高低軌通信衛星接入特性淺析

陳 鋒, 黃 勇, 劉 培, 汪伊婕, 葉沙琳

(1.上海衛星工程研究所,上海 200140;2.上海無線電設備研究所,上海 201109)

0 引言

衛星通信具有覆蓋地域廣、組網靈活、通信質量好等優點,是地面通信網的有效補充[1]。通信衛星多為地球同步軌道(geosynchronous orbit,GEO)衛星,隨著技術的發展,新型的地球同步軌道通信衛星多采用高通量技術,通信容量達到了傳統通信衛星的數十倍[2]。這類衛星采取多波束頻率復用的方法擴展可用的頻率資源;利用窄波束天線提升衛星的有效全向輻射功率(EIRP)和天線增益G與接收系統噪聲溫度T的比值(簡稱G/T值),滿足小口徑終端發送和接收高速數據的需求[3]。

隨著衛星研制技術水平和運載火箭能力的提高,近年來低軌互聯網衛星系統發展迅速[4]。低軌互聯網衛星具有電波傳播損耗小、傳輸時延低、系統容量大、可擴展性強等優勢,但衛星相對地面高速運動,需要多個衛星對服務區域形成連續的覆蓋[5]。

本文以航空應用為基本場景,對高軌高通量衛星和低軌互聯網衛星系統衛星接入數量、波束切換頻次、多普勒適應性、服務數量需求等參數及特性進行仿真分析和評估,描述兩者在通信過程中的差異和特點,為通信衛星系統設計和優化提供參考。

1 應用場景

1.1 航空場景

衛星通信是航空器實現海洋、荒漠和高空等無地面網絡支持場景下隨遇通信的必要手段。本文基于某航空公司24 h的國內航班數據,進行航空應用場景建模。

航班數據包含飛行始末時間和始末位置的經緯度。考慮時間和空間上對飛行軌跡的近似模擬需求,基于地球表面的大圓軌跡原則進行航線飛行軌跡模擬,以分鐘為最小時間間隔,求解各航班的飛行軌跡。全天按小時統計的飛行航班架次分布如圖1所示。

圖1 航班架次的時間分布

1.2 高低軌通信衛星技術特點

(1)高軌通信衛星

以中星16號衛星為例,分析高軌高通量衛星的技術特點。中星16號衛星位于東經110.5°的地球同步軌道上,共有26個通信波束,可覆蓋我國大部分地區,其軌道及波束特性參數如表1所示[6]。

表1 中星16號高軌通信衛星軌道及波束參數

根據表1對中星16號衛星進行波束分布建模,26個通信波束的地面投影如圖2所示。

圖2 中星16號高軌通信衛星通信波束地面投影示意圖

以中星16號衛星為基準點,計算各波束中心和飛機與基準點連線之間的夾角,夾角小于0.4°時衛星與該波束建立通信鏈路。如果出現飛機與多個波束的夾角均小于0.4°的情況,則選擇當前時刻夾角最小的波束建鏈。

(2)低軌通信衛星星座

以432顆星的低軌衛星星座為例,432 顆衛星分布在24個軌道面上,每軌18顆星,軌道高度1 150 km,軌道傾角60°,對地覆蓋范圍±55°,在中低緯度地區具備全天時多重連續覆蓋的能力。

低軌衛星系統在滿足衛星與飛機可通信的條件下,按最短距離接入原則進行通信建鏈。

2 接入特性分析

2.1 多波束及多星接入特性分析

以北京至上海的某航班為例,從多波束及多星切換頻次、多波束及多星接入數量、終端天線指向需求、通信距離影響、多普勒頻偏影響等方面對比高軌和低軌通信衛星的接入特性差異。

(1)多波束及多星切換頻次分析

京滬航線飛行時間約130 min,飛行過程跨越中星16號衛星的多個波束,高軌衛星服務時京滬航線飛行軌跡如圖3所示。按照最短距離接入原則,飛機先后接入波束22、波束21、波束15 等3個波束,其中單波束最大通信時長為63 min,切換次數為2次。

圖3 高軌衛星服務時京滬航線飛行軌跡

低軌衛星繞地球飛行,與地面的相對速度較大,地面目標對同一低軌衛星的可視時間較短。以1.2節中的低軌通信衛星星座為例進行分析,同一衛星持續提供服務的最大時長約為4 min。京滬航線飛行過程中,衛星切換次數在50次以上。

與高軌衛星相比,低軌衛星系統的用戶鏈路切換頻率大大提高,對于終端接入速度和平穩性的要求也大大提高。

(2)多波束及多星接入數量分析

由圖3可知,中星16號衛星最大可接入波束數量為2個,即在波束重疊區域可實現雙重覆蓋,但時間很短。如從波束22切換到波束21過程中有15 min的雙重覆蓋時間。

低軌衛星系統向同一航班提供通信服務時,可接入衛星數量為12顆～22顆,可提供多重覆蓋,通信可靠度和靈活度得到提升。對于重點用戶,可通過多波束、多頻段終端實現高通量擴容服務。京滬飛行過程中低軌衛星系統可接入衛星數量如圖4所示。

圖4 京滬航線可接入低軌衛星數量曲線

(3)終端天線指向需求分析

京滬飛行過程中,與高軌通信衛星連接的機載通信終端指向變化較慢,最大轉動速度為0.064°/min;指向范圍較小,指向角在37.85°～46.56°之間變化。低軌通信星座服務時,受低軌衛星高速運動的影響,機載通信終端指向變化快,最大轉動速度可達19.7°/min,指向角變化范圍為2.88°～45.57°,因此要求低軌通信衛星終端具備更高的衛星跟蹤和指向能力。

(4)通信距離影響分析

高軌通信衛星服務時,星地通信距離范圍為(36 946.24～37 526.44)km,并且距離變化緩慢,最大變化速率為4.27 km/min,對通信鏈路影響較小。低軌通信星座服務時,受低軌衛星高速運動影響,星地通信距離變化速率大,可達到218 km/min;通信距離范圍為(1 150～1 528)km,在功率鏈路計算時會帶來近3 dB 的起伏。上述特性對低軌衛星終端的鏈路適應性提出了較高的要求。

(5)多普勒頻偏影響分析

多普勒頻偏主要與兩個物體的相對運動速度和運動方向有關。為了更充分地研究多普勒頻偏的變化情況,以更長飛行距離的北京至廣州航線為例進行分析。京廣航線飛行時長約205 min,飛行速度為(145～165)m/s,具有一定的隨機性。

高軌衛星通信頻率的多普勒頻偏在10 k Hz左右,相對穩定;低軌衛星星座系統通信頻率的多普勒頻偏范圍為(-400～+400)k Hz,多普勒效應明顯,兩者相差數十倍。低軌衛星通信頻率多普勒頻偏較大,與低軌衛星相對速度較大和速度方向夾角變化較大兩個因素有關。

高軌衛星通信頻率多普勒頻偏變化率在10 Hz/s量級,低軌衛星通信頻率多普勒頻偏變化率與高軌衛星相比明顯偏大。低軌衛星通信頻率多普勒頻偏變化率與接入衛星切換情況有關,在衛星切換時,相對速度、夾角、方向矢量等均存在突變,頻偏變化率可達到10 k Hz/s以上;在同一顆星接入期間,頻偏變化率在2 k Hz/s量級。

2.2 單星或單波束服務數量分析

以某航空公司一天內所有國內航班數據為基礎,對比高軌衛星單一波束和低軌衛星單星覆蓋范圍內需服務的通信目標數量,為波束設計、頻率規劃等提供必要的數據支撐。

對于高軌通信衛星,其單波束服務的飛機最大數量為47架,服務飛機數量超過30架的波束有8個。

對于低軌通信衛星星座系統,按照最近距離接入原則,統計各衛星需服務飛機的最大數量和時刻。單星服務飛機數量大于100架的情況比較普遍,其中最大服務飛機數量達到147架。在時間分布上看,低軌通信衛星單星對國內航線的服務時間均比較短暫,存在短時段、多用戶和大需求的特點。

3 結論

本文以航空應用為基本場景,對比分析了高軌和低軌典型通信衛星系統的特點。低軌通信衛星系統具有通信距離短、鏈路損耗低、覆蓋重數多等優勢,在終端口徑、應用能力和靈活性等方面優于高軌通信衛星。但是低軌通信衛星系統存在切星頻繁、終端指向跟蹤速度要求高等缺點。高軌通信衛星用戶接入和通信過程平穩,低軌通信衛星與高軌衛星相比,多普勒頻偏效應明顯,頻偏大、變化快,對接收端適應性提出了較高要求。同時,低軌通信衛星用戶接入數量方面的要求遠高于高軌衛星,需要在接入和路由等方面開展容量均衡性研究,進一步提升通信衛星服務的靈活性、可靠性和可用性。