地球靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)兼容性多維度分析方法 *

董蘇惠，高 翔，韓 銳，姚秀娟，閆 毅

(1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心 復(fù)雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049； 3. 國(guó)家無線電監(jiān)測(cè)中心, 北京 100037)

近年來，隨著衛(wèi)星成功發(fā)射數(shù)量的迅猛增加，衛(wèi)星頻率和軌道資源愈加緊張，尤其是地球靜止軌道(Geostationary Satellite Orbit, GSO)衛(wèi)星的資源競(jìng)爭(zhēng)異常激烈[1]，在全球360°地球靜止軌道上，平均不到1°就有1顆衛(wèi)星，而世界各國(guó)必須按照國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union, ITU)的《組織法》及《無線電規(guī)則》等，在劃分的空間業(yè)務(wù)頻段內(nèi)，遵循“先登先占”原則[2]。因此，越優(yōu)先掌握頻譜資源，在頻率使用和協(xié)調(diào)過程中將占據(jù)越有利地位，考慮到多個(gè)協(xié)調(diào)對(duì)象已有在軌衛(wèi)星，全球的頻率協(xié)調(diào)難度大大提升。為了支撐國(guó)內(nèi)外頻率協(xié)調(diào)工作的順利實(shí)施，研究頻軌資源相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系和協(xié)調(diào)方法具有重要意義。國(guó)內(nèi)外在該方面已經(jīng)開展了很多工作[3-6]，本文在此基礎(chǔ)上，梳理了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)及ITU相關(guān)建議書[7-12]，在GSO 衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)之間的干擾分析中，建議書ITU-R S.738、S.737、S.739主要采用等效噪聲溫度增量百分比ΔT/T的干擾分析方法，提出在上行和下行鏈路中，ΔT/T的值應(yīng)該與6%的門限值進(jìn)行比較[7-9]。建議書ITU-R S.740、S.741采用載波干擾比(Carrier-to-Interference Ratio, CIR)的干擾分析方法，CIR值由載波噪聲比(Carrier-to-Noise Ratio，CNR)和調(diào)整因子得出，即C/I=C/N+k，k一般為12.2 dB或14 dB，具體可參考ITU-R S.741建議書提出的單入干擾(Single Entry Interference, SEI)的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)[10-11]。建議書ITU-R S.1432-1將系統(tǒng)噪聲的百分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的干擾噪聲比(Interference-to-Noise Ratio，INR)來表示干擾容限，提出I/N=-12.2 dB的干擾門限值，其他衛(wèi)星業(yè)務(wù)和場(chǎng)景也可參考該值[12]。

現(xiàn)有文獻(xiàn)[3,13-16]在GSO衛(wèi)星系統(tǒng)兼容性分析的研究中，大多圍繞固定衛(wèi)星軌位間隔的場(chǎng)景來開展，暫未發(fā)現(xiàn)在GSO衛(wèi)星軌道位置、系統(tǒng)鏈路可用度以及干擾地球站選址等維度上進(jìn)行精細(xì)化顆粒度的分析，大多在單一維度上進(jìn)行干擾評(píng)估，且干擾分析的結(jié)果在某一確定維度上的變化特征沒有得到直觀體現(xiàn)，也并未區(qū)分不同維度對(duì)分析結(jié)果的影響程度，現(xiàn)有公開資料未查閱到與現(xiàn)有專業(yè)軟件Visualyse分析結(jié)果的比對(duì)論證。

本文構(gòu)建了單波束及多波束GSO衛(wèi)星系統(tǒng)的干擾場(chǎng)景，在干擾分析時(shí)考慮了GSO衛(wèi)星軌道、系統(tǒng)鏈路的可用度及干擾系統(tǒng)地球站選址等維度，在不同維度間進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋?xì)化各維度干擾評(píng)估時(shí)的顆粒度，突破了傳統(tǒng)單一維度和粗顆粒度干擾評(píng)估方法的局限性，在進(jìn)行綜合干擾分析時(shí)可以反映出各個(gè)維度的特征，如對(duì)干擾分析結(jié)果的影響方向、程度和增量的變化情況。本文還提出了不同軌位間隔下干擾系統(tǒng)地球站選址的建議，為GSO衛(wèi)星系統(tǒng)間的干擾規(guī)避提供參考。基于多維度的GSO衛(wèi)星系統(tǒng)兼容性分析方法還結(jié)合了鏈路損耗中的多種影響因素(如降雨、云或霧、大氣引起的衰減等)，對(duì)于GSO衛(wèi)星系統(tǒng)干擾評(píng)估效能的提升具有一定的借鑒意義。

1 頻率覆蓋問題的研究

本節(jié)主要研究GSO衛(wèi)星系統(tǒng)間的同道干擾，設(shè)受擾衛(wèi)星系統(tǒng)的通信鏈路載波頻率為f，通信鏈路帶寬為W；干擾衛(wèi)星系統(tǒng)的通信鏈路載波頻率為fi，通信鏈路帶寬為Wi。則兩個(gè)系統(tǒng)間的重疊頻帶寬度WOverlap如式(1)所示。

(1)

(2)

其中，

(3)

以Ka上行頻段(27.5 ～ 31 GHz)為例，圖1反映了國(guó)內(nèi)部分GSO衛(wèi)星系統(tǒng)在該頻段范圍內(nèi)的頻段占用情況，圖1數(shù)據(jù)來源于ITU公開資料。由圖1可見，眾多GSO衛(wèi)星系統(tǒng)的多頻段同頻共用問題十分普遍，本文主要研究帶內(nèi)干擾情況。

圖1 國(guó)內(nèi)部分GSO衛(wèi)星系統(tǒng)在27.5～31 GHz內(nèi)的頻段占用情況Fig.1 Occupation of some domestic GSO satellite systems in the 27.5～31 GHz

2 基于系統(tǒng)鏈路可用度的研究

衛(wèi)星系統(tǒng)的可用度常用系統(tǒng)鏈路可用度來近似代替，假定一年p%的時(shí)間中，衛(wèi)星系統(tǒng)鏈路中斷，則鏈路可用度為一年中系統(tǒng)鏈路的誤比特率(Bit Error Rate, BER)不超過給定的門限值的概率P，即

P=1-p%

(4)

衛(wèi)星系統(tǒng)鏈路可用度主要受電波傳播模型及硬件故障等因素影響，忽略硬件故障等較小的影響因素，本節(jié)重點(diǎn)研究電波傳播模型對(duì)不同通信鏈路的影響。其中，雨衰主要對(duì)5 GHz以上的電磁波有影響，大氣衰減和云霧衰減主要對(duì)10 GHz以上的電磁波有影響[17-23]，由此可見在對(duì)K、Ka頻段的衛(wèi)星進(jìn)行干擾分析時(shí)降雨以及云霧的影響不可忽視。

GSO衛(wèi)星選取CHNSAT-81.5E衛(wèi)星，分別研究該衛(wèi)星與喀什(39.5°N,75.9°E,1 307 m)、密云(40.4°N, 116.8°E,109 m)、三亞(18.3°N,109.3°E,22 m)三個(gè)地球站間星地鏈路的降雨引起的傳播損耗隨通信頻率的變化特性曲線，如圖2所示；云霧引起的傳播損耗隨通信頻率的變化特性曲線，如圖3所示；大氣引起的傳播損耗隨通信頻率的變化特性曲線，如圖4所示；其中，圖2～4中的數(shù)據(jù)來源于ITU公開的資料[17-23]，GSO-三站星地鏈路的地球站仰角依次是44.24°、 31.21°、 51.88°，極化方式為混合極化，超過降雨的衰減時(shí)間百分比為0.01%，超過云霧衰減的時(shí)間百分比為0.1%。

圖2 星地鏈路中降雨引起的傳播損耗隨通信頻率的變化特性曲線Fig.2 Variation characteristics curves of propagation losscaused by rainfall with communication frequency in the satellite-earth link

圖3 星地鏈路中云霧引起的傳播損耗隨通信頻率的變化特性曲線Fig.3 Variation characteristics curves of propagation loss caused by cloud and fog with communication frequency in the satellite-earth link

圖4 星地鏈路中大氣引起的傳播損耗隨通信頻率的變化特性曲線Fig.4 Variation characteristics curves of propagation loss caused by atmosphere with communication frequency in the satellite-earth link

K、Ka頻段衛(wèi)星-三站的自由空間損耗值相近[24]，由圖2～4可知，三站中喀什站電波傳播模型引起的衰減值最小，考慮到電波傳播模型是影響該頻段星地鏈路傳播損耗的主要因素，因此三站中CHNSAT-81.5E衛(wèi)星-喀什站的星地鏈路的傳播損耗最小。在下節(jié)的GSO系統(tǒng)間的干擾分析中，可以選擇喀什站作為待分析的地球站，將得到比其他兩站更大的鏈路干擾。

由圖2～4可知，在降雨、云霧、大氣等因素中，降雨是影響衛(wèi)星通信鏈路的關(guān)鍵因素，在研究GSO衛(wèi)星系統(tǒng)鏈路可用度對(duì)干擾分析結(jié)果的影響時(shí)，需重點(diǎn)研究鏈路雨衰與系統(tǒng)鏈路可用度的關(guān)系。

分別研究通信頻率為30 GHz及20 GHz時(shí)，CHNSAT-81.5E衛(wèi)星至喀什、密云、三亞三站的降雨引起的衰減與系統(tǒng)鏈路可用度的變化特性曲線，如圖5所示。

圖5 CHNSAT-81.5E衛(wèi)星至喀什、密云、三亞三站的降雨引起的衰減隨系統(tǒng)鏈路可用度的變化特性曲線Fig.5 Variation characteristics curves of CHNSAT-81.5E satellite to Kashi, Miyun, Sanya three stations rainfall attenuation with the system link availability

由圖5可知，對(duì)于同一通信鏈路而言，GSO系統(tǒng)鏈路的可用度越高，則超過降雨衰減的時(shí)間百分比越低，GSO系統(tǒng)鏈路的可用度越高，雨衰對(duì)通信鏈路的影響越大，且當(dāng)GSO系統(tǒng)鏈路可用度超過99.99%時(shí)，雨衰的影響急劇增大。

3 單波束GSO衛(wèi)星系統(tǒng)間的研究

3.1 基于GSO衛(wèi)星軌位間隔研究

圖6 單波束GSO衛(wèi)星系統(tǒng)間的干擾場(chǎng)景Fig.6 Interference scenarios between single-beam GSO satellite systems

圖6為單波束GSO衛(wèi)星系統(tǒng)間的干擾場(chǎng)景，主要針對(duì)單條恒聯(lián)通鏈路對(duì)單條恒聯(lián)通鏈路的干擾影響研究，在該干擾場(chǎng)景下，受擾GSO衛(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)的數(shù)學(xué)干擾模型可以用干擾噪聲比I/N來表示[25]，其中，下行I/N如式(5)所示，上行I/N如式(6)所示。

(5)

式中：I為受擾系統(tǒng)接收到的干擾信號(hào)功率，W；N為受擾系統(tǒng)接收機(jī)的等效噪聲功率，W；p′s為干擾衛(wèi)星的發(fā)射功率，W；g′1(θ1)為干擾衛(wèi)星天線的發(fā)射增益，θ1為干擾衛(wèi)星發(fā)射天線的離軸角，(°)；g2(θ2)為受擾地球站天線的接收增益，θ2為受擾地球站接收天線的離軸角，(°)；Te為受擾地球站下行接收端的等效噪聲溫度，K；Wd為受擾系統(tǒng)下行通信鏈路的帶寬，Hz；k=1.38×10-23J/K為玻爾茲曼常數(shù)。

(6)

式中：p′e為干擾地球站的發(fā)射功率，W；g′3(θ3)為干擾地球站天線的發(fā)射增益，θ3為干擾地球站發(fā)射天線的離軸角，(°)；g4(θ4)為受擾衛(wèi)星天線的接收增益，θ4為受擾衛(wèi)星接收天線的離軸角，(°)；Ts為受擾衛(wèi)星上行接收端的等效噪聲溫度，K；Wu為受擾系統(tǒng)上行通信鏈路的帶寬，Hz。

lsi→e和lei→s分別為下行及上行干擾通信鏈路的傳輸損耗，其包含：自由空間損耗Ls，饋線損耗Lf，天線指向誤差損耗Lap，極化損耗Lp，降雨引起的衰減Lr，云或霧引起的衰減Lc，大氣吸收引起的衰減La[17-24]。

選取CHNSAT-81.5地球同步軌道衛(wèi)星作為受擾系統(tǒng)GSO衛(wèi)星，選取的受擾及干擾地球站位于喀什的同一位置，考慮GSO系統(tǒng)鏈路可用度的影響，分析干擾GSO衛(wèi)星系統(tǒng)在不同軌位間隔下兩個(gè)系統(tǒng)間的干擾噪聲比的變化特性，其中受擾及干擾GSO衛(wèi)星系統(tǒng)干擾場(chǎng)景所使用的波束及空口參數(shù)參考頻率信息通報(bào)(International Frequency Information Circular, IFIC)，下行鏈路如表1所示，上行鏈路如表2所示。

表1～2中，地球站天線方向圖參考ITU公布的建議書ITU-R S.580-6[26]或ITU-R S.465-6[27]，星上天線方向圖參考建議書ITU-R S.672-4[28]。

圖7、圖8分別反映了干擾系統(tǒng)GSO衛(wèi)星在不同軌位以及系統(tǒng)鏈路可用度條件下的下行和上行鏈路I/N的變化特性，坐標(biāo)軸分別代表干擾系統(tǒng)GSO衛(wèi)星與受擾系統(tǒng)CHNSAT-81.5地球同步軌道衛(wèi)星的軌位間隔、GSO系統(tǒng)鏈路的可用度。

由圖7和圖8可知，當(dāng)GSO系統(tǒng)鏈路可用度為99.99%時(shí)，對(duì)于下行鏈路，軌位間隔為2°時(shí)的I/N為-13.77 dB，軌位間隔為0.1°時(shí)的I/N為9.08 dB；對(duì)于上行鏈路，軌位間隔為2°時(shí)的I/N為-27.95 dB，軌位間隔為0.1°時(shí)的I/N為-3.51 dB。

在系統(tǒng)鏈路可用度一定的條件下，兩個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的軌位間隔>2°時(shí)，I/N變化緩慢；軌位間隔≤2°時(shí)，I/N變化較快，尤其是軌位間隔≤0.1°時(shí)，出現(xiàn)I/N急劇上升現(xiàn)象。在衛(wèi)星系統(tǒng)間的軌位間隔一定的條件下，系統(tǒng)間的I/N隨著系統(tǒng)鏈路可用度的增大而減小，且變化幅度遠(yuǎn)小于軌位間隔引起的I/N變化幅度。

表1 衛(wèi)星系統(tǒng)下行鏈路干擾場(chǎng)景波束及空口參數(shù)

表2 衛(wèi)星系統(tǒng)上行鏈路干擾場(chǎng)景波束及空口參數(shù)

圖7 干擾系統(tǒng)GSO衛(wèi)星在不同軌位以及系統(tǒng)鏈路可用度條件下的下行鏈路I/N變化特性曲面圖Fig.7 Downlink I/N variation surface map of interference system GSO satellite in different orbits and system link availability

圖8 干擾系統(tǒng)GSO衛(wèi)星在不同軌位以及系統(tǒng)鏈路可用度條件下的上行鏈路I/N變化特性曲面圖Fig.8 Uplink I/N variation surface map of interference system GSO satellite in different orbits and system link availability

3.2 基于干擾系統(tǒng)地球站選址研究

參考表1中的下行鏈路波束及空口參數(shù)，選取CHNSAT-81.5地球同步軌道衛(wèi)星、喀什地球站組成受擾系統(tǒng)，GSO系統(tǒng)鏈路可用度為99.9%，分析干擾衛(wèi)星與受擾系統(tǒng)衛(wèi)星在不同軌位間隔、干擾系統(tǒng)的地球站與受擾地球站在不同距離差值下I/N的變化特性，如圖9所示。

分析不同軌位間隔下干擾系統(tǒng)地球站最近選址距離，可以為GSO衛(wèi)星系統(tǒng)的干擾規(guī)避提供參考。由圖9可知，當(dāng)干擾衛(wèi)星與受擾系統(tǒng)衛(wèi)星軌位相差0.1°時(shí)，干擾系統(tǒng)地球站距受擾地球站1 325 km左右時(shí)下行鏈路I/N滿足ITU的-12.2 dB限值條件；軌位間隔相差0.5°時(shí)，干擾系統(tǒng)地球站距受擾地球站279 km左右時(shí)下行鏈路I/N滿足限值條件；當(dāng)干擾系統(tǒng)地球站在距受擾系統(tǒng)地球站321～788 km選址時(shí)，下行鏈路I/N的值基本保持不變。

(a) 干擾系統(tǒng)在不同軌道和地球站位置條件下的下行鏈路I/N變化特性曲面圖(a) Downlink I/N variation surface map of interferencesystem in different orbits and earth station locations

(b) 下行鏈路I/N隨干擾系統(tǒng)地球站選址的變化特性曲線(b) Variation characteristics curves of downlink I/N with interference system earth station locations圖9 干擾系統(tǒng)在不同軌道和地球站位置條件下的下行鏈路I/N分析Fig.9 Downlink I/N analysis of interference system in different orbits and earth station locations

4 多波束GSO衛(wèi)星系統(tǒng)間的研究

多波束GSO衛(wèi)星系統(tǒng)間的集總干擾場(chǎng)景，如圖10所示，干擾系統(tǒng)B的點(diǎn)波束數(shù)量為m，受擾系統(tǒng)A的點(diǎn)波束數(shù)量為n。

圖10 多波束GSO衛(wèi)星系統(tǒng)間的集總干擾場(chǎng)景Fig.10 Integrated interference scenario between multi-beam GSO satellite systems

選取CHNSAT-81.5作為受擾系統(tǒng)GSO衛(wèi)星，干擾系統(tǒng)GSO衛(wèi)星位于與受擾系統(tǒng)GSO衛(wèi)星間隔[-6°,6°]的軌位區(qū)間內(nèi)，下行鏈路使用的波束及空口參數(shù)參考表1，上行鏈路參數(shù)參考表2，受擾及干擾系統(tǒng)的波束數(shù)量n、m均為10，衛(wèi)星波束間采用四色劃分頻分多址(Frequency Division Multiple Access, FDMA)的多址方式。考慮到波束間業(yè)務(wù)需求的不均勻性，假設(shè)干擾系統(tǒng)中的第i個(gè)波束的業(yè)務(wù)需求量為80+10(i-1) Mbit/s，按照波束業(yè)務(wù)需求量公平性地對(duì)干擾及受擾系統(tǒng)進(jìn)行功率分配[29]。圖11和圖12反映了干擾系統(tǒng)GSO衛(wèi)星在不同軌位間隔以及系統(tǒng)鏈路可用度條件下的下行及上行鏈路集總I/N的變化特性。

圖11 多波束GSO系統(tǒng)在不同軌位間隔以及系統(tǒng)鏈路可用度條件下的下行鏈路集總I/N變化特性曲面圖Fig.11 Downlink integrated I/N variation surface map of multi-beam GSO systems in different orbits and system link availability

圖12 多波束GSO系統(tǒng)在不同軌位間隔以及系統(tǒng)鏈路可用度條件下的上行鏈路集總I/N變化特性曲面圖Fig.12 Uplink integrated I/N variation surface map of multi-beam GSO systems in different orbits and system link availability

由圖11和圖12可知，對(duì)于多波束衛(wèi)星系統(tǒng)，同樣地，在系統(tǒng)鏈路可用度一定的條件下，兩個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的軌位間隔>2°時(shí)，I/N變化緩慢；軌位間隔≤2°時(shí)，I/N變化較快，尤其是軌位間隔≤0.1°時(shí)，出現(xiàn)I/N陡升現(xiàn)象。并且系統(tǒng)間的I/N隨著系統(tǒng)鏈路可用度的增大而減小。

5 案例對(duì)比分析

Visualyse軟件由英國(guó)TSL公司開發(fā)，基于ITU的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則，用于開展國(guó)際間頻率軌道協(xié)調(diào)，對(duì)高低軌衛(wèi)星的干擾分析計(jì)算已被ITU高度認(rèn)可和采納。本節(jié)使用的方法同樣依據(jù)ITU的相關(guān)建議書和規(guī)則，在分析時(shí)增加了多維度的影響因素，并細(xì)化了每個(gè)維度的分析顆粒度，使干擾分析結(jié)果的表征直觀形象。

依據(jù)第2、第3節(jié)的研究，在此基礎(chǔ)上分析現(xiàn)有GSO衛(wèi)星系統(tǒng)間的選頻、選軌方法，并將分析得到的干擾結(jié)果與Visualyse軟件結(jié)果進(jìn)行比對(duì)和驗(yàn)證。

本節(jié)仍以CHNSAT-81.5衛(wèi)星作為受擾系統(tǒng)衛(wèi)星，選取的受擾及干擾地球站位于喀什的同一位置，選取與CHNSAT-81.5衛(wèi)星軌位間隔1°的INSAT-KA82.5E衛(wèi)星作為干擾系統(tǒng)的GSO衛(wèi)星，其中CHNSAT-81.5衛(wèi)星系統(tǒng)的波束及空口參數(shù)參考頻率信息通報(bào)，本節(jié)計(jì)算的波束間干擾結(jié)果見表3。

表3 分析結(jié)果與Visualyse結(jié)果比對(duì)(暫不考慮電波傳播模型的影響)Tab.3 Comparison of analysis results with Visualyse results (excluding the electromagnetic wave propagation loss)

在保證GSO系統(tǒng)鏈路可用度高達(dá)99.99%的條件下，選取表3的第1、第3、第9三組場(chǎng)景，并考慮電波傳播模型對(duì)干擾結(jié)果的影響，本文的計(jì)算結(jié)果與Visualyse的結(jié)果對(duì)比見表4，表4中GSO系統(tǒng)鏈路可用度達(dá)99.99%。

表4 分析結(jié)果與Visualyse結(jié)果比對(duì)(考慮電波傳播模型的影響)

本文計(jì)算波束間的干擾結(jié)果與Visualyse結(jié)果間的誤差如圖13所示。

圖13 計(jì)算結(jié)果與Visualyse結(jié)果的誤差分析Fig.13 Error analysis of calculation and Visualyse results

由圖13的對(duì)比分析可以得出，本文I/N及C/I的計(jì)算結(jié)果與Visualyse的誤差基本保持在0.7 dB范圍以內(nèi)，驗(yàn)證了本文干擾評(píng)估方法的有效性。

6 結(jié)論

針對(duì)GSO衛(wèi)星系統(tǒng)間的同道干擾問題，結(jié)合ITU提供的電波傳播模型、天線波束等參數(shù)，分別建立了單波束及多波束GSO衛(wèi)星系統(tǒng)干擾分析的數(shù)學(xué)模型。

1) 在GSO衛(wèi)星軌道位置、系統(tǒng)鏈路可用度以及干擾地球站選址等維度上進(jìn)行精細(xì)化顆粒度的分析，避免了傳統(tǒng)單一維度和粗顆粒度干擾評(píng)估方法的局限性，不同維度間進(jìn)行橫向?qū)Ρ? 分析了GSO衛(wèi)星系統(tǒng)在不同維度下的干擾變化特性曲線,并比較了各維度對(duì)干擾分析結(jié)果的影響程度。

2) 在滿足ITU干擾限值條件下，提供了下行干擾場(chǎng)景中不同GSO衛(wèi)星軌位間隔下的干擾系統(tǒng)地球站最近選址的方法，可以為GSO衛(wèi)星系統(tǒng)的干擾規(guī)避提供參考。

3) 本文I/N和C/I計(jì)算結(jié)果與Visualyse軟件計(jì)算結(jié)果的誤差基本保持在0.3%，證明了本文方法的有效性，對(duì)支撐GSO衛(wèi)星系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外資源協(xié)調(diào)、干擾分析具有一定的借鑒意義。