卫星通信网全网转星问题分析

乔 毅，陈 磊，陈 帅，张 婧

(1.中国人民解放军63923部队，北京 102206；2.中国人民解放军63920部队，北京 100094)

0 引言

卫星通信网主要由地球同步轨道通信卫星及若干地球站组成，相比于传统的地面有线和无线电通信，卫星通信具有通信距离远、覆盖面积广、不受地理环境限制的优势，已成为应急救灾、环境监测和国防安全等领域重要的通信手段之一[1-2]。中国作为一个国土面积辽阔，地理条件复杂的国家，构建卫星通信网可以很好地满足专业用户的广域网通信需求。常见的卫星通信网一般由中心站、区域中心站和远端站组成，全网各站通常利用同一颗通信卫星的一个或多个转发器完成组网通信。

由于地球同步轨道通信卫星设计在轨寿命一般为15年，卫星的质保使用期一般为8～10年。因此当卫星接近寿命末期或出现故障时，必须使用其他通信卫星进行替换，将全网各站全部转移至新的通信卫星上，这个过程就是转星，转星工作通常由中央站组织实施，全网各站在中央站的统一调度下同步完成。尤其是广播电视卫星，目前有关全网转星的研究多集中于广播电视卫星用户[3-4]。当前使用的卫星达到使用寿命时，所有广播电视卫星用户均需要完成转星[5]，除上行站外，大部分广播电视节目用户为单收，转星时要求快速准确对星接收节目即可[6-8]。但通信卫星所有用户均有上下行链路，因此会比单收用户涉及更多参数的调整。

卫星通信网转星面临站点布局广、天线种类多和允许操作时间短等问题，同时涉及到天线的对星、入网测试等工作，因此转星对于卫星通信网的运行管理来说是一项重大工作。对各类地面站，维护人员必须熟练掌握转星的操作步骤及一般问题的处理方法，才能保证全网顺利、高效完成转星工作。本文就转星过程中可能遇到的问题进行了分析，详细介绍了卫星通信网中央站和其他地面站在转星前的准备工作，完整阐述了转星实施步骤，并对各种型号天线的调整、天线入网测试等过程做了较详细的介绍，对卫星通信网的转星工作，具有一定的参考价值和指导意义。

1 转星准备

全网转星工作主要困难有以下3点：① 全网运行时间较长，大多数地面站没有更换过卫星，由于天线长期指向某一角度，天线机械系统可能会有一定的锈蚀，不能随意大范围转动；② 卫通网传输的业务不能间断或间断时间较短，要求全网迅速同步完成转星；③ 部分地面站天线长时间运行，存在老化问题，导致极化隔离度等指标下降，不能满足卫星运营商要求。所以，在卫星通信网需要转星时，应提前收集卫星和全网各站相关资料，分析面临的困难，合理安排转星时间，做好相应的准备工作。

一个卫星通信网的组成如图1所示。中心站下属区域中心站，区域中心站下属各类远端站。由于卫星通信网的全网转星工作涉及网内全部地面站，需要卫星公司和各个地面站相互配合进行测试，且要求通信中断造成的影响尽可能小，并避开一些重要时间段，因此中心站要负责全网转星工作的调度指挥工作。在转星之前，中心站和网内其他地面站要提前收集汇总资料，做好准备工作。

图1 卫星通信网组成结构

1.1 转星计划制定

作为全网转星工作指挥调度的站点，转星工作实施前，中心站应做好转星过程的风险分析，制定应急处置措施、代通方案。在转星时可借机重新进行频率资源分配，制定新的频率分配计划。因任务不同、地面站性质不同，应事先制定地面站的转星时间表和先后顺序，对于某些需要重点保障地面站，可提高其优先级，明确转星的具体时间段。若卫星通信网使用若干颗卫星，还应做好业务分担，尽量避免重要业务使用同一颗卫星。

1.2 卫星参数确认

负责转星工作的中心站，应收集所用卫星及转发器的相关参数。包括卫星的定点位置、正反极化的信标频率、卫星的覆盖图，以及转发器的极化方式和租用带宽。几颗通信卫星转发器的相关信息[9](需要特别注意不同卫星对A，B极化的定义)如表1所示。获得相关信息后，要考虑地面站的射频设备是否可以工作在此频率下。了解转发器的使用频率范围，设置全网统一的上、下变频器的中心频率。如果极化方式与在用卫星不同，还需做好在馈源网络上切换天线的收、发端口(或通过大范围调整极化角来实现)的准备。信标频率则在天线对星过程中使用。

表1 通信卫星参数信息

Tab.1 Parameters of communication satellite

卫星亚太七号(C频段)亚太6C号(C频段)NSS-12(C频段)中星10号(Ku频段)轨位76.5E134E57E110.5EA极化信标4 199.3 MHz(水平)4 198.5 MHz(水平)3 948 MHz(右旋)12 741 MHz(垂直)B极化信标3 626.3 MHz(垂直)3 698 MHz(垂直)3 950 MHz(左旋)12 745 MHz(水平)轨控精度±0.05°±0.05°±0.05°±0.05°发射时间2012.3.312018.5.42009.10.292011.6.21

1.3 链路参数计算

卫星的G/T值(又称品质因数)是描述卫星接收能力的主要指标，其中G为卫星天线的接收增益，T为接收系统的等效噪声温度，G/T值越大，卫星的接收性能越好。当地面站发射功率和通信带宽一定时，卫星的G/T值可影响卫星通信上行链路的载噪比。

卫星的等效全向辐射功率(EIRP)值是卫星通信的一个主要参数，是卫星转发器在指定方向上的辐射功率，描述卫星对地面发射能力的重要指标，为星上发射机功率与天线增益的乘积[10]。当地面站的G/T值和通信带宽一定时，卫星的EIRP值可影响卫星通信下行链路的载噪比。

中心站需对转星前后2颗卫星的EIRP值与G/T值覆盖特性进行对比，由于转星前后的2颗卫星的EIRP值和G/T值的覆盖图存在差异，卫星通信网内的地面站如果分布在差异区域，需要进行链路预算，重新评估该站的上行能力，相应提高或降低发射功率，以保持转星前后卫通电路工作状态，最大限度地降低风险。

因此，在全网转星前，中心站应提前从卫星公司处了解各个地面站所在地理位置的EIRP值与G/T值，计算前后变化量，提前做好链路预算。

卫星通信的链路基本模型如图2所示。以地面站天线向卫星发送的上行信号为例：天线的发射增益为GE，发射功率为PE；通信卫星通过星载天线接收信号，由卫星公司所给EIRP辐射图及地球站经纬度查得在该地球站位置，得到全向辐射功率EIRPs及品质因数G/TS的值。

图2 卫星通信链路模型

此时转发器接收某一载波的载噪比值为：

(1)

式中，EIRPE为地球站发送单一载波时的等效全向辐射功率；LOSSESup为上行链路传输损耗；G/TS为卫星天线在该点的品质因数；K为波尔兹曼常数；B为等效噪声带宽。

地面站接收下行载波载噪比为：

(2)

式中，G/TE为地球站天线的品质因数；LOSSESdown为下行链路自由空间损耗；Y为分配因子，即目标载波的输出功率在总功率中的占比，当认为转发器某一载波输入功率或EIRP在总输入功率或EIRP中所占的比例与输出中所占比例相同，则Y可认为是载波带宽与整个转发器带宽的比值。

转星前后，卫星的EIRP及G/T值会发生变化，因此由式(1)和式(2)可以看出，上下行的载噪比也会发生变化，中央站需要提前计算好需转星的各地球收发载波的功率变化，在上星前进行发电平调整或增加衰减等准备。

以一个典型C频段卫星上行链路的计算为例。假设上行链路发射功率为100 W，目标载波带宽为2 MHz，发射和接收抛物面天线的直径均为7.3 m，天线效率为60%，馈源损耗为0.3 dB，经测量得G/T值为39 dB/K。卫星处于距离为36 000 km的轨道，工作频率为6 GHz，转发器带宽为36 MHz，根据卫星公司提供的EIRP覆盖图和G/T值覆盖图，卫星在该点的EIRP值为38 dBW，G/T值为-8.6 dB/K，大气损耗为0.5 dB，卫星天线馈源损耗为0.5 dB。这是中速率网络VSAT上行链路的典型参数。

首先计算地面站天线收发增益为：

GE=10lg(109.66×f2×d2×η)=51.01 dBi，

(3)

式中，f为电磁波频率(GHz)；d为天线直径(m)；η为天线效率。可以求得地面天线等效全向辐射功率为：

EIRPE=PE+GE=10lg100+51.01=71.01 dBW，

(4)

链路自由空间路径损耗为：

LFS=20lgf+20lgr+32.44，

(5)

则上行链路损耗为：

LOSSESup=20lgf+20lgr+32.44-0.5-0.5=198.12，

(6)

下行链路损耗为：

LOSSESdown=20lgf+20lgr+32.44-0.5-0.3=194.78。

(7)

根据式(1)，可以求得卫星接收地面发送载波的载噪比为：

71.01-198.12+(-8.6)+228.6-10lg36×106=15.89 dB。

(8)

根据式(2)，可以求得地面接收卫星转发载波的载噪比为：

38-12.55-194.78+41.3+228.6-75.5=25.07 dB。

(9)

根据式(8)和式(9)的计算结果，可以在上星前有计划地调整功放的输出功率和发电平。

1.4 天线参数计算

中心站应提前统计全网地面站的地理坐标、天线口径、天线驱动方式和极化调整方式，计算并发布全网各站的天线方位角、俯仰角和极化角。中心站还可采用Orbition等软件，对卫星的在轨漂移情况进行24 h迹跟踪[11]。静止轨道卫星一般在误差范围内，以定点的经度和0°纬度为中心进行八字漂移。当卫星在赤道正上空时，即纬度偏差量接近0°时，视为最佳对星时刻。确定最佳对星时刻，以满足网内无跟踪能力小口径天线的对星需求。或者中心站使用具有步进跟踪功能的天线，对卫星进行24 h跟踪，记录伺服系统的方位、俯仰值变化情况，绘制跟踪曲线，以便于掌握卫星实际漂移情况，并据此对网内地球站进行对星指导。这些工作对天线准确指向具有一定倾斜角的静止轨道卫星，会有很大帮助。

1.5 各站准备工作

中心站应及时了解全网各站对天线的维护情况，指导解决远端站转星面临的困难；网内所有参与转星工作的地面站，都应提前检查天线的机械结构，对天线锈蚀部分做处理，对丝杠、螺栓等处涂抹油脂进行润滑；检查波导、电缆长度是否有足够余量；检查跟踪接收机、天线控制单元、链路设备及监视系统工作是否正常；检查馈源是否可以转动，是否能够进行极化角调整；检查驱动设备，可在无传输业务时，大范围驱动天线；如需更换天线扇区，则准备换扇区需使用的工具。另外，还应当顺着天线即将指向的方向向前观察，是否存在遮挡，若有遮挡物，应提前清除。

在转星前，各个卫通站应提前保存频谱图，记录载波状态；详细记录在用线路的接收电平、接收Eb/N0等参数，以便事后对比。

1.6 仪表与工具准备

在转星过程中和测试时可能会用到以下仪表和工具：频谱仪、误码仪、信号源(无调制解调器的站)、指北针(无ACU的站)、万用表、量角器、组合扳手、螺丝刀、黄油或二硫化钼、螺栓松动剂、铜棒、绳索和安全带等，均需在转星工作开始前完成准备。

2 转星实施流程

转星工作流程如图3所示。实施流程主要包括天线对星和入网测试两部分。各地面站根据中心站发布的全网对星方案，确定本站天线的方位角和俯仰角并对相关信道设备的参数进行设置，准备实施对星操作；在准确对准所使用的新卫星后，联系卫星公司，进行入网测试，测试新入网天线的极化隔离度、上行发电平标定等工作。

图3 转星工作流程

2.1 天线对星

对于具有伺服跟踪系统的天线，在伺服系统的控制下，驱动天线转到所需位置；而没有伺服系统的天线，则需要通过手动方式调整天线的方位角和俯仰角。

大口径天线一般有2～3个工作扇区，应提前了解每个扇区的工作范围，并与理论方位角比对，判断天线是否需要更换扇区。需要特别注意的是，天线处于某一扇区时，丝杠伸，方位角变大；丝杠缩，方位角变小。而在更换到相邻扇区后，恰恰与之相反。因此，在换档之后，需要改变方位电机输入三相电源的相序。在大范围转动天线的过程中，应重点关注软波导，必要的时候，可事先将软波导一端卸开，以免波导受力过大而断裂。在方位和俯仰都转到预定角度后，根据跟踪接收机或频谱仪接收卫星信标信号的强弱，微调天线，寻找到峰值后，记下角度与电平值，然后分别向上、下、左、右4个方向较大范围地转动天线，观察信标变化情况，以防天线指向旁瓣。一般来说，对星过程可先确定俯仰，后转动方位，交替扫描，确定天线的最终指向。

各站在完成天线对星后，还需修改上、下变频器中心频率、跟踪接收机频率等参数，并做好调整极化角进行隔离度测试的准备。

也可能遇到一种特殊的转星：新卫星替代处于同一轨位、寿命末期的旧卫星。2颗卫星会在安全距离内，短时间保持共轨。这种情况下，各站不需要进行天线指向调整，方位角、俯仰角以及极化角保持不变；信道设备的上、下变频器根据租用频率的变化而调整；跟踪接收机设置为新卫星的信标频率。当新卫星开启转发器后，由于旧卫星的转发器尚未关闭，用户会同时接收2颗卫星的叠加信号，将会造成短时间的线路中断，待旧卫星关闭转发器后，线路将恢复正常。在转星完成后，各站应及时使用新卫星的信标，进行天线跟踪。

2.2 开通测试

在天线对准新卫星后，需要进行天线入网测试。新天线在入网时，需要进行天线收发方向图、天线增益、计划隔离度、G/T值、EIRP和频率稳定度等测试工作。而在转星之后，天线一般只需要在卫星公司的组织下，进行极化隔离度测试、业务载波的电平标定等工作。

2.2.1 极化的调整与测试

天线的发射极化隔离度是天线入网测试的一个重要指标。由于转星前，网内的天线都已经通过了入网验证，所以在转星后，卫星公司所要求的强制性测试只有发射极化隔离度。

发射极化隔离度，描述的是发射到主极化的有用信号和泄露到反极化的无用信号功率之比，对于工作在线极化方式的天线，极化隔离度指标为30.0 dB[12]。

天线极化隔离度的测试通常使用监测站协助的方法，即被测站在主极化发射端口发单载波；单载波通过卫星转发后，协助测试的监测站接收正反2种极化下行信号，在频谱仪上观察接主极化信号和反极化信号，并指挥被测站调整天线的极化角，使主极化信号与泄露到反极化的信号电平差达到最大，其差值即为被测站的发极化隔离度[13-15]。极化隔离度测试频谱示意如图4所示。

图4 极化隔离度测试频谱示意

标准C波段卫星上、下行的转发频差是2 225 MHz，而星上主极化和反极化转发器的本振频率一般存在几百到几千Hz的频差。图4中，将基噪用直线表示，纵坐标为参考电平值，横坐标为频率，总扫描范围SPAN为5 kHz，存在着同频信号A与C，异频信号A与B。信号A是被测站所发信号经主极化转发器转发，在监测站用主极化收端口收到的信号；信号B是主极化信号在发端的反极化分量经反极化转发器转发，在监测站反极化收端口收到的信号；信号C是主极化信号经主极化转发器转发，在监测站反极化收端口收到的信号。由图4可以看出，AB之差是被测站的发极化隔离度，而AC之差是监测站天线的收极化隔离度。被测站操作人员需要手动或自动去调整天线的馈源网络或双工器，使反极化信号B电平达到最小。

测试时，被测站所发的单载波的载噪比应大于40 dB。在开始时，载噪比不应过大，在10 dB左右即可，首先要验证对星是否准确，以免干扰临星；其次也可避免因极化角偏离理论值过大，而干扰反极化转发器用户。在卫星公司的指导下，逐步地提高到40 dB。极化隔离度的测试还应当考虑星上正、反极化转发器的增益差(可从卫星公司得知)，以及测试应该在晴天时进行。

2.2.2 其他调整与测试

在通过极化隔离度的测试后，要进行以下调整和测试：

① 频率调整。按照分配的转发器频率范围确定上、下变频器频率参数，根据中心站分配的使用频率设置调制解调器相关参数，发起业务载波。

② 电平调整。在中心站的指导下，发起业务载波，根据对端接收情况，调整本端发电平，直至对端信噪比达到合适值。调整下变频器衰减，使调制解调器接收电平工作在正常范围。

③ 链路质量测试。在电平调整后，通信双方进行连通性测试或误码测试，测试链路质量是否满足指标。

3 结束语

卫星通信网的全网转星问题是卫星通信网在运营中不可避免的一个问题，本文从工程实践角度出发，首先分析了转星工作可能遇到的困难，然后对转星前作为指挥调度的中心站和网内其他地面站需要做的准备工作做了较详细的介绍，最后细致描述了卫星通信网转星的具体流程，并对转星过程中不同类型天线可能面临的问题，以及极化隔离度的测试等问题做了较清晰的阐述，对卫通网的转星工作具有一定的参考价值和指导意义。