静止卫星网络载干比分析方法研究

+ 蒋春芳 李勇

静止卫星网络载干比分析方法研究

+ 蒋春芳 李勇

针对静止卫星网络日益拥挤带来的干扰问题，研究了实际载干比和门限载干比的计算分析方法，并对影响卫星网络载干比特性的主要因素进行了对比分析，以便于采取相应技术措施减轻静止卫星网络之间的频率干扰，从而充分利用有限的静止卫星频率轨道资源。

静止卫星 卫星网络 载干比分析

1 引言

对地静止轨道卫星简称静止卫星，是指位于地球静止轨道的卫星。该轨道是位于赤道平面的圆轨道，运行方向及周期与地球自转的方向及周期相同（周期为23小时56分4秒），轨道高度35786.13公里。静止卫星由于轨道位置有限，相近轨位甚至相同轨位的卫星网络越来越多，干扰问题也越来越突出。目前全球在轨静止卫星约460颗。在我国上空东经50度至东经180度范围内静止卫星160余颗，平均不到1度经度间隔就有1颗卫星。如何分析同频或邻频工作的卫星网络是否会出现不可接受的干扰，这是保证静止卫星网络正常工作的前提。

根据国际电信联盟（ITU）《无线电规则》（2012年版），如果某个新申报的卫星网络使现有卫星网络等效噪声温度增量百分比（ΔT/T）超过6%，则新卫星网络应与同频段现有卫星网络进行协调，并需要通过载波与干扰功率比即载干比（C/I）特性分析，以确定现有卫星网络是否受到不可接受的有害干扰，以及可以采取什么技术措施加以解决。

本文研究详述了实际载干比和门限载干比的计算分析方法，并针对影响卫星网络载干比特性的因素进行了对比分析，以便于采取相应技术措施减轻静止卫星网络间的干扰，充分利用有限的静止卫星频率轨道资源。

2 静止卫星网络载干比的分析方法

卫星网络在设备一定的条件下，信号质量的好坏取决于解调器输入端的载噪比（C/N）或载干比（C/ I），为保证接收到的话音、图像和数据有最低限度质量，接收机必须要满足门限载噪比或门限载干比要求。这就涉及到卫星网络实际载干比和门限载干比的计算分析问题。以下分别阐述两者的计算分析方法。

2.1 实际载干比的计算分析方法

实际载干比需要分别计算卫星网络上行、下行链路接收天线输出端有用信号功率C和来自干扰系统功率I的比值。上行干扰为己方卫星接收到的来自邻星网络地球站的偏轴发射信号，下行干扰为本网络地球站在偏轴方向接收到的邻星的下行信号。

设有两个邻近的卫星网络A和B，卫星网络A的上行链路可能受到来自卫星网络B的上行干扰，A的下行链路也可能受到来自B的下行干扰，如图1所示。图中实线为表示有用的卫星链路，虚线表示干扰链路，表示两颗卫星间的顶心角（也即本卫星地球站对另一卫星的偏轴角），β表示两颗卫星间的地心角（即地球中心对两颗卫星的夹角）。

则有

式中，dA 、dB分别表示地球站到卫星SA、SB的距离。

对于上行链路方向，设

EIRPe表示A网络的发送地球站A2在卫星SA方向的等效全向辐射功率；

fu表示上行频率；

du表示地球站A2至卫星SA的距离；

Gu表示卫星SA在地球站A2方向的接收增益；

EIRPe＇表示B的地球站B1在卫星SA方向的发射EIRP；

fu＇表示上行干扰频率，假定fu＇≈fu；

du＇表示地球站B1至卫星SA的距离，也可假定du＇≈du；

Gu＇表示卫星SA在地球站B1方向的偏轴接收增益；

EIRPe*表示干扰地球站B1在卫星SB方向上的等效全向辐射功率；

Gi表示地球站B1在卫星SB方向上的轴向发射增益；

Gi＇表示地球站B1在卫星SA方向上的旁瓣偏轴发射增益，取决于所采用的ITU建议或其他有关建议；

因为 EIRPe＇＝EIRPe*－Gi＋Gi＇

所以

同样，对于下行链路方向，设

EIRPs表示网络A的卫星SA在接收地球站A1方向的发射EIRP；

EIRPs＇表示干扰卫星SB在地球站A1方向的偏轴发射EIRP；

G为地球站A1在卫星SA方向的轴向接收增益；

G＇表示地球站A1在卫星SB方向的偏轴接收增益；

则，下行载干比（用分贝表示）

则总载干比（用功率比值表示）为

地球站旁瓣偏轴发射或接收增益大小根据所选用的地球站天线辐射方向图特性决定。

如果考虑有用载波与干扰载波的频率偏置及带宽差别，则引入干扰调整因子Ia，此时实际载干比用分贝表示，即为[C/I]*=[C/I]-[Ia]

国际电联《程序规则》对于不同的载波类型，干扰调整因子Ia有不同的计算方法，如表1所示。

2.2 门限载干比的计算分析方法

要计算门限载干比值，首先需要计算满足通信质量等技术指标要求的门限载噪比（C/N）值。通常模拟系统用信噪比，数字系统用误码率作为衡量通信质量最基本的度量。目前几乎所有通信卫星传送的信号都是数字信号，如数字电话、数字电视等。对于数字传输系统，门限载噪比是指满足一定的误码率要求时所对应的C/ N值。误码率常用传输中符号（码元）或比特的差错概率来表示。如果不特别指出，误码率通常用误比特率表示。国际卫星通信组织目前暂定将误码率Pe=10-4作为线路质量标准。

对于卫星通信常用的二相相移键控（BPSK）调制和四相相移键控（QPSK）调制，误码率PeBPSK和PeQPSK与载噪比关系分别用式（5）和式（6）表示。

式中，erfc[·]表示补余误差函数，C/N是功率比值，不是分贝数。

通过查阅补余误差函数表，可以得出在一定误码率要求下的C/N值。比如，当误码率要求为10-4时，对应于BPSK调制下的C/N要求约为8.5dB，对应于QPSK调制下的C/N要求约为11.5dB；当误码率要求为10-6时，对应于BPSK调制下的C/N要求约为11.6dB，对应于QPSK调制下的C/N要求为14.6dB。

在已知门限C/N值后，根据ITU《程序规则》，针对不同类型载波，就可得出对应的C/I干扰保护标准即门限载干比值，如表2所示。

注：C/N为载波噪声比（dB）BWw为有用载波的必要带宽（MHz）BWeqi为干扰载波等效带宽（MHz）

ITU《无线电规则》附录1第Ⅰ节对载波的必要带宽作了定义，即指对于给定的发射类别，恰好可以保证在规定条件下以所要求的速率和质量传输信息的频带宽度。第Ⅱ节对发射类别作了分类和标识。以载波36M0G7F为例，前四位表示必要带宽，字符“M”表示MHz（另外，“G”、“K”分别表示GHz和kHz），其所在位置表示小数点的位置，因此该载波的必要带宽为36.0MHz；后三位表示发射类别，其中第一个符号表示主载波的调制方式（字符“G”表示调相，另外，“F”表示调频）；第二个符号表示调制主载波的信号的性质（字符“7”表示包含量化或数字信息的双频道或多频道）；第三个符号表示拟发送信息的类型（字符“F”表示电视视频）。

3 载干比特性的影响因素分析

由载干比计算公式可知，卫星网络载干比与系统等效全效辐射功率、天线峰值增益、天线旁瓣增益等因素有关，其中天线旁瓣特性是比较重要的因素，因为大部分干扰是经天线旁瓣进入的。下面对各因素的影响进行比较分析。

由式（1）分析可知，当确定了相邻卫星轨道间隔，则本卫星地球站对另一卫星的偏轴角也就可计算确定，进而可由采用的天线方向图特性确定应满足的旁瓣增益包络。轨位间隔越大，偏轴角越大，则旁瓣增益越小。

由式（2）分析可知，上行链路C/I值与本地球站轴向EIRP、干扰地球站偏轴EIRP、目标卫星轴向和偏轴接收增益有关，而干扰地球站偏轴EIRP又与其天线旁瓣增益有关，也即与天线偏轴角及旁瓣特性有关。因此，如果本地球站和干扰地球站发射功率一定，天线电尺寸D/λ也一定（D为天线口径大小，λ为波长），卫星接收增益一定，则轨位间隔越大，干扰功率就越小，C/I也就越大；如果本地球站和干扰地球站发射功率一定，轨位间隔也一定，若天线电尺寸D/λ越大，则C/I也越大。

图2 上行C/I与发射地球站天线口径的关系曲线

图3 下行C/I与接收地球站天线口径的关系曲线

以轨位间隔2度为例， C频段、Ku频段、Ka频段的上行C/I值大小与地球站发射天线口径参数变化的关系如图2所示。

由式（3）分析可知，下行链路C/I值与本卫星轴向EIRP和干扰卫星偏轴EIRP，以及目标地球站轴向和偏轴接收增益有关。因此，当卫星EIRP一定，轨位间隔一定（相应偏轴角一定，旁瓣接收增益一定），若天线电尺寸D/λ越大，则目标地球站轴向接收增益就越大，C/I也越大；当卫星EIRP一定，天线电尺寸D/λ一定（相应轴向接收增益一定），若轨位间隔越大，则旁瓣接收增益越小，C/I也就越大。

以Ku频段为例，轨位间隔3度、6度、9度时下行C/I值与地球站接收天线口径参数变化的关系如图3所示。

4 结束语

以上分析论述了静止卫星网络实际载干比、门限载干比计算方法及影响载干比特性的因素，将有助于判断轨位相近且同频或邻频工作的卫星网络间是否存在有害干扰，从而便于采取相应措施减轻静止卫星网络之间的干扰，促进完成新申报卫星网络与其他卫星网络的干扰协调，充分利用有限的静止卫星频率和轨道资源。

[1] 国际电信联盟（ITU）,无线电规则,2012

[2] 国际电信联盟（ITU）,程序规则,2009

[3] 陈豪等,卫星通信与数字信号处理,上海交通大学出版社,2011.1

[4] 王丽娜, 卫星通信系统, 国防工业出版社,2006.5

[5] ITU 建议书,ITU-R S.580-6,用于静止卫星地球站天线设计的辐射图,2003

[6] ITU 建议书,ITU-R S.465-6,2至31,GHz频段FSS业务用于协调与干扰评估的地球站天线参考辐射模式,2010