低成本低轨卫星用户终端波束检测方法研究

旷小兵 何建

【摘要】    由于低轨卫星相对于地面的高速移动和用户终端的移动性，导致低轨卫星的用户终端成本较高轨（静止轨道）的用户终端有较大上升，如何研制出低成本，高性能的地面用户终端是低轨卫星通信系统发展的重点，本文就其中用户终端对卫星点波束之间的波束间切换、相邻卫星之间的卫星间切换检测方法进行研究，以低成本、高性能实现用户终端对低轨卫星波束的检测。试验结果表明，本方法简单、实用、成本低，性能满足系统应用需要，达到了预期的目的。

【关键词】    低成本    低轨卫星    用户终端    波束检测

引言

随着通信技术、微小卫星技术研究及制造技术的不断提升和发展，使得低轨卫星通信进入了前所未有的高速发展时期，国内外先后提出多个大规模低轨卫星通信系统，如：国外的Iridium Next、OneWeb、StarLink;国内的虹云、鸿雁、行云等低轨卫星通信系统。这些系统已部分开展技术验证和在轨测试，但系统实施的最终成功取决于最终用户终端的数量。由于低轨卫星相对于地面的高速移动和用户终端的移动性，一次通信过程可能需要经历多次的切换，使得地面用户终端对卫星的星历解算、用户站姿态解算、伺服系统的闭环跟踪控制、调制解调器技术等提出了更高的要求，这将必然导致低轨卫星的用户终端成本较高轨的用户终端高，如何研制出成本低，性能好的地面用户终端，让最终用户像使用手机一样方便地使用卫星用户终端是当前低轨卫星通信系统投入商业运营、实现可持续发展的发展重点和难点。本文就其中用户终端对卫星点波束之间的波束间切换、相邻卫星之间的卫星间切换检测方法进行研究，以低成本、高性能实现用户终端对低轨卫星波束的检测。

一、卫星波束检测

1.1 卫星用户终端波束检测必要性

由于低轨卫星一般轨道较低，体积较小，整星供电能力较弱，天线面较小等因素，单波束对地覆盖范围很小且信号谱密度较低，为提高卫星的地面覆盖范围和信号密度，通常采用多个点波束方式进行地面覆盖，这使得波束投射到地面会形成多个相邻的小区，为防止通信过程中的信号中断，小区之间还有一定的重叠，这些信号可能属于同一颗卫星，也可能属于相邻的卫星（如图1）。这些波束覆盖的区域会高速的掃过地面用户终端，对于位于1000Km左右卫星轨道上的低轨卫星，单个波束仅能提供2分钟左右的服务时间，所以地面用户终端在通信期间需要不停地切换波束，不断地接入新的波束并释放上一波束中占用的资源。波束检测切换这一过程通常由用户站的调制解调器部分来完成，通过调制解调器与信关站之间的协议控制，使用户站可以精确控制这一切换过程，但这都是建立在地面用户终端天线完全对准卫星的基础之上，而如何判断地面用户终端不能正常通信是天线原因还是信关站或调制解调器的原因，在通常情况下是很难的，所以需要在天线部分增加卫星波束检测功能，以辅助地面用户终端检测卫星波束，通过对卫星波束的检测，判断当前卫星跟踪情况以及当前波束情况。

1.2卫星波束检测基本思路

在低轨卫星通信体制设计中，为保证卫星的精确跟踪、控制和管理，卫星会在每个波束所占用的频带内划出控制信道，其包含单音载波，数字调制信号等信息（如图2）通过对这些信号的检测，即可实现对波束的检测。

波束信号的检测装置，可以采用载波检测（信标）或DVB-S信号（TS流）检测，这两种检测方式已在高轨通信卫星和数字卫星电视广播中大量应用，技术成熟，成本较低。

低轨卫星的波束数量是有限的，且为防止波束间干扰，一般采用多色复用，每一波束都采用不同的频段，故波束检测装置可以不断改变本振频率，对天线收的卫星信号进行高速地循环检测，当检测到的信息与已知波束频点（或调制信号）相同信息时，即判断出该波束，同时，通过对信号强度的检测（或调制信号解码），还可输出AGC（自动增益控制）信号，供天线实现闭环跟踪控制。

1.3波束检测具体实现

卫星天线通过星历解算，实时解算出当前卫星位置，程序控制天线对准卫星方向，当卫星出现在天线视角范围后，卫星天线将收到卫星信号f，通过叠加当前卫星信号多普勒频偏Δf，波束检测装置即刻收到当前波束信号，程序控制高速循环检测，一旦适配，波束检测装置完成信号捕获，确认天线对准卫星，并输出当前卫星波束号、AGC电压，如未适配，则转下一波束检测。

波束检测装置对波束检测时间≤20ms，如采用7色复用，全部波束检测最大循环周期为140ms，即：波束检测最小时间为20ms，最大为140ms（如图3）。

当波束检出后，波束检测装置即可对当前波束信号固定载波（或调制信号）进行检测（或解码）获取当前波束信号强度。

1.4波束检测试验验证

本技术方法已应用于虹云工程地面用户站项目。2018年12月，虹云工程首颗技术验证卫星发射成功，采用本技术方法的地面用户终端天线在没有卫星调制解调器的辅助下，成功自行捕获卫星波束，并将卫星波束切换过程和信号变化情况实时反映至监控终端（如图4）。该技术已进行专利申请。

二、结论

由于卫星相对于地面的高速移动和用户终端的移动性，导致低轨卫星的用户终端成本较高轨（静止轨道）的用户终端有较大上升，如何研制出成本低，性能好的地面用户终端，本文就其中用户终端对卫星点波束之间的波束间切换、相邻卫星之间的卫星间切换检测方法进行研究，以低成本、高性能实现用户终端对低轨卫星波束的检测。试验结果表明，本方法简单、实用、成本低，性能满足系统应用需要，达到了预期的目的。

参  考  文  献

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