（通信与信息系统专业论文）低轨道卫星信道模拟器的讨论与研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名；童毛：基 日期：z 。幻年，月增日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盐丛 导师签名： 日期：z o l l j 电子科技太学硕士论文 摘要 卫星移动通信系统已经成为当前通信领域中发展非常迅速的研究方向和现 代化通信强有力的手段之一。在卫星移动通信系统的研究开发、工程设计中， 卫星动通信信道传播特性的研究是最重要的因素之一。 本文介绍了研究卫星移动通信信道模拟器的理论分析和硬件制作。我们的 工作流程是：首先立足于理论分析和软件仿真，然后应用于具体的硬件实现。 本文包含有以下的主要内容： 系统地讨论和总结了卫星轨道、卫星星座及卫星信道传播特性的概念， 以及卫星移动通信信道传播特性研究中几种常用的概率分布、信道模型。 系统地讨论了中频卫星信道模型器设计的思想及其方案。给出了本设计 的技术指标和参数、系统总体与框图。 讨论了本设计的硬件实现方案。一般介绍了a d 、d a 变换，着重介绍了 噪声发生器。 给出了噪声单元的设计、实现与调试过程。 关键词：卫星移动通信，信道传播特性，典型信道模型，a d 、d a ，噪声 电子科技大学硕士论文 a b s t r a c t s a t e l l i t em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m h a sb e c o m eo n eo ft h e g a l l o p i n g c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hf i e l d sa n dau s e f u lm e a n so f m o d e m c o m m u n i c a t i o n d u r i n g t h ew o r ko f s t u d y i n g ，p l a n n i n ga n dd e s i g n i n g m o d e mm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s w h i c ha r eb a s e do ns a t e l l i t e s ，t h es t u d yo f p r o p a g a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h es a t e l l i t e m o b i l ec h a n n e li so n eo f t h em o s t i m p o r t a n t f a c t o r s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w eg a v et h et h e o r e t i c a la n a l y s e sa n dt h em a n u f a c t u r eo f h a r d w a r eo ft h es a t e l l i t em o b i l ec h a n n e ls i m u l a t o r w ef i r s td i dt l l ew o r ko ft h e t h e o r e t i c a la n a l y s e sa n ds o f t w a r es i m u l a t i o n s ，t h e nw e a p p l i e dt h ec o n c l u s i o n st ot h e w o r ko f h a r d w a r es i m u l a t i o mo f l u t zm o d e l t h em a i nc o n t e n ti nt h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e s ： t h e c o n c e p t a b o u ts a t e l l i t eo r b i t s 、c o n s t e l l a t i o n sa n dt h e p r o p g a t a i n g c h a r a c t e r i s t i c so fs a t e l l i t em o b i l ec h a n n e l sw e r es y s t e m i cd i s c u s s e d t h et h e o r e t i c a l a n a l y s e s a n dd i s c u s s i o no fm o d e l sw h i c ha r eo f t e nu s e di nt h e s t u d yo ft h e p r o p a g a t i n g c h a r a c t e r i s t i c so fs a t e l l i t em o b i l ec h a n n e l sw e r eg i v e n t h ei d e aa n d t h e o r yo f i f s a t e l l i t em o b i l ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e lm o d e lw e r e d i s c u s s e d h o wt oc a r r yo u tt h ep r o j e c to f h a r d w a r ew e r ed i s c u s s e d 。t h ed e s i g na n dt h em a n u f a c t u r eo f n o i s e g e n e r a t o r w e r e g i v e n k e yw o d s ：s a t e l l i t e m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，p r o p a g a t i n gc h a r a c t e r i s t i co fc h a n n e l ， m o d e lo f c h a n n e l ，a d ，d a ，n o i s e 2 电子科技大学硕士论文 1 1 卫星移动通信简介 第一章绪论 卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站，转发或反射空间电磁波( 称之 为无线传输信道或无线接收信道) 来实现信息传输的通信技术。卫星移动通信 系统是指利用卫星转接实现移动用户间、或移动用户与固定用户间的相互通信。 卫星移动通信有许多优点：1 覆盖范围广，可以实现不同卫星覆盖区内移动台 之间相互的通信，这一全球区域无缝隙覆盖的能力是其他任何通信方式所不具 备的；2 频带宽，传输容量大；3 能够承载多种业务；4 机动性好，受地理 位置的限制较小，直接通信范围可到达海洋、山区，城市、农村；5 通信可靠 性高、质量好、稳定；6 费用与距离无关；7 有多址能力，组网灵活：8 可 实现区域及全球个人移动通信。 卫星移动通信的核心，是要保证用户( 载体) 在运动中实现可靠的通信。 为此，目前，迫切需要解决一系列的关键技术： ( 1 ) 卫星向覆盖区提供高的e i r p ，以满足大量低c t 值的移动台的需要。 由于转发器功率放大器输出有限，采用多个高增益窄波束构成蜂房状的覆盖， 是解决此问题的有效途径。 ( 2 ) 抗衰落技术。电波传播情况复杂，系统是在非高斯信道中工作的。由于 移动台采用低增益( 方向性弱) 的天线，并且在移动中通信，多径效应和大的多 普勒( d o p p l e r ) 效应是不可避免的。分集技术、纠错技术、合适的调制解调方式 等，都是抗衰落的有效措施。为进一步提高其效果，这些技术仍需继续开发和 创新。 ( 3 ) 网络管理与控制。移动卫星通信系统的特点之一是大量用户共享有限的 卫星功率与频率资源，以及由于快速移动着的卫星覆盖区之间的连续切换，为 此需要有一个高效而灵活的网络结构、信道申请与分配方式、与地面网络的接 口等。 ( 4 ) 射频技术。适应各类移动台结构要求的天线、高稳定度的频率源、高效 率的功率放大器等，都是值得进一步研究的问题。 ( 5 ) 星座设计。卫星星座由许多颗卫星组成，它们能覆盖全球，在地面形成 连续的蜂窝，使地面的用户都能看到一颗或几颗卫星。要保持用户终端采用结 构简单和低功率的发射机就能工作，轨道选择至关重要。 电子科技大学硕士论文 据统计，截至1 9 9 9 年年底，全球共有3 0 0 多颗同步通信卫星提供了6 0 的 洲际通信和1 0 0 的国际电视转播，全球在轨转发器达4 4 6 7 个，正在建造的转 发器约1 7 9 3 个。1 9 9 7 年世界卫星市场的营业额为5 1 2 亿美元，预计2 0 0 7 年将 达到1 9 0 0 亿美元。据估计，在未来l o 年内，全球将发射1 6 0 0 颗卫星。 近几年来，地面移动通信发展迅速，但地面网络的覆盖范围有限，集中在 城市地区。而通信的发展趋势是要实现真正的个人通信，即在任何时候、任何 地点与任何人进行任何种类的通信。因此要实现这一目的，还需大力借助卫星 移动通信系统。卫星通信是国内、国际通信中十分重要的提供骨干网干线电路 的三大信息网传输基础设施之一，具有地面微波通信、光纤通信不可替代的优 势和作用，三者互相配合，合理组织，构成一个经济效益较佳、安全、可靠的宽 频带、数字化、多媒体的现代化传输网。移动通信卫星由于其覆盖范围广，不 仅可以弥补地面蜂房网的不足，而且可以为广大的边远地区提供方便有效的通 信手段，因此移动通信卫星系统将在2 1 世纪的个人通信中扮演重要的角色。 1 2 卫星通信发展回顾与展望 卫星通信的发展过程，大致经历了以下几个阶段： 起始阶段。1 9 4 5 年l o 月，英国科学家阿瑟克拉克发表文章，提出利用同 步卫星进行全球无线电通信的科学设想。1 9 5 7 年1 0 月，第一颗人造地球卫星 ( s p u t n i k ) 上天，这是一个低轨道卫星。1 9 6 0 年发射反射卫星( e c h o ) 。1 9 6 5 年第一代“国际通信卫星”( i n t e l s a t i ，简记为i s i ，原名“晨鸟”) 被射人 静止同步轨道，正式承担国际通信业务。 实用阶段。7 0 年代初期卫星通信进入国内通信：1 9 7 2 年加拿大首次发射了 国内通信卫星“a n i k ”，率先开展了国内卫星通信业务，取得了明显的规模经济 效益。此间还出现了海事卫星通信系统，如1 9 7 6 年的m a r i s a t 移动通信系统卫 星组，为海运船只提供了通信服务。 v s a t 阶段。8 0 年代v s a t ( v e r ys m a l la p e r t u r et e r m i n a l ) 问世，卫星通 信进入了一个突破性发展阶段。v s a t 是集通信、电子、计算机技术于一体的、 固态化、智能化的小型无人值守的地球站。v s a t 技术的发展，为大量专业卫星 通信网的发展创造了条件，开创了卫星通信应用发展的新局面。 2 0 世纪9 0 年代以来卫星通信进入个人通信阶段。此间产生了诸如1 9 9 1 年 由国际海事卫星组织发起的“中高度圆轨道( i n t e r m e d i a t ec i r c u i to r b i t ) ” 电子科技大学硕士论文 系统，1 9 9 8 年进入商用的“铱( i r i d i u m ) ”系统，1 9 9 9 年进入商用的“全球星 ( g l o b a l s t a r ) ”卫星系统。它们的主要标志是它们的移动终端是手持式的，并 具有多模式运行功能，可以运行于卫星系统，也可以运行于地面移动网。 2 1 世纪进入宽带卫星系统的发展阶段，其产生的主要依据在于因特网和多 媒体通信的迅猛发展。世界卫星通信业务收入逐年迅速增长，从1 9 9 8 年的9 2 7 0 万美元，到1 9 9 9 年的1 9 8 6 亿美元，2 0 0 1 年预计将达6 0 l 亿美元，亚洲地区 预计为1 3 3 8 亿美元。而到2 0 0 6 年世界卫星通信业务将飙升至8 5 亿美元，卫 星通信市场前景可谓巨大。 据有关资料显示：宽带卫星业务中，视频业务的一个重要成分d b s ( 直播广 播卫星业务) 就全球情况而言，由1 9 9 8 年的1 0 0 0 万不到以线性速率增长，2 0 0 5 年将增达3 0 0 0 万左右，相当电缆电视用户的一半，而与此相应后者的用户则有 减无增。 另一方面，i n t e r n e t 已成为宽带卫星业务的重要驱动力。d v b i p 卫星统 一平台对发展卫星消费用户有强有力的吸引力，而在亚洲i n t e r n e t 家庭用户亦 将快速增长，瞄准i p 为基础业务目标的卫星统一平台的带宽处理能力将非常引 入注目。据有关公司预计2 0 0 3 年按照一定标准估算其容量约可达4 0 g b it s ， 这为目前一般最大卫星容量的2 0 倍左右。 而实现卫星通信的无缝隙覆盖，将使卫星产业拥有很大市场。据来自研讨 会上的资料显示：目前全球依然有大约3 0 亿人口居住边远地区，缺乏基本电话 服务设施；就国内而言，西部大开发将涉及全国覆盖域的7 0 ，而人口不足3 0 的边缘地区通信匿乏，解决这种情况，卫星通信最为合适。据了解，目前一 些成功的v s a t 卫星通信设备制造商在提供卫星覆盖的解决方案，其v s a t 的市 场份额也获得了很大提升。 就v s a t 及宽带卫星业务经营来看，我国的v s a t 网络规模仍有大幅度提升 空间。目前，国内三四十家v s a t 运营商的很多网络规模均在3 0 0 0 以下用户， 而美国较大规模的v s a t 网络用户均达5 6 万有余。大力发展国内v s a t 市场势 在必行。 在国内，目前3 gm s s 的标准化正在积极投入当中，面对中国m s s 的未来巨 大市场，制订好我国宽带m s s 的切实可行的有序发展计划，与地面i m t 一2 0 0 0 通 信网络的有机互补综合，不断发掘卫星通信的各行业应用能力，将有效促成国 内卫星通信产业的发展。 7 电子科技大学硕士论文 1 3 课题研究的主要内容和目标 卫星移动通信信道的传播特性是影响卫星移动通信系统的服务质量的一个 重要因素，用l u t z 模型研究该特性较为实用，目前理论研究和仿真实现已告一 段落，现在正研究并制作低轨卫星信道模拟设备，以供相应的科研使用。 通过研究，将完成低轨卫星信道模似器设备样机一件，提交有关技术文件。 1 4 本课题的价值及相关技术动态 随着对卫星移动通信技术研究的日益深入，人们发现l e o 卫星有着中轨卫 星和高轨卫星所不具备的优点，它离地面的距离不高，故发射和接收电波受外 层空间的干扰影响较小，而且它还具有具有传输延迟短、路径损耗小等特点， 另一方面，蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术的发展也为l e o 卫星移 动通信系统的发展提供了成熟的技术保障，因此l e o 系统被认为是最具前途的 卫星移动通信系统并日益受到广泛的关注。 由于地面移动终端所处的环境复杂且不断变化，使得星地之问信道特性的 研究难度较大。国内外的主要研究途径有三个方面：1 建立数学模型的理论分 析，如文献【3 ：2 信道特性的仿真研究；3 进行实测，以供设计系统时参考， 如美国n a s a 利用i n m a r s a t 、m a r e c s b 2 进行的低仰角、l 波段测试；欧洲e s a 的p r o s a t 计划，利用i n m a r s a t 对市区、郊区和乡村地区和以火车为载体的移 动信道进行的l 波段测试，以及利用飞机进行的高仰角、s 波段测试；日本、澳 大利亚利用e t s v 进行的测试等。 第1 、2 种方法着重于理论上的研究，而第3 种方法必须要利用卫星或飞机 进行实测，费时费力，特别是在预研阶段的前期研究中，进行搭载试验是不可 行的。由于条件的限制，在国内要想进行星载或机载试验，在技术和经费上都 有问题，所以，如果能够根据卫星信道的特性，研制一个具有良好效果的信道 模拟器来模拟其信道传输过程中的多径、阴影遮蔽等所造成的影响，将是一个 较好的解决方法，有着重要的实际意义。 常用的卫星移动通信信道传播特性的概率分布模型有：c l o o 模型( 文献 【2 ) 、c o r a z z a 模型( 文献【3 ) 和l u t z 模型( 文献 4 ) 。这三个典型的概率分布模型 都是根据信号在传播路径上受到的遮蔽情况来对l 波段的卫星移动通信信道的 传播特性进行建模的。其中，c l o o 模型假设接收信号中只有直射信号分量受 到阴影遮蔽的作用而多径信号分量不受阴影遮蔽的作用，因此该模型又称为部 分阴影信道模型；c o r a z z a 模型假设接收信号中的直射信号分量和多径信号分量 8 电子科技大学硕士论文 同时都受到阴影遮蔽的作用，因此该模型又称为全阴影信道模型：而l u t z 模型 将卫星移动通信信道分为两个状态好状态和坏状态，当信道为好 状态时接收信号中的直射信号分量和多径信号分量均不受到阴影遮蔽的作用 而当信道为坏状态时接收信号中只有受到阴影遮蔽作用的多径信号分量且 不存在着直射信号分量，因此该模型又称为两状态信道模型。尽管c l o o 模型、 c o r a z z a 模型和l u t z 模型都是对l 波段的卫星移动通信信道的传播特性进行建模 的，但这三个模型相互之间是有差异的：c l o o 模型和c o r a z z a 模型是从接收信 号包络的角度而l u t z 模型是从接收信号功率的角度来对信道进行建模的；c l o o 模型只适用于乡村信道环境而c o r a z z a 模型和l u t z 模型均适用所有的信道环境 ( 乡村、郊区和城市) 。由于c l o o 模型和c o r a z z a 模型在分析和软、硬件仿真实 现时比l u t z 模型要简单得多，因此国内外学者在对卫星移动通信信道进行建模 时通常都选用这两个模型，因此对这两个模型研究得比较多而对l u t z 模型的研 究就很少。 1 5 论文结构安排 第二章介绍卫星运动的基本规律以及卫星信道传播特性。 第三章讨论三个卫星移动通信典型信道模型及有关概率分布函数。 第四章主要介绍中频卫星信道模拟器。首先说明整个设计的思想，然后简 介前期对l u t z 模型的仿真，说明设计思想的可行性，最后说明本设计的技术指 标和参数、系统总体与框图。 第五章介绍本设计的硬件实现方案。主要介绍a d 、d a 变换和噪声发生器。 第六章噪声发生器的实验、结论以及制作成品时的注意事项。 第七章是全文的总结。 9 电子科技大学硕士论文 第二章卫星运动的基本规律与卫星信道传播特性 本章介绍卫星移动通信系统中的一些基本概念与常识。 2 1 卫星运动的基本规律及相关概念 卫星围绕地球运行，它的运动轨迹叫卫星轨道。一个卫星移动通信系统究 竟采用哪种卫星轨道，取决于系统的覆盖区域、服务业务、管理方式和投资强 度等因素，是系统可行性研究与论证阶段要解决的问题。 无论卫星运动的轨道如何，卫星的运动总是服从万有引力定律。该定律指出： 任何两个物体之间都存在着引力，其大小与物体的质量乘积成正比，而与物体 之间的距离平方成反比。根据万有引力定律，可以导出卫星运动的三定律，即 开普勒三定律。开普勒三定律揭示出了卫星受重力吸引而在轨道平面上运动的 规律。 第一定律：卫星运行的轨道是一个椭圆，而该椭圆的一个焦点位于地球的 质心上。 这一定律表明，在以地球质心为中心的引力场中，卫星绕地球运行的轨道 面，是一个通过地球质心的椭圆平面。这称之为开普勒椭圆，其形状和大小不 变。在椭圆轨道平面上，卫星离地心最远的一点称为远地点，而离地心最近的 一点称为近地点。它们在惯性空间的位置也是固定不变的。卫星绕地心运动的 轨道方程，：? 螋式中，r 为卫星的地心距离：口，为轨道椭圆的半长轴； 1 + e 。c o s v 。 。 p 。为轨道椭圆的偏心率；为其近点角，它描述了任意时刻卫星在轨道上相对 于近地点的位置。 第二定律：卫星的地心向径，即地球质心与卫星质心间的距离向量，在相 同的时间内所扫过的面积相等。 第三定律：卫星运动周期的平方与轨道椭圆半长轴的立方之比为一常量， 而该常量等于地球引力常数g m 的倒数。 这一定律的数学表达式为： 芏：笙协1 、 口2 g m 7 式中，丁。为卫星运动的周期，即卫星绕地球运动一周所需的时间。 l o 电子科技大学硕士论文 则得 假设卫星的平均角速度为n 聍：2 z ( r a d s ) t n= ( 2 2 ) ( 2 3 ) 由上式看出，当卫星运行轨道椭圆的半长轴确定后，就可确定出卫星运行 的平均角速度。 牛顿的万有引力定律和开普勒三定律是计算卫星运行轨道的理论基础，并 由此导出卫星运行的轨道参数。 按卫星轨道形状、倾角、高度、运转周期的不同，可把卫星分为不同的类型。 按卫星轨道形状，可分为圆形轨道和椭圆形轨道两类。 按卫星轨道面对赤道的倾角，可分为3 类轨道：轨道面与赤道面重合的赤 道轨道；轨道面穿过南北两极垂直与赤道面的极轨道；轨道面倾斜于赤道面的 倾斜轨道。如图2 - 1 所示同步轨道是赤道轨道，非静止轨道则可以是3 种轨道 中的一种。卫星环绕地球运转一周，所需的时间叫卫星运行周期。静止卫星的 运行周期为2 3 小时5 6 分4 秒。 道 图2 - 1 倾角不同的卫星轨道 按卫星运行轨道距地面的高度可分为静止轨道( g e o ) 和非静止轨道。g e o 卫星系统由于其覆盖面积广，原则上，只需三颗卫星适当配置，就可建立除地 匦 ，uy 电子科技大学硕士论文 球两极附近地区以外的全球不间断通信。非静止轨道又可分为中轨道( m e o ) 、 低轨道( l e o ) 和长椭圆轨道( h e o ) 。其划分方法是以环地球赤道延伸至南北纬 4 0 。5 0 。地区的高能辐射带为界，如图2 2 所示。图中两个辐射带叫范艾伦 带( v a na 1 1 e nb e l t ) 。范艾伦带由高能电子和质子组成，是地球磁场从太阳 风中俘获并禁锢而成的。其内带粒子密度高、辐射强度强且稳定，外带辐射较 弱且界限比较模糊。这些高能粒子撞击卫星会产生x 一射线和附加的高能电子。 高能粒子穿透力很强，对人造卫星电子设备损害极大，在带内进行防护是不现 实的，卫星在这个区域只能存在几个月，因此必须避开。一般认为，内带在15 0 0 6 0 0 0 k m 或80 0 0 k m ，外带在 图2 - 2 卫星轨道高度的划分 1 50 0 0 - 2 00 0 0 k m ( 或2 50 0 0 k m ) ，这就是说，15 0 0 k m 以下，80 0 0 。1 20 0 0 以及 2 00 0 0 k m 以上是安全的，这就得出了相应的低、中、高轨道卫星。中轨道( m e o ) 卫星运行在内、外范艾伦带之间的轨道上，虽然m e o 卫星遭受辐射强度约为 g e o 卫星遭受强度的2 倍。但可用电防护措施进行防护，并可使用防辐射的电子 部件。 另外，在靠近地球南、北极地区，由于这些地区所处的纬度高，利用静止 卫星通信有困难，可采用有一定倾角的椭圆轨道( h e o ) 。例如，俄国“闪电”卫 星，它所采用的就是远地点在北半球上空、周期为1 2 小时、倾角为6 5 。的扁椭 圆轨道。其远地点距地球表面约4 00 0 0 k m ，近地点约5 0 0 k m ，如图2 - 3 所示。 图2 - 3 按比例画出了地球与卫星轨道的相对关系。其中o 1 2 各个数字表示 从近地点开始卫星在轨道上各个小时的位置。 非静止轨道可按轨道高度和形状分为高轨道斜椭圆轨道( h e o ) ，中高度轨 道( m e 0 ) 和地地球轨道( l e 0 ) 等类型，其共同特点是这些轨道上的卫星对地 不断运动。作为陆地移动通信系统的补充和扩展，将其与地面公共网( p s t n ) 有 机的结合，便能实现全球个人移动通信。与静止轨道卫星系统相比，它显示了 电子科技大学硕士论文 图2 - 3“闪电”卫星轨道示意图 很大的优越性：( 1 ) 中、低轨道卫星系统轨道高度仅是静止轨道的1 2 0 1 8 0 ，所以路径损耗小几十分贝，收、发信机功率低，因而可使终端做到手持化， 用户使用十分便捷。而过去静止轨道卫星为了克服路径损耗要求卫星天线尺寸 和发射功率必须足够大，同时也相应要求移动用户必须使用较大体积和较大功 率的终端，否则，无法达到所要求的e i r p ( 等效全向天线发射功率) 值和g t 值。 ( 2 ) 通信延迟时间短，静止轨道系统传输延迟2 5 0 2 7 0 m s ，中轨道系统延迟7 0 8 0 m s ，低轨道系统传输延迟只有5 l o m s ，这对实时通信所需的时延要求是十分 有利的。( 3 ) 中、低轨道卫星可以覆盖到静止轨道卫星系统的覆盖盲区两极地 区，使得在这些地区的许多特殊业务得到可靠、有效的通信，真正实现全球无 缝隙覆盖。( 4 ) 随着小卫星技术的提高，成本也将降低。但由于运转周期和轨 道倾角关系，中、低轨道卫星相对于地球上的观察者不再是静止的了，为了保 证在地球上任一点实现2 4 小时不间断的全球个人通信，必须精心配置多条轨道 及一大群具有强大处理能力的通信卫星。这样一个庞大而又复杂的空间系统要 实现稳定可靠的运转，涉及到技术上和经济上一系列难题。例如，卫星运行寿 命短，组网技术和控制切换等比较复杂，投资高，风险大，目前在经济成本方 面还不是处于最优势地位。 另外按卫星的运转周期及卫星同地球表面上任一点的相对位置关系，卫星 还可分为同步卫星和非同步卫星两类。 2 2 轨道和星座设计 轨道和星座设计遵循在满足系统技术要求的情况下使系统成本最低，它涉 及不同参数间的综合考虑和权衡。通常，卫星轨道决定卫星空间、飞行的寿命、 成本、覆盖范围，同时也往往决定有效载荷的性能。 电子科技大学硕士论文 轨道设计没有绝对的规则可循。一个卫星移动通信系统的任务既可由一颗 大型地球同步轨道卫星来完成，也可以由数颗小型近地轨道卫星成的星座来完 成。对于高度在7 0 0 1 5 0 0 k m 的低轨道卫星，其传输信号有较低的衰减和较低的 时延。但它需要许多卫星来持续覆盖通信区域，如“全球星( g 1 0 b a l s t a r ) ”系统 由4 8 颗卫星组成，在八条倾斜轨道上运行，高度1 4 1 4 k m ；“铱( i r i d i u m ) ”系 统是在由6 6 颗卫星组成，在六条极轨道上运行，高度7 8 0 k r n 。因此，以大量的 低轨卫星为代价才降低了轨道高度和系统复杂性。 轨道设计主要取决于轨道高度。最简单的方法是先假设轨道是圆轨道，然 后对轨道高度和轨道倾角进行综合权衡比较，确定轨道高度和轨道倾角的取值 范围。根据这个范围设计一个或多个候选轨道，并对各个候选轨道分析出其优 劣。如果选择采用卫星星座，则星座内各卫星之间的相位关系是关键。卫星星 座通常有一个共同的轨道高度和轨道倾角，这是因为卫星轨道的漂移主要取决 于这两个参数。轨道倾角不同的卫星将各自漂移，使得各个卫星的相对方向随 时间面改变。因此，不同轨道高度或不同轨道倾角的卫星可能组成一个长时间 内能协调工作的星座。 星座的可发展性和鲁棒性、运载工具对飞行任务的成本影响也是在轨道设 计中应该考虑的因素。 在轨道综合设计时，最简便的方法是先选用圆轨道，然后进行轨道高度和 轨道倾角的设计综合。表2 - 1 扼要说明了这种方法的要点。这个过程确定了轨 道高度和轨道倾角的取值范围，根据这些参数我们可以选择一种或多种候选轨 道。 一个卫星移动通信系统的所有按一定规则分布的卫星构成该系统的卫星星 座。不同的卫星移动通信系统所需要的卫星在数量、轨道性能等方面存在很大 的差异，如i n f t a r s a t 系统卫星星座由1 0 颗静止轨道( g e o ) 组成。其中5 颗为工 作卫星，5 颗为备用卫星；o d y s s e y 系统所设计的星座由1 2 颗中轨道( m e o ) 卫星 组成：而t e l e d e s i c 系统卫星星座则由均匀分布在2 l 条轨道面上的8 4 0 颗低轨 道( l e o ) 卫星组成。在设计卫星星座时，设计单颗卫星轨道的全部设计准则都是 适用的，因为我们同样需要考虑星座中的每颗卫星是否都可以发射入轨，是否 都能安全幸存或能位于地面用户合适的视场之中。与此同时还必须考虑星座中 卫星的数目以及它们之间的相对位置，包括在一圈轨道运行中或星座的工作寿 命期内这些位置如何随时间变化。 电子科技大学硕士论文 表2 - 1 星座设计的关键因素、相应影响及其选择标准 因素影响选择准则 主要设计变量成本和覆盖选择最少的卫星满足覆盖和性能的台阶要求 卫星数目覆盖、发射和变轨成本通常是成本和性能之间的系统的分析权衡 轨道高度灵活性、覆盖性能以最少的轨道平面数满足覆盖性能要求。 轨道平面发展和降级使用 数目 其他设计变量覆盖的纬度分布纬度覆盖与成本的综合权衡 轨道倾角决定覆盖的均匀性在各组独立的相位取舍中选择最佳覆盖 轨道平面的相位任务的复杂性。可达的高度一般取零、除非为满足特别需求时才选其他值。 偏心率和覆盖与成本的关系 设计星座时应尽可能地减少轨道平面的数目。对于给定的覆盖，要求轨道 平面数目越少，每个轨道平面内的卫星数目越多。如何确定一个星座的轨道平 面数和每个轨道平面内的卫星数目是比较复杂的。 由于星座设计的复杂性，我们不能用解析的方法来设计一个具体的星座。 对星座的性能亦只能通过数字仿真的方法来加以评估。对于一个卫星移动通信 系统来说，其星座的选择是对通信覆盖性能要求、卫星有效载荷的技术性能、 地面用户通信终端的技术性能和通信的模式等因素综合分析权衡的结果。表2 2 归纳了星座设计的过程和步骤，包括覆盖要求的严格定义、性能指标和高度限 制。 表2 - 2 星座设计步骤 确定任务要求，特别是 一和纬度有关的覆盖 一性能增长和降级台阶的目标 针对单颗卫星进行全部轨道设计的综合权衡分析 确定覆盖几何对幅宽的限制 进行星座覆盖的综合权衡 一研究下列轨道形式 w a k e r 轨道 赤道轨道 1 个或2 个极轨道 极轨道赤道轨道 椭圆轨道 一就下列几个方面评价侯选星座 覆盖性能指标和纬度的关系 性能增长与降级 高度台阶 形成设计文件，设计过程反复迭代 2 3 卫星信道和传播特性 如图2 - 4 所示。卫星通信实际上就是利用通信卫星作为中继站的一种特殊 的微波中继通信方式。 由图2 - 4 可知，地球站a 通过定向天线向通信卫星发射的无线电信号，首 电子科技大学硕士论文 先被卫星的转发器接收，经过卫星转发放大和变换后，再由卫星天线转发到地 球站b ，当地球站b 接收到信号后，就完成了从a 站到b 站的信息传递过程。 从地球站发射信号到通信卫星所经过的通信路径称为上行线路。与此相对，从 通信卫星到地球站所经过的通信路径称为下行线路。 通伯卫星 2 3 ，l 无线电波传输的链路种类 图2 4 卫星通信示意图 研究卫星移动通信的电波传播特性是卫星移动通信系统设计的基础，卫星 移动通信的电波传播特性既具有了移动通信的特点又具有卫星固定业务通信的 特色，它不但传输损耗大，而且还存在多普勒效应和多径效应。 在卫星移动通信中，不同的无线收发信机各自建立了各自不同的无线传输 链路，这些不同种类的无线链路，由于频率和传输环境不同，表现出各种不同 的特点。综合起来，卫星移动通信系统中主要包括以下几种类型的无线传输链 路： ( 1 ) 卫星移动通信终端与卫星间的链路移动链路( 用户链路) 。 电子科技大学硕士论文 ( 2 ) 地面固定设施( 包括关口站、卫星测控和网络操作中心等) 与非g e o 卫星 间的链路馈线链路。 ( 3 ) 地面固定设施与g e o 卫星间的链路( 也称为馈线链路) 。 ( 4 ) 卫星之间的链路星际( 间) 链路。它可以是无线电链路，如k a 频段， 也可以是光( 激光) 链路。 在链路( 1 ) 和( 2 ) 中，由于收发终端之间存在较大相对运动，因而无线电波的 传播比较复杂，尤其是多径现象比较严重。而在链路( 3 ) 中，收发终端之间相对 静止，收发终端之间的直视路径起主要作用，接收的信号强度起伏不大，无线 电波的传播相对简单。而在链路( 4 ) 中，电波的传输环境是地球周围的空间， 收发终端之间除直视路径外，几乎不存在其它路径。而仅存在由收发终端相对 运动引起的多普勒频移。因而链路( 4 ) 较链路( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 更稳定可靠。 2 3 2 传输损耗 在研究传输损耗时，常常考虑的有大气层、雨、云等对电波信号的损耗、 大气气体对电波信号的吸收损耗、树木遮挡损耗、多径衰落、多普勒频移及传 播噪声。在本设计中，我们主要关注多径衰落、多普勒频移及传播噪声。 2 3 2 1 大气层、雨、云等对电波信号的损耗 除链路( 4 ) 的电波传播环境较简单以外，卫星移动通信中其他电波传播要经 过对流层( 含云层和雨层) 、平流层直至外层空间，而且对链路( 1 ) 和( 2 ) 还会受 到高山、植被、建筑物和周围运动物体( 如汽车) 等的遮挡、反射、折射等，因 此，卫星移动通信的电波传输损耗是自由空间传播损耗和电波传播经过的具体 环境引起的损耗之和。自由空间的传播损耗计算很简单，而电波传播经过的具 体环境引起的损耗只能通过实际观测，并根据观测结果总结出一些经验公式而 获得。 2 3 2 2 大气气体对电波信号的吸收损耗 当电波在移动终端与卫星之间传播，穿过大气层时要受到电离层中由电子 和离子，以及对流层中氧分子、水蒸气分子的吸收而引起损耗。这种损耗与电 波的频率、波束的仰角以及天气好坏有密切的关系。一般而言，在晴朗的天气， 在i o o m h z 以下的低频段，电离层中的自由电子或离子的吸收起主要作用；在 1 5 3 5 g h z 频段，水蒸气的吸收起主要用；在5 0 7 0 g h z 之间的频段内，主要是氧 分子的吸收起支配地位。 理论分析已经表明，当无线电波在大气中的传播距离为时，由氧分子和水 1 7 电子科技大学硕士论文 蒸气分子引起的吸收损耗l 。可以表示为 上。= n ( r ) + 嘶( r ) 抄 ( 如) ( 2 4 ) 式中，。和分别为氧分子和水蒸气分子的吸收系数( d b k m ) 。 2 3 2 3 树木遮挡损耗 与固定业务卫星通信不同，卫星移动通信具有机动性，因此电波传播途中 可能会遇到树木阻挡。接收到的信号被阴影遮蔽而受到衰减。树木阻挡的衰减 量决定于树叶和枝干的浓密度以及电波穿越树冠的路径长度。g o l d h i r s h 和 v o g e l 实测的单棵树木在8 7 0 m h z ( 右旋圆极化传输) 的衰减量为：最大衰减量 1 4 3 d b ，平均衰减量1 0 6 d b ，最大衰减系数1 8 d b m ，平均衰减系数1 3 d b m 。 这些测试数据是包含欧洲赤松、枞、橡树、冬青树等多种树种的平均值，测试 条件是树木枝叶丰满。衰减系数用电波穿越树冠的路径长度计算，路径长度用 测试仰角、树的大小以及与接收天线的相对几何关系估算出来。 另外1 9 9 0 年在m i c h i g a n 进行的以1 6 g h z 电波5 0 。仰角穿越单棵红松树冠， 测得穿越树冠的路径近似5 2 m ，水平和垂直极化的衰减分别为9 3 d b 和9 2 d b ， 平均衰减系数为1 8 d b i l l 。 l 波段( 1 6 g h z ) 和u h f 波段( 8 7 0 m 【z ) 的衰减系数有如下关系 旷 爿( 五) “彳( ，j 。) ， l ( d b ) ( 2 5 ) vj w a r 对1 6 g h z 和8 7 0 删z ，比例因子为1 3 6 。式( 2 - 5 ) 对1 5g h z 和8 7 0 ) a h z 的 测试数据也成立。 有无树叶时，树木的衰减是不同的。梨树( c a l l e r yp e a r ) 树叶丰满时和裸 枝时，衰减量有如下关系( e 用角度表示，1 5 。4 5 。，8 7 0 e q z ) 满叶：a ，( 目) “一o 4 8 0 + 2 6 2 ( r i b )( 2 - 6 ) 裸枝：a 。( 口) “- 0 3 5 0 + 1 9 2 ( d b )( 2 7 ) 8 7 0 m h z 频率，e 角1 5 。3 5 。时 a ，“1 3 5 a 口( d b ) ( 2 8 ) 测试条件为接收天线2 4 m ，到树干水平距离8 m ，树高1 4 m ，树冠直径底部 1 lm ，顶部7 【n 。对这种静止情况，梨树树叶对衰减的贡献比没有树叶时大3 5 ， 可见对衰减起决定作用的是树干的吸收和散射作用。 电子科技大学硕士论文 2 3 - 2 4 多径衰落 卫星移动通信中，从一个发射端发出的信号电波在从发送到接收的传播过 程中，会由于在其传播路径上存在建筑物、树木、植被、起伏的地形、海面和 水面等因素而引起信号电波的反射、散射和绕射，使得到达接收站的信号不是 从单一路径传播来的，而是从许多条路径传播来的众多反射电波的合成。由于 信号电波通过的各条路径的距离不同，因而由各条路径传播来的反射电波到达 接收端的时间不同，相位也不同。不同相位的多个信号电波在接收端进行迭加， 有时是同相迭加而增强，有时是反相迭加而减弱，从而使接收端的信号幅度急 剧起伏，这就产生了多径衰落，它是一种快衰落。在卫星移动通信过程中，由 于用户端移动站的天线一般较矮和较小且几乎没有方向性，移动站会接收从各 条传播路径而来的信号电波，因此，卫星移动通信中的信号电波必然会受到多 径衰落的影响。我们称对传输信号造成多径衰落的信道为多径衰落信道。 在时域上，多径信道用其冲击响应 ( r ，f ) 来描述。当传输信号x ( f ) 经过信道 ( f ，f ) ，则接收到的信号为 y ( f ) = x ( f ) o h ( t ，f ) = ix ( r ) h ( t ，t r ) d r ( 2 9 ) 2 3 2 5 多普勒频移 当无线电波收发终端沿它, l j - - 者径向相对运动时，接收端收到的频率相对 于发送端会发生变化，这种现象称为多普勒效应。由这种现象产生的这个附加 频率变化量( 频移) 称为多普勒频移。由于卫星移动通信中卫星相对地球总是处 于运动中( g e o 卫星存在摄动和漂移) ，因此，多普勒频移广泛存在于任何两个进 行无线通信的收发终端之间，其大小取决于卫星和用户之间的相对运动速度和 位置关系以及发射频率。 多普勒频移可按下式计算 厶= 五。c ( 2 1 0 ) 式中，厶为工作频率；v 。为收发终端之间径向相对速度；c 为光速， c = 3 1 0 8 m s 。可见，工作频率越高或者径向速度越高，多普勒频移就越大。 图2 - 5 显示了在卫星可见窗口内最大仰角分别为1 2 。，3 0 。，5 0 。，7 0 。，9 0 。时的多普勒频移曲线( 最小可见仰角为1 0 。) 。从图中可以看出，多普勒 曲线基本上成s 型，当用户终端观察卫星的仰角越大，卫星可见窗口就越长， 多普勒频移的变化范围和变化速度就越大。在地面的用户终端刚看见卫星从地 1 9 电子科技大学硕士论文 面升起时，地面用户终端有最大正值多普勒频移；卫星通过仰角最大点时，多 普勒频移为零；卫星消失时，地面用户终端有最大负值多普勒频移。另外，我 们还可推出，l e o 卫星的轨道高度越低，卫星飞行速度越快，多普勒频移也就 越大。如果两个发射频率之间的频率间隔不够大( 小于最大可能的多普勒频移) ， 则接收端就会产生相互干扰。 l t , 图2 - 5 在卫星可见窗口内不同最大仰角时的多普勒频移曲线 当移动台相对于静止的基站以速度v 运动，到达的入射波与运动方向的夹角为 0 时，则此入射波的多普勒频移为 f ：兰c o s 口 ( 2 1 1 ) 。 兄 其中，i x 为电波的波长，记为k = 善为最大多普勒频移。 2 3 2 6 传播噪声 传播噪声是指卫星、卫星移动通信终端、关口站、卫星网络和测控中心等 接收机天线收到的电波传播环境产生的噪声，包括太阳系噪声、宇宙噪声、大 气噪声、降雨噪声、地面噪声和干扰噪声等。实际上，接收机输入端的噪声除 了由接收系统( 包括接收机、天线及馈线) 的外部环境因素引起的传播噪声外，还 有接收系统本身的内部噪声。图2 6 给出了接收系统内、外噪声的来源。传播 噪声的大小可以用天线的等效噪声温度乙来表示。 太阳系噪声是指太阳系中的太阳、各行星及月亮辐射的电磁干扰被天线接 收而形成的噪声，其中，太阳是最大热辐射源。天线等效噪声温度中太阳在静 电子科技大学硕士论文 寂期间所提供的部分为 = 4 8 x 1 6 - 6 t g r q 图2 - 6 地球站接收系统的噪声来源 ( 2 1 2 ) + 噪声) 式中，g 是覆盖太阳圆盘那一部分天线波束的增益平均值；l 是传播路径中除 自由空间传播损耗以外的各种衰减性损耗；是太阳在静寂期的噪声温度。 宇宙噪声是外空间星体的热分布及分布在星际空间的物质辐射所形成的噪 声。这噪声在银河系中心的指向上达到最大值( 称为热空) ，而在天空其他部分的 指向上则是很低的( 称为冷空) ，它是频率的函数。在1 g h z 以下时是传播噪声的 主要部分。 电离层和对流层不但对电波产生损耗， 其中主要是氧气和水蒸气构成的大气噪声。 降雨、云和雾在产生电波损耗的同时，