卫星通信系统设计讲解

卫星通信系统

设计方案

班级：011241

学号：01

姓名：

一、背景及研究目标

1.1卫星通信

卫星通信简单地说就是地球上(包括地面和低层大气中)的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信"卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。卫星通信的特点是:通信范围大,只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内,从任何两点之间都可进行通信,不易受陆地灾害的影响(可靠性高);只要设置地球站电路即可开通(开通电路迅速),同时可在多处接收,能经济地实现广播!多址通信(多址特点);电路设置非常灵活,可随时分散过于集中的话务量,同一信道可用于不同方向或不同区间(多址联接)。

卫星在空中起中继站的作用,即把地球站发上来的电磁波放大后再反送回另一地球站"地球站则是卫星系统形成的链路"由于静止卫星在赤道上空3.6万千米,它绕地球一周时间恰好与地球自转一周(23小时56分4秒)一致,从地面看上去如同静止不动一样"三颗相距120度的卫星就能覆盖整个赤道圆周"故卫星通信易于实现越洋和洲际通信"。

通信卫星的最大特点就是可以为移动用户之间提供通信服务,具有覆盖区域更广，不受地理障碍约束和用户运动限制等优势,从移动通信卫星的轨道看,目前移动通信卫星的轨道主要有三种:

GEO卫星位于地球赤道上空高度为35 786 km的轨道上,其角速度与地球表面旋转的角速度相同,因此相对地面静止,单颗GEO卫星覆盖范围较广约占地球总面积的1/3),最大可覆盖纬度±70°以内的区域[1]。在三种卫星中,GEO卫星距离地球最远,导致其与地面终端之间的通信延时最大,约为250 ms,链路损耗也较大。对于GEO轨道，利用三颗卫星可构成覆盖除地球南、北极区的卫星移动通信系统。

MEO卫星通常位于距离地面高度为10 000 km～20 000 km之间的圆形轨道上,其与地面终端之间的通信延时约为120 ms,链路损耗也相对较小。

LEO星座系统中的LEO卫星通常位于距离地面高度为500 km～2 000 km之间的圆形轨道上,其与地面终端之间的通信延时最短,约为25 ms,链路损耗也最小。

1.2目标

本文中所设计的卫星移动通信系统覆盖目标区域为中国大陆和沿海地区,为便于讨论,将目标区域抽象成圆心在东经105°、北纬30°、地心角为26°的一个圆内,其范围基本包括了中国大陆、领海以及部分周边地区。

通信卫星为GEO 同步轨道卫星，采用QPSK调制方式,上行链路为卫星交换的FDMA 每载波单路信号的FDMA（SDMA-SCPC-FDMA）,下行链路为卫星交换的TDMA每载波单路信号的FDMA（SDMA-FDMA-MCPC-TDMA）。.LTE 随机接入策略为ALOHA协议。信道分配为按需分配（DA）方式。传输协议为IP协议。

该系统设计思路为：用户终端→信息编码→调制器→上变频器→功率放大器→卫星接收、下变频→解调、路由→上变频、发射→接收机与解调器→用户终端。

二、星座设计

2.1星座的覆盖形式

卫星星座的覆盖要求是由星座所要完成的任务来决定的。根据不同的任务确定不同的覆盖方式，一般说来，星座的覆盖形式可以分为以下四种。第一种是持续性全球覆盖（Continuous Global Coverage ），指对全球不间断连续覆盖；第二种是持续性地带覆盖（Continuous Zonal Coverage ），指对特定纬度范围之间的地带进行不间断的连续覆盖；第三种是持续性区域覆盖（Continuous Regional Coverage ），指对某些区域（如一个国家的版图）进行连续的覆盖；第四种是部分覆盖（Partial or Revisit Coverage ），既指覆盖区域为局部区域，同时覆盖的时间也是间断的，这四种覆盖方式见图 2-2。

2.2 卫星的轨道参数分析

在区域性非静止轨道卫星系统中,区域性系如果采用低轨卫星,则需要的卫星数太多,成本过高。如果采用高轨卫星,虽然链路损耗略大,但系统设计的仰角高,在复杂环境下带来的不利影响较小;并且系统的切换、控制不像低轨系统那样频繁和复杂,技术风险小;同时,如果采用可控天线,减小波束宽度以提高信号强度,可充分发挥系统的负载能力。综合考虑多种因素,应采用高轨卫星星座方案。

中高轨卫星就轨道类型而言有圆轨道和椭圆轨道两大类。对于中国地区较适合采用圆轨道,其倾角可在20°～50°之间。为实现区域性覆盖,卫星轨道的星下点要能够反复经过该地区,对中国地区区域性覆盖的卫星系统须采用回归轨道。如果用C T 表示一个恒星日,一个卫星的运行周期S T 满足如下条件:

n

T T C S 式(1)中,n 为整数,表示卫星在一个恒星日内围绕地球运转的圈数,卫星运行的轨道才是回归轨道。对于高轨卫星,回归轨道可供选择的轨道高度有13 000km 、10 000km 以及8 000km,对应的周期大约分别为8h 、6h 和4.8h,n 分别为3、4、5。

当n 为偶数时,星下点的轨迹交点不在赤道上,而在赤道的两边交替出现,交点的个数为

2n。如图1所示,n=4,轨道高度为10 000km、周期约为6h、轨道倾角50°的卫星在一个恒星日的星下点的轨迹,该轨道星下点的交点在中国地区中部,覆盖全中国较为适合。n=2是高度最高的回归轨道,轨道周期为12h,高度为20 200km,在地球外辐射带的范围内;n=6或更大的偶数,高度在6 500km以下,靠近地球的内辐射带。较好的轨道是高度为10 000km的回归轨道。

当n为奇数时,星下点的轨迹交点在赤道上交点数为n,对于中国的区域覆盖效果较上述n 为偶数的差。n=1的轨道周期为24h,高度约为36 000km,卫星同地面相对静止,成为地球同步轨道卫星,其星下点蜕变为一个点,用一颗卫星即可实现以其星下点为中心的区域性覆

盖,信号覆盖能力强,也正因为同步卫星相对地面静止,更容易受到射频武器的攻击和干扰。

为计算连续覆盖中国所需的卫星数,首先要分析相邻两颗卫星之间的协作,用以覆盖特定区域的情况,如图2。

其中:

S1、S2——相邻两颗卫星的星下点。

α——一定仰角条件下覆盖区对应的地心角。

β——相邻两颗卫星星下点与地心连线夹角的一半。

ψ——覆盖带的半宽度,也就是覆盖通道的地心角宽度的一半。

J——服务区边缘的点,在实际中取距离星下点轨迹最远的点,以使服务区全部在两个圆的并集内。

使用一定高度的卫星组成对中国连续覆盖的星座,其所需要的最少卫星数可以通过式(2)～式(4)进行估算。

其中:

n——所需卫星数。

s

n——卫星在一个恒星日内围绕地球运转的圈数。

γ——有效覆盖的最小可视仰角。

h——卫星离地面的高度。

E

R——地球半径(约等于6 378km)。

E