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1、2006 年 8 月 Journal on Communications August 2006 第 27 卷第 8 期 通 信 学 报 Vol.27 No.8IGSO 在卫星移动通信中的应用研究 张更新1，郦苏丹2，甘仲民1（1.解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007；2.国防科技大学 计算机学院，湖南 长沙 410073）摘 要：研究利用 IGSO 星座提供卫星移动通信业务所涉及到的星座覆盖性能、多普勒频移及业务支持能力等问题。研究表明，采用 2 颗或 3 颗 IGSO 卫星构成的星座能够对我国区域提供较好的覆盖性能（单星和多星覆盖率及平均通信仰角），而引入的多普勒频移并不
2、大。链路计算结果表明，采用 IGSO 卫星能够有效解决 GEO 卫星在高纬度区域的低仰角问题，并能用比较小的 IGSO 卫星来达到非常大的 GEO 卫星才能实现的性能。因此，采用IGSO 的区域卫星移动通信系统具有较好的技术可行性。关键词：卫星通信；卫星移动通信；多普勒频移；IGSO；卫星天线口径；衰落余量 中图分类号：TN927.23 文献标识码：A 文章编号：1000-436X(2006)08-0148-07 Study on the application of IGSO into mobile satellite communication ZHANG Geng-xin1,LI Su-
3、dan2,GAN Zhong-min1(1.Institute of Communication Engineering,PLA University of Science and Technology,Nanjing 210007,China;2.School of Computer,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)Abstract:The related coverage performance,Doppler shift and service-supporting capability of
4、 the IGSO constellation was studied for the given area.The results show that,the constellation,which consists of two or three IGSO satellites,can achieve good coverage characteristics(the percent of time of one and more satellites coverage and average elevation an-gle)to the Chinese and nearby area
5、with small Doppler shift.The link budget shows that,adopting IGSO can effectively solve the low elevation angle problem faced by GEO satellite,and similar performance,which can only be implemented by a very big GEO satellite,can be achieved by two or three relatively small IGSO satellites.So the sol
6、ution of adopting IGSO to provide mobile satellite communication system is technically feasible.Key words:satellite communication;mobile satellite communication;Doppler shift;IGSO;satellite antenna diameter;fading margin 1 引言 采用对地静止轨道（GEO）卫星来提供区域性卫星移动通信业务具有很多优点16，如：单颗 GEO卫星能够覆盖地球表面积的 42.2%；相对地面静止，不存
7、在切换；多普勒频移小；技术相对成熟简单、投资相对小、运行维护方便等。因此，一直得到广泛的应用，如 Inmarsat、MSAT、N-STAR、Optus、ACeS、Thuraya 等系统均采用 GEO 卫星。但是，单纯采用一颗 GEO 卫星的区域性卫星移动通信系收稿日期：2005-12-15；修回日期：2006-06-15 基金项目：国家自然科学基金资助项目（60472049,60472051）；教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(教外司留2005383)Foundation Items:The National Natural Science Foundation of China(604
8、72049,60472051);The Scientific Research Foundation for the Returned Overseas Chinese Scholars,State Education Ministry(SEM2005383)第 8 期 张更新等：IGSO 在卫星移动通信中的应用研究 149 统也存在一些问题1,2，如：1)向高纬度地区用户提供手持机业务较困难，速率不能太高；2)向特定地形和存在较多建筑物的城市区域提供卫星移动通信业务很困难；3)支持手持机所需的卫星较大，技术复杂、发射困难，风险较大；4)只有一颗卫星，一旦受干扰或者发生故障，整个系统就会瘫痪；
9、5)两极附近有盲区；6)发生日凌中断和星蚀现象时系统会中断。鉴于 GEO 卫星的这些优点和缺点，尤其是 GEO卫星对于中高纬度区始终是低仰角，导致为保证链路可用度所需的衰落余量很大，这样支持手持机通信所需的卫星天线就很大，造成较大的技术难度和风险。采用倾斜对地同步轨道(IGSO)能充分利用GEO 的优点，同时克服了其高纬度区始终是低仰角的问题。IGSO 具有与 GEO 相同的轨道高度，因此具有与地球自转周期相同的轨道周期，但由于轨道倾角大于 0，因此，其星下点轨迹在地面就不是一个点，而是以赤道为对称轴的“8”字形，轨道倾角越大，“8”字形的区域也越大。由于 IGSO 卫星在地面的轨迹是一个“8
10、”字形，单颗 IGSO 卫星的覆盖性能可能不如一颗 GEO 卫星的。但利用多颗 IGSO 卫星组成的星座却可以达到比GEO 卫星更好的覆盖性能，一方面平均仰角更高；另一方面可以实现多星覆盖，若能保证到各颗卫星的传播路径相互独立，则可以在相同的衰落余量条件下实现更高的链路可用度和分集增益。文献5和文献6分别介绍了利用 IGSO 星座实现卫星通信的方案，本文主要针对中国区域的特点，分别研究 IGSO 卫星星座的覆盖性能、多普勒频移及业务支持能力。2 IGSO 卫星星座的覆盖性能分析 2.1 有关假设 对于 IGSO 卫星星座来说，为达到较好的覆盖性能，其可调整的设计参数主要有 3 个：轨道倾角、右
11、升交点赤经（RAAN）和真近点角。显然，RAAN决定了每颗 IGSO 卫星过赤道时的经度，为保证较好的性能，通常要求星座中各 IGSO 卫星在地面是共轨迹的，并且该经度最好处在所要求覆盖区域的经度范围中心附近，但是实际可用的轨道位置是受很多方面限制的。这里为分析方便，假设各 IGSO卫星过赤道时的经度固定为东经 118。真近点角主要决定了各颗卫星相互之间的相位关系，当卫星数一定时，该值也就基本定了。因此，本文主要研究不同的轨道倾角对覆盖性能的影响。根据所要覆盖区域的纬度情况，通过使用 STK仿真软件并适当调整 IGSO 的轨道倾角来提高覆盖区的平均通信仰角和多星覆盖率。重点研究分别由2 颗和
12、3 颗 IGSO 卫星组成的星座的覆盖性能。覆盖分析中使用的有关参数如下：1)最低通信仰角：10；2)覆盖区域：中国及其附近区域；3)卫星过赤道时的经度：东经 118；4)覆盖性能的统计方法：在北纬090、东经7050的区域内以纬度 2、经度 10的区域分辨率来获得采样点，通过统计得到星座的覆盖特性。2.2 2 颗 IGSO 卫星组成的星座的覆盖性能 在由 2 颗 IGSO 卫星组成的星座中，2 颗卫星在地面的轨迹重合，轨道倾角相同，所不同的是真近点角分别是 0和 180，而右升交点赤经（RAAN）分别是 218.7和 38.7。图 1 和图 2 分别给出了轨道倾角为30和 55时满足单星和双
13、星不间断覆盖的区域范围，图中只是画出了北半球的覆盖区域，南半球的覆盖是与北半球对称的（以下同）。基本规律是，轨道倾角越小，双星覆盖率越高，极限情况是轨道倾角为0，此时单星覆盖区域就等于双星不间断覆盖区域。图 1 2-IGSO 星座的覆盖区域(30倾角)图3给出了轨道倾角分别为30和55时不同纬度的平均通信仰角的统计结果，作为比较，图中也150 通 信 学 报 第 27 卷 给出了一颗位于东经 118的 GEO 卫星在不同纬度时的平均通信仰角的统计结果。对于低纬度地区，GEO 卫星可以获得较高的通信仰角，但是随着纬度上升，通信仰角急剧下降。而轨道倾角较大的 IGSO星座能够维持较稳定的通信仰角。
14、图 2 2-IGSO 星座的覆盖区域(55倾角)图 3 2-IGSO 星座各纬度带的平均通信仰角比较 从图 13 可以看到：为达到较高的双星覆盖率，轨道倾角应该越小越好；为达到在高纬度区有较高的仰角，轨道倾角应该越大越好；为达到较好的分集效果，应该使 2 颗卫星之间的距离尽量大，以便到 2 条传播路径的衰落特性能够统计独立，因此，要求倾角越大越好。2.3 3 颗 IGSO 卫星组成的星座的覆盖性能 3 颗卫星在地面的轨迹重合，轨道倾角相同，所不同的是真近点角分别是 0、120和 240，而右升交点赤经（RAAN）分别是 218.7、98.7和 338.7，这样 3 颗 IGSO 卫星过赤道时的
15、经度均为 118，并且在相位上相差 120。图 4 和图 5 分别给出了轨道倾角为 30和 55时星座的覆盖性能。图 4 3-IGSO 星座覆盖性能（30倾角）图 5 3-IGSO 星座覆盖性能（55倾角）从中可以看出，对于 30倾角的星座，在纬度55以下可以获得接近100%的双星覆盖率，纬度25以下可以获得接近 100%的三星覆盖率，在纬度 50以内区域的平均通信仰角50。对于 55倾角的IGSO 星座，在纬度 40以下可以获得接近 100%的双星覆盖率，在纬度 75以内区域的平均通信仰角50。对比这 2 种星座的性能，30倾角 IGSO 星座在中低纬度区域的多星覆盖性能更好，而 55倾角I
16、GSO 星座在中高纬度区域的通信仰角条件更好，在北极点仍能够保证 35以上的平均通信仰角。图6给出了轨道倾角为30和55时不同纬度的平均通信仰角的统计结果。图 6 3-IGSO 星座各纬度带的平均通信仰角比较 第 8 期 张更新等：IGSO 在卫星移动通信中的应用研究 151 从以上分析可以看到，采用 3 颗 IGSO 组成的星座在所需要的覆盖区域（中低纬度区）内，平均通信仰角较高并且变化平缓，多星覆盖率很高，完全可以采用分集接收的方法来提高通信质量，降低衰落余量。分析 2 星和 3 星 IGSO 卫星星座的覆盖性能，轨道倾角的选择对于平均通信仰角和多星覆盖率的影响是比较明显的。选择何种倾角与
17、所需要的覆盖区域密切相关，如果只要求覆盖中低纬度区，则采用较小的轨道倾角能达到更好的平均仰角和多星覆盖率；若要求覆盖到高纬度区，则采用大的轨道倾角较合适。选择星座方案时，需考虑的另一个因素是，如何保证到 2 颗或 3 颗卫星的空间链路的传播特性相互统计独立。虽然理论上只要 2 个站之间的间距超过半个波长，就可以认为是统计独立的，但在采用了一定衰落余量的卫星移动通信系统中，导致链路不可用的主要因素是路边树木、电线杆、建筑物或地形等引起的阴影效应。因此，如果在绝大多数时间内能够保证与移动站通信的 2 颗卫星是在 2 个差距较大的方向上，则该星座方案能够有效地抵抗阴影效应。3 IGSO 卫星星座多普
18、勒频移分析 由于 IGSO 卫星相对地面不是静止的，使得星地通信双方之间有相对运动，从而使接收信号的频率发生变化，称此现象为多普勒效应。由于多普勒效应所引起的附加频移称为多普勒频移。对于上述 2 种星座方案（2-IGSO 和 3-IGSO），当选择具有最高仰角的 IGSO 卫星作为通信卫星时，在一个轨道周期内（86 164s），对于北京、广州、喀什 3 个典型地点的多普勒频移随时间的变化过程分别如图 79 所示。计算过程中选择载波频率为 1.6GHz。由于测试点选取具有最高仰角的 IGSO卫星作为通信卫星，因此多普勒移呈现一种不规则的周期性变化。从这几幅图可以看到，IGSO 卫星的轨道倾角越大
19、，多普勒频移越大；地面站所处的纬度越高，多普勒移也越大；地面站到卫星的距离越远，多普勒频移也越大；总体而言，IGSO 卫星的多普勒移与低轨道系统相比要小得多，对于 2-IGSO 星座，通常低于 2 000Hz；对于 3-IGSO星座，通常低于 1 000Hz。这样的多普勒频移肯定会对通信造成影响，但其影响应该是很有限的，因此，采用 IGSO 所引入的多普勒频移不会对整个系统设计造成很大的困难。图 7 不同星座条件下，广州多普勒频移变化曲线 图 8 不同星座条件下，北京多普勒频移变化曲线 图 9 不同星座条件下，喀什多普勒频移变化曲线 4 GEO 和 IGSO 卫星业务支持能力的分析比较 4.1
20、 分析中使用的链路计算公式 链路计算中使用的公式如下 152 通 信 学 报 第 27 卷 0ff(/)EIRP(/)C nG TkLLM=+(dBHz)(1)其中，EIRP为发送方每载波的有效全向辐射功率(dBW)，G/T为接收方接收系统品质因子(dB/K)，k为波尔兹曼常数(=228.6dBW/K)，Lf为自由空间传播损耗(dB)，L为用户信号在传播过程中遭受的其他各种损耗(包括馈线、人体对天线方向图的影响、天线指向偏差、极化失配、电离层效应、对流层效应等引起的全部总损耗)(dB)，Mf为用户链路的衰落余量(dB)。由式（1）可知，一旦用户终端的 EIRP 和所要求的 Eb/N0确定后，就
21、可以计算出各种轨道类型所需要的卫星 G/T 值。通过假设同样的卫星接收机噪声温度，就可以计算出各种轨道类型为保证通信质量所需要的卫星接收天线口径。同样，根据用户终端的 G/T 值，就可以计算出每载波所需要的卫星EIRP 值，通过假设收发天线具有相同的天线口径，就可以计算出需要的卫星射频功率，据此分析实现的难度或可行性。4.2 用户链路衰落余量的预测2,7,8 本文采用文献2中给出的综合的经验衰落模(CEFM)模型来预测 GEO 和 IGSO 卫星通信系统所需要的链路衰落余量，该模型给出的经验公式为(,)(,)ln(,)M PfafpCf=+(dB)(2)其中，：仰角()，适用范围 2080；f
22、：工作频率，适用范围 1.510.5GHz；P：链路中断率，适用范围 1%20%；(,)M Pf:与、P、f 有关的、需要的链路余量(dB)2(,)0.0020.150.20.7(,)0.331.527.2affCff=+(3)表1给出了工作频率为1.643 5GHz时对于不同的链路可用度和工作仰角条件下需要的链路衰落余量。从表中可以看到，衰落余量对仰角和可用度均很敏感。从4.1节的分析可以看到，单颗GEO卫星构成的系统对地面都是单星覆盖，并且仰角随着纬度的增加而迅速下降，这样，为保证低仰角时的可用度，要求的衰落余量就很大；而对于由3颗IGSO卫星构成的星座来说，对我国区域的覆盖一般都是双星覆
23、盖，如果假设用户终端到2颗IGSO卫星的传播链路的衰落特性分别是统计独立的，加上平均仰角一般都在60以上，因此，达到同样的可用度所需要的衰落余量相比就小得多。表 1 由 CEFM 模型预测的链路衰落余量/dB(频率=1.6435GHz)链路可用度 仰角 99%95%90%80%20 23.1 17.9 15.6 13.4 40 16.5 10.3 7.6 5.0 60 9.9 5.3 3.4 1.4 4.3 计算结果及分析 为便于分析和比较，通过对一个例子进行链路计算来比较GEO和IGSO卫星的业务传输能力。表2和3分别给出了链路计算中使用的用户终端和传播链路的参数。计算中假设了两类终端：手持
24、机和移动终端，分别面向个人和移动载体。根据业务传输能力的不同，对移动终端假设了5W和15W两种发射功率，分别对应于中速和高速信道。表 2 用户终端的主要技术指标 参数名称 终端类型天线增益/dBi 噪声温度/K 发射功率/W G/T/(dBK1)EIRP/dBW 手机 1 350 1 24.4 1 移动终端6 300 5/15 18.8 13/17.8表 3 用户终端与卫星之间链路的信道参数 链路类型 上行链路 下行链路 频率/MHz 1 643.5 1 542 低速 2.4 2.4 中速 64 384 信道速率/(kbits1)高速 384 2 048 要求的 EbN01/dB 7(含实现损
25、耗和系统余量)仰角/度 50(GEO)、60(IGSO)链路可用度 99%(GEO)、95%(IGSO)衰落余量/dB 由 CEFM 模型预测 分集增益/dB 0(GEO)、2(IGSO)其他各种损耗/dB 4(见上面的说明)链路计算的结果在表4、5和6中给出。表4给出了低信道速率时2种轨道类型需要的卫星G/T值、卫星天线口径、卫星EIRP/载波和卫星射频功率/载波。表5和表6分别给出了中速信道和高速信道时的计算结果。第 8 期 张更新等：IGSO 在卫星移动通信中的应用研究 153 表 4 低信道速率时 2 种轨道类型需要的卫星主要性能指标 卫星参数(G/T)/dBK1 天线口径/m EIR
26、P/dBW 射频功率/W 终端类型 GEO IGSO GEO IGSO GEO IGSO GEO IGSO 手机 16.5 6.5 11.2 3.6 41.3 31.3 0.7 0.7 移动终端 4.5 5.5 2.8 0.9 35.6 25.6 2.9 2.9 表 5 中速信道速率时 2 种轨道类型需要的卫星主要性能指标 卫星参数(G/T)/dBK1 天线口径/m EIRP/dBW 射频功率/W 终端类型 GEO IGSO GEO IGSO GEO IGSO GEO IGSO 手机 30.8 20.8 58.0 18.4 63.3 53.3 4.1 4.1 移动终端 18.8 8.8 14.
27、6 4.6 57.6 47.7 17.4 17.5 表 6 高速信道速率时 2 种轨道类型需要的卫星主要性能指标 卫星参数(G/T)/dBK1 天线口径/m EIRP/dBW 射频功率/W 终端类型 GEO IGSO GEO IGSO GEO IGSO GEO IGSO 移动终端 21.8 11.8 20.6 6.5 64.9 54.9 46.3 46.7 对链路计算的几点说明：1)链路计算中只是计算用户到卫星这一段链路的载波噪声功率谱密度之比(C/no)，而没有计算一条端到端链路的C/no。由于关口站的EIRP和G/T值通常是远大于用户终端的，在一条端到端链路的总C/no中，起主要作用的是用
28、户终端到卫星这一段的链路，忽略卫星到关口站这一段链路的影响不会改变整个分析的结论。2)功率计算中之所以GEO和IGSO卫星的功率基本相同，是由于天线增益差正好弥补了传播损耗差，而移动终端所需的卫星功率要比手机的大是由于移动终端所使用的卫星天线较小的缘故。3)如果改变终端和信道的有关参数，则计算结果会发生相应变化，比如把衰落余量降低6dB，则需要的卫星天线口径就缩小一半。4)计算卫星天线增益时，假设天线效率为60%，并认为卫星收发天线口径相同，卫星接收机的噪声温度为500K。5)如果要求一颗GEO卫星在50仰角时能达到99%的链路可用度，则需要的衰落余量是13.2dB；而在3颗IGSO组成的星座
29、中，若每颗IGSO卫星设计的衰落余量均为5.3dB，即一颗IGSO卫星在60仰角时能达到95%的链路可用度，而另一颗IGSO在40仰角时能达到高于80的可用度，这样，采用分集技术后得到的总链路可用度高于99%。6)假设IGSO卫星系统采用最大比例合并技术，能得到2dB的分集增益。从计算结果可以得到下列结论：1)对于手持机：为保证链路可用度，对于GEO卫星只能支持低速业务，此时也需要约11m的大卫星天线；对于IGSO，支持低速业务是不太困难的（只需约3.6m的卫星天线），而支持中速业务是非常困难的（需18.4m的卫星天线）。2)对于移动终端：用GEO提供低速业务很容易，但要提供中高速业务也是非常
30、困难的；用IGSO支持低、中、高3种速率的业务都不是太困难（最大也就是6.5m的卫星天线）。5 结束语 通过对GEO和IGSO 2种轨道类型的覆盖性能和链路参数进行分析计算，可以得到这样的结论：1)用IGSO能够有效解决用GEO卫星支持手持机通信所需要的卫星大天线问题，也能解决移动终端支持中高速卫星移动通信的问题。2)用IGSO卫星能够明显改善GEO卫星在高纬度区的低仰角问题，用二三颗相对较小的IGSO卫星组成的星座能够达到比一颗非常大的GEO卫星更好的性能。3)用IGSO卫星星座能够实现对我国的连续多154 通 信 学 报 第 27 卷 张更新（1967-），男，浙江平湖人，博士，解放军理工
31、大学通信工程学院教授、博士生导师，主要研究方向为卫星通信方面的教学和研究。甘仲民（1937-），男，广西南宁人，解放军理工大学通信工程学院教授、博士生导师，中国电子学会会士，主要研究方向为微波与卫星通信教学与科研。郦苏丹（1973-），男，江苏丹阳人，博士，国防科技大学副教授，主要研究方向为卫星通信系统。李廷军（1962-），男，山东烟台人，海军航空工程学院教授，主要研究方向为数字信息传输与处理。星覆盖，从而可以有效实现空间分集，也能明显提高系统的抗干扰、抗摧毁能力，并大大提高系统的可靠性。4)如果只要求覆盖中低纬度区，采用2颗倾角不太大的IGSO卫星也能达到较好的性能；而如果要求覆盖到高纬度
32、区，则采用3颗IGSO卫星才能保证性能。5)采用IGSO卫星会引入多普勒频移，但并不大，对于通信不会造成太大的影响。当然采用IGSO后，相比GEO而言，技术上也会带来一些问题，比如：卫星天线的指向控制问题；多颗IGSO卫星的制造、发射和控制问题；成本问题。总之，以我国目前的技术发展水平，如果要实现一个覆盖我国的区域卫星移动通信系统，采用由二三颗IGSO卫星组成的星座是一个技术上可行的解决方案，其实现复杂度和风险要明显低于采用大天线的GEO卫星移动通信系统。参考文献：1 张更新，甘仲民.浅论我国卫星移动通信系统的发展思路和策略J.数字通信世界，2005,(7):24-27.ZHANG G X,G
33、AN Z M.Development strategy of Chinese mobile satellite communication systemsJ.Digital Communication World,2005,(7):24-27.2 张更新,张杭.卫星移动通信系统M.北京:人民邮电出版社,2001.ZHANG G X,ZHANG H.Mobile Satellite Communication Sys-temM.Beijing:Post and Telecommunication Press,2001.3 DANKBERG M,MILLER M,SULLIVAN W,et al.
34、A Robust Satel-lite System Architecture for the Mobile User Objective SystemS.IEEE 0-7803-5538-5/99,1999.4 OHMORI S,WAKANA H,KAWASE S.Mobile Satellite Communi-cationsM.USA:Artech House,1998.5 ATIA A,DAY S,WESTERLUND L.Communications satellite opera-tion in inclined orbit the comsat maneuverA.Proceed
35、ings of AIAA 13th International Communication Satellite Systems Conference and ExhibitC.Los Angeles,USA,1990.452-455.6 KANAI H,URASAKI S,CHIBA I,et al.Inclined geosynchronous(I-GEO)communications satellite for asia pacific regionA.Proceed-ings of AIAA 17th International Communications Satellite Syst
36、ems Conference and ExhibitC.Yokohama,Japan,1998.200-204.7 JOHANNSEN K.Mobile P-service satellite system comparisonJ.Interna-tional Journal of Satellite Communications,1995,13(6):453-471.8 VOGEL W,GOLDHIRSH J.Multipath fading at L-band for low elevation angle,land mobile satellite scenariosJ.IEEE Journal on Selected Areas in Communications,1995,13(2):197-204.作者简介：（上接第 147 页）作者简介：林雪原（1970-），男，山东烟台人，博士，海军航空工程学院副教授，主要研究方向为组合导航系统及数字信息处理。董文洪（1967-），男，江西山东淄博人，海军航空工程学院副教授，主要研究方向为技术管理。邱军海（1980-），男，山东烟台人，海军航空工程学院硕士，主要研究方向为雷达信号处理、数据融合。