形成多個(gè)相鄰的小區(qū)，為防止通信過程中的信號中斷，小區(qū)之間還有一定的重疊，這些信號可能屬于同一顆衛(wèi)星，也可能屬于相鄰的衛(wèi)星（如圖1）。這些波束覆蓋的區(qū)域會高速的掃過地面用戶終端，對于位于1000Km左右衛(wèi)星軌道上的低軌衛(wèi)星，單個(gè)波束僅能提供2分鐘左右的服務(wù)時(shí)間，所以地面用戶終端在通信期間需要不停地切換波束，不斷地接入新的波束并釋放上一波束中占用的資源。波束檢測切換這一過程通常由用戶站的調(diào)制解調(diào)器部分來完成，通過調(diào)制解調(diào)器與信關(guān)站之間的協(xié)議控制，使用戶站可以精確控制這一切換過程，但這都是建立在地面用戶終端天線完全對準(zhǔn)衛(wèi)星的基礎(chǔ)之上，而如何判斷地面用戶終端不能正常通信是天線原因還是信關(guān)站或調(diào)制解調(diào)器的原因，在通常情況下是很難的，所以需要在天線部分增加衛(wèi)星波束檢測功能，以輔助地面用戶終端檢測衛(wèi)星波束，通過對衛(wèi)星波束的檢測，判斷當(dāng)前衛(wèi)星跟蹤情況以及當(dāng)前波束情況。

1.2衛(wèi)星波束檢測基本思路

在低軌衛(wèi)星通信體制設(shè)計(jì)中，為保證衛(wèi)星的精確跟蹤、控制和管理，衛(wèi)星會在每個(gè)波束所占用的頻帶內(nèi)劃出控制信道，其包含單音載波，數(shù)字調(diào)制信號等信息（如圖2）通過對這些信號的檢測，即可實(shí)現(xiàn)對波束的檢測。

波束信號的檢測裝置，可以采用載波檢測（信標(biāo)）或DVB-S信號（TS流）檢測，這兩種檢測方式已在高軌通信衛(wèi)星和數(shù)字衛(wèi)星電視廣播中大量應(yīng)用，技術(shù)成熟，成本較低。

低軌衛(wèi)星的波束數(shù)量是有限的，且為防止波束間干擾，一般采用多色復(fù)用，每一波束都采用不同的頻段，故波束檢測裝置可以不斷改變本振頻率，對天線收的衛(wèi)星信號進(jìn)行高速地循環(huán)檢測，當(dāng)檢測到的信息與已知波束頻點(diǎn)（或調(diào)制信號）相同信息時(shí)，即判斷出該波束，同時(shí)，通過對信號強(qiáng)度的檢測（或調(diào)制信號解碼），還可輸出AGC（自動增益控制）信號，供天線實(shí)現(xiàn)閉環(huán)跟蹤控制。

1.3波束檢測具體實(shí)現(xiàn)

衛(wèi)星天線通過星歷解算，實(shí)時(shí)解算出當(dāng)前衛(wèi)星位置，程序控制天線對準(zhǔn)衛(wèi)星方向，當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)在天線視角范圍后，衛(wèi)星天線將收到衛(wèi)星信號f，通過疊加當(dāng)前衛(wèi)星信號多普勒頻偏Δf，波束檢測裝置即刻收到當(dāng)前波束信號，程序控制高速循環(huán)檢測，一旦適配，波束檢測裝置完成信號捕獲，確認(rèn)天線對準(zhǔn)衛(wèi)星，并輸出當(dāng)前衛(wèi)星波束號、AGC電壓，如未適配，則轉(zhuǎn)下一波束檢測。

波束檢測裝置對波束檢測時(shí)間≤20ms，如采用7色復(fù)用，全部波束檢測最大循環(huán)周期為140ms，即：波束檢測最小時(shí)間為20ms，最大為140ms（如圖3）。

當(dāng)波束檢出后，波束檢測裝置即可對當(dāng)前波束信號固定載波（或調(diào)制信號）進(jìn)行檢測（或解碼）獲取當(dāng)前波束信號強(qiáng)度。

1.4波束檢測試驗(yàn)驗(yàn)證

本技術(shù)方法已應(yīng)用于虹云工程地面用戶站項(xiàng)目。2018年12月，虹云工程首顆技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星發(fā)射成功，采用本技術(shù)方法的地面用戶終端天線在沒有衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器的輔助下，成功自行捕獲衛(wèi)星波束，并將衛(wèi)星波束切換過程和信號變化情況實(shí)時(shí)反映至監(jiān)控終端（如圖4）。該技術(shù)已進(jìn)行專利申請。

二、結(jié)論

由于衛(wèi)星相對于地面的高速移動和用戶終端的移動性，導(dǎo)致低軌衛(wèi)星的用戶終端成本較高軌（靜止軌道）的用戶終端有較大上升，如何研制出成本低，性能好的地面用戶終端，本文就其中用戶終端對衛(wèi)星點(diǎn)波束之間的波束間切換、相鄰衛(wèi)星之間的衛(wèi)星間切換檢測方法進(jìn)行研究，以低成本、高性能實(shí)現(xiàn)用戶終端對低軌衛(wèi)星波束的檢測。試驗(yàn)結(jié)果表明，本方法簡單、實(shí)用、成本低，性能滿足系統(tǒng)應(yīng)用需要，達(dá)到了預(yù)期的目的。

參 ?考 ?文 ?獻(xiàn)

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