IP-STAR卫星跨点波束自动对星系统研究及应用展望

郑学东，高云勇

（南京中网卫星通信股份有限公司，南京 210061）

1 引言

卫星通信有很多优点，各行业、各地区、各企业的卫星应急通信建设突飞猛进，对卫星转发器需求急剧增加。IP-STAR卫星定位在东经119.5°，其中Ku波段在中国国内及沿海地区可使用的有23个点波束，1个成形小束，通信容量约12Gb/s，尽快大规模使用IP-STAR卫星转发器可大大缓解国内对卫星应急通信转发器的需求压力，加快促进“政府主导、部门联动、社会参予”应急通信保障机制的形成，推动卫星应急通信产业爆发性跨越式增长。

2 IP-STAR卫星系统简介

2.1 IP-STAR卫星

IP-STAR卫星是Space System/Loral(SS/L)劳拉空间系统公司（美国）制造，于2005年8月11日发射成功，轨道位置东经119.5°，服务时间截止至2022年6月31日。

IP-STAR卫星用23个Ku点波束、1个Ku成型波束、1个Ku广播波束覆盖中国大陆。在中国大陆有北京、上海、广州三个关口站，相互之间通过地面光缆相连接，卫星为中国大陆提供约12Gb/s的通信能力。北京关口站监控管理的波束有301，302，303，304，305，306，307，308，311（9个点波束）和东部1个广播波束；上海关口站监控管理的波束有312，313，317，318，321，322（6个点波束）和西部1个成形波束；广州关口站监控管理的波束有309，310，314，315，316，319，320，323（8个点波束）。

2.2 IP-STAR卫星对中国的覆盖

图1 IP-STAR卫星对中国的覆盖

2.3 IP-STAR卫星系统典型使用拓朴图

图2 宽带接入图

表1 IP-STAR主要终端图

3 IP-STAR卫星跨波束自动对星系统研究

IP-STAR卫星通信系统的优点：采用Ka+Ku复合传输技术及频率多重覆用技术，使卫星的转发器成本远低于传统卫星成本，卫星系统星上转发器价格是现在通用转发器价格的一半以上。

IP-STAR卫星采用星上动态功率管理和动态带宽管理等新技术，解决了Ka与Ku波段卫星通信雨衰大的问题，采用Ka+Ku频段空间交链技术和跳频技术，可有效防止不法信号的干扰，终端设备成本低。

IP-STAR卫星通信系统的不足：在中国东部地区主要的通信资源在23个点波束，对于固定站而言不需要跨区域，可以在一个点波束内正常通信，但对于移动站而言就需要跨区域在不同的点波束内工作，而且好多地方存在2个或者3个点波速重叠地区，用户在哪个区域根本不知道用哪个点波速或者对于移动站位置变化频繁，对于应急通信或需跨点波束使用用户，对星工作相当困难，严重影响IPSTAR卫星应用。

IP-STAR卫星跨波束（针点波束）自动对星系统就是要开发一种自动跟踪接收机，来辅助移动卫星通信息系统完成识别和确定跨到哪个强波束的功能，来辅助移动卫星站能完成自动寻星和入网的功能。

3.1 设计要求

（1）跟踪接收机做成1U机箱式或尺寸为100mm×100mm×30mm的模块形式以及手持式：

1U机箱式主要用于车载系统，预留通信接口可以和伺服控制器以及计算机通信，不需要多大的硬、软件改动就可以将原有的卫星跟踪系统改为IP-STAR卫星跟踪系统，所有的协调工作由跟踪接收机完成，而且1U机箱式跟踪接收机有液晶屏与键盘，可以将AGC值和频谱信息显示出来，也可以进行键盘手动操控，可以用于各种系统，兼容性强，也便于机架式安装，市电工作，方便使用。

模块式主要用于自动便携站，模块式跟踪接收机的任务主要是处理成形波束与点波束的AGC值，将最大AGC值送给伺服系统用于卫星跟踪，并结合GPS定位信息，准确判断出是否要跨波束，将此信息汇报给计算机，由计算机自动申请建立新的链接。

手持式主要用于手动便携站和开设地面站使用，根据GPS定位信息与卫星位置可以自动计算出天线所要达到的水平与俯仰角度，便于快速对星，其内置电池，可以给LNB馈电，尺寸较小，便于携带，方便使用。

（2）跟踪接收机工作频率为250MHz～2150MHz（LNB用双本振工作，频率为9.75和10.6GHz；或单本振，本振频率为10.6GHz或9.4GHz），包含广播波束、成形波束与点波束频段；输入信号动态范围为-45～-95dBm；AGC输出电压范围：0～10V。

（3）具有频谱分析功能，能显示频谱或给出频谱数据。

（4）具有GPS定位能力，并自动根据电子地图识别出移动站大约在哪些点波束内。

（5）能根据GPS信息与各接收机AGC值自动准确给出信号较强的点波束信息。

（6）能与计算机以及伺服控制器通信，当跨点波束时能通知计算机自动与关口站联系，申请重新建立链接。

3.2 设计方案

图3 IP-STAR卫星自动跟踪系统原理框图

从图3来看，如果是传统的卫星则比较好跟踪，因为有信标信号，且只有一个宽波束，用一台卫星信标接收机就可以解决问题，但对于IP-STAR，卫星信标接收机就不行了，因为它没有信标信号，且有很多点波束。由此我们想到一种最简单的办法，就是向IP-STAR星每个波束各发送一个不同频率的不间断的单载波或调制信号，用来作为信标信号，这样地面站就可以像跟踪传统卫星一样用现有的卫星信标接收机来进行自动跟踪了，技术很成熟，较容易实现。经过与运营商的沟通，可以按用户使用地址，由我们负责发送单载波或调制波供寻星用（我们发送的信号以下称之为信标信号）。

通过观察IP-STAR星的中国地区覆盖图，我们发现成形波束覆盖中国整个西部地区，频率范围为10950～11200MHz；广播波束覆盖整个中国东部地区，频率范围为11500～11700MHz，所有点波束在广播波束内，频率范围为12200～12371MHz，12389.5～12560.5MHz，12579～12750MHz三个接收频段，且每个相邻点波束的频率都不相同，这使跟踪接收机的工作变得易于实现了一些。我们只需要用一台调制解调器向一个或多个点波束内发送信标信号就可以了，经卫星转发后它们在相邻点波束内的频率是不一样的，便于跟踪接收机到达该区域时进行点波束的判别。根据以上频段特点，跟踪接收机应至少由两个现有的IP-STAR接收机与MCU组成，在MCU的控制下并行工作，一个处理当前点波束或成形波束内的信标信号，得到的AGC值反馈给伺服控制单元，使天线始终对准卫星，功能与传统卫星地面站的信标机功能相同；另一个根据GPS提供的地理信息处理该区域内各点波束和成形波束内的信标信号，在后台运行，不断比较最多三个点波束或成形波束内信标信号的AGC值大小，当另一个点波束或成形波束内信标信号的AGC值稳定大于当前波束内信标信号的AGC值达到门限时，并且根据GPS信息得出地面站移动的轨迹，得到大致向哪个点波束内移动，综合判断后，由MCU发出反馈信息给用户端计算机，用户端计算机自动发送跨区重现链接申请给关口站，得到批准后，由用户端计算机通知跟踪接收机和调制解调器等，重新链接建立成功。

对于以上方案，目前遇到了一个问题是市场上还没有输入频率为10950～12750MHz，输出带宽可以达到1.8GHz的LNB（目前还在寻），这就造成当遇到点波束与成形波束切换时需要更换LNB，这就不能实现全国范围内自动跟踪，动中通在这一区域使用将很不方便。我们想到一种弥补方法是采用双本振的LNB，目前市场上有本振为9.75GHz与10.6GHz的LNB，通过22kHz信号来控制频率切换，但这也只能依据GPS定位信息来判断点波束与成形波束的切换区域，不再能依据AGC值来判断是否要切换，此时的跟踪接收机要么工作在成形波束频段，要么工作在点波束频段，后台工作的接收机不能同时处理成形波束与点波束的信标信号，这就使切换的时机达不到最佳状态，切换的时间也相对点波束之间切换较长一些。所以还是希望能找到或定制到输入频率为10950～12750MHz，带宽为1.8GHz的LNB为好，调制解调器可能达不到这个工作带宽，可在之前加个频率选择模块（如图3），将频率较低的成形波束频带搬移至调制解调器可正常接收的范围。

3.3 IP-STAR星跟踪接收机设计

图4 IP-STAR卫星信号跟踪接收机原理框图

IP-STAR星跟踪接收机主要由分配器、广播波束接收机、点波束接收机、GPS模块、MCU组成。

3.3.1 分路器

图5 分路器

分路器主要由功分器与滤波器组成，将LNB过来的250～2150MHz信号功分。频率最终以LNB输出频率而定。

3.3.2 接收机

图6 接收机

接收机1与接收机2硬件组成基本相同，主要由变频部分、中频放大、滤波、数字信号处理等部分组成。将分路器送来的信号进行多次变频处理（进一步防止镜频与杂散信号干扰），变为中频信号，经滤波放大后进入数字信号处理电路，进行FFT，并频谱识别，得到准确的频谱信息与幅度值，并送给MCU。

3.3.3 GPS模块

得到经纬度信息、时间信息等，并送给MCU或用户端计算机。

3.3.4 MCU

MCU主要由FPGA、单片机、DSP等组成。主要功能为：内置电子地图，将各波束的覆盖情况标注在电子地图内，当移动站到达某区域时，能自动给出该区域的波束覆盖数量，并将各波束的频率信息发送给点波束接收机，点波束接收机在后台比较这几个波束的AGC值，当满足跨区条件时，反馈信息给MCU，MCU通知用户端计算机发送链接申请给关口站，得到关口站确认后，由计算机将确认信息反馈给调制解调器收发频率、MCU，新的链接完成。

3.3.5 频率选择模块

图7 频率选择模块

将LNB过来的信号分成两路，由两只微波开关选通，点波束信号选择直接通过，成形波束信号经两次变频后，搬移至调制解调器可正常接收的频率范围，然后再送给调制解调器，采用两次变频可以有效的防止镜频等杂散信号干扰。输入输出频率最终以LNB本振频率而定。

3.4 使用步骤

第一步：打开设备电源。

第二步：跟踪接收机内的GPS开始定位。

第三步：跟踪接收机开始判断GPS定位没有，如定位成功，则无须继续定位。如不成功继续定位。

第四步：跟踪接收机开始根据定位的GPS信息，将卫星移动站所在的各波速的覆盖波速数量和频率发送给跟踪接收机。

第五步：根据跟踪机给出的波速覆盖频率进行变频、滤波和数字信号处理，最终转化为AGC进行比较。

第六步：跟踪接收机开始所在区域的波速的频率进行比较和判断，是否找到信号最强的波速，否则重新比较和判断。

第七步：跟踪接收机把移动站所在的频率覆盖比较的AGC最大的作为此次寻星和通信的主要信息。

第八步：跟踪接收机把主要信息送给用户终端和卫星天线伺服机构。

第九步：结束。

4 应用展望

IP-STAR卫星跨波束自动对星系统研究成功，有效拓展了IP-STAR卫星系统从固定通信应用为主到移动通信应用，特别适合卫星在应急通信方面的动态立体跨区域应用。

我国共拥有各类渔船106.56万艘，其中机动渔船为67.52万艘，海洋捕捞渔船20.45万艘。渔船作业时通信保障只有短波电台、超短波渔用对讲机、北斗卫星船载终端、CDMA手机等，通信距离只有30～50海里，而且只有语音或窄带数据通信，若采用IP-STAR卫星跨波束自动对星系统，可有效解决近海渔船宽带跨区域宽带通信和高额费用问题。

我国约有60万个行政村镇，现阶段广播电视“村村通”工程是单向接收卫星系统，工业和信息化部通过三大运营商推广的“村村通”工程是以光纤为主，按“宽带进行政村，电话进自然村”为总体目标，但在重大灾情发生时，光纤非常容易中断或被关闭，不适合应急通信保障。用IP-STAR卫星跨波束自动对星系统，建设卫星应急通信保障专网，非常必要，也经济实惠，按“平时服务，急时应急，战时应战”的原则，平时可按预案提前布署终端站，按需开通卫星带宽，既充分利用IP-STAR卫星带宽容量大、信号强、价格优，又节省巨大投入，对出现重大灾情地区，采用跨波束自动对星系统的终端站可以快速布署，节省高额通信费。