基于高仰角的宽带LEO星座卫星通信系统星座设计及传输性能分析*

徐 军，王 忠，张更新

（1.中国人民解放军陆军工程大学，江苏 南京 210007；2.中国人民解放军31006部队，北京 100840；3.南京邮电大学，江苏 南京 210003）

0 引 言

随着现代通信技术、多媒体技术和计算机技术的快速发展，人们对通信的需求不再局限于单一的传真、电话、电视和低速数据等传统电信业务，而是逐步向语音、视频、图像及高速数据相结合的宽带多媒体业务发展。然而，世界上还有许多地区因为经济或者地理因素无法享受通信技术发展带来的福利，导致不能满足一些政府、企业等重要单位的通信保障。我国“一带一路”战略提出后，加大了同国外的经济贸易往来。为了加强同一带一路经过的各个国家之间的联系，保障国内企业在国外的正常通信，需要建立一个全方位、多层次、复合型的互联互通网络。我国同沿线各国的贸易往来中，将会有各种能源货物的运输。运输路线将会经过许多国家和地区，存在许多不可控因素，所以保障能源通道运输安全的问题日益突出。如何实现能源运输的安全监测，为货物的运输提供通信保障，是一个重要的问题[1]。

卫星通信具有覆盖范围广，不易受地理因素限制等优点。建立一个全球的宽带星座卫星通信系统，能够有效解决我国能源货物监测网络覆盖区域受限的问题，为我国同国外的经济贸易往来保驾护航，同时为出国出海保障和执行特殊任务的军队和驻外使领馆等提供安全的通信保障。

由于传统的GEO卫星网络具有传播时延大、传播损耗高、星上处理能力弱、网络吞吐量小、通信费用昂贵等特点，主要作为地面通信网的延伸和补充。利用GEO卫星建立一个面向全球的、具有经济竞争力的宽带卫星通信系统，在当前技术条件下显然非常困难。

LEO卫星轨道一般为几百至一千多公里，通信传播时延为数十毫秒级，远远低于GEO的通信时延。在正常通信的可接受范围内，新型LEO小卫星具有星上处理能力强、可建立星间链路、容量大等特征，能够有效解决全球海量数据的传输与处理问题[2]。小卫星技术的快速发展使得卫星造价不断降低，卫星公司已经具有能够量产小卫星的能力，从而大大降低了卫星的生产费用和生产周期，使得建立与维护卫星通信系统的成本大大降低，也为在空间大规模建立LEO卫星群奠定了基础。

宽带LEO星座卫星通信系统是当前卫星通信领域重要的发展热点之一，世界许多国家和卫星通信公司都在制定自己的宽带卫星通信系统方案。OneWeb公司已经启动了世界上最大的卫星互联网计划，将发射648颗卫星建立一个覆盖全球的低轨道卫星高速通信网络。按照公布的计划，后续还将发射2 400颗卫星，以提供宽带互联网接入服务。SpaceX计划打造由4 000多颗小卫星组成的互联网星座STEAM，在全球范围内提供互联网接入服务。目前，SpaceX已经通过挪威政府向ITU申报了频率和轨位。从申报的情况来看，卫星数量4 257颗，使用Ku和Ka频段，运行在43个轨道面。LeoSat计划建造一个由140颗卫星构成的星座，卫星工作在Ka频段，致力于打造120～140颗高功率Ka频段卫星星座，为全球提供宽带数据接入服务。LeoSat将会使用高功率卫星平台，通过提高单星能力的方式减少卫星数量[3]。

为适应不断扩大的对外交流，提前占据空间的轨道和频率资源，我国有必要建立一个自己的宽带卫星通信系统。

1 星座设计

1.1 约束条件

本文研究的宽带LEO星座主要针对我国国情而设计，主要设计约束条件如下：

（1）满足境内设站条件；

（2）目标全球通信，系统能够实现全球无缝覆盖；

（3）采用低成本LEO小卫星，卫星结构不能过于复杂，卫星点波束不能太多，卫星天线不能过大；

（4）以境内业务为主，境外业务量相对较小；

（5）满足业务高速率的宽带用户需求，同时用户终端需小型化。

1.2 基本思路

在星座构型方面，为了实现全球通信，星座需要做到全球无缝覆盖。因此，在星座构型上宜采用能够覆盖南北极的极轨星座。

低仰角会导致传输损耗增加，使卫星或者用户终端天线口径加大，而卫星天线口径太大会导致点波束过窄。而低仰角星座卫星单星覆盖面积大，如果采用低仰角方案会使卫星点波束过多，增加卫星复杂度，难以用低成本卫星实现，且低仰角也会有传播时延增大、通信容易受遮挡等缺点[4-5]。因此，提出高仰角星座系统方案，每颗卫星的点波束数不多，传输距离较小，可用低成本卫星实现，虽然卫星数比较多，但系统的鲁棒性（抗毁性）强。

下面将通过上行链路链路计算，分析若采用低通信仰角的铱系统星座对支持宽带业务的可行性。由于OneWeb系统是面向宽带业务的LEO星座卫星通信系统，因此链路计算中采用的业务和终端指标主要参考OneWeb系统的相关指标。

用户上行链路工作频率：12.75～13.25 GHz与14.0～14.5 GHz，取13.5 GHz的中心频率计算，采用QPSK调制，取10 dB的降雨损耗。

用户终端指标：天线口径30～75 cm，取75 cm计算；最高上传速率为25 Mb/s，天线效率55%，噪声温度250 K，发射功率按2 W计算。

卫星主要参数：转发器带宽上行125 MHz，下行250 MHz，噪声温度500 K，卫星轨道高度778 km，单星覆盖半角62°，最低通信仰角8°，星地最远距离2 476 km。

由：

计算得上行链路自由空间损耗为183 dB。

由：

计算得用户终端发射增益为38 dB。

调制方式采用QPSK，信道编码采用LDPC码。在误码率指标优于满足1×10-6时，归一化理想门限信噪比Eb/n0为3 dB。考虑1 dB实现损耗、2 dB系统余量，计算中信噪比取6 dB。

由：

计算得上行链路门限C/n0为80 dB。

由：

计算得卫星天线的接收增益：

由：

计算可得卫星接收天线口径约为0.27 m。

由：

计算得卫星天线的3 dB波束宽度为5.8°。

由于卫星天线的点波束半角为2.9°，而铱系统卫星实现全球覆盖单颗卫星覆盖区半角至少需要62°[6-7]。粗略估算，卫星需要至少上千个点波束。经过计算可以发现，若采用低仰角的铱系统星座，卫星点波束过多，卫星太复杂，难以实现，因此提出了高仰角的星座方案。

1.3 高仰角星座方案

从以上分析可知，建设宽带LEO星座卫星通信系统，其星座需要采用高仰角方案。OneWeb公司提出的OneWeb系统空间段由648颗卫星组成，卫星分布在18个轨道面上，每个轨道面上部署38颗卫星，卫星轨道高度为1 200 km，轨道倾角为87.9°[8-9]。下面通过链路计算分析采用类似OneWeb系统的高仰角星座方案是否可行。

通过上行链路计算，OneWeb系统卫星点波束天线的口径可取0.18 m，3 dB波束带宽为8.64°，OneWeb星座卫星实现全球覆盖单颗卫星覆盖区半角至少需要32.7°，单颗卫星只需几十个点波束就可以满足传输性能要求。经过对下行链路进一步计算，为满足下行链路传输速率要求，卫星的发射功率为1.5 W。通过计算可知，OneWeb系统的高仰角星座方案是可行的。图1、图2分别给出了宽带LEO星座卫星通信系统空间分系统卫星的平面和空间分布图。

图1 卫星平面分布

图2 卫星空间分布

2 星座传输性能分析

2.1 卫星覆盖分析

图3和图4分别给出了边缘仰角为50°、30°时卫星的多星覆盖情况，不同的阴影区表示不同程度的多星覆盖情况。其中，图3中间层阴影区域是单星覆盖率100%区域，向外一层是双星覆盖率100%，最外层的区域达到六星以上100%覆盖；图4中间阴影区域是四星100%覆盖率的区域。随着纬度的增高，星座能够实现更多卫星数目的多星100%覆盖，

图3 边缘仰角50°下卫星多星覆盖情况

图4 边缘仰角为30°下多星覆盖情况

可以看出，边缘通信仰角为50°时，卫星可以实现全球无缝覆盖，高纬度地区可以实现多星覆盖，此星座方案地面用户具有50°以上的通信仰角。当边缘通信仰角为30°时，卫星可以对全球实现四星覆盖，高纬度地区可以实现五星以上的覆盖。

2.2 通信仰角

卫星的覆盖区平均通信仰角如图5、图6所示，其中图5是卫星覆盖全球区域内的平均通信仰角，图6是国内区域的平均通信仰角。

可以看出，卫星在全球覆盖区域内的平均通信仰角在66°以上。

2.3 多普勒频移

LEO卫星运动速度快，地球站与LEO卫星通信时存在明显的多普勒频移现象。图7和图8给出了北京地区用户与LEO星座单个轨道面36颗卫星进行通信时的多普勒频移变化，其中图7是多普勒频移变化曲线，图8是多普勒频移变化率曲线。

图5 全球区域平均通信仰角

图6 国内区域平均通信仰角

图7 多普勒频移变化曲线

图8 多普勒频移变化率曲线

地球站始终选取仰角最高的LEO卫星进行通信。由于星座中卫星数目多，卫星轨道高度低，卫星运动速度快，导致地面站与卫星通信时在648颗卫星之间切换较为频繁。切换时，多普勒频移会发生跳变，从图7可以看出多普勒频移有多次跳变，从图8可以看出多普勒频移变化率中有多条不相连的曲线。

2.4 俯仰角和方位角

下面对地面站与卫星之间的俯仰角和方位角进行分析。由于各个卫星轨道参数相似，星座是在一颗种子卫星的基础上构建出的WALKER星座，而不同卫星与地面站之间的俯仰角、方位角的变化相似，因此只需分析一颗卫星与地面站之间的俯仰角和方位角。地面站选择在北京地区。

图9与图10分别给出了北京地区与一颗LEO卫星之间的俯仰角和方位角的变化情况，其中图9是俯仰角变化曲线，10是方位角变化曲线。

图9 北京地区用户俯仰角变化曲线

图10 北京地区用户方位角变化曲线

可以看出，北京地区用户与LEO卫星通信时，通信仰角始终大于50°。

3 结 语

本文分析了当前宽带LEO星座卫星通信系统的发展状况，结合建设我国宽带LEO星座卫星通信系统的用户需求和现实条件，通过链路计算，分析对比了低通信仰角的铱系统和高通信仰角的OneWeb系统支持全球宽带通信的可行性，提出了建设高仰角的宽带LEO星座卫星通信系统的星座方案，并利用STK和Matlab工具仿真了OneWeb系统星座的覆盖特性、通信仰角、多普勒频移、俯仰角与方位角等传输性能，对建设我国宽带LEO星座卫星通信系统具有一定的参考与指导意义。