郭 強(qiáng),劉 波,司圣平,劉 輝,蔣應(yīng)富,張 恒

(1.上海航天技術(shù)研究院,上海 201109; 2.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109)

?

衛(wèi)星通信系統(tǒng)鄰星干擾分析方法研究

郭 強(qiáng)1,劉 波2,司圣平2,劉 輝2,蔣應(yīng)富2,張 恒2

(1.上海航天技術(shù)研究院,上海 201109; 2.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109)

針對(duì)多星組網(wǎng)頻率復(fù)用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的鄰星干擾問(wèn)題，對(duì)一種衛(wèi)星通信系統(tǒng)鄰星干擾分析方法進(jìn)行了研究。首先計(jì)算地面站能否同時(shí)接收到鄰星信號(hào)，若無(wú)，則不存在鄰星干擾，若有，則需分析干擾的影響。其次計(jì)算鄰星是否在接收天線主波束范圍內(nèi)，若不是，可認(rèn)為兩星的極化方式對(duì)接收系統(tǒng)無(wú)影響；若是，考慮雙星完全重疊的極限情況，分析最嚴(yán)重的鄰星干擾，并給出了綜合考慮天線、降雨、傾角、冰晶等因素導(dǎo)致的去極化效應(yīng)的信噪比計(jì)算模型。該方法已成功用于我國(guó)某衛(wèi)星星座通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)并通過(guò)了在軌測(cè)試，誤碼率滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。研究可為我國(guó)其他多星組網(wǎng)頻率復(fù)用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)提供參考。

衛(wèi)星通信； 鄰星干擾； 頻率復(fù)用； 信噪比； 交叉極化隔離度； 圓極化； 天線主波束； 去極化效應(yīng)

0 引言

隨著我國(guó)衛(wèi)星事業(yè)的發(fā)展，多顆衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)特定的任務(wù)已成為一個(gè)趨勢(shì)。多顆衛(wèi)星組網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)同時(shí)進(jìn)入同一地面接收天線接收范圍的情況，由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)有其特定工作頻段限制，為滿足不斷增加的傳輸碼速率需求，通信系統(tǒng)工作頻段常會(huì)出現(xiàn)重疊，在多星組網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)須考慮鄰星干擾問(wèn)題，保證多星通信系統(tǒng)的誤碼率滿足組網(wǎng)使用要求。鄰星干擾分為使用相同極化方式(單極化或雙極化)和使用不同極化方式(雙圓極化或雙線極化)兩種情況。當(dāng)使用的極化方式相同時(shí)，可采用更高進(jìn)制的調(diào)制方式避免頻段重疊[1]。但該方法傳輸每比特?cái)?shù)據(jù)所需的能量更多，增加了衛(wèi)星的研制難度和成本，若無(wú)法避免頻段重疊，則產(chǎn)生同頻干擾即鄰星干擾，此時(shí)需定量計(jì)算鄰星干擾對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響。當(dāng)使用的極化方式不同(雙圓極化或雙線極化)時(shí)，全部或部分工作頻段重疊，可使傳輸?shù)拇a速率最大增加1倍[2-8]。但該法須要解決雙極化工作方式下的交叉極化問(wèn)題，定量計(jì)算出交叉極化干擾即鄰星干擾對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響。衛(wèi)星星座組網(wǎng)布局一般為均勻分布，星與星間存在一定距離間隔，則多顆星間的鄰星干擾問(wèn)題可簡(jiǎn)化為任意兩星間的鄰星干擾問(wèn)題。文獻(xiàn)[2]對(duì)兩顆星使用相同單極化方式且不進(jìn)入接收天線主瓣范圍的頻率復(fù)用衛(wèi)星通信系統(tǒng)鄰星干擾進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[3-9]對(duì)單顆星使用雙極化頻率復(fù)用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的交叉極化問(wèn)題進(jìn)行了研究，但未見(jiàn)對(duì)多顆衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，用相同極化方式(單極化或雙極化)和不同極化方式頻率復(fù)用衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的鄰星干擾分析方法的研究。本文從衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)際出發(fā)，以常用的圓極化方式為例，根據(jù)ITU-R標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)多星組網(wǎng)運(yùn)行時(shí)頻率復(fù)用衛(wèi)星通信系統(tǒng)鄰星干擾的分析方法進(jìn)行了研究，并成功用于我國(guó)某衛(wèi)星星座頻率復(fù)用通信系統(tǒng)，為我國(guó)多星組網(wǎng)頻率復(fù)用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)提供參考。

1 鄰星干擾分析計(jì)算方法

多星組網(wǎng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)可包括靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)和非靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)。頻率復(fù)用則有兩個(gè)衛(wèi)星各使用一個(gè)相同單極化天線或各使用一個(gè)相同雙極化天線對(duì)地傳輸數(shù)據(jù)、兩個(gè)衛(wèi)星各使用一個(gè)不同的單極化天線對(duì)地傳輸數(shù)據(jù)等不同方式。本文以常用的圓極化頻率復(fù)用衛(wèi)星通信系統(tǒng)為例，討論了適于以上不同情況的鄰星干擾分析方法。

根據(jù)組網(wǎng)衛(wèi)星的軌道類(lèi)型和參數(shù)、地面站的位置，以及接收天線的工作仰角范圍，用衛(wèi)星軌道仿真軟件(如STK軟件)仿真計(jì)算特定地面站能同時(shí)接收到兩顆衛(wèi)星下傳信號(hào)的時(shí)間。若該地面站沒(méi)有被兩顆衛(wèi)星下傳信號(hào)同時(shí)覆蓋的時(shí)間，即不存在鄰星干擾，則按傳統(tǒng)的單星通信鏈路分析方法計(jì)算信噪比；若有被同時(shí)覆蓋的時(shí)間，則用本文方法分析鄰星干擾的影響[10]。

2 相同極化方式鄰星干擾計(jì)算方法

如甲、乙兩顆衛(wèi)星采用相同單極化天線，并進(jìn)入同一接收天線的波束覆蓋范圍，在接收甲衛(wèi)星下傳信號(hào)時(shí)，乙衛(wèi)星在重疊頻段內(nèi)的下傳信號(hào)會(huì)對(duì)甲衛(wèi)星造成干擾，該干擾可視作高斯白噪聲，該情況下甲衛(wèi)星信噪比(Eb/N0)的計(jì)算符合信噪比的倒數(shù)和原理[1]。其計(jì)算公式為

(1)

式中：Etot為甲衛(wèi)星工作頻段的信號(hào)總能量；Eover為重疊頻段的信號(hào)能量；(Eb/N0)s為只有甲衛(wèi)星條件下的信噪比；(Eb/N0)d為在雙星相互干擾時(shí)甲衛(wèi)星的信噪比。

當(dāng)甲、乙兩顆衛(wèi)星采用相同雙極化天線時(shí)，目前，因在研和在軌衛(wèi)星天線的極化隔離度都大于25 dB，兩星間的鄰星干擾主要為相同單極化方式的同頻干擾，不同極化方式間的交叉極化干擾可忽略不計(jì)，則計(jì)算方法與兩顆衛(wèi)星采用相同單極化天線一致。

3 不同極化方式鄰星干擾計(jì)算方法

3.1 交叉極化產(chǎn)生原因

在采用雙圓極化頻率復(fù)用技術(shù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，交叉極化的產(chǎn)生包括兩部分：一是由于衛(wèi)星天線的饋源極化器制造工藝和安裝中不可避免的誤差，以及極化變換器的損耗，導(dǎo)致形成的圓極化波不可能是理想的圓形，使系統(tǒng)本身包括交叉極化分量，同時(shí)地面接收天線的非理想性也會(huì)引入交叉極化分量；二是即使發(fā)射端為理想圓極化，在傳播過(guò)程中，也會(huì)受到降雨、傾角、冰晶等因素的去極化影響而引入交叉極化分量。

3.2 交叉極化隔離度定義

一般，用交叉極化隔離度(XPI)度量交叉極化的優(yōu)劣。雙極化通信系統(tǒng)中信號(hào)去極化如圖1所示。圖1中：at，bt為一對(duì)正交發(fā)射信號(hào)；ar，br為對(duì)應(yīng)的正交接收信號(hào)；ax，bx為對(duì)應(yīng)的交叉極化分量。XPI的定義為：本信號(hào)在本信道接收的共極化分量ar與另一信道在本信道產(chǎn)生的交叉極化分量bx之比[1]。

圖1 去極化示意Fig.1 Depolarization

通道的交叉極化隔離度可分別表示為

(2)

(3)

對(duì)圓極化方式，XPI等于共旋極化分量與反旋極化分量之比。在大多數(shù)傳播實(shí)驗(yàn)中僅有一種極化方式的衛(wèi)星信號(hào)，同時(shí)測(cè)量接收到的有用信號(hào)(共極化)和無(wú)用信號(hào)(交叉極化)，兩者的比值稱(chēng)為交叉極化分辨力(XPD)[1]。有

(4)

通常，計(jì)算出的XPI，XPD值相同，并可被簡(jiǎn)單地稱(chēng)為隔離度[1]。

3.3 圓極化頻率復(fù)用衛(wèi)星通信系統(tǒng)鄰星干擾分析方法

當(dāng)特定地面站能同時(shí)接收到兩顆衛(wèi)星下傳信號(hào)時(shí)，兩顆衛(wèi)星與同一地面站天線的關(guān)系包括兩種情況：雙星不在同一地面站天線主波束范圍內(nèi)；雙星在同一地面站天線主波束范圍內(nèi)。

3.3.1 雙星不在同一地面天線主波束范圍內(nèi)

實(shí)際的地面站接收天線多為拋物面，則天線的增益G和主瓣寬度θ1/2分別滿足關(guān)系

(5)

(6)

式中：f為頻率；D為天線直徑；η為天線效率[1]。

ITU-R標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)地面站的接收天線旁瓣峰值進(jìn)行了規(guī)定，其天線90%的旁瓣峰值不應(yīng)大于以下要求

(7)

式中：“*”表示當(dāng)D/λ小于100時(shí)，該角度為(100λ/D) (°)；θ為偏離主波束方向的角度；λ為波長(zhǎng)[11-12]。

地面站天線的實(shí)際主瓣、旁瓣增益需經(jīng)過(guò)測(cè)試，上述理論計(jì)算公式可作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。由式(1)，當(dāng)兩顆星的信號(hào)不在同一個(gè)地面接收天線主瓣范圍內(nèi)，不考慮極化方式時(shí)，信噪比計(jì)算公式為

(8)

式中：Gmain為接收天線的主瓣增益；Gsub為接收天線的旁瓣增益。

用STK軟件仿真計(jì)算出同一地面站與兩顆衛(wèi)星所成矢量的夾角，通過(guò)調(diào)整軌道幅角等參數(shù)可改變?cè)撌噶繆A角的最小值；根據(jù)該最小值，以及地面天線的主瓣與旁瓣增益；用式(8)可算出兩顆星相互干擾時(shí)的最小信噪比，判斷所得該信噪比能否滿足星地通信的誤碼率要求，若滿足則以該軌道參數(shù)作為衛(wèi)星發(fā)射和軌道控制的約束條件。

一般情況下，當(dāng)雙星不在同一個(gè)地面接收天線主瓣范圍內(nèi)時(shí)，因主瓣增益遠(yuǎn)大于旁瓣增益，因此兩星間的相互干擾很小，不會(huì)影響地面站的正常接收，此時(shí)兩星是否采用不同的極化方式對(duì)地面接收系統(tǒng)無(wú)影響。

3.3.2 雙星在同一地面天線主波束范圍內(nèi)

當(dāng)通過(guò)軌道控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙星不同時(shí)出現(xiàn)在同一地面天線主波束范圍內(nèi)，極限情況為雙星完全重疊，此時(shí)鄰星干擾最大(作為衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的約束條件)，而其他情況的鄰星干擾由于地面接收天線增益的原因均可認(rèn)為小于該極限情況。該極限情況與單個(gè)衛(wèi)星采用雙極化天線的相同，具體分析如下。

a)僅考慮天線導(dǎo)致的去極化效應(yīng)

根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射天線和地面站接收天線的軸比，圓極化方式隔離度(XPD)可表示為

DXPD(a)=

(9)

式中：r1，r2分別為衛(wèi)星天線和地面天線的軸比；α為兩者長(zhǎng)軸間的夾角[1]。當(dāng)α=0°時(shí)為最小隔離度?！?r1r2項(xiàng)符號(hào)的選用原則是：當(dāng)來(lái)波極化方式與接收站本身的極化方式一致時(shí)取“+”號(hào)；反之取“-”號(hào)。

由式(1)，只考慮衛(wèi)星天線和地面天線導(dǎo)致的去極化效應(yīng)，鄰星干擾信噪比可表示為

(10)

式中：DXPD，min(a)為由式(9)算得的最小隔離度。

b)僅考慮降雨、傾角、冰晶等導(dǎo)致的去極化效應(yīng)

根據(jù)ITU-R標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)衛(wèi)星發(fā)射的雙圓極化信號(hào)為理想圓極化，考慮降雨、傾角、冰晶去極化等因素導(dǎo)致的去極化效應(yīng)，計(jì)算星地通信隔離度的方法如下[13]。

(a)計(jì)算隨頻率變化的項(xiàng)

Cf=30lgf，8GHz≤f≤35GHz

(11)

(b)計(jì)算隨降雨衰減變化的項(xiàng)

CA=V(f)lgAp

(12)

V(f)=12.8f0.19， 8 GHz≤f≤20 GHz

(13)

V(f)=22.6，20 GHz≤f≤35 GHz

(14)

式中：Ap為所討論路徑上規(guī)定的時(shí)間百分比p內(nèi)被超過(guò)的降雨衰減值。

(c)計(jì)算極化改進(jìn)因子

(15)

式中：τ為傾角。當(dāng)τ=45°時(shí)，Cτ=0 dB；當(dāng)τ=0°或90°時(shí)，Cτ達(dá)到最大值15 dB。其中：τ=45°對(duì)應(yīng)于圓極化。

(d)計(jì)算隨傾斜角變化的項(xiàng)

(16)

式中：θ為鏈路仰角。

(e)計(jì)算隨傾斜角變化的項(xiàng)

(17)

式中：σ為雨滴傾斜角分布的有效標(biāo)準(zhǔn)差。對(duì)1%，0.1%，0.01%，0.001%的時(shí)間百分比，σ的值分貝相應(yīng)為0°，5°，10°，15°。

(f)計(jì)算雨天p%時(shí)間內(nèi)XPD不大于

(18)

(g)計(jì)算隨冰晶變化的項(xiàng)

(19)

(h)考慮冰晶影響計(jì)算p%時(shí)間內(nèi)的XPD不超過(guò)

(20)

計(jì)算頻率8 GHz以下的XPD時(shí)，先計(jì)算出頻率8 GHz以上的XPD，再用以下計(jì)算結(jié)果換算到所要的頻率

DXPD2=DXPD1-

4 GHz≤f1,f2≤30 GHz

(21)

式中：DXPD1，DXPD2分別為f1(8 GHz以上)，f2(8 GHz以下)頻率，以及τ1，τ2極化傾斜角時(shí)，相同時(shí)間百分比內(nèi)的XPD值。

c)綜合考慮天線和降雨等導(dǎo)致的去極化效應(yīng)

綜合考慮天線的非理想性及降雨等因素導(dǎo)致的去極化效應(yīng)。根據(jù)XPD的定義，共極化分量即有用信號(hào)，交叉極化分量即干擾噪聲，則計(jì)算同一條鏈路上不同去極化效應(yīng)產(chǎn)生的總?cè)O化效應(yīng)，符合信噪比的倒數(shù)和原理[8]。有

(22)

則由式(1)，綜合考慮天線和降雨等因素導(dǎo)致的去極化效應(yīng)，計(jì)算鄰星干擾信噪比的公式為

(23)

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)航天事業(yè)的快速發(fā)展，多顆衛(wèi)星組網(wǎng)并采用頻率復(fù)用技術(shù)的通信系統(tǒng)將越來(lái)越多，鄰星干擾問(wèn)題是整個(gè)衛(wèi)星星座通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題，直接影響整個(gè)星座系統(tǒng)的誤碼率是否能滿足用戶(hù)使用要求。本文基于已有的單星單極化通信系統(tǒng)誤碼率分析方法、兩顆星使用相同單極化方式且不進(jìn)入接收天線主瓣范圍的頻率復(fù)用衛(wèi)星通信系統(tǒng)鄰星干擾分析方法，以及對(duì)單顆星使用雙極化頻率復(fù)用衛(wèi)星通信系統(tǒng)交叉極化分析方法，提出了多顆衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，對(duì)相同極化方式(單極化或雙極化)和不同極化方式頻率復(fù)用衛(wèi)星通信系統(tǒng)，進(jìn)行完整系統(tǒng)鄰星干擾定量分析的方法。該方法已成功用于我國(guó)某多星組網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)并通過(guò)在軌測(cè)試，多星通信系統(tǒng)誤碼率滿足用戶(hù)使用要求。該方法可為我國(guó)其他多星組網(wǎng)頻率復(fù)用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)提供參考。

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Analysis Method Study of Satellite Communications System Adjacent Interference

GUO Qiang1, LIU Bo2, SI Sheng-ping2, LIU Hui2, JIANG Ying-fu2, ZHANG Heng2

(1. Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China; 2. Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China)

Aiming at the problem of adjacent interference of multi satellite communication system with frequency reuse, an analysis method of satellite communication system adjacent interference was studied in this paper. First the ground station could receive satellite signal or not is calculated. There is no adjacent interference if no. It needs to analyze the interference influence if yes. Then the satellite is in the range of the receiving antenna main lobe or not is calculated. The polarization of the two adjacent satellites has no effect on the ground receiving system if no. The limitation when the two satellites are overlap totally shall be in consideration if yes. And the major interference need to be analyzed. Finally the computation mode of signal noise rate is given when the cross polarization is caused by the factors of antenna, rainfall, inclination, ice and others. The method has been successfully applied to the design of a multi-satellite communication system of some satellite in China. The error rate test results meet the design requirements of the system. This method can provide reference for the research and design of China′s other multi-satellite frequency reuse satellite communication system.

satellite communications; adjacent interference; frequency reuse; signal noise rate; cross polarization; circular polarization; antenna main lobe; depolarization effect

1006-1630(2017)03-0131-05

2017-02-13；

2017-03-30

國(guó)家重大航天工程

郭 強(qiáng)(1983—)，男，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

V57

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.03.018